论文总字数：16137字

目 录

一、 绪论 1

1.1引言 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国外发展动态 1

1.2.2 国内研究现状 1

1.3本论文的研究重点和方向 2

二、 量子级联激光器的理论基础 3

2.1 半导体激光器的原理 3

2.2 量子级联激光器的原理 3

2.2.1 诞生的基础 3

2.2.2 工作原理 3

2.2.3量子级联激光器的材料 5

2.3 量子级联激光器的优缺点 6

2.4 量子级联激光器的应用 6

2.5小结 7

三、 量子级联激光器的热特性理论 7

3.1 温度对量子级联激光器的影响 8

3.1.1 温度与阈值电流 8

3.1.2 温度与电光转换效率 9

3.1.3 温度与输出功率 9

3.1.4 温度与激射波长 9

3.2 量子级联激光器的散热方式 9

3.2.1 QCL的热量来源 10

3.2.2 QCL的散热方式 10

3.2.3 热阻 11

3.3 小结 11

四、 量子级联激光器的热场分布模拟 11

4.1 前言 11

4.2 量子级联激光器的热场分布模拟 12

4.2.1 实验操作过程 12

4.2.2 模拟结果与结果分析 16

4.3不足与缺点 19

4.4 小结 19

五、 总结 19

5.1 常用的提高QCL散热性能的措施 19

5.2 本文的结论 20

参考文献 20

致谢... 22

量子级联激光器的热场分布模拟

苗磊

，China

Abstract：Research on the performance of semiconductor lasers has been a hot topic in recent years, especially the latest quantum cascade lasers (QCL). Whether its structure or performance have been greatly improved, but it also has a fatal shortcoming.The heat buildup caused by the work will cause the QCL temperature to rise. That not only will reduce the working efficiency of the laser, but also cause the redshift of the lasing wavelength, which may cause the laser to spontaneously burn.Therefore, the study of the thermal characteristics of QCL and to solve the problem of heat dissipation is particularly important. In this paper, the thermal field distribution simulation of quantum cascade lasers is carried out by Comsol Multiphysics. And according to the working principle ,results of different semiconductor materials are compared with each other to find the reasonable measures to improve the performance of the device.

Key words：Semiconductor QCL Thermal field distribution Temperature Heat

一、绪论

1.1引言

自20世纪50年代以来，激光成为科学界备受瞩目的一项发明，它不仅代表了光学领域的突破性进展，而且极大地推动了固体物理、材料物理、光电子等学科的发展。60年代先后诞生了多种激光器并且都取得了重大突破，半导体激光器正是其中一种，也是当之无愧的佼佼者。由于其高效的性能，一直得到重点研究，在应用领域，更是建树颇多，此后几十年间它的实际应用得以快速发展，尤其是以光纤通信、光纤传感、光信息处理、光信息储存技术等方面的推广应用使得当今信息时代的高速发展；不仅如此QCL在医疗卫生、光学测量、机器人、军事武器等方面也有着广泛的应用，大大地改变了人们的日常生活。

而如何进一步提升半导体激光器性能也是研究的热门领域，主要体现在提高激光器的输出功率、降低其工作阈值、提高温度稳定性等。传统的半导体激光器的发射是到导带与价带之间的载流子跃迁。其发射波长也受到材料禁带宽度的限制，只能集中在1.6μm的短波长范围内，无法产生更为实用的中甚至是远红外的波段，所以研制能够产生激射波长为中远红外激光的半导体激光器成为时代的趋势。电子在量子化子能级之间跃迁发射光子的想法很快就应时而出，打破了传统半导体激光器空穴与电子复合产生受激辐射的机制，成为激光器理论完善过程上的一次重大思想创新。经过多年的发展，世界上第一台量子级联激光器被研制出来。由美国贝尔实验室Capasso等人在1994年发表了这一伟大发明，从此激光器发展进入一个新时代。此后科学家们不断发展完善QCL的理论，使其更加具有实用性。性能不断提高，工作温度也由最初的液氮脉冲条件到现在QCL的高温连续条件。

尽管QCL发展至今无论是工作原理的理论研究，还是制备工艺都相当完善，但是仍然还存在一些缺点制约着半导体激光器的进一步发展。其中最大的障碍就是热量带来的温度因素，高温情况下会严重影响器件的性能，甚至会引起自燃，这也是QCL问世以后科研人员的重点研究课题。所以本论文主要围绕量子级联激光器的热特性研究，分析热场分布模拟结果，研究改进激光器散热性能的措施。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外发展动态

