基于TEC控温的半导体激光器热稳定性仿真及其热特性表征

作     者：王世飞 

作者单位：中国计量大学 

学位级别：硕士

导师姓名：毛佳妮;徐国富

授予年度：2018年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0803[工学-光学工程] 

主      题：半导体激光器 热电制冷 热特性表征 光输出 

摘      要：随着现代科技的快速发展,各种高新技术得到了广泛的关注和研究,其中半导体激光技术是现代科技的重要部分,但半导体激光器的散热问题已成为制约其发展的主要瓶颈。相对于其它几种激光器的控温方案,热电制冷(TEC)具有体积小巧、结构简单以及容易集成等优点。本课题选用了目前被广泛应用的蝶形封装光纤布拉格光栅稳定型半导体激光器作为研究对象。探讨激光二极管控温温度对半导体激光器输出光特性的影响,以求得到控温温度对半导体激光器性能的影响规律,从而提出更合理的半导体激光器的控温温度和供电方案。本课题的研究采取了仿真模拟计算分析与实验测量验证相结合的研究方式。首先分析了热电制冷系统模块对半导体激光器的热特性影响,论证了实验所选的研究对象具有良好的热电控温性能。设计并选型搭建了一套包括半导体激光器工作系统和激光器性能测试系统的实验装置。主要研究思路是从温度因素对半导体激光器的影响入手,通过仿真,考虑论证了热电制冷模块对于蝶形封装的半导体激光器的必要性和有效性,仿真发现TEC制冷模块具有良好的控温性,仿真条件范围内,LD控温温度受LD功率影响相对较大,但最大温差仅为1.54℃。通过实验,探讨分析了温度因素对半导体激光器性能的影响效果。深入研究了半导体激光器分别工作在高温区和低温区的性能。发现温度每升高25℃,阈值电流增加1倍。且在控温温度低于10℃时,激光器表现出良好的稳定性。另外,激光器在较高驱动电流下,表现出激光质量下降的现象,输入电流每升高1A时,输出激光的主瓣宽度增加13%。通过数据分析,提出了几个特殊工况下的控温温度和驱动电流对半导体激光器性能的影响。综合而言,较低且合适的输入电流,较低的控温温度,可以让激光器发挥最优的性能和稳定性。本文所研究的内容和思路,为某些特殊应用领域,对激光性能稳定性要求较高的半导体激光器的控温策略做出了优化建议和设计思路。