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。     

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.     

单通激光片状放大器的模拟计算分析

介绍了高功率固体激光驱动器中单通片状放大器 (SSA)的模拟和实验研究结果。对放大器能量传输的各环节进行全系统模拟 ,在能源系统优化的前提下 ,对不同抽运条件和不同抽运腔构型放大器的增益特性进行实验研究 ,2 2kV工作电压下 ,获得了 4 9%cm-1的小信号增益系数和 2 4 3%的储能效率。同时还分析了放大器的抽运热畸变及波前变化 ,实验测量了由抽运引起的腔内洁净度变化情况。     

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.     

基于LTCC的微流道散热技术

简要介绍了在低温共烧陶瓷(LTCC)基板中制作微流道结构对电路散热的必要性,建立3种不同结构微流道LTCC基板有限元模型并对其进行了热-流耦合仿真,分别分析不同结构、流体流速及进出口截面对散热性能的影响.基于仿真结果制备实物,实测结果表明14 W/cm2热流密度下最高温升124.3 K,在设定水流流速为0.012 m/...     

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。     

利用非均匀泵浦提高二极管泵浦激光放大器储能均匀性

对于高增益二极管泵浦激光放大器,均匀泵浦时会产生储能分布的不均匀。模拟分析了非均匀分布泵浦光对储能分布的影响,计算结果表明:使用一定的非均匀分布泵浦能够获得均匀的储能分布,使用一定范围的非均匀分布泵浦对储能均匀性起到改善作用。模拟分析了重复频率工作条件下使用非均匀分布泵浦对温度分布的影响情况,计算结果表明介质中心处温度有所下降,介质边缘处温度没有变化。因此,减小了介质整体温度和温度梯度,有利于热管理。     

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.     

微通道散热大功率半导体激光器研究

基于GaInAs/AlGaAs应变量子阱大光腔结构激光器芯片和无氧铜微通道热沉,采用In焊料烧结工艺,制作了976nm大功率连续激光器单条。在20℃热沉冷却条件下,输入电流110A时,输出功率104.9W,电光转换效率达到最大值64%。输入电流300A时,输出功率276.6W,电光转换效率达到54.2%。对激光器单条的热阻以及特征温度进行了测试分析,根据分析结果模拟了激光器单条在大电流下的输出特性,模拟结果显示热饱和是限制激光器最大输出功率的原因。因此,为了提高大功率激光器的输出功率,需要进一步提高激光器的特征温度,并降低热阻以改善散热情况。     

基于CFX的微通道液冷冷板设计与优化

散热不良导致的热失效是电子设备失效的主要形式,而微通道液冷冷板具有较高的换热效率.使用专业流体热仿真软件CFX分析相同边界条件下不同结构参数微通道冷板的热效性能,寻求最优设计方案.     

基于热固耦合的管道激光超声检测有限元模拟

对管道裂纹检测中的激光超声检测技术应用于X80管道时的测试进行研究,运用基于热固耦合的有限元方法对激光照射管道产生超声的过程进行模拟,得到了脉冲激光源功率密度特性图以及管道表面温度场的分布图,对模拟结果进行分析并得出相关结论.通过研究脉冲激光所激发的超声波在管道中的传播特性,分别得出了超声波在管道表面有裂纹和无裂纹时的...     

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。     

脉动微波循环注热开采煤层气数值模拟

为获取脉动微波循环加热条件下低渗透储层煤层气运移采出规律,文中综合运用多孔介质传热学、电磁学、渗流力学、岩石力学等相关理论,建立低渗透储层煤层气微波注热开采过程渗流电磁-热-流-固多物理场耦合数学模型,结合COMSOL Multiphysics有限元分析软件进行了脉动微波循环加热过程煤层气运移采出规律的数值模拟,获取了...     

基于ANSYS的大功率半导体光放大器的热分析

功率型半导体光放大器（High-Power Semiconductor Optical Amplifier,以下简称HP-SOA）在长距离自由空间光通信等领域有着诱人的应用前景,1550nm波段高速、大功率光源的需求日益增加,促进了HP-SOA技术的发展。随着输出功率的提高,HP-SOA热耗散功率也随之增加,其热特性对器件性能影响日趋明显,需及时散热。因此散热问题的解决是一个很关键的技术,高效率的器件散热结构设计十分必要。文章利用ANSYS有限元分析软件对输出光功率26dBm的大功率SOA器件的温度场分布进行了模拟和优化设计,为SOA封装材料、工艺方案的选择提供了依据,并据此进行了封装实验。     

均匀热源条件下类叶状微通道矩形热沉的构形设计

针对均匀背景热流条件下的散热问题,构建了类叶状微通道矩形热沉模型,基于构形理论,在给定热沉体积与液冷通道总体积的约束条件下,以热沉最高温度和压降最小化为 目标,以微通道单元数、主通道与分支通道的夹角、主通道与分支通道的管径比为设计变量进行了优化设计.结果表明:通过增加微通道单元数、减小主通道与分支通道的夹角、采用较小的主通道与分支通道之管径比,可以降低热沉的最高温度,但是会增大压降损失.     

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。     

一种用于端面泵浦DPL的微通道热沉设计方案

讨论了在大功率泵浦条件下,有效控制固体激光器晶体的工作温度,介绍了串接扇形喷射式微通道散热系统,并对端面二级管泵浦固体激光器冷却系统进行了设计,该散热系统是半圆形金属中刻有微通道槽道,将传导冷却与流体冷却紧密结合的一种新型制冷器件。理论分析证明,该器件加强了热传导能力,提高了固体激光器的工作效率。     

高功率固体激光器微通道冷却结构的数值研究

针对端面泵浦固体激光器的微通道冷却结构,基于流-固-热耦合的数值方法计算了不同冷却液流量下增益介质内部的温度分布和冷却结构的流动阻力,为下一步冷却结构的改进提供了理论依据。计算结果表明:当冷却液流量增加至15 L/min时,增益介质的最高温度不再出现明显下降,此时微通道冷却结构的内部流动阻力不会对冷却系统运行造成明显的影响;冷却结构的进出口位置及水冷方向对增益介质内部的热分布具有较大的影响。     

基于相界面随动热源模型的激光穿孔过程动态模拟

激光穿孔是现代工业生产中重要的加工手段。明晰激光穿孔过程中激光热源、辅助气体与被加工物间的作用机理及被加工物的多相流变化过程,对指导实际生产工作至关重要。本文提出一种相界面随动热源模型,旨在动态模拟3 mm钢板的激光穿孔过程,揭示其穿孔加工机理。首先,融合相变界面随动热源模型与辅助气体模型建立激光穿孔模型,规划计算流程,对激光穿孔过程进行多场耦合多相流动态模拟;其次,分别对穿孔相变的温度场及流场结果进行分析,明晰穿孔过程中金属的相变过程、熔池的温度变化过程,金属液相随辅助气体的流动过程。分析结果表明,采用相变界面随动热源模型的仿真结果可有效模拟激光穿孔加工的动态过程,揭示其作用机理。