高功率轴快流CO2激光器激励源热沉结构优化设计

为了提高激励源的热稳定性,保证4kW轴快流CO₂激光器的光束质量,采用计算流体动力学的方法,理论分析了激光器激励源热沉的散热机理,对热流密度为106W/m2、面积为16cm2的激励源热沉结构进行了优化设计。结果表明,经过优化之后的热沉其表面的最高温度低于340K,完全能够满足激光器正常工作时激励源核心功率MOSFET对散热指标的要求;同时经过数值模拟得到了带凹槽微通道热沉的优化结构尺寸,分别是微通道凹槽间距P=0.6mm,微通道凹槽倾角θ=45°,微通道凹槽交错距离s=0.1mm,同时当雷诺数Re=546.9时,热沉有最优的散热效果,激光输出功率的稳定度可以控制在±2%以内。此研究为设计具有高效散热能力的微通道热沉提供了理论指导。     

两相冲击强化换热激光二极管用单片热沉

针对大功率激光二极管(LD)的冷却需求,基于沸腾-空化耦合效应,以及场协同理论,研制了一种微通道两相冲击强化相变热沉,封装腔长1.5 mm的LD线阵。实验测试了连续功率LD输出0~100 W时的电-光转换效率以及电流-输出功率等特性,冷却工质采用R134a,磁驱齿轮泵电机转速23 Hz时热沉热阻为0.211℃/W。结果显示微通道相变热沉具有良好的取热能力,能够满足大功率LD的散热要求。与改进前的热沉相比,基于场协同理论优化了的两相冲击热沉,热阻明显下降。     

高光束质量大功率半导体激光阵列的微通道热沉

针对现有高光束质量大功率半导体激光阵列内部发光单元条宽、填充因子不断减小,腔长不断增加的发展趋势所带来的热源分布及长度变化影响器件热阻的问题,利用分离热源边界条件结合商用计算流体力学(CFD)软件FLUENT进行数值计算,获得微通道热沉热阻随阵列器件发光单元条宽、空间位置变化关系以及不同阵列腔长对应的微通道优化长度.根据优化参数制备获得尢氧铜微通道热沉,并对宽1 cm,腔长1 mm,条宽100μm,填充因子为25%的半导体激光阵列进行散热能力测试,冷却器外形尺寸27 mm×11 mm×1.5 mm.微通道热沉热阻0.34 K/W,能够满足半导体激光阵列器件高功率集成输出的散热需求.     

复合型微通道热沉设计与制作技术研究

从大功率半导体激光器可靠性封装和应用考虑,利用商用有限元软件Abaqus与CFdesign对微通道热沉材料、结构进行优化设计,结合相应的制造工艺流程制备实用化复合型微通道热沉。微通道热沉尺寸为27 mm×10.8 mm×1.5 mm,并利用大功率半导体激光阵列器件对所制备热沉进行散热能力、封装产生的"微笑效应"进行了测试,复合微通道热沉热阻约0.3 K/W,"微笑"值远小于无氧铜微通道封装线阵列,可以控制在1μm以下。复合型微通道热沉能满足半导体激光阵列器件高功率集成输出的散热需求与硬焊料封装的可靠性要求。     

基于微通道散热的板条激光放大器热仿真分析

众所周知,热效应是限制大功率高能量激光器发展的一大瓶颈,在高能激光产生的过程中伴随着大量的废热产生,影响高能量激光器的光束质量甚至会影响其正常工作。为了保证高能量激光器的稳定运作并研究其工作物质的散热过程中的热分布状态,本文建立了一种用于高能Zig-Zag板条激光放大器的双端入水微通道散热模型,利用CFD模拟仿真软件在额定工况下对微通道与空腔热沉进行散热对比,还研究了模型的可变参量：通道高度、翅片厚度,以及水流量对于散热性能的影响。模拟研究发现本文提出的微通道热沉冷却效果优于全腔水冷效果,微通道热沉将晶体表面最高温差控制在4℃以内,表面温度也降低了32%;同时在压降允许范围内优化通道参数能再将冷却效果提升10%,实现增益介质分布式高效散热。     

单层与双层高效微小通道换热器的数值研究及优化

单层微通道热沉解决了高热流密度器件冷却问题,但被冷却器件表面存在温差大的缺点,双层微通道热沉由于其独特的结构设计,提高了被冷却表面的温度均匀性。建立了双层热沉的三维流固耦合模型,以恒定泵功为约束条件,热阻为热沉性能评价指标,比较了单层、双层逆向与双层同向热沉性能,结果表明,在泵功0.05 W和热流密度100 W/cm~2时,三种不同形式热沉热阻分别为0.1677k/W、0.1535k/W、0.1895k/W,热沉被冷却表面的最大温差分别为9.76 K、6.06 K、12.34 K,通过比较双层逆向热沉显著改善被冷器件温度均匀性,降低热阻。双层热沉上下通道泵功分配对热沉性能有较大影响,通过优化,分别使双层同向热沉、逆向热沉热阻减小15.83%、9.84%。     

