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基于ANSYS模拟的OPS-VECSEL热特性深度剖析与优化策略研究

一、绪论

1.1研究背景与意义

1.1.1OPS-VECSEL的发展历程

半导体激光器自诞生以来，凭借其体积小、效率高、寿命长等优点，在光通信、光存储、激光加工等众多领域得到了广泛应用。然而，传统的垂直腔面发射激光器（VCSEL）在输出功率提升方面面临着瓶颈，其内部的热量堆积严重限制了性能的进一步提高。1997年，美国的MKuzetsov等人首次提出了光泵浦垂直外腔面发射半导体激光器（OPS-VECSEL）的概念，这一创新性的结构融合了二极管泵浦固体激光器（DPSSL）和VCSEL的优势，实现了高功率、圆对称且衍射角小的优质光束输出，成为半导体激光器发展历程中的重要里程碑。

随后，各国科研人员积极投身于OPS-VECSEL的研究与开发。在制作工艺上不断探索创新，例如采用金属有机化合物气相淀积（MOCVD）技术生长高质量的芯片。2009年，中国科学院半导体研究所的黄祖炎等人采用MOCVD生长了工作波长为980nm的VECSEL芯片，并对芯片的X射线衍射（XRD）图谱、光致发光（PL）谱和反射谱进行了测量，结果表明芯片生长的准确性较高。在激光技术应用方面，2004年，美国相干公司Chilla等人研制成功的OPS-VECSEL阵列在泵浦功率为70W时，分别获得30W/980nm和19W/920nm的连续输出，并采用LBO晶体1类相位匹配倍频技术获得15W/488nm和5W/460nm的蓝光输出，在大功率输出和非线性频率变换方面取得了显著成果。随着研究的深入，OPS-VECSEL在输出功率、光束质量和波长覆盖范围等方面不断取得突破，逐渐成为半导体激光器领域的研究热点之一。

1.1.2热特性对OPS-VECSEL性能的影响

在OPS-VECSEL的工作过程中，热特性对其性能有着至关重要的影响。当激光器工作时，由于内部的各种损耗机制，如量子阱中的非辐射复合、自由载流子吸收等，会产生大量的热量。这些热量如果不能及时有效地散发出去，就会导致激光器芯片温度升高。

芯片温度的升高会对OPS-VECSEL的输出功率产生负面影响。随着温度的上升，量子阱材料的能带结构会发生变化，导致增益系数下降，从而使输出功率降低。研究表明，当芯片温度升高10℃，增益系数可能会下降10%-20%，输出功率也会相应地减少。温度升高还会引起阈值电流的增加，使得激光器需要更高的泵浦功率才能达到激射状态，进一步降低了能量转换效率。

热特性对OPS-VECSEL的光束质量也有显著影响。温度不均匀会导致芯片产生热应力，进而引起折射率分布不均匀，产生热透镜效应。热透镜效应会使光束的波前发生畸变，导致光束质量变差，表现为光束发散角增大、光斑形状不规则等。这对于一些对光束质量要求较高的应用，如激光加工、光通信等，是非常不利的。热特性还会影响OPS-VECSEL的波长稳定性。温度变化会导致半导体材料的折射率和腔长发生改变，从而使激光器的输出波长发生漂移。在一些需要精确波长控制的应用中，如密集波分复用光通信系统，波长漂移可能会导致信号串扰和误码率增加。因此，深入研究OPS-VECSEL的热特性，对于提高其性能、拓展应用领域具有关键意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1OPS-VECSEL热特性的实验研究进展

在OPS-VECSEL热特性的实验研究方面，国内外科研人员取得了一系列重要成果。在散热结构优化实验中，部分研究团队致力于开发新型散热材料和结构。例如，有团队研究了金刚石散热片在OPS-VECSEL中的应用。金刚石具有极高的热导率，是一种理想的散热材料。通过将金刚石散热片与OPS-VECSEL芯片相结合，实验结果表明，能够显著降低芯片的工作温度。在相同的泵浦功率下，采用金刚石散热片的OPS-VECSEL芯片温度比传统散热材料降低了15-20℃，有效提高了激光器的输出功率和稳定性。

一些研究关注不同泵浦方式对OPS-VECSEL热特性的影响。前端泵浦和后端泵浦是两种常见的泵浦方式。实验发现，前端泵浦时，泵浦光在芯片表面注入，热量主要集中在芯片的前端区域，容易导致前端温度过高；而后端泵浦时，热量分布相对较为均匀，但对后端散热结构的要求更高。通过对不同泵浦方式下的温度分布、输出功率和光束质量等参数进行实验测量和对比分析，为泵浦方式的选择和优化提供了实验依据。

还有研究人员对OPS-VECSEL在不同工作条件下的热特性进行了实验研究。改变泵浦功率、环境温度等因素，观察激光器的热响应。实验结果表明，随着泵浦功率的增加，芯片温度呈近似线性上升趋势；环境温度的升高也会显著影响芯片的