高功率半導體激光器可用來泵浦固體/光纖激光器，也可直接用于材料處理如焊接、切割、表面處理等。為了進一步拓寬半導體激光器的應用領域，不斷提高激光器的輸出功率，半導體激光器從單發射腔發展為多個發光單元的巴條。隨著激光器輸出功率的提高，對半導體激光器的熱管理、熱設計、封裝等技術提出了更高要求。表征巴條半導體激光器主要特性的參數有輸出功率、光譜寬度、波長、近場非線性（smile效應）、電光轉換效率、近場和遠? ⑹倜取１疚姆治齪吞致哿擻跋旄吖β拾氳繼寮す餛靼吞跆匭圓問囊蛩兀縟裙芾懟⑽露炔瘓刃浴⑷扔α禿噶涎≡竦齲⒃詿嘶∩咸岢雋頌岣甙吞醢氳繼寮す餛饜閱艿牟唄院頭椒ā? 熱管理 熱管理對于高功率半導體激光器而言至關重要，因為半導體激光器大約50%的電能都轉換成熱量損耗掉了。熱管理直接影響激光器的結溫，結溫過高將顯著影響半導體激光器巴條的性能，如導致輸出功率下降、閾值電流增大、斜坡效率減? ⒙岱⑸⒔竊齟笠約笆倜醵痰取? 對于高功率單巴條半導體激光器，結溫由式（1）而得[1]其中Th為器件熱沉溫度、Rth為器件熱阻、V0為結偏壓、I為工作電流、Rs為串聯電阻、Po為輸出光功率。由上式可見，激光器的結溫主要由熱沉的溫度和器件本身的熱阻決定，其中熱沉溫度由激光器的使用條件決定。 半導體激光器的輸出功率與熱阻的關系和器件使用壽命與熱阻的關系分別為（2）和（3）式： 其中，ηd、Ith、T1、T0為室溫下器件的轉換效率、閾值電流、斜率特征溫度和閾值特征溫度，t為半導體激光器壽命，Ea為激活能（activation energy），K為波爾茲曼常數，Rth為半導體激光器的熱阻。由式（2）和式（3）可以看出，降低熱阻可以增加半導體激光器的輸出功率，提高可靠性。 半導體激光器的熱阻包括芯片的熱阻和封裝帶來的熱阻。有效的熱管理是提高器件性能的關鍵。提高熱管理主要從減小芯片熱阻、減小貼片界面熱阻和設計封裝結構三個方面來實現。熱阻的計算方法如下[2]： Rth=L/kA (4) 其中：L為熱傳導距離（m），A為熱傳導通道的截面積（m2），k為熱傳導系數（W/mK）。 由（4）式可知，要減小芯片的熱阻主要有以下途徑：一是選擇熱傳導系數大的材料，二是在材料確定的情況下盡可能減小熱傳導距離或增大熱傳導通道截面積。基于此，可通過增加芯片腔長（從1mm增加到2mm）和提高填充因子來減小熱阻。目前，2mm腔長、50%填充因子的9xx nm巴條可以實現高可靠性連續波輸出150W。 貼片界面的熱阻主要受各貼片層存在的空洞影響。與相對完整的貼片層相比，貼片層的空洞大小和密度嚴重影響器件的熱阻[3]。圖1給出了封裝貼片層的完整性。可以通過優化金屬層結構以及采用無空洞貼片技術，來增加貼片界面的完整性，以減小貼片界面的熱阻，降低貼片層空洞。 圖1：貼片層完整性另外，不同的封裝結構對器件的熱阻影響不同。最常見的巴條封裝結構包括傳導冷卻型CS封裝和微通道液體制冷型封裝兩種。相對熱傳導封裝結構，微通道液體制冷型封裝結構的熱阻明顯降低，利用此結構封裝的激光器的輸出功率顯著高于傳導封裝的器件。對于808nm半導體激光器巴條，填充因子20%的芯片傳導冷卻封裝后的輸出功率可達60W；而填充因子75%的芯片采用微通道液體制冷封裝后的輸出功率可達到120W。 圖2(a)和(b)分別為西安矩光公司生產的808nm單巴條半導體激光器，傳導冷卻填充因子為20%，輸出功率為60W；液體冷卻填充因子75%，輸出功率可達120W。圖3為圖2（a）和（b）中單巴條半導體激光器的功率-電壓-電流和光譜特性曲線。 圖2：單巴條半導體激光器 （a）傳導冷卻封裝 （b）液體制冷封裝 圖3：圖2（a）和（b）單巴條半導體激光器的功率-電壓-電流和光譜曲線由以上分析可見，要提高熱管理，需要從芯片、貼片工藝和封裝結構三個方面考慮：一是優化芯片設計、降低芯片熱阻；二是提高貼片工藝技術，進行無空洞貼片封裝；三是優化封裝結構，采用散熱效率高的封裝結構。 溫度不均勻性 溫度的不均勻性對半導體激光器巴條性能有很大影響，將導致半導體激光器巴條光譜展寬、近場和遠場光強分布不均勻和腔面損傷（COD）。 半導體激光器的發射波長隨溫度有很明顯的變化，如808nm半導體激光器的波長隨節點溫度以0.28nm/°C的速率變化。當半導體激光器芯片中每個發光單元的溫度分布不均勻時，每個發光單元發射的波長就不同，就會引起激光器光譜展寬，如圖4所示，可能出現“雙峰”或“右肩膀”。 圖4：半導體激光器巴條光譜激光器巴條有源區每個發光單元溫度不均勻也會造成該發光區域的近場和遠場光強分布不均，出現較大的波峰，嚴重時會導致腔面損傷。