半导体激光器组件的传热特性与热电控制技术研究

论文摘要

作为一种新型的光源，半导体激光器(LD，Laser Diode)因具有转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制及与其它半导体器件集成的能力强等特点，已经越来越广泛地应用于通信、精密测量、材料加工、医疗和军事等领域，其工作稳定性和可靠性在应用系统中起着关键作用。伴随着LD的广泛应用，其热问题一直是人们关注的焦点之一。特别是近年来，LD多以组件的形式生产和封装，封装的趋势更是朝向轻薄短小，这造成器件的发热密度不断提升，从而对半导体激光器组件的传热特性与热控制技术研究提出了新的要求。为此，本文对半导体激光器组件的传热特性进行了理论分析，并针对目前半导体激光器组件热电控制技术在应用研究中存在的问题，进行了深入系统地研究。论文主要研究工作如下： 1．作为研究半导体激光器组件传热特性与热控制的基础，对热电制冷器工作特性的研究有着重要意义。针对现有建模方法存在的问题，提出一种N级耦合热电制冷器的等效电路模型，该模型综合考虑了结构尺寸、非控制端温度、控制端热流量、附加热阻、附加电阻、工作电流以及驱动源等因素对器件特性的影响。仿真与实验结果表明，该模型能更好地分析和表征器件的工作特性。同时利用该模型对制冷与热泵模式下单级热电制冷器的工作特性分别进行了稳态和非稳态分析，得出了控制端的负载、非控制端温度、工作电流等参数对控制端温度变化影响的基本规律，这为热电制冷技术的深入研究提供了理论指导。 2．针对目前运用实验或温度场理论计算方法进行半导体激光器组件传热特性研究均较为复杂、不便的问题，通过合理的机理分析与简化建立起半导体激光器组件传热的数学模型，并推导出计算半导体激光器组件有源区温度的解析式。实验结果表明，该方法是一种有效的实用建模方法，其计算过程较温度场数值计算简单、方便，从而为半导体激光器组件热控系统的仿真、控制技术研究提供了便于应用的模型。同时利用该模型对影响半导体激光器组件有源区温度稳定性的因素进行了分析，得到了热电制冷器工作电流、外部环境温度、LD芯片的工作电流及非控制端换热系数影响有源区温度稳定性的基本规律，这对于半导体激光器组件的热电控制系统设计具有指导意义。 3．针对环境温度变化对半导体激光器组件高稳定性恒温控制的影响问

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究目的和意义
• 1.2 热电制冷器的建模方法与工作特性研究现状
• 1.2.1 热电制冷器基本原理
• 1.2.2 热电制冷器的建模方法与特性分析
• 1.3 半导体激光器组件传热特性研究现状
• 1.4 半导体激光器组件温度的热电控制方法研究现状
• 1.4.1 热电制冷器的驱动技术
• 1.4.2 热敏电阻阻值的测量与线性化技术
• 1.4.3 温度控制器设计方法
• 1.5 半导体激光器组件的控制与测试技术综述
• 1.6 主要研究内容
• 第2章 N级耦合热电制冷器的等效电路模型与特性分析
• 2.1 引言
• 2.2 N级耦合热电制冷器的数学模型
• 2.3 N级耦合热电制冷器的等效电路模型
• 2.3.1 等效电路模型的建立
• 2.3.2 仿真验证
• 2.4 单级热电制冷器工作特性的稳态分析
• 2.5 单级热电制冷器工作特性的非稳态分析
• 2.5.1 控制端热量的影响
• 2.5.2 工作电流的影响
• 2.5.3 非控制端温度的影响
• 2.6 本章小结
• 第3章 半导体激光器组件的传热模型与分析
• 3.1 引言
• 3.2 半导体激光器组件的物理模型
• 3.3 半导体激光器组件传热数学模型的建立
• 3.3.1 半导体激光器组件内部热量的传递
• 3.3.2 半导体激光器组件的热传导方程
• 3.4 半导体激光器组件传热的热网络模型
• 3.5 LD芯片有源区热稳定性影响因素的分析
• 3.5.1 热电制冷器工作电流的影响
• 3.5.2 半导体激光器组件注入电流的影响
• 3.5.3 外部环境温度的影响
• 3.5.4 换热系数对热稳定性的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 半导体激光器组件的恒温控制方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 双级耦合式热电恒温控制方法
• 4.2.1 双级耦合结构的恒温控制
• 4.2.2 双级耦合结构系统的等效电路模型及分析
• 4.3 双级耦合式热电控制系统的优化分析
• 4.3.1 影响热电制冷器性能系数的因素
• 4.3.2 热电制冷器工作电流的最佳选择
• 4.3.3 热电制冷器温差的讨论
• 4.4 基于模糊控制的多模态控制器设计
• 4.4.1 多模态控制器的结构
• 4.4.2 模糊控制器的设计
• 4.4.3 热电制冷器驱动电源设计
• 4.5 热敏电阻测温的逆向建模补偿方法
• 4.5.1 热敏电阻测温的误差分析
• 4.5.2 逆向建模补偿原理及实现
• 4.6 本章小结
• 第5章 实验结果及分析
• 5.1 引言
• 5.2 半导体激光器组件测控系统设计
• 5.2.1 测控系统组成
• 5.2.2 多功能驱动系统设计
• 5.2.3 数字控制系统设计
• 5.2.4 半导体激光器组件热控系统设计
• 5.2.5 计算机软件系统
• 5.3 系统性能实验
• 5.3.1 系统标定实验
• 5.3.2 注入电流的稳定性测试
• 5.4 验证实验
• 5.4.1 热电制冷器的等效电路模型验证
• 5.4.2 半导体激光器组件的传热模型验证
• 5.4.3 半导体激光器组件温度的稳定性测试实验
• 5.4.4 半导体激光器组件温度控制动态实验
• 5.5 器件的测试实验
• 5.5.1 热电制冷器的驱动特性测试
• 5.5.2 基本光电特性测试
• 5.5.3 半导体激光器组件特性的变温测试
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历