半導(dǎo)體激光器組件的傳熱特性與熱電控制技術(shù)研究.pdf

1、作為一種新型的光源，半導(dǎo)體激光器（LD，LaserDiode)因具有轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、可靠性高、能直接調(diào)制及與其它半導(dǎo)體器件集成的能力強(qiáng)等特點(diǎn)，已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于通信、精密測(cè)量、材料加工、醫(yī)療和軍事等領(lǐng)域，其工作穩(wěn)定性和可靠性在應(yīng)用系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。伴隨著LD的廣泛應(yīng)用，其熱問(wèn)題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。特別是近年來(lái)，LD多以組件的形式生產(chǎn)和封裝，封裝的趨勢(shì)更是朝向輕薄短小，這造成器件的發(fā)熱密度不斷提升，從而對(duì)半導(dǎo)體激光

2、器組件的傳熱特性與熱控制技術(shù)研究提出了新的要求。為此，本文對(duì)半導(dǎo)體激光器組件的傳熱特性進(jìn)行了理論分析，并針對(duì)目前半導(dǎo)體激光器組件熱電控制技術(shù)在應(yīng)用研究中存在的問(wèn)題，進(jìn)行了深入系統(tǒng)地研究。論文主要研究工作如下：
　　1．作為研究半導(dǎo)體激光器組件傳熱特性與熱控制的基礎(chǔ)，對(duì)熱電制冷器工作特性的研究有著重要意義。針對(duì)現(xiàn)有建模方法存在的問(wèn)題，提出一種Ⅳ級(jí)耦合熱電制冷器的等效電路模型，該模型綜合考慮了結(jié)構(gòu)尺寸、非控制端溫度、控制端熱流量、附加

3、熱阻、附加電阻、工作電流以及驅(qū)動(dòng)源等因素對(duì)器件特性的影響。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型能更好地分析和表征器件的工作特性。同時(shí)利用該模型對(duì)制冷與熱泵模式下單級(jí)熱電制冷器的工作特性分別進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)分析，得出了控制端的負(fù)載、非控制端溫度、工作電流等參數(shù)對(duì)控制端溫度變化影響的基本規(guī)律，這為熱電制冷技術(shù)的深入研究提供了理論指導(dǎo)。
　　2．針對(duì)目前運(yùn)用實(shí)驗(yàn)或溫度場(chǎng)理論計(jì)算方法進(jìn)行半導(dǎo)體激光器組件傳熱特性研究均較為復(fù)雜、不便的問(wèn)題，通過(guò)合理

4、的機(jī)理分析與簡(jiǎn)化建立起半導(dǎo)體激光器組件傳熱的數(shù)學(xué)模型，并推導(dǎo)出計(jì)算半導(dǎo)體激光器組件有源區(qū)溫度的解析式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法是一種有效的實(shí)用建模方法，其計(jì)算過(guò)程較溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算簡(jiǎn)單、方便，從而為半導(dǎo)體激光器組件熱控系統(tǒng)的仿真、控制技術(shù)研究提供了便于應(yīng)用的模型。同時(shí)利用該模型對(duì)影響半導(dǎo)體激光器組件有源區(qū)溫度穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了分析，得到了熱電制冷器工作電流、外部環(huán)境溫度、LD芯片的工作電流及非控制端換熱系數(shù)影響有源區(qū)溫度穩(wěn)定性的基本規(guī)律，這對(duì)

5、于半導(dǎo)體激光器組件的熱電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。
　　3．針對(duì)環(huán)境溫度變化對(duì)半導(dǎo)體激光器組件高穩(wěn)定性恒溫控制的影響問(wèn)題，提出了一種基于雙級(jí)耦合結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器組件熱電恒溫控制方法。該方法分別以組件的外部環(huán)境和組件的內(nèi)部溫度作為第一級(jí)被控對(duì)象和第二級(jí)被控對(duì)象，可以有效解決半導(dǎo)體激光器組件工作特性受環(huán)境溫度變化影響的問(wèn)題。并建立了雙級(jí)耦合結(jié)構(gòu)熱電控制系統(tǒng)的等效電路模型，討論了雙級(jí)耦合熱電系統(tǒng)的性能特性，推導(dǎo)出了最佳工作電流的范圍。

6、同時(shí)，設(shè)計(jì)了一種基于模糊控制的多模態(tài)控制器，數(shù)字電位計(jì)控制技術(shù)的引入，有效實(shí)現(xiàn)了模糊控制器與模擬PI控制器的功能融合，具有簡(jiǎn)明、有效且易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。
　　4．提出了適用于通信用半導(dǎo)體激光器組件的測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并研制了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了多功能半導(dǎo)體激光器組件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多種工作模式的驅(qū)動(dòng)；設(shè)計(jì)了基于雙級(jí)耦合結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器組件熱電恒溫控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)被控組件的快速恒溫控制；采用單片機(jī)與邏輯控制結(jié)合作為主從處理器的設(shè)計(jì)方法，