一种半导体激光器温度控制技术

金阿立 周斌 乔显金

摘  要：针对大功率激光器工作时的热耗散，讨论了温度控制原理，通过定量计算研究了半导体制冷器（TEC）的选择、散热片的选择，给出了制冷器与散热片的组装工艺，并结合具体实例分析了温控方案的技术指标，为工程实践提供了技术参考。

关键词：半导体激光器  半导体制冷器  温度控制

中图分类号：TN248.4   文献标识码：A          文章编号：1672-3791（2019）05（b）-0034-04

半导体激光器工作温度范围一般在-10°～50℃之间，若高于或低于这个温度域，激光器可能会因温度过高而受到损坏，或因温度过低而停摆[1-4]。因此大功率激光器需要进行温度控制，使其在规定温度条件下工作，这对于延长激光器受命，提高其可靠性具有重要意义。有多种可供参考的激光器工作温度控制方法，如水循环冷却、风冷却及电冷却（即半导体制冷）等。水冷效率高、速度快，但需要体积和重量庞大的压缩机和水泵，工作噪声大，通常只在实验室使用;风冷效率低，效果不好，不能满足大散热要求;电制冷体积小、效率高，能够将温度控制到环境温度以下，自加热自制冷，可靠性较高，温度控制精度可达±0.1℃，且对环境要求不高，适合激光夜视监控系统等野外条件使用。

1  半导体制冷器的选择

半导体制冷器（Thermo Electric Cooler，TEC）是利用半导体材料的帕尔贴效应制成的。通过改变电源输出电流，控制制冷片输出功率，半导体制冷片的抽运功率和冷端的制冷是靠调节加在两端的电流来控制的（在额定功率范围内，超出额定功率，半导体制冷片将会是另外的一个热源），其计算非常复杂，与负载、冷热端温度以及二级散热的效果有关，一般均采用闭环控制系统[5]。

激光器工作时，当其表面温度高于环境温度，就会以对流和辐射的形式向环境散热，如果电致发热量高于散热量则热沉会继续升温，使散热量继续加大，直到与LD发热量相等为止，此时激光器具有最高温度。

2  半导体BAR与散热片的组装

影响散热片散热性能的指标主要有材料、有效散热面积、鳍片数量、散热片形状等[6]。散热材料现在主要使用铜和铝两种，比它们导热率更好的金属材料还有银。上述两种材料比起来，铜的导热率比较高，导热效果仅次于银，重量较重，但成本也高于铝材料;铝材料的散热片早已形成一定的商业规模。从成本和散热量而言，使用铝散热完全满足要求。从散热片到空气之间的热传递主要有3种方式：热辐射、空气对流和热传导。为了取得更好的散热效果，只有从空气对流上采取办法。

将半导体BAR与散热组件能否成功组装关系到散热效果。采用如下的“三明治”工艺结构，如图5所示：（1）散热片和风扇连接。采用高速运转风扇排风效果好，但噪音大，因此合理选择风扇尺寸和转速也很重要，风扇和散热器的连接方法通常有两种，即左右固定法和正下方固定法，前者通常采用一个吹风一个拉风的方法，这适用于大方形散热器，后者则采用同时吹风两边走风的方法，适用于小薄散热器。（2）散热片和TEC连接：我们采用固定槽定位TEC，接触面之间均匀涂抹导热硅脂。（3）TEC与均匀铜板的连接：在TEC上均匀涂抹导热硅脂后，在其上盖上铜板，要求铜板厚薄均匀，且与散热片之间要有一定的缝隙间隔。（4）激光器BAR与铜板连接：在铜板固定BAR的位置均匀涂抹导热硅脂，用螺丝固定好BAR，要求BAR尽可能对准TEC中心位置。

3  具体实例

实际工作中激光光源的驱动与温度控制电源通常采用一体化模块，对于30W光纤输出波长808nm的模块，该模块采用的是3V，50A驱动与温度控制电源。此外半導体激光器驱动电源的电流为0.5～50A，且连续可调节;TEC驱动电源的电流为0.5～20A，且自动调节，电压为30V;直流风扇指标为24V、35W。

温度控制的技术指标为：

（1）温度控制特性。温度控制范围：-10℃～40℃;温度控制精度：1℃;温度预置对温度监视的精度：<1%。

（2）输出特性。最大双向电流±20A;最大恒流输出电压±30V;最大输出功率600W;增益可调0～50;积分时间1s。

（3）温度传感器采用热敏电阻类型PT100。

（4）一般特性。AC电源220V;最大功率消耗800W;散热方式强制风冷;操作温度0℃～50℃（保证参数）; -40℃～80℃（保证工作）。

4  结语

对于激光夜视监控系统等需要大功率激光器的工程实践，由于激光器工作时将产生大量热耗散，故必须考虑热散因素，否则将减小激光器寿命甚至损坏激光器。该文定量描述了半导体制冷器（TEC）的选择、散热片的选择及与半导体BAR的组装，给出了具体实例，为激光夜视监控系统的光源温度控制提供了工程参考。

参考文献

[1] 任青毅，龙燕.二极管激光器驱动电源的研制[J].电源技术应用，2007，10（1）：36-38.

[2] 张娜.半导体激光器恒温控制理论与应用[J].吉林大学学报，2002，40（3）：284-287.

[3] 罗忠生，张美敦.高精度半导体激光二极管温度控制系统[J].半导体光电，1999，20（2）：115-119.

[4] 闫晓梅，张记龙.半导体激光器的温度控制器的设计[J]. 微计算机信息，2007，23（11-2）：311-313.

[5] 张洪济.热传导[M].北京：高等教育出版社，1992.

[6] 钟广学.半导体制冷器件及其应用[M].北京：科学出版社，1991.