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窄线宽半导体激光器的热设计及优化

刘思喆 全伟 翟跃阳

刘思喆, 全伟, 翟跃阳等 . 窄线宽半导体激光器的热设计及优化[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(3): 588-596. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0336
引用本文: 刘思喆, 全伟, 翟跃阳等 . 窄线宽半导体激光器的热设计及优化[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(3): 588-596. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0336
LIU Sizhe, QUAN Wei, ZHAI Yueyanget al. Thermal design and optimization of narrow linewidth semiconductor lasers[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(3): 588-596. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0336(in Chinese)
Citation: LIU Sizhe, QUAN Wei, ZHAI Yueyanget al. Thermal design and optimization of narrow linewidth semiconductor lasers[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(3): 588-596. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0336(in Chinese)

窄线宽半导体激光器的热设计及优化

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0336
基金项目: 

国家自然科学基金 61773043

国家自然科学基金 61227902

国家自然科学基金 61374210

国家自然科学基金 61421063

国家自然科学基金 61703025

详细信息
    作者简介:

    刘思喆  女, 硕士研究生。主要研究方向:精密机械设计

    全伟  男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向:精密仪器与量子传感技术

    翟跃阳 男, 博士, 副教授, 博士生导师。主要研究方向:精密仪器与量子传感技术

    通讯作者:

    全伟, E-mail:quanwei@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V441;TN365

Thermal design and optimization of narrow linewidth semiconductor lasers

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 61773043

National Natural Science Foundation of China 61227902

National Natural Science Foundation of China 61374210

National Natural Science Foundation of China 61421063

National Natural Science Foundation of China 61703025

More Information
  • 摘要:

    激光管内产生的热流对结构固有特性的影响是窄线宽半导体激光器结构设计的重点研究问题之一。基于机械性能和温度载荷要求,以整体结构散热最大化为目标,对内部热载荷进行了分析与应用研究,并以此为依据对半导体激光器的结构尺寸与结构形式进行了优化设计,该方法使激光器整体温度最大值由24.6℃降至22.827℃,并且分析了前100 s内瞬态温度变化曲线,通过优化结构使得散热均匀性得到很好的改善。

     

  • 图 1  实际建立的半导体激光器装配模型

    Figure 1.  Assembly model of semiconductor laser for actual use

    图 2  用于有限元分析的半导体激光器简化模型

    Figure 2.  Simplified model of semiconductor laser for finite element analysis

    图 3  网格质量为0.5在整体结构中对应的位置

    Figure 3.  Position in overall structure with mesh metric of 0.5

    图 4  网格质量低于0.7在整体结构中对应的所有位置

    Figure 4.  All positions in overall structure with mesh metric under 0.7

    图 5  半导体激光器的有限元模型

    Figure 5.  Finite element model of semiconductor laser

    图 6  半导体激光器结构温度场分布云图

    Figure 6.  Contour of temperature field distribution of semiconductor laser structure

    图 7  瞬态温度随时间的变化

    Figure 7.  Change of transient temperature with time

    图 8  机械安装模块与底座瞬态温度变化

    Figure 8.  Transient temperature change of mechanical installation module and base

    图 9  结构尺寸优化后的半导体激光器装配模型

    Figure 9.  Assembly model of semiconductor laser after structural size optimization

    图 10  结构尺寸优化后的稳态温度分布云图

    Figure 10.  Contour of steady-state temperature distribution after structural size optimization

    图 11  结构形式优化后的半导体激光器装配模型

    Figure 11.  Assembly model of semiconductor laser after structural form optimization

    图 12  结构形式优化后的稳态温度分布云图

    Figure 12.  Contour of steady-state temperature distribution after structural form optimization

    图 13  结构尺寸优化方案与结构形式优化方案在前100 s内的瞬态温度变化

    Figure 13.  Transient temperature change of structural size optimization scheme and structural form optimization scheme in the first 100 s

    图 14  结构形式优化后的结构在实验室环境下前100 s内的温度变化

    Figure 14.  Temperature change of optimized structural form in laboratory environment in the first 100 s

    表  1  材料性能参数[14]

    Table  1.   Performance parameter of material[14]

    材料 弹性模量E/(1010Pa) 泊松比 密度ρ/(kg·m-3) 导热系数/(W·(m·K)-1)
    黄铜 10.6 0.324 8 500 108.9
    紫铜 12.0 0.320 8 930 386.4
    亚克力 0.3 0.320 1 190 0.19~0.40
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    表  2  半导体激光器有限元网格划分

    Table  2.   Finite element meshing of semiconductor laser

    名称 节点 单元
    整体结构 136 361 90 557
    底座 20 059 13 188
    激光准直模块 39 489 25 104
    机械安装模块 49 277 32 078
    外壳 27 536 14 513
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-06-07
  • 录用日期:  2018-09-03
  • 网络出版日期:  2019-03-20

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