CN112083306A - 一种半导体激光器散热性能的评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半导体激光器散热性能的评估方法及系统，其方法包括：首先根据多次半导体激光器运行试验，获取所述半导体激光器的多组运行参数；每组所述运行参数至少包括：激光出射波长λ和对应的电流I；将各组运行参数中的电流I进行平方运算，得到多个电流平方参数I²；建立激光出射波长λ和对应的电流平方参数I²的关系图，拟合得到直线λ=K×I²，获得所述半导体激光器的λ~I²斜率系数K；最后根据所述斜率系数K，利用半导体激光器壳体热阻计算公式，计算获得所述半导体激光器的壳体热阻Rs。本发明的有益效果是：准确率高，易于实现，流程简单，工作量小，周期短，实用性强。

Description

一种半导体激光器散热性能的评估方法及系统

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种半导体激光器散热性能的评估方法及系统。

背景技术

半导体激光器工作时，如果芯片温度过高会导致芯片烧坏等一系列问题。因此在前期进行半导体激光器的结构的设计时，需要对半导体激光器的壳体散热能力进行评估，以判断所设计的半导体激光器的壳体结构是否符合产品的散热标准。

而在评估过程中，往往难以测量芯片的结温，从而难以评估半导体激光器的散热能力，为了评价激光器的散热性能，业界进行了很多研究工作，例如2011年发表在《激光与光电子学进展》杂志上的论文《高功率半导体激光器热阻测量的实验研究》公开了一种计算热阻的方法，其通过测量激光器的电流、电压、光功率和工作波长，并根据波长与激光器结温的关系来计算热阻值，其测量得到多组数据，选取这些数据中相邻两组数据计算得到热阻值，最后将计算得到的这些热阻值进行平均得到激光器最后的热阻值，但是这种方法需要测量半导体激光器的光功率，测量误差较大，而且从该篇论文的测量数据和计算数据可看出，在不同占空比下，测量计算得到的热阻值差异较大，有的相差接近1倍，可见上述方法计算得到的激光器的热阻值准确率不高，难以较好的评价激光器的散热性能。

发明内容

为了解决现有半导体激光器散热性能评估不准确的问题，本发明提供了一种半导体激光器散热性能的评估方法及系统；通过试验参数拟合得到斜率系数，并通过斜率系数来评估半导体激光器的散热性能的好坏和计算半导体激光器的壳体热阻。

本发明提出的一种半导体激光器散热性能的评估方法，具体包括以下步骤：

S101：根据半导体激光器运行试验，获取所述半导体激光器在实际工况下的多组运行参数；每组所述运行参数至少包括：激光出射波长λ和对应的电流I；

S102：将各组运行参数中的电流I进行平方运算，得到多个电流平方参数I²；根据多个激光出射波长λ和对应电流平方参数I²的值，建立激光出射波长λ和对应的电流平方参数I²的关系图，拟合得到直线λ=K×I²，获得所述半导体激光器的λ~I²斜率系数K；

S103：根据所述斜率系数K，利用半导体激光器壳体热阻计算公式计算获得所述半导体激光器的壳体热阻Rs；所述半导体激光器壳体热阻计算公式为Rs=Ks×K，上式中，Ks=1/ar，为常量；K为λ~I²拟合直线的斜率系数；a为温度-波长系数，r为半导体激光器的电阻，通过所述半导体激光器的λ~I²斜率系数K评估所述半导体激光器的散热性能。

进一步地，步骤S101中，所述半导体激光器运行，具体为：根据所述半导体激光器的实际运行工况，向所述半导体激光器中通入预设电流I使所述半导体激光器产生激光，并测得激光出射波长λ；记录电流I和激光出射波长λ为一组运行参数；改变通入所述半导体激光器的预设电流I，进行多组试验，获得多组运行参数。

进一步地，步骤S102中，根据所述斜率系数K判断所述半导体激光器的壳体散热性能，具体为：

若K小于或者等于Ko，则表明所述半导体激光器的散热性能好，符合产品要求；否则，表明所述半导体激光器的散热性能不好，不符合产品要求；其中，Ko＞0，且Ko为根据所述半导体激光器的实际使用需求预先设定的阈值。