掺Nd~(3+)玻璃微球阵列激光器的热学性能研究

为了研究二极管阵列抽运折射率匹配液冷却的掺Nd3+玻璃微球阵列增益区产生的热效应,采用FLUENT 6.3.26软件建立了激光器增益区流场的热-流-固耦合模型,利用有限元分析法,模拟分析了钕玻璃微球阵列的温度分布与自身尺寸、匹配液流速、微球层数和抽运频率的变化关系及其对热畸变的影响。由模拟结果可知,固体微球激光器的热恢复时间短,冷却效果与微球层数无关,流速增加对小尺寸微球的冷却效果无明显改善;当抽运频率为1Hz时,直径为2mm和4mm的微球增益区的单程最大光程差为3.1nm和51.9nm。结果表明,该构型激光器具有高效的冷却能力。这一结果对微球阵列激光器的热管理是有帮助的。     

掺Nd3+玻璃微球阵列激光器的热学性能研究

为了研究二极管阵列抽运折射率匹配液冷却的掺Nd3+玻璃微球阵列增益区产生的热效应,采用FLUENT6.3.26软件建立了激光器增益区流场的热-流-固耦合模型,利用有限元分析法,模拟分析了钕玻璃微球阵列的温度分布与自身尺寸、匹配液流速、微球层数和抽运频率的变化关系及其对热畸变的影响。由模拟结果可知,固体微球激光器的热恢复时间短,冷却效果与微球层数无关,流速增加对小尺寸微球的冷却效果无明显改善;当抽运频率为1Hz时,直径为2mm和4mm的微球增益区的单程最大光程差为3.1nm和51.9nm。结果表明,该构型激光器具有高效的冷却能力。这一结果对微球阵列激光器的热管理是有帮助的。     

高功率半导体激光器微通道热沉的模拟优化

针对原curamik微通道热沉因进水通道流量不均而导致散热不均匀的现象,基于FLUENT软件对其进行数值模拟。从内部结构及热沉材料方面提出优化方案,并进一步获得在热沉高度和进出口宽度为固定值的条件下,微通道宽度、间距及通道脊长度3个因素分别对芯片表面温升和压降的影响规律。根据优化的参数,通过选区激光熔化技术制备获得纯镍微通道热沉并进行芯片封装测试。结果显示,微通道热沉散热均匀,热阻为0.39K/W,压降为140kPa,能够满足输出功率为80 W的半导体激光器单巴条芯片的散热要求。     

新型高效冷却热沉设计及其流体热力学模拟

为了满足高功率密度的激光二极管列阵叠层的封装需求,设计了新型小通道高效冷却热沉,并利用Ansys-Fluent软件模拟了它的热特性和冷却水的流动特性。相对于传统的宏通道热沉,小通道热沉的有效散热面积的增加大大提高了其散热效果。同样的散热需求下,小通道热沉所需冷却水水流流速更低,因此也就降低了对水冷机的水压要求。对于不同散热要求的高功率密度激光二极管叠层封装的热沉设计,可根据本文所述的流体热力学模拟方法及其详细的数据分析,对该类小通道热沉进行结构参数优化、热特性仿真及所需冷却水流速的预估。所设计的高效冷却小通道热沉结构具有加工简单,成本低,且方便耐用、寿命长等优点,是高功率密度激光二极管叠层器件封装的有效散热热沉结构。     

基于半导体碟片腔内倍频的高功率490 nm激光器

报道了基于半导体碟片激光倍频实现的高功率青色(蓝绿光)激光，连续输出功率可达到4.8 W。通过半导体碟片热管理优化和金刚石热沉预金属化，获得了最大功率为22.5 W、光-光转换效率为42.7%的980 nm基频光输出。通过V型腔LBO(LiB₃O₅)晶体倍频实现了4.8 W 490 nm激光输出，总的光-光转换效率为15.4%，单位泵浦面积产生的蓝绿光光强为3.8 kW/cm²。     

内凹形微通道热沉换热流动性能的数值分析

针对大功率LED阵列的热控问题,提出了一种内凹形("Ω"形)铜基微通道热沉,并采用数值模拟(CFD)方法分析对比了其与常见矩形微通道热沉的性能。此外,还对其在不同流速、进口水温、热流密度下的单相对流传热、流动性能进行了研究。结果表明,该内凹形微通道较常见的矩形微通道热沉,通过减少泵功损失获得了更高的综合性能;采用较高的流速和较小的进口水温能够提高其换热性能,增大热沉底面温度均匀性,从而提高LED的寿命和稳定性;雷诺数约为300时,层流向湍流转捩。     

脉冲CO2激光诱导液体微射流动力学特性及应用研究

近年来，激光诱导液体微射流技术以其热损伤小、精度高、微创等优点，在无针注射、神经外科等医学领域得到了广泛应用。本团队设计了以10.6μm CO₂激光器为激光光源的微射流装置，并探究了CO₂激光诱导液体微射流特性与激光强度、激光焦点位置与硒化锌镜片距离D的关系。采用不同弹性模量的琼脂糖凝胶模型作为人体模拟组织，评估了10.6μm CO₂激光诱导液体微射流在组织选择性切割方面的可行性。结果显示，射流流速与激光强度、D成正相关，且微射流对不同弹性模量的生物组织具有高度选择性，表明其在精准去除肿瘤且保留高弹性模量组织的应用方面具有一定的潜在价值。     

