高功率半导体激光器(HPLD)以其体积小、重量轻、效率高、成本低等优点广泛应用于泵浦固体与光纤激光器、工业加工、医疗美容、3D传感、自动驾驶等领域。受GaAs基材料本征物理属性及外延生长工艺的共同限制,LD的电光转换效率难以进一步提升。随着电流的增加,芯片产热严重,有源区温度持续升高,LD的输出功率随之发生热饱和与翻转。同时伴随着热功率的增大,芯片有源区温度的均匀性变差,导致LD光谱发生展宽,严重制约了LD的泵浦应用。因此,热管理对于HPLD来说尤为重要。本文围绕HPLD热阻和温度均匀性的优化设计,以及温度对光谱展宽的影响,开展了如下研究工作:1.推导出了适用于LD单管和巴条的三维解析热物理全面模型。针对该模型的关键性假设进行了讨论,明确了各假设所引入的误差以及该模型的适用性条件。针对传导冷却LD单管与巴条,基于波长漂移法和有限元仿真(FEM)验证了该三维解析热模型的准确性高达97%。2.基于三维解析热物理模型,研究了传导冷却HPLD单管与巴条的稳态热特性,揭示了激光器温度场、热流场的分布。研究表明:对于F-Mount单管和HardCS巴条,热流在芯片N面GaAs衬底内的扩散对整体散热的贡献分别为8%与6%,增加N面厚度和结构可进一步降低LD的热阻;揭示了测试夹具(外部散热条件)对F-Mount单管和HardCS巴条热阻的贡献分别高达36.8%和26.0%。3.提出了微分热扩散角和有效热扩散角的概念。应用微分热扩散角定量化表征了热流在LD封装体内的扩散过程;应用有效热扩散角合理化解释了传导冷却热沉各参数对激光器热阻的影响。基于三维解析热模型,给出了不同外部散热条件下传导冷却热沉、次热沉的理论热设计曲线;设计制作了两款高效散热性能的传导冷却LD巴条,将商用HardCS、MiniCS巴条的最大输出功率分别提高了12%和37%。此外,在恒定有源区温升条件下研究了封装结构对LD单管有源区内和巴条发光点之间温差的影响。4.建立了微通道液体制冷HPLD基于计算流体力学(CFD)的数值传热模型,研究了不同流量下微通道热沉(MCH)的对流换热系数(HTC)分布、流速分布、压降分布,以及各通道部分对整体散热的贡献。研究发现:微通道入口处的HTC比出口处大2个数量级;中间通道的平均HTC是底部通道和上通道的3倍;在标称流量0.3L/min下,底部通道与上通道对散热的贡献相等。对比LD巴条热阻测试结果,CFD数值模型在不同流量下的最大误差为10%。基于CFD数值计算结果,提出了HPLD微通道热沉的解析热阻网络模型,表征了MCH热阻的组成部分。相对于CFD数值模型,其热阻计算误差小于5%。此外,还对MCH进行了热阻、温度均匀性的优化,提出了三种可以减小巴条发光点间温度差异的MCH设计方案。设计制作了一款消除横向热扩散的MCH,其各发光点的温度接近100%一致,并通过LD巴条的空间光谱测试进行了验证。5.引入多高斯函数作为HPLD光谱的表征模型,并耦合三维解析热模型求解的温度场,研究了注入电流、芯片结构、封装热设计对LD单管及巴条光谱展宽的影响。研究结果表明:正常连续波(CW)模式工作时F-Mount单管和HardCS巴条单发光点的光谱FWHM展宽比例高达75%与180%;HardCS巴条发光点之间热串扰引起的光谱FWHM展展比例高达70%。在恒定有源区温升条件下,单管的光谱强度分布随着热沉厚度、宽度、长度以及次热沉厚度的增加而展宽;对于巴条,随着热沉变厚,巴条发光点之间温差减小导致了光谱宽度的减小,随着热沉变宽、次热沉变厚,巴条发光点之间温差增大导致了光谱的展宽。6.应用多高斯光谱模型研究了外延工艺一致性和封装结构形式对巴条光谱展宽的影响。研究发现:典型的外延生长工艺导致LD巴条光谱的展宽比例小于10%;对比四种常见不同封装结构的HPLD巴条,封装残余热应力对HardCS巴条的光谱展宽最为严重,展宽比例约为15%。