一种半导体激光器散热性能的评估系统，包括以下模块：

参数试验模块，用于根据半导体激光器运行试验，获取所述半导体激光器在实际工况下的多组运行参数；每组所述运行参数至少包括：激光出射波长λ和对应的电流I；

斜率系数拟合模块，用于将各组运行参数中的电流I进行平方运算，得到多个电流平方参数I²；建立所述多组运行参数中的激光出射波长λ和对应的电流平方参数I²的关系图，拟合得到直线λ=K×I²，获得所述半导体激光器的λ~I²斜率系数K；

壳体热阻计算模块，用于根据所述斜率系数K，利用半导体激光器壳体热阻计算公式，计算获得所述半导体激光器的壳体热阻Rs；所述半导体激光器壳体热阻计算公式为Rs=Ks×K，上式中，Ks为常量，且Ks=1/ar；

为λ~I²拟合直线的斜率系数；a为温度-波长系数，r为半导体激光器的电阻，通过所述半导体激光器的λ~I²斜率系数K评估所述半导体激光器的散热性能。

进一步地，参数试验模块中，所述半导体激光器运行试验，具体为：根据所述半导体激光器的实际运行工况，向所述半导体激光器中通入预设电流I使所述半导体激光器产生激光，并测得激光出射波长λ；记录电流I和激光出射波长λ为一组运行参数；改变通入所述半导体激光器的预设电流I，进行多组实验，测得多个激光出射波长λ。

进一步地，斜率系数拟合模块中，根据所述斜率系数K判断所述半导体激光器的壳体散热性能，具体为：

若K小于或者等于Ko，则表明所述半导体激光器的散热性能好，符合产品要求；否则，表明所述半导体激光器的散热性能不好，不符合产品要求；其中，Ko＞0，且Ko为根据所述半导体激光器的实际使用需求预先设定的阈值。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：相较于传统的热传导仿真的评估方式，本发明所提出的评估方法准确性高、易于实现，流程简单，工作量小，周期短，实用性强。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中一种半导体激光器散热性能的评估方法的流程图；

图2是本发明实施例中半导体激光器1的λ~I²拟合曲线示意图；

图3是本发明实施例中半导体激光器2的λ~I²拟合曲线示意图；

图4是本发明实施例中半导体激光器1的λ~I拟合曲线示意图；

图5是本发明实施例中半导体激光器2的λ~I拟合曲线示意图；

图6是本发明实施例中一种半导体激光器散热性能的评估系统的模块连接示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的实施例提供了一种半导体激光器散热性能的评估方法及系统。

请参考图1，图1是本发明实施例中一种半导体激光器散热性能的评估方法的流程图，具体包括如下步骤：

S101：根据多次半导体激光器运行试验，获取所述半导体激光器在实际工况下的多组运行参数；每组所述运行参数至少包括：激光出射波长λ和对应的电流I。

根据焦耳定律，所述半导体激光器的发热功率与输入电流的平方成正比，如公式P=I²r；I为通入所述半导体激光器的电流值，r为所述半导体激光器的电阻。

另外，激光出射波长λ与激光芯片的温度有关，其关系式是λ=aT+λo，上式中，a为温度-波长系数，系芯片结温每升高1开尔文(K)所引起的波长变化，单位是nm/K，a由芯片的性能决定，为芯片的已知系数；λo为冷波长，T为半导体激光器芯片的结温。例如对于某个半导体激光器的芯片，一般工作环境温度在25摄氏度，供电电流为2A时，该半导体激光器的发热量最小，芯片此时的激射波长即为冷波长λo，当供电电流较大时，半导体激光器芯片的结温会升高，从而导致输出激光的波长增加；对上述公式进行变形，得到半导体激光器芯片的结温温度T=(λ-λo)/a=△λ/a。

S102：将各组运行参数中的电流I进行平方运算，得到多个电流平方参数I²；并建立所述多组运行参数中的激光出射波长λ和对应的电流平方参数I²的关系图。

在本发明实施例中，选择了两种不同结构的半导体激光器，通过测量在不同环境温度下电流和激光出射波长数据（如表1所示），观察激光出射波长与电流平方关系数据图，如图2和图3所示；从图2和图3可以看出，两种不同结构的半导体激光器所对应的λ~I²曲线均近似为直线，可知激光出射波长与电流平方具有很好的线型特征；因此，拟合得到直线λ=K×I²，获得不同结构的半导体激光器的λ~I²斜率系数K。

