环境感知是无人驾驶的关键技术，针对相机缺乏深度信息无法定位检测目标以及目标跟踪精度较差的问题，提出一种基于相机与激光雷达融合的目标定位与跟踪算法。该算法通过图像检测框内的激光雷达点云簇在像素平面的面积比例大小获得检测目标的定位信息，然后根据检测目标的轮廓点云在像素坐标系下的横向移动速度和纵向移动速度融合图像检测框中心坐标提高目标跟踪精度。实验结果表明：所提目标定位算法正确率为88.5417%，且平均每帧处理时间仅为0.03 s，满足实时性要求；图像检测框中心横坐标的平均误差为4.49 pixel，纵坐标的平均误差为1.80 pixel，平均区域重叠率为87.42%。

为了提高半导体激光器光束的均匀性, 设计了非球面与微柱透镜阵列相结合的匀光系统。快轴方向利用光线追迹设计非球面匀化透镜; 慢轴方向采用微柱透镜阵列对光束进行分割叠加。半导体激光器输出光束通过该匀光系统, 在目标面上可以得到能量匀化的方形光斑。利用Zemax光学软件对半导体激光器单管和阵列进行匀化仿真, 验证了该匀化系统应用于半导体激光器整形的可行性, 得到了目标面动态范围变化对均匀度的影响程度, 研究了微柱透镜阵列间距变化及快轴匀化透镜旋转对光斑均匀度的影响。单管和阵列在输出面上的光斑均匀度均大于90%, 能量传输效率分别为95.4%和96.2%。该设计结果对半导体激光器光束匀化具有一定的参考价值。

研制了一套微通道封装结构半导体激光器的低温测试表征系统, 实现了对高功率半导体激光器在－60℃~0℃低温范围内的输出功率、电光转换效率和光谱等关键参数稳定可靠的测试表征. 采用计算流体力学及数值传热学方法, 模拟了无水乙醇、三氯乙烯以及五氟丙烷三种载冷剂的散热性能. 模拟结果表明, 压降均为0.47 bar时, 采用无水乙醇作载冷剂的器件具有最低的热阻(热阻为0.73 K/W)和最好的温度均匀性(中心和边缘发光单元温差为1.45℃). 低温测试表征系统采用无水乙醇作为载冷剂, 最大可实现0.5 L/min的载冷液体流量, 最多能容纳5个半导体激光器巴条同时工作. 基于该低温测试表征系统, 对微通道封装结构976 nm半导体激光器巴条在6%占空比下的低温特性进行了研究. 测试结果表明, 载冷剂温度由0℃下降到－60℃, 半导体激光器的输出功率由388.37 W提升到458.37 W, 功率提升比为18.02%; 电光转换效率由60.99%提升到67.25%, 效率提升幅度为6.26%; 中心波长由969.68 nm蓝移到954.05 nm. 器件开启电压增加0.04 V, 阈值电流降低3.93 A, 串联电阻增加0.18 mΩ, 外微分量子效率提高11.84%. 分析表明, 阈值电流的减小及外微分量子效率的提高, 是促使半导体激光器在低温下功率、效率提升的主要因素. 研究表明, 采用液体微通道冷却的低温工作方式, 是实现半导体激光器高输出功率、高电光转换效率的一种有效手段.

随着高功率半导体激光器(HPLD)在极端环境中的应用越来越广泛, 互连界面的可靠性已成为制约其性能和寿命的关键瓶颈之一。文中利用有限元方法(FEM)对传导冷却(CS)高功率半导体激光器巴条互连界面在-55～125 ℃热冲击条件下的失效行为和寿命进行了模拟与分析。基于粘塑性Anand本构模型和Darveaux能量积累理论, 对比了热冲击后界面层边缘及中心位置铟互连界面的可靠性, 发现互连界面边缘的应力最大, 达到0.042 5 GPa; 相应的边缘位置的寿命最短, 只有3 006个周期, 即边缘位置为互连界面的“最危险单元”。预测了采用铟、金锡合金和纳米银焊膏封装的半导体激光器巴条的寿命, 计算出铟、金锡合金和纳米银焊膏三种不同键合材料在边缘位置的寿命分别为3 006、4 808和4 911次循环, 表明纳米银焊膏和金锡合金在热冲击条件下具有更长的寿命, 更适合于用于极端环境的高功率半导体激光器封装。

