全固态碟片激光器的多孔泡沫热沉传热特性研究

发布时间：2021-04-07 05:03

　　高功率全固态碟片激光器在运行中产生的热透镜效应会引起激光器输出功率降低、光束质量退变,针对该问题本文将多孔碳化硅泡沫和毫米通道引入到全固态碟片激光器的换热热沉中,并将其应用于多冲程泵浦的全固态碟片激光器.利用有限元分析软件对其结构模型参数进行了优化,当碳化硅厚度为2mm,孔隙率为40%,入水口压力为4kg（0.4 MPa）时,系统理论换热系数为1.51×10⁵ W/m²·K,实验测量结果为1.45×10⁵ W/m²·K,理论和实验结果较为接近,验证了理论模型的正确性.最后利用该新型热沉搭建了基于Yb∶YAG的24冲程全固态碟片激光器实验装置,获得输出功率为393 W,波长为1 030nm的连续激光输出,光-光转换效率达到52%,光束参数乘积为5.918mm·mrad. 

【文章来源】：光子学报. 2020,49(04)北大核心EICSCD

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【部分图文】：

多孔结构热沉换热模型

多孔介质的孔隙率能够通过工艺控制实现不同的需求，为此利用有限元分析出不同孔隙率下，热沉表面温度随孔隙率的变化曲线．如图2(a）所示，随着孔隙率的提升，热沉的换热系数呈现先增大后减小的变化规律，其中在孔隙率为43%点附近出现温度最低点．同时，由图2(b）给出孔隙率分别为95%、65%、40%、10%时热沉的换热系数分布曲线，可以看出换热系数曲线呈现“峰谷”变化，这主要是由于毫米通道采用进出交替变化出入水设计导致的．从热沉温度及换热系数分布上可以看出，随着孔隙率的增加，换热系数先增大后减小，其中在孔隙率为40%附近呈现出最大值．

由于多孔介质可增加流体的热阻，其厚度参数尤为重要，因此在多孔介质厚度为1～4mm时，对热沉模块分别进行有限元仿真分析，通过确定热沉表面温度间接衡量热沉换热能力．图3为热沉表面随温度介质厚度变化的曲线，可见，多孔介质厚度约在1.5～2mm之间时，晶体温度最低．因此选择拐点位置2mm厚的多孔介质为设计参数．1.4 多孔泡沫热沉对入水口压力的选择


本文编号：3122853