半导体激光器热管理探讨

半导体激光器以其高效率、高光束质量、结构紧凑、长寿命等优点引起了人们极大的兴趣。以1962年美国首先研制成GaAs 同质结半导体激光器为开端，半导体激光器阈值电流不断降低，直接促进了其在军事、医疗、通信、航空航天等领域的应用。半导体激光器正常工作时，其发光效率一般低于50%，其余能量转换为废热，这些废热会导致激光器输出波长发生变化，同时由温度诱发的应力分布改变会导致晶体的折射率和膨胀率发生变化，从而降低光束输出质量。因此，如何高效地将废热从激光器内部导出成为激光器稳定运行的重要因素。

激光武器系统中的激光器靠电能产生高度聚焦的激光光束，在此过程中产生大量热量，为使激光束质量提高，必须散发掉这些热量，如联合攻击战斗机上装备的高能激光武器可通过液冷系统把热量传递给飞机油箱，进而排入空气。同时，还需对激光器工作介质进行热控制，如对于固体激光器需保证工作介质的温度均匀性和稳定性，可控制冷却水箱温度，但这在散热空间小、高热流密度等条件下很困难。

当前，半导体激光器热管理手段包括风冷、水冷和半传导冷却。风冷散热是将半导体激光器与散热器直接相连，通过空气对流散热将废热散失。风冷散热是一种成熟可靠的被动式散热方式，但是其散热能力有限，一般用于低热流密度散热，而且散热能力容易受到空气温度波动的影响。水冷散热是目前激光器热管理的主要技术，通过水的对流换热将热量从激光器内部带走。然而，水冷系统存在可靠性差，功耗高，体积大等缺点，不利于激光器的小型化和紧凑化发展。传导冷却是利用半导体制冷片或热管将热量传导至散热器，从而散失到空气中。传导冷却的体积小于水冷系统的体积，但是半导体制冷片的制冷效率一般低于10%，并且两端温差越大效率越低，其余电能转化为热能，为激光器系统带来额外热负荷。因此，探索新的半导体激光器热管理技术对于减小激光器的体积，提高激光器的效率和增加激光器的寿命具有重要的意义。(www.xing528.com)

此方面的典型应用场合包括激光电视、激光影院、激光切割、激光打印、激光雷达、激光清洗、激光焊接、激光扫描、激光制导、激光致盲、激光武器、激光治疗、激光美容等。针对激光器的热管理包括脉冲光纤激光器的冷却、化学激光器在防空和导弹防务方面的应用、化学激光器需要适度的冷却、化学激光器排气管的释热等。