半導體激光器組件的傳熱特性與熱電控制技術研究.pdf

1、作為一種新型的光源，半導體激光器（LD，LaserDiode)因具有轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、可靠性高、能直接調(diào)制及與其它半導體器件集成的能力強等特點，已經(jīng)越來越廣泛地應用于通信、精密測量、材料加工、醫(yī)療和軍事等領域，其工作穩(wěn)定性和可靠性在應用系統(tǒng)中起著關鍵作用。伴隨著LD的廣泛應用，其熱問題一直是人們關注的焦點之一。特別是近年來，LD多以組件的形式生產(chǎn)和封裝，封裝的趨勢更是朝向輕薄短小，這造成器件的發(fā)熱密度不斷提升，從而對半導體激光

2、器組件的傳熱特性與熱控制技術研究提出了新的要求。為此，本文對半導體激光器組件的傳熱特性進行了理論分析，并針對目前半導體激光器組件熱電控制技術在應用研究中存在的問題，進行了深入系統(tǒng)地研究。論文主要研究工作如下：
　　1．作為研究半導體激光器組件傳熱特性與熱控制的基礎，對熱電制冷器工作特性的研究有著重要意義。針對現(xiàn)有建模方法存在的問題，提出一種Ⅳ級耦合熱電制冷器的等效電路模型，該模型綜合考慮了結(jié)構(gòu)尺寸、非控制端溫度、控制端熱流量、附加

3、熱阻、附加電阻、工作電流以及驅(qū)動源等因素對器件特性的影響。仿真與實驗結(jié)果表明，該模型能更好地分析和表征器件的工作特性。同時利用該模型對制冷與熱泵模式下單級熱電制冷器的工作特性分別進行了穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)分析，得出了控制端的負載、非控制端溫度、工作電流等參數(shù)對控制端溫度變化影響的基本規(guī)律，這為熱電制冷技術的深入研究提供了理論指導。
　　2．針對目前運用實驗或溫度場理論計算方法進行半導體激光器組件傳熱特性研究均較為復雜、不便的問題，通過合理

4、的機理分析與簡化建立起半導體激光器組件傳熱的數(shù)學模型，并推導出計算半導體激光器組件有源區(qū)溫度的解析式。實驗結(jié)果表明，該方法是一種有效的實用建模方法，其計算過程較溫度場數(shù)值計算簡單、方便，從而為半導體激光器組件熱控系統(tǒng)的仿真、控制技術研究提供了便于應用的模型。同時利用該模型對影響半導體激光器組件有源區(qū)溫度穩(wěn)定性的因素進行了分析，得到了熱電制冷器工作電流、外部環(huán)境溫度、LD芯片的工作電流及非控制端換熱系數(shù)影響有源區(qū)溫度穩(wěn)定性的基本規(guī)律，這對

5、于半導體激光器組件的熱電控制系統(tǒng)設計具有指導意義。
　　3．針對環(huán)境溫度變化對半導體激光器組件高穩(wěn)定性恒溫控制的影響問題，提出了一種基于雙級耦合結(jié)構(gòu)的半導體激光器組件熱電恒溫控制方法。該方法分別以組件的外部環(huán)境和組件的內(nèi)部溫度作為第一級被控對象和第二級被控對象，可以有效解決半導體激光器組件工作特性受環(huán)境溫度變化影響的問題。并建立了雙級耦合結(jié)構(gòu)熱電控制系統(tǒng)的等效電路模型，討論了雙級耦合熱電系統(tǒng)的性能特性，推導出了最佳工作電流的范圍。

6、同時，設計了一種基于模糊控制的多模態(tài)控制器，數(shù)字電位計控制技術的引入，有效實現(xiàn)了模糊控制器與模擬PI控制器的功能融合，具有簡明、有效且易實現(xiàn)的特點。
　　4．提出了適用于通信用半導體激光器組件的測控系統(tǒng)設計方案，并研制了實驗系統(tǒng)。設計了多功能半導體激光器組件驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)多種工作模式的驅(qū)動；設計了基于雙級耦合結(jié)構(gòu)的半導體激光器組件熱電恒溫控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)對被控組件的快速恒溫控制；采用單片機與邏輯控制結(jié)合作為主從處理器的設計方法，