请参阅图4和图5，其为上述两种不同结构的半导体激光器的多组激光出射波长λ与对应电流I的关系图，从图中可看出，两种不同结构的半导体激光器所对应的λ~I曲线不为直线，因此可见，波长λ与对应电流I没有良好的线性关系，因此本设计通过拟合该激光出射波长λ与电流平方I²得到λ~I²斜率系数K。

S103：根据所述斜率系数K，利用半导体激光器壳体热阻计算公式，计算获得所述半导体激光器的壳体热阻Rs；所述半导体激光器壳体热阻计算公式Rs=△T/△P=△λ/(a×△I²r)=△λ/(a r×△I²)=Ks×K；上式中，Ks=1/ar，a为温度-波长系数，r为半导体激光器的电阻，因此Ks由半导体激光器本身所决定，为半导体激光器的常量；K=△λ/△I²，为λ~I²斜率系数，由于λ~I²为直线，因此K为只与所述半导体激光器结构有关的系数，此时K可以直接反映所述半导体激光器结构的散热能力。

由图2和图3可知，不同的半导体激光器结构对应不同的斜率系数K，且图2或图3中分别示出了同一激光器在不同温度环境下λ~I²的关系，从图中拟合的直线可看出，相同的激光器结构在不同的环境温度下具有基本相同的斜率系数，表明斜率系数K为半导体激光器的内在属性，与外在环境无关，因此，斜率系数K可以定为描述半导体激光器壳体散热能力的指标，K越小，半导体激光器散热性能越好。由图2和图3可知，半导体激光器1的斜率系数K小于半导体激光器2的斜率系数K，表明半导体激光器1的结构相较于半导体激光器2具有更好的散热能力。

表1 不同半导体激光器结构运行试验参数表

在本发明实施例的步骤S102中，根据所述斜率系数K判断所述半导体激光器的壳体散热性能，具体为：

若K小于或者等于Ko，则表明所述半导体激光器的散热性能好，符合产品要求；否则，表明所述半导体激光器的散热性能不好，不符合产品要求；其中，Ko＞0，且Ko为根据所述半导体激光器的实际使用需求预先设定的阈值。

在本发明实施例的步骤S101中，所述半导体激光器运行试验，具体为：根据所述半导体激光器的实际运行工况，向所述半导体激光器中通入预设电流I，使所述半导体激光器产生激光，并测得激光出射波长λ；记录电流I和激光出射波长λ为一组运行参数。

改变通入所述半导体激光器的预设电流I，进行多组实验，获得多组运行参数。

请参阅图6，图6是本发明实施例中一种半导体激光器散热性能的评估系统的模块组成示意图，包括顺次连接的参数试验模块11、斜率系数拟合模块12和壳体热阻计算模块13；其中：

参数试验模块11，用于根据多次半导体激光器运行试验，获取所述半导体激光器在实际工况下的多组运行参数；每组所述运行参数至少包括：激光出射波长λ和对应的电流I。

斜率系数拟合模块12，用于将各组运行参数中的电流I进行平方运算，得到多个电流平方参数I²；建立所述多组运行参数中的激光出射波长λ和对应的电流平方参数I²的关系图，拟合得到直线λ=K×I²，获得所述半导体激光器的λ~I²斜率系数K；

壳体热阻计算模块13，用于根据所述斜率系数K，利用半导体激光器壳体热阻计算公式，计算获得所述半导体激光器的壳体热阻Rs；所述半导体激光器壳体热阻计算公式为Rs=Ks×K，上式中，Ks为常量，且Ks=1/ar；K为λ~I²斜率系数；a为温度-波长系数，r为半导体激光器的电阻。

参数试验模块11中，所述半导体激光器运行试验，具体为：根据所述半导体激光器的实际运行工况，向所述半导体激光器中通入预设电流I，使所述半导体激光器产生激光，并测得激光出射波长λ；记录电流I和激光出射波长λ为一组运行参数。

改变通入所述半导体激光器的预设电流I，进行多组实验，获得多组运行参数。

斜率系数拟合模块12中，根据所述斜率系数K判断所述半导体激光器的壳体散热性能，具体为：

若K小于或者等于Ko，则表明所述半导体激光器的散热性能好，符合产品要求；否则，表明所述半导体激光器的散热性能不好，不符合产品要求；其中，Ko＞0，且Ko为根据所述半导体激光器的实际使用需求预先设定的阈值。

