相变散热技术在小型高效半导体抽运激光器中的应用研究
发布时间：2020-12-11 12:18
二极管抽运固体激光器(DPSSL)热管理技术是决定其小型化、插头效率和光束质量等性能的关键因素之一。研究了基于低熔点液态金属镓合金相变材料的二极管抽运激光器(DPL)温控技术。对比实验研究结果表明,与体积更大的风冷肋片散热器相比,相变材料散热器能使激光器在高温55℃环境中正常工作时间从1 min延长到6 min、制冷功耗减小到46%、散热分系统体积减小到53%,并使激光器系统的插头效率由3.02%提高到3.77%。理论计算和有限元仿真模拟再现了液态金属相变过程中温度变化规律,再次表明液态金属相变材料散热器具有功耗低和体积小等优势。为拓展液态金属相变材料在激光器热管理领域的应用奠定了理论和实验基础,具有重要的工程应用价值。
【文章来源】：中国激光. 2016年01期 第39-45页 北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图1两种散热器实物照片
魇奔湟?蟆?图1两种散热器实物照片。(a)相变散热器;(b)风冷肋片散热器Fig.1Photosoftwolaserheatradiators.(a)Laserwithphasechangematerialheatradiator;(b)laserwithair-cooledheatradiator相变材料主要采用镓基合金，其热导率k=13W/(m·℃)[明显高于水的热导率0.68W/(m·℃)，更高于石蜡的热导率0.3~0.5W/(m·℃)，低于铝的热导率203W/(m·℃)，因此如果在相变材料散热器壳体内部加几片辅助导热的肋片效果会更好，本实验中未加]，密度为7.564g/cm3。合金的等效热容Cp通过差示扫描量热仪测试获得，其温度依赖关系见图2。合金的相变过程融化开始于58℃，终于70℃。根据此图，合金相变时在55~70℃区间吸收热量约为304J/cm3。融化开始温度为58℃，比最高环境温度55℃高3℃，可以确保合金不会提前发生融化。图2相变材料等效热容图Fig.2EquivalentthermalcapacityofPCM用高低温箱，在最高环境温度为55℃下进行实验。用两个热敏电阻分别监控LD和散热器的温度，并记录其温度变化曲线。通过不断调节TEC致冷电流电压，使LD温度稳定在53~62℃(目前实验采用手动调节，因此温度波动较大，以后将使用自动温控电源)。规定LD温度明显超出正常工作范围(大于或者等于62℃)时，激光器能量将低于指标要求，不能正常工作。LD刚好超过62℃之前的时间，定义为激光器正常工作时间。每隔30s记录一次散热器和LD的温度以及TEC电流和电压。2.2实验参数设计根据LD工作特性，选择最佳的散热器参数对于优化散热性能至关重要。因此，下面将先讨论2.1节中实验设置的理论依据。LD发热功率可以由下式估算：QLD=U×I×τ×f×η,(1)式中U、I、τ、f、η分别表示LD的输入电压为126V、电流为60A、脉宽为240μs、重复频率为50Hz、发热效率为55%。计算得到LD发热功率?
中国激光0102005-2.3实验结果分析为了验证其控温效果，做了对比实验研究。图3记录了分别使用两种散热器时，激光器内部LD和散热器底部各自的温度变化曲线。从图3可以看出，相变散热器，可以正常工作3个循环，激光器正常工作时间大于6min。6min后，相变结束，相变散热器温度不断升高，不能稳定控温了；而风冷肋片散热器在第1min温度即超过了62℃，不能对LD稳定控温，激光器正常工作时间小于1min。如果想让具有风冷散热器的激光器正常工作3个循环，必须极大地加大散热面积。图355℃时，两种激光器的LD及散热器温度变化曲线Fig.3TemperaturescurvesoftwoLDsandheatradiatorsat55℃从图3可以看出，前6min，相变材料散热器的温度都明显低于风冷肋片散热器，对于温差越小制冷效率越高的TEC来说，理论上可以节省很多致冷功率。实验中TEC输入电流电压不断波动，采用相变材料散热器时，TEC平均功率约为23.7W；而采用风冷肋片散热器时，TEC平均功率约为49.2W。LD输入功率为126V×60A×240μs×50Hz=90.7W，实测激光单脉冲能量平均输出为86.1mJ，风扇功耗2.8W。根据上述参数，可以计算出使用液态金属相变散热器时，激光器插头效率为3.77%，而使用风冷肋片散热器时，激光器插头效率为3.02%。且液态金属相变散热器体积明显小于肋片风扇散热器(省了风扇的体积)。3仿真及分析为更加精确进行散热设计和分析，使用ANSYS进行模拟。首先建立模型，使用Solidworks按上述实验装置尺寸(62mm×60mm×17mm)分别建立相变材料散热器的容器、盖板和内部相变材料的模型(液态金属没有完全装满，上面留有0.5mm空隙)。材料参数如表1所示。表1材料参数表Table1ParametersofmaterialsAlPCMThermalcapacity/[J/(kg·℃)]900seeFig.1Density/(kg/m3)27007564Ther
【参考文献】：
期刊论文
[1]气体冷却激光二极管抽运的固体激光放大模块设计及热管理研究[J]. 徐鹏翔,李学春,王江峰,黄文发,彭宇杰,张玉奇. 中国激光. 2014(10)
[2]CCEPS激光器水冷设计的流固耦合传热数值研究[J]. 刘刚,唐晓军,徐鎏婧,王超,刘磊,王文涛,刘洋. 中国激光. 2014(04)
[3]相变热控在高空光学遥感器CCD组件中的应用[J]. 李延伟,杨洪波,张洪文,丁亚林,冷雪,张继超,远国勤. 红外与激光工程. 2012(11)
[4]热电制冷在激光器冷却系统中的应用[J]. 高光波,郑四木. 航空精密制造技术. 2012(02)