AIN Monolithic Microchannel Cooled Heatsink for High Power Laser Diode Array

介绍了一种应用于大功率激光二极管列阵的新型单片集成微通道制冷热沉．这种热沉已制造并经过测试．10叠层的激光二极管列阵的热阻为0.121℃/W．相邻两个激光条的间距是1.17mm．在20%高占空比条件下，波长为808nm左右，峰值功率可以达到611W．     

高功率微波装置散热热沉传热流动特性

高功率微波装置在运行时面临的高热流密度散热是当前热控必须解决的难题。微小通道热沉散热结构简单,换热能力突出,在一定程度上能够解决高热流密度散热的问题。但使用微小通道热沉散热时,散热面温度在沿工质流动方向不断升高,这对器件稳定运行不利。而射流冲击技术中流体垂直于热源喷射,温度边界层薄,温度梯度大,换热效果强。将射流冲击技术与微通道热沉相结合,不仅能提高换热系数,增大换热量,而且能实现良好的温度均匀性。对高热流密度下射流冲击微小通道热沉进行数值模拟,分析不同射流孔径对其传热和流动特性的影响。结果表明,增大远离出口处的射流孔径,有利于提高传热效率和减小流动阻力。优化后的射流微通道热沉,在质量流量为14 g/s时,换热系数接近39 000 W/(m2·K)。     

镍锌铁氧体复合片材亚纳秒激光切割

镍锌铁氧体复合材料是一种性能优良的吸波材料，同时还具有高柔性和可加工性，广泛用于屏蔽通信中的电磁干扰。为提高铁氧体复合片材的切割质量，采用先进的脉冲激光切割工艺，并选择窄脉宽的亚纳秒脉冲激光为光源。首先改进了激光切割的扫描策略，结果表明，与常规的多遍策略相比，周期性“扫描-冷却”多遍策略显著抑制了热积累，使切缝热影响区宽度从567.39μm减小至249.42μm,降低了56%。在改进的扫描策略基础上，使用响应曲面模型分析激光平均功率(P)、光束扫描速度(v)、“扫描-冷却”每个周期内扫描次数(n₁)3个因素对热影响区宽度和切割效率的综合影响，并进行参数优化。高的平均功率、高的扫描速度和少的扫描次数有利于降低热影响区宽度，同时兼顾切割效率。参数优化结果显示，平均功率19.7～21.1 W,扫描速度1 750～1 800 mm/s,每个周期内扫描20～24次，可以实现在9个周期切断0.2 mm镍锌铁氧体复合片材，切缝热影响区宽度约为200μm。     

用于激光脱毛的低成本810 nm半导体激光模块

针对国内激光脱毛设备的需求,提出了宏通道加传导散热热沉的散热设计,并采用正交实验方法对影响宏通道散热能力的4个关键参数和3个水平进行了结构优化设计.仿真结果表明,对于该模块,本文设计的宏通道具有和微通道相同的散热能力.使用宏通道加传导散热热沉研制出低成本半导体激光器模块,测试结果表明,与设计值一致,输出峰值功率达到了603 W,波长807.5 nm,整体结构热阻为0.28℃/W,可以满足激光脱毛设备的使用要求.宏通道热沉成功取代了传统的微通道热沉,达到了降低成本的目的.     

基于扰流的蜂窝层叠微通道热沉散热实验研究

针对一种基于扰流作用的多层蜂窝形微通道热沉结构设计,在不同流量、不同加热功率、不同热沉设计尺寸等实验条件下时其进行了散热测试实验,对影响该系统性能的因素进行了分析和讨论.散热实验结果显示在热沉进出口管径采用外径为φ6 mm,内径为φ4 mm不锈钢毛细管时,其有效散热热流密度可达18.2 W/cm2,基板温度为48.3℃,微泵耗功为2.4 W,具有良好的换热效果.     

应用于大功率激光二极管列阵的单片集成微通道制冷热沉

介绍了一种应用于大功率激光二极管列阵的新型单片集成微通道制冷热沉.这种热沉已制造并经过测试.10叠层的激光二极管列阵的热阻为0.121℃/W.相邻两个激光条的间距是1.17mm.在20%高占空比条件下,波长为808nm左右,峰值功率可以达到611W.     

多孔侧肋双层微通道热沉构形优化

建立了多孔侧肋双层微通道复合热沉模型,选取最大热阻最小化为优化目标、热沉单元端面纵横比为优化变量,在热沉总体积和流体区域体积占比给定的条件下,对复合热沉进行了构形优化,并分析了冷却剂入口速度、多孔材料孔隙率、上下通道高度比、流体区域体积占比、肋厚比等参数对热沉最优构形的影响.结果表明:给定初始条件,优化热沉单元端面纵横比,可使最大热阻减小21.19％;在热沉单元端面纵横比较小时,减小孔隙率有利于降低最大热阻,而在热沉单元端面纵横比较大时,存在最优的孔隙率使得最大热阻最小;上下通道高度比和肋厚比的改变均未影响热沉最优构形.