本发明的有益效果是：本发明实施例提出一种半导体激光器散热性能的评估方法及系统，相较于传统的热传导仿真的评估方式，本发明所提出的技术方案通过试验参数拟合得到斜率系数，并通过斜率系数来评估半导体激光器的散热性能的好坏和计算半导体激光器的壳体热阻，本发明所提出的评估方法易于实现，流程简单，工作量小，周期短，实用性强。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种半导体激光器散热性能的评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

S101：根据半导体激光器运行试验，获取所述半导体激光器在实际工况下的多组运行参数；每组所述运行参数至少包括：激光出射波长λ和对应的电流I；

S102：将各组运行参数中的电流I进行平方运算，得到多个电流平方参数I²；根据多个激光出射波长λ和对应电流平方参数I²的值，建立激光出射波长λ和对应的电流平方参数I²的关系图，拟合得到直线λ=K×I²，获得所述半导体激光器的λ~I²斜率系数K；

S103：根据所述斜率系数K，利用半导体激光器壳体热阻计算公式计算获得所述半导体激光器的壳体热阻Rs；所述半导体激光器壳体热阻计算公式为Rs=Ks×K，上式中，Ks=1/ar，为常量；K为λ~I²拟合直线的斜率系数；a为温度-波长系数，r为半导体激光器的电阻，通过所述半导体激光器的λ~I²斜率系数K评估所述半导体激光器的散热性能。

2.如权利要求1所述的一种半导体激光器散热性能的评估方法，其特征在于：步骤S101中，所述半导体激光器运行，具体为：根据所述半导体激光器的实际运行工况，向所述半导体激光器中通入预设电流I使所述半导体激光器产生激光，并测得激光出射波长λ；记录电流I和激光出射波长λ为一组运行参数；改变通入所述半导体激光器的预设电流I，进行多组试验，获得多组运行参数。

3.如权利要求1所述的一种半导体激光器散热性能的评估方法，其特征在于：步骤S102中，根据所述斜率系数K判断所述半导体激光器的壳体散热性能，具体为：

若K小于或者等于Ko，则表明所述半导体激光器的散热性能好，符合产品要求；否则，表明所述半导体激光器的散热性能不好，不符合产品要求；其中，Ko＞0，且Ko为根据所述半导体激光器的实际使用需求预先设定的阈值。

4.一种半导体激光器散热性能的评估系统，其特征在于：包括以下模块：

参数试验模块，用于根据半导体激光器运行试验，获取所述半导体激光器在实际工况下的多组运行参数；每组所述运行参数至少包括：激光出射波长λ和对应的电流I；

斜率系数拟合模块，用于将各组运行参数中的电流I进行平方运算，得到多个电流平方参数I²；建立所述多组运行参数中的激光出射波长λ和对应的电流平方参数I²的关系图，拟合得到直线λ=K×I²，获得所述半导体激光器的λ~I²斜率系数K；

壳体热阻计算模块，用于根据所述斜率系数K，利用半导体激光器壳体热阻计算公式，计算获得所述半导体激光器的壳体热阻Rs；所述半导体激光器壳体热阻计算公式为Rs=Ks×K，上式中，Ks为常量，且Ks=1/ar；

为λ~I²拟合直线的斜率系数；a为温度-波长系数，r为半导体激光器的电阻，通过所述半导体激光器的λ~I²斜率系数K评估所述半导体激光器的散热性能。

5.如权利要求4所述的一种半导体激光器散热性能的评估系统，其特征在于：参数试验模块中，所述半导体激光器运行试验，具体为：根据所述半导体激光器的实际运行工况，向所述半导体激光器中通入预设电流I使所述半导体激光器产生激光，并测得激光出射波长λ；记录电流I和激光出射波长λ为一组运行参数；改变通入所述半导体激光器的预设电流I，进行多组实验，测得多个激光出射波长λ。

6.如权利要求4所述的一种半导体激光器散热性能的评估系统，其特征在于：斜率系数拟合模块中，根据所述斜率系数K判断所述半导体激光器的壳体散热性能，具体为：

若K小于或者等于Ko，则表明所述半导体激光器的散热性能好，符合产品要求；否则，表明所述半导体激光器的散热性能不好，不符合产品要求；其中，Ko＞0，且Ko为根据所述半导体激光器的实际使用需求预先设定的阈值。

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