[5]固体激光器中多块热沉夹持晶体散热时接触热导研究[J]. 刘海强,过振,王石语,林林,李兵斌,蔡德芳. 中国激光. 2011(05)
[6]强迫空气加相变散热研究[J]. 金华群. 电子机械工程. 2005(06)
[7]大功率半导体激光器恒温系统[J]. 张洪武,张亮,李坤,张云鹏. 吉林大学学报(理学版). 2005(05)
本文编号：2910510
【文章来源】：中国激光. 2016年01期 第39-45页 北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图1两种散热器实物照片
魇奔湟?蟆?图1两种散热器实物照片。(a)相变散热器;(b)风冷肋片散热器Fig.1Photosoftwolaserheatradiators.(a)Laserwithphasechangematerialheatradiator;(b)laserwithair-cooledheatradiator相变材料主要采用镓基合金，其热导率k=13W/(m·℃)[明显高于水的热导率0.68W/(m·℃)，更高于石蜡的热导率0.3~0.5W/(m·℃)，低于铝的热导率203W/(m·℃)，因此如果在相变材料散热器壳体内部加几片辅助导热的肋片效果会更好，本实验中未加]，密度为7.564g/cm3。合金的等效热容Cp通过差示扫描量热仪测试获得，其温度依赖关系见图2。合金的相变过程融化开始于58℃，终于70℃。根据此图，合金相变时在55~70℃区间吸收热量约为304J/cm3。融化开始温度为58℃，比最高环境温度55℃高3℃，可以确保合金不会提前发生融化。图2相变材料等效热容图Fig.2EquivalentthermalcapacityofPCM用高低温箱，在最高环境温度为55℃下进行实验。用两个热敏电阻分别监控LD和散热器的温度，并记录其温度变化曲线。通过不断调节TEC致冷电流电压，使LD温度稳定在53~62℃(目前实验采用手动调节，因此温度波动较大，以后将使用自动温控电源)。规定LD温度明显超出正常工作范围(大于或者等于62℃)时，激光器能量将低于指标要求，不能正常工作。LD刚好超过62℃之前的时间，定义为激光器正常工作时间。每隔30s记录一次散热器和LD的温度以及TEC电流和电压。2.2实验参数设计根据LD工作特性，选择最佳的散热器参数对于优化散热性能至关重要。因此，下面将先讨论2.1节中实验设置的理论依据。LD发热功率可以由下式估算：QLD=U×I×τ×f×η,(1)式中U、I、τ、f、η分别表示LD的输入电压为126V、电流为60A、脉宽为240μs、重复频率为50Hz、发热效率为55%。计算得到LD发热功率?
中国激光0102005-2.3实验结果分析为了验证其控温效果，做了对比实验研究。图3记录了分别使用两种散热器时，激光器内部LD和散热器底部各自的温度变化曲线。从图3可以看出，相变散热器，可以正常工作3个循环，激光器正常工作时间大于6min。6min后，相变结束，相变散热器温度不断升高，不能稳定控温了；而风冷肋片散热器在第1min温度即超过了62℃，不能对LD稳定控温，激光器正常工作时间小于1min。如果想让具有风冷散热器的激光器正常工作3个循环，必须极大地加大散热面积。图355℃时，两种激光器的LD及散热器温度变化曲线Fig.3TemperaturescurvesoftwoLDsandheatradiatorsat55℃从图3可以看出，前6min，相变材料散热器的温度都明显低于风冷肋片散热器，对于温差越小制冷效率越高的TEC来说，理论上可以节省很多致冷功率。实验中TEC输入电流电压不断波动，采用相变材料散热器时，TEC平均功率约为23.7W；而采用风冷肋片散热器时，TEC平均功率约为49.2W。LD输入功率为126V×60A×240μs×50Hz=90.7W，实测激光单脉冲能量平均输出为86.1mJ，风扇功耗2.8W。根据上述参数，可以计算出使用液态金属相变散热器时，激光器插头效率为3.77%，而使用风冷肋片散热器时，激光器插头效率为3.02%。且液态金属相变散热器体积明显小于肋片风扇散热器(省了风扇的体积)。3仿真及分析为更加精确进行散热设计和分析，使用ANSYS进行模拟。首先建立模型，使用Solidworks按上述实验装置尺寸(62mm×60mm×17mm)分别建立相变材料散热器的容器、盖板和内部相变材料的模型(液态金属没有完全装满，上面留有0.5mm空隙)。材料参数如表1所示。表1材料参数表Table1ParametersofmaterialsAlPCMThermalcapacity/[J/(kg·℃)]900seeFig.1Density/(kg/m3)27007564Ther
【参考文献】：
期刊论文
[1]气体冷却激光二极管抽运的固体激光放大模块设计及热管理研究[J]. 徐鹏翔,李学春,王江峰,黄文发,彭宇杰,张玉奇. 中国激光. 2014(10)
[2]CCEPS激光器水冷设计的流固耦合传热数值研究[J]. 刘刚,唐晓军,徐鎏婧,王超,刘磊,王文涛,刘洋. 中国激光. 2014(04)
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[4]热电制冷在激光器冷却系统中的应用[J]. 高光波,郑四木. 航空精密制造技术. 2012(02)
[5]固体激光器中多块热沉夹持晶体散热时接触热导研究[J]. 刘海强,过振,王石语,林林,李兵斌,蔡德芳. 中国激光. 2011(05)
[6]强迫空气加相变散热研究[J]. 金华群. 电子机械工程. 2005(06)
[7]大功率半导体激光器恒温系统[J]. 张洪武,张亮,李坤,张云鹏. 吉林大学学报(理学版). 2005(05)
本文编号：2910510
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