提出一种采用双铜-金刚石的“三明治”封装结构, 利用有限元分析方法研究了其与传统的Cu+CuW硬焊料封装结构激光器的热应力与Smile.对比模拟结果发现新封装结构热应力降低43.8%, Smile值增加95%.在次热沉热膨胀系数与芯片材料匹配的情况下, 使用弹性模量更大的次热沉材料, 可对芯片层热应力起到更好的缓冲作用.以硬焊料封装结构为例, 分析了负极和次热沉厚度对器件Smile的影响.结果表明负极片厚度从50 μm增加到300 μm, 器件工作结温降低2.26 ℃, Smile减小0.027 μm, 芯片的热应力增加22.95 MPa.当次热沉与热沉的厚度比小于29%时, Smile随次热沉厚度增加而增加; 而当次热沉厚度超过临界点后, Smile随次热沉厚度增加而减小.当次热沉厚度达到临界点(2300 μm)时, 硬焊料封装的半导体激光器具有最大的Smile值3.876 μm.制备了CuW厚度分别为300 μm和400 μm的硬焊料封装976 nm激光器, 并测量了其发光光谱.通过对比峰值波长漂移量, 发现CuW厚度增加了100 μm, 波长红移增加了1.25 nm, 根据温度和应力对波长的影响率可知应力减小了18.05 MPa.测得两组器件的平均Smile值分别为0.904 μm和1.292 μm.实验证明增加CuW厚度可减小芯片所受应力, 增大Smile值.

随着半导体激光器输出功率的进一步提高, 热管理已经成为制约其性能和可靠性的关键瓶颈之一。利用有限元方法对千瓦级高功率传导冷却型(G-Stack)半导体激光器阵列的热特性进行数值模拟与分析。结果表明工作脉宽大于250 μs时器件各发光单元之间会发生严重的热串扰现象。在横向及垂直方向的热量分别为64.7％与35.3％, 横向方向热阻的74.9％及垂直方向热阻的66.5％来自CuW, 表明CuW对于激光器的散热性能有着决定性的影响。实验测试了器件在不同占空比条件下的光谱特性, 得到工作频率分别为20、30、40 Hz相对50 Hz的温差分别为2.33、1.56、0.78 ℃, 根据累积平均温度法计算得到的温差分别为2.13, 1.47, 0.75 ℃, 理论模拟结果相对于实验结果的平均误差小于6.85%, 结果表明理论模拟结果和实验瞬态热阻基本吻合。

利用有限元模型分别研究了回流过程和工作过程中传导冷却高功率半导体激光器的正应力、切应力和形变，并借助理论公式分析了热应力和smile的产生原因和分布规律.分析表明，在回流过程中热膨胀系数不匹配造成的切应力是正应力和变形的根源，而在工作过程中，热膨胀系数不匹配和温度梯度共同影响着热应力和变形.在此基础上，将回流导致的剩余应力和变形作为初始条件施加在有限元模型上，对工作状态器件的热应力和smile进行模拟，以获得更精确的模拟结果.最后，通过有限元模型和实验手段研究了不同热沉温度对 smile 的影响.结果表明，工作过程会导致器件的smile增大，热沉温度的升高也会造成smile进一步增大.

用数值模拟与实验测试相结合的方法, 研究了温度对“smile”的影响.利用有限元方法分别模拟计算了半导体激光器芯片键合及工作过程中激光器芯片中的热应力, 模拟中假设激光器芯片的弯曲仅由热应力引起；计算结果表明, 激光器芯片有源区的热应力随工作温度的升高而减小, 由热应力导致的芯片的弯曲随温度升高而减小.实验结果表明, 对于具有相同芯片、同一封装形式、同批次的器件, “smile”随温度的升高有增大或减小的趋势, 这与封装前裸芯片的弯曲形态及封装热应力的综合作用有关；若封装前裸芯片为相对平直的或凸的, 则封装后激光器的“smile”将随温度升高而减小；若封装前裸芯片为凹的, 封装后的激光器芯片仍为凹的, 则“smile”随温度升高而增大.

以硬焊料传导制冷，30%填充因子半导体激光器阵列为例，建立了三维有限元模型，对阵列内部各发光单元之间的热串扰行为进行了分析研究。结果表明，当其连续波工作时间大于1.2 ms后，阵列内发光单元之间出现热串扰现象；当次热沉由CuW合金改为铜金刚石复合材料时，阵列内发光单元自热阻和相邻发光单元的串扰热阻降低，有效地降低了各发光单元之间的热串扰行为。保持阵列宽度、发光单元数目及发光单元周期不变，发现随阵列填充因子的增加，器件热阻以指数衰减趋势逐渐降低，而发光单元间的热串扰特性对此变化并不敏感；保持阵列单个发光单元输出功率，发光单元尺寸及阵列宽度不变，增加发光单元个数后，阵列内各发光单元之间热串扰加剧，填充因子越高阵列升温速率越快；但在最初约70 μs内，包含不同数目发光单元的阵列最高温度差异仅约0.5 ℃，有利于多发光单元高填充因子器件高功率输出。