11.2 Тепловое сопротивление полупроводниковых лазеров и зависимость лазерных характеристик от перегрева активной области.

Пороговая плотность тока экспоненциально зависит от температуры активной области полупроводникового лазера

(76)

Дифференциальная квантовая эффективность также экспоненциально зависит от температуры активной области полупроводникового лазера.

(77)

Следствием этого является насыщение ватт-амперной характеристики полупроводникового лазера в непрерывном режиме генерации.

Рис. 111. Ватт-амперная характеристика мощного многомодового полупроводникового лазера.

Несмотря на принудительное охлаждение медного теплоотвода на который смонтирован полупроводниковый лазер в непрерывном режиме генерации наблюдается перегрев активной области относительно теплоотвода. Это определяется по смещению спектров генерации с увеличением непрерывного тока накачки. На рисунке ниже приведена зависимость спектров генерации мощного полупроводникового лазера от тока накачки в непрерывном режиме генерации. Из эиой зависимости можно определить перегрев активной области полупроводникового лазера относительно теплоотвода, температура которого поддерживается постоянной. Длинноволновый край спектра генерации характеризует энергетические уровни для которых выполняются пороговые условия и смещение ширины запрещенной зоны с увеличением температуры активной области. Для основного большинства полупроводниковых материалов известен температурный параметр изменения ширины запрещенной зоны:

(78)

Рис. 112. Спектр генерации полупроводникового лазера при различных токах накачки в непрерывном режиме.

Зная Δλ из эксперимента определяется Δ Т перегрев активной области относительно теплоотвода.

(79)

Перегрев активной области относительно теплоотвода определяется подводимой электрической мощностью за вычетом излучаемой оптической мощности из полупроводникового лазера и тепловым сопротивлением определяемым качеством монтажа лазерного диода на теплоотвод.

Основной задачей разработчиков мощных полупроводниковых лазеров является снижение теплового сопротивления. Характерные значения теплового сопротивления составляют величину: 3-7 град/ Вт.

(80)

Тепловое сопротивление определяет: на сколько градусов перегревается активная область полупроводникового лазера при подведении к нему одного ватта электрической мощности за вычетом излучаемой оптической.

Рис. 113. Схематическое послойное изображение полупроводникового лазера напаенного на теплоотвод.

Снизить тепловое сопротивление можно несколькими путями:

Увеличив теплопроводность материала теплоотвода (медь заменить на алмаз)

Увеличив теплопроводность омических контактов, припоя и изолирующих материалов.

Снизить температуру теплоотвода посредством водяного или азотного (пар) охлаждения.

Рис. 114. Монолитный медный теплоотвод с твердосплавным носителем и контактной пластиной для лазерных линеек. в разобранном виде.

На следующем рисунке изображен разобранный теплоотвод с каналами для прокачки воды или паров жидкого азота. Это позволяет снизить температуру теплоотвода относительно комнатной в значительной степени.

Рис. 115. Монолитный медный теплоотвод для лазерных линеек в разобранном виде с каналами для охлаждения парами жидкого азота.