自capasso等人采用MBE技术制备出世界上第一个QCL后，国外对QCL的结构优化和热特性研究就一直不断地摸索高效的解决方案。从仿真模拟到理论推算，分析得出了可能影响QCL散热的因素，并给出了具体的关系。美国、俄罗斯等国的研究所都在这一方面取得了很大的进展，如优化QCL有源区的工作层结构，使用特殊的封装技术，采用热阻较低的波导层材料等都有显著成效。其中主要的成就有F-P（Fabry-Perot）QCL、分布反馈（DFB）QCL以及外腔（EC）QCL的问世，它们都大大提高了QCL的室温下连续工作的能力。

1.2.2 国内研究现状

我国中科院的研究所在1995年就开始对中红外QCL展开了研究，与国际几乎同时起步。三年后研制出我国第一个QCL，此后十几年间中国科学家和研究人员投入大量精力，很快就独立研制出F-P QCL、DFB QCL和EC QCL等重要的激光器。此外，我国对QCL的热特性研究也是处于世界前列，中国的研究人员在关于QCL散热、温度测量等方面都有所创新。

1.3本论文的研究重点和方向

在总结前人工作经验和结果的基础上，分析对量子级联激光器工作时产生的温度上升其他可能的原因，主要是通过Comsol Multiphysics模拟软件建立模型分析其热场分布，并且采用不同的导热材料分别模拟对比，得出导热材料种类在激光器热特性上的优劣之分，提出一些改进量子级联激光器散热结构的简单措施。

二、量子级联激光器的理论基础

半导体激光器至今有50多年历史，量子级联激光器也有20多年的历史，在工作原理的理论发展上已日趋完善。可以说，半导体激光器基本原理是QCL的理论基础，而了解QCL的理论是分析研究其热特性的基础。

2.1 半导体激光器的原理

常规半导体激光器的工作机制为在P-N处实现粒子数反转产生受激辐射，通过注入电流，激发载流子在能带间跃迁释放能量产生光子。之后经过半导体晶体的解理面组成平行反射镜面所形成的谐振腔，光子在这里被不断地振荡反馈，使光辐射最终得到放大，从而输出高能量、单颜色、窄发散角的相干光。

图1 半导体激光器结构示意图

因此要满足三个基本条件：

1. 实现粒子数反转，高能级的粒子数要远大于低能级的粒子数。
2. 要有满足条件的谐振腔起反馈作用，这是粒子数反转后重要的一环。能否输出高功率的激光，关键在于谐振腔对光子的增生放大。
3. 通过谐振腔后光辐射得到放大，要使得光子的增益量不小于此间的损耗，即必须达到特定的阈值。

半导体激光器与其他类型的激光器相比具有体积小、效率高、重量轻、可靠性高、耗电少等优点。因此应用十分广泛，尤其是二极管激光器已深入我们的生活，如网络中的光纤通信，军事上的雷达侦测，还有生活中的测量距离、激光打印等。

2.2 量子级联激光器的原理

QCL与传统半导体激光器的工作原理有着本质不同，是一种基于在导带子带间跃迁与声子共振辅助隧穿来实现粒子数反转基础上的新型半导体激光器。和一般的半导体激光器的激射原理不同，QCL受激辐射过程并不是电子空穴之间的复合，它只靠载流子电子的注入，产生的激射波长取决于QCL有源区的量子阱宽度和半导体的能隙。

图 半导体激光器与QCL的电子跃迁示意图

2.2.1 诞生的基础

Esaki与Tsu最先提出了超晶格的构想，1970年前苏联科学家Kazarinov、Suris阐述了量子化子带能级之间跃迁，以及多层级联以产生和层数相等的光子。不久贝尔实验室证实了分子束外延技术即MBE，1983年Lincoln实验室展示了THZ的共振隧穿，1985年贝尔实验室在AlInAs – GaInAs材料上研究共振隧穿，两年之后成功演示了多量子阱的超晶格结构共振隧穿。到1989年Helm等人观察到连续的共振隧穿条件下半导体超晶格导带子带之间跃迁激发的红外辐射。

在此前人工作的基础上，总结了量子阱能带工程、超晶格研究以及分子束外延（MBE）技术的成果，Capasso 等人研制出了第一台量子级联激光器。

2.2.2 工作原理

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：16137字

相关图片展示：