一種半導(dǎo)體激光器溫度控制技術(shù)

金阿立 周斌 喬顯金

摘 ?要：針對大功率激光器工作時的熱耗散，討論了溫度控制原理，通過定量計算研究了半導(dǎo)體制冷器（TEC）的選擇、散熱片的選擇，給出了制冷器與散熱片的組裝工藝，并結(jié)合具體實例分析了溫控方案的技術(shù)指標(biāo)，為工程實踐提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器 ?半導(dǎo)體制冷器 ?溫度控制

中圖分類號：TN248.4 ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）05（b）-0034-04

半導(dǎo)體激光器工作溫度范圍一般在-10°～50℃之間，若高于或低于這個溫度域，激光器可能會因溫度過高而受到損壞，或因溫度過低而停擺[1-4]。因此大功率激光器需要進行溫度控制，使其在規(guī)定溫度條件下工作，這對于延長激光器受命，提高其可靠性具有重要意義。有多種可供參考的激光器工作溫度控制方法，如水循環(huán)冷卻、風(fēng)冷卻及電冷卻（即半導(dǎo)體制冷）等。水冷效率高、速度快，但需要體積和重量龐大的壓縮機和水泵，工作噪聲大，通常只在實驗室使用;風(fēng)冷效率低，效果不好，不能滿足大散熱要求;電制冷體積小、效率高，能夠?qū)囟瓤刂频江h(huán)境溫度以下，自加熱自制冷，可靠性較高，溫度控制精度可達±0.1℃，且對環(huán)境要求不高，適合激光夜視監(jiān)控系統(tǒng)等野外條件使用。

1 ?半導(dǎo)體制冷器的選擇

半導(dǎo)體制冷器（Thermo Electric Cooler，TEC）是利用半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)制成的。通過改變電源輸出電流，控制制冷片輸出功率，半導(dǎo)體制冷片的抽運功率和冷端的制冷是靠調(diào)節(jié)加在兩端的電流來控制的（在額定功率范圍內(nèi)，超出額定功率，半導(dǎo)體制冷片將會是另外的一個熱源），其計算非常復(fù)雜，與負載、冷熱端溫度以及二級散熱的效果有關(guān)，一般均采用閉環(huán)控制系統(tǒng)[5]。

激光器工作時，當(dāng)其表面溫度高于環(huán)境溫度，就會以對流和輻射的形式向環(huán)境散熱，如果電致發(fā)熱量高于散熱量則熱沉?xí)^續(xù)升溫，使散熱量繼續(xù)加大，直到與LD發(fā)熱量相等為止，此時激光器具有最高溫度。

2 ?半導(dǎo)體BAR與散熱片的組裝

影響散熱片散熱性能的指標(biāo)主要有材料、有效散熱面積、鰭片數(shù)量、散熱片形狀等[6]。散熱材料現(xiàn)在主要使用銅和鋁兩種，比它們導(dǎo)熱率更好的金屬材料還有銀。上述兩種材料比起來，銅的導(dǎo)熱率比較高，導(dǎo)熱效果僅次于銀，重量較重，但成本也高于鋁材料;鋁材料的散熱片早已形成一定的商業(yè)規(guī)模。從成本和散熱量而言，使用鋁散熱完全滿足要求。從散熱片到空氣之間的熱傳遞主要有3種方式：熱輻射、空氣對流和熱傳導(dǎo)。為了取得更好的散熱效果，只有從空氣對流上采取辦法。

將半導(dǎo)體BAR與散熱組件能否成功組裝關(guān)系到散熱效果。采用如下的“三明治”工藝結(jié)構(gòu)，如圖5所示：（1）散熱片和風(fēng)扇連接。采用高速運轉(zhuǎn)風(fēng)扇排風(fēng)效果好，但噪音大，因此合理選擇風(fēng)扇尺寸和轉(zhuǎn)速也很重要，風(fēng)扇和散熱器的連接方法通常有兩種，即左右固定法和正下方固定法，前者通常采用一個吹風(fēng)一個拉風(fēng)的方法，這適用于大方形散熱器，后者則采用同時吹風(fēng)兩邊走風(fēng)的方法，適用于小薄散熱器。（2）散熱片和TEC連接：我們采用固定槽定位TEC，接觸面之間均勻涂抹導(dǎo)熱硅脂。（3）TEC與均勻銅板的連接：在TEC上均勻涂抹導(dǎo)熱硅脂后，在其上蓋上銅板，要求銅板厚薄均勻，且與散熱片之間要有一定的縫隙間隔。（4）激光器BAR與銅板連接：在銅板固定BAR的位置均勻涂抹導(dǎo)熱硅脂，用螺絲固定好BAR，要求BAR盡可能對準(zhǔn)TEC中心位置。

3 ?具體實例

實際工作中激光光源的驅(qū)動與溫度控制電源通常采用一體化模塊，對于30W光纖輸出波長808nm的模塊，該模塊采用的是3V，50A驅(qū)動與溫度控制電源。此外半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源的電流為0.5～50A，且連續(xù)可調(diào)節(jié);TEC驅(qū)動電源的電流為0.5～20A，且自動調(diào)節(jié)，電壓為30V;直流風(fēng)扇指標(biāo)為24V、35W。

溫度控制的技術(shù)指標(biāo)為：

（1）溫度控制特性。溫度控制范圍：-10℃～40℃;溫度控制精度：1℃;溫度預(yù)置對溫度監(jiān)視的精度：<1%。

（2）輸出特性。最大雙向電流±20A;最大恒流輸出電壓±30V;最大輸出功率600W;增益可調(diào)0～50;積分時間1s。

（3）溫度傳感器采用熱敏電阻類型PT100。

（4）一般特性。AC電源220V;最大功率消耗800W;散熱方式強制風(fēng)冷;操作溫度0℃～50℃（保證參數(shù)）; -40℃～80℃（保證工作）。

4 ?結(jié)語

對于激光夜視監(jiān)控系統(tǒng)等需要大功率激光器的工程實踐，由于激光器工作時將產(chǎn)生大量熱耗散，故必須考慮熱散因素，否則將減小激光器壽命甚至損壞激光器。該文定量描述了半導(dǎo)體制冷器（TEC）的選擇、散熱片的選擇及與半導(dǎo)體BAR的組裝，給出了具體實例，為激光夜視監(jiān)控系統(tǒng)的光源溫度控制提供了工程參考。

參考文獻

[1] 任青毅，龍燕.二極管激光器驅(qū)動電源的研制[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2007，10（1）：36-38.

[2] 張娜.半導(dǎo)體激光器恒溫控制理論與應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報，2002，40（3）：284-287.

[3] 羅忠生，張美敦.高精度半導(dǎo)體激光二極管溫度控制系統(tǒng)[J].半導(dǎo)體光電，1999，20（2）：115-119.

[4] 閆曉梅，張記龍.半導(dǎo)體激光器的溫度控制器的設(shè)計[J]. 微計算機信息，2007，23（11-2）：311-313.

[5] 張洪濟.熱傳導(dǎo)[M].北京：高等教育出版社，1992.

[6] 鐘廣學(xué).半導(dǎo)體制冷器件及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1991.