大功率半导体激光器模块散热结构的数值优化

　　半导体激光泵浦固体激光器（DPSSL）以其高效率、高光束质量、结构紧凑、长寿命等优点在军事、工业、医疗、科研等领域得到了广泛的发展及应用111，同时也极大地促进了大功率半导体激光泵浦源的发展。特别是半导体阵列亚封装模块结合普通背冷式水冷热沉形成的侧泵浦尽管只具有中等的光功率输出，但是利用该结构泵浦源对固体激光棒进行多级泵浦仍能获得超大功率输出而满足一些特殊领域的应用，同时由于低廉的价格，使其越来越多地取代泵浦灯而真正走向市场12.目前，这种泵浦源模块的基本构成单元，即亚封装模块主要有两种形式，一种是热扩散片与绝缘层一体的barsingrooves结构1341，另一种是利用高导热金属作为热扩散片结合绝缘陶瓷形成的夹层结构15.2005年纽约大学A.Gourevitch等人161在忽略激光bar的p，n面结构差异的情况下给出了barsingrooves结构的热模型和解析解，而对于夹层结构的详细分析尚未见报道。夹层结构的优点在于激光bar的封装与热沉的加载可以分两步进行且多个激光bar共用同一个热沉，结构紧凑，亚封装模块便于更换，同时避免了barsingrooves结构中，沟道侧壁对激光bar施加的应力，制作方便，寿命相对较长。尽管国内已有几家机构能够量产该结构泵浦源，但其具体结构参数仍以模仿国外成型产品为主。而近年来大功率半导体激光器的性能不断提高，其热特性和散热要求均有所改变，致使很多已有的结构尺寸并不一定是佳。本文从固体中热传导的基本理论入手，给出夹层结构亚封装模块热阻与各部分组件尺寸的定量关系，这对突破固有结构，根据实际需要设计出佳泵浦源整体结构具有指导意义和现实意义。

　　2模块结构及计算模型（a），（b）为泵浦源及夹层结构亚封装模块结构图，半导体激光bar与无氧铜热扩散片以及高导热绝缘陶瓷先构成亚封装模块，然后加载到普通背冷式水冷热沉表面，子热沉同时充当电极与热传导路径。

　　路径上均是激光bar双面散热，但是由于在夹层结构中，热扩散片采用无氧铜材料，其热导很高（98WAm *K）），同时其厚度通常仅比激光bar腔长稍大，结构热阻较小，因此计算时必须考虑激光bar的p面与n面结构的差异。双面散热量在改变支架尺寸的同时根据其平均热阻比值动态分配，而不能简单认为pn面散热量一致这是其热结构中与barsingrooves结构的主要区别，这将在后边的计算中得到证实。正因如此，建立微分方程解析求解时涉及到积分方程的求解，这在数学上非常困难，因此我们利用有限元软件Ansys求其数值解。

　　㈨体结构（丨I）乞架结构封装模块图i常用半导体激光泵浦源计算模型如，在该模型中，由于夹层结构中热扩散片的长度与激光bar的横向长度相差非常小（通常在1mm之内）因此忽略热扩散片纵向尺寸对整个热结构的影响，将其简化为一个二维模型，忽略激光bar腔长上热流密度的变化，加载一个均匀线热源到矩形热扩散片侧面。强激光与粒子束，2005，员，从事高功率半导体激光系统集成及散热的研究工作。