固体激光器新型冷却热沉的设计和CFD数值研究

为固体激光器设计了一种新型内部结构扰流柱结构的冷却热沉,采用计算流体力学（CFD）方法对此水冷热沉的三种典型设计方案以及传统的空腔结构和等截面小通道结构热沉分别进行了数值模拟,据此研究了冷却水流量对各种方案的增益介质最高温度、冷却面温度分布以及热沉的压力损失等特性的影响。在相同传热量和相同冷却水流量前提下,等截面小通道热沉和扰流柱热沉的传热特性都明显优于空腔结构热沉。与等截面小通道水冷热沉相比较,扰流柱热沉传热热阻更小,而流动压力损失较大。数值模拟结果表明扰流柱热沉传热性能优于传统的两种热沉（空腔结构和等截面小通道结构）设计方案,具有更好的冷却效果。在较高流量下工作时,扰流柱热沉传热性能略优于等截面小通道热沉,在较低流量下工作时则显著优于等截面小通道热沉。     

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。     

基于微通道致冷的大功率LED阵列封装热分析

采用微通道致冷技术,设计了大功率LED阵列封装的微通道致冷结构,并应用热分析软件模拟了其热性能,探讨不同鳍片结构尺寸、流速、功率等参数对LED多芯片散热效果的影响.文中提出了采用交错通道以提高LED封装的散热能力,模拟结果显示,交错微通道致冷的封装结构能很好地满足大功率LED阵列的散热需要.     

基于微通道热沉的片状激光放大器散热模拟及优化

为实现片状结构高重复频率大能量激光放大器的高效热管理，采用有限元分析(FEA)方法，充分考虑增益介质内部非均匀热分布、微通道热沉中的流速、对流扩散等影响因素，引入流-热-固多物理场耦合数值分析模型，对激光放大器热沉进行分析优化，并基于优化结果探讨了不同流速下微通道热沉的散热冷却能力。模拟结果表明：当基底厚度H_b=2 mm、单个微通道高度H_c=4 mm和宽度W_c=0.4 mm、两微通道的间距W_w=0.3 mm时，微通道热沉冷却能力最强，热阻最小；微通道内冷却液流速过大会导致较大的流动压力损失；微通道热沉的平均等效换热系数可达50000 W/(m²·K)。     

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。     

千瓦级连续激光二极管面阵及微沟道冷却组件

千瓦级连续激光二极管面阵由30个40W的808nm连续激光二极管条组成,按要求排列成5×6矩阵,发光孔径12mm×70mm。每个激光二极管条安装在微沟道冷却封装组件上,依靠高压冷却水通过微沟道维持连续运行。面阵的30个二极管条的电路串联,冷却水道并联,恒流电流50A时,发射连续1060W,808nm波长的激光,平均功率密度126W/cm2。5个K型热电偶安装在面阵不同位置测量激光二极管底部附近硅热沉的温度随耗散热功率的增加,面阵整体热阻的测量值为0.009℃/W。千瓦级连续面阵可用于抽运大功率固体激光器,也可用于材料表面热处理。     

硅通孔三维封装技术研究进展

芯片叠层封装能够大幅提高集成度,硅通孔技术是集成电路三维封装的发展方向.但是随着封装密度增加功率密度增大,对散热的要求也愈加迫切.对芯片散热的最新进展进行了介绍,着重研究了微管液体冷却技术,在讨论了相关模型的基础上,对微管的制备方法进行了分析.     

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。     

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。     

大面积处理芯片嵌入式微流体冷却技术

随着集成电路制程趋于极限,登纳德缩放定律逐步失效,芯片的功率密度逐渐提升,尤其是在5G、物联网以及高性能计算快速发展的驱动下,单芯片面积也在增大,热耗散问题日趋严重,传统的冷却方式已无法保证芯片的可靠工作.将热沉制备在芯片内部可以避免封装材料的导热热阻和多层界面热阻,提升冷却性能和冷却效率.学术界针对芯片的嵌入式微流体冷却开展了大量卓有成效的研究和探索,不断提出新型通道结构设计方案,包括平行长直通道、歧管通道、射流通道等.旨在于优化泵功和热阻,在小压降下实现高效冷却.然而,随着芯片面积的增大,在限域空间实现高效冷却将更加困难,工艺难度和制造成本限制了嵌入式液冷的大规模商业化使用,目前在实际IC芯片内演示的冷却方案验证了嵌入式冷却的性能,但复杂度高,兼容性差,冷却性能有待进一步提升.尤其是在3D封装架构下,需要提出兼容小型化、高密度封装的通道结构,通过协同设计,在保证电学互连的前提下实现层间冷却.在优化通道结构设计的同时,还需要简化工艺,降低成本,提升嵌入式微流体冷却的工艺可靠性和长期工作可靠性,才能推进嵌入式微流体冷却技术的实际应用.     

10 watt CW, 5000 h lifetime monolithic AlGaAs laser diode arrays

1 cm-wide monolithic laser diode arrays emitting at about 810 nm with a 3 mm total active aperture width have been life-tested at 10 W constant power at 20 degrees C heat-sink temperature. One array has been operated for over 3000 h and has a projected lifetime in excess of 5000 h.<>     

大功率半导体激光器阵列

综合介绍了目前半导体大功率激光器普遍采用的材料结构、芯片结构、封装技术、散热致冷技术以及发展现状;给出了当前大功率半导体激光器的研究发展方向。     

高斜率效率隧道结叠层激光器的研制

隧道结叠层激光器技术具有广泛的应用空间,如高斜率效率、高功率密度、多波长激光器等。采用LP-MOCVD系统生长隧道结材料,CCl4作为p型掺杂源,SiH4作为n型掺杂源,并采用δ掺杂技术,使得n+-GaAs的掺杂浓度大于1×1019/cm3,隧道结的面电阻率小于2×10-4Ω.cm2。设计生长了双叠层、三叠层材料,该材料制作的900nm双叠层激光器在200ns脉宽、20A工作电流下输出功率35W,斜率效率1.8W/A,是单层材料的1.8倍,隧穿结引入的压降约为0.15V;860nm三叠层激光器的斜率效率大于2.7W/A,是单层材料的2.7倍。     

Preparation of multi-wavelength infrared laser diode

We prepare a new type of multi-wavelength infrared laser diode with four chips, three wavelengths （865 nm, 905 nm and 1064 nm） and two working modes （pulse and single）. The preparation technology of the diode includes two key processes： heat-sink and packaging processing technique to package four different chips on a same heat-sink. The experimental results show that four output peak-wavelengths of the prototype diode all possess favorable stability.     

Thermal analysis of high power LED package with heat pipe heat sink

The goal of this study is to improve the thermal characteristics of high power LED (light-emitting diode) package using a flat heat pipe (FHP). The heat-release characteristics of high power LED package are analyzed and a novel flat heat pipe (FHP) cooling device for high power LED is developed. The thermal capabilities, including startup performance, temperature uniformity and thermal resistance of high power LED package with flat heat pipe heat sink have been investigated experimentally. The obtained results indicate that the junction temperature of LED is about 52 °C for the input power of 3 W, and correspondingly the total thermal resistance of LED system is 8.8 K/W. The impact of the different filling rates and inclination angles of the heat pipe to the heat transfer performance of the heat pipe should be evaluated before such a structure of heat pipe cooling system is used to cool high power LED system.     

半导体激光器堆栈快轴光束质量计算的研究

以高斯光束传输理论为基础,结合半导体激光器堆栈结构,建立了半导体激光器堆栈快轴方向光束传输理论模型,并引入单个半导体激光器阵列的发散角和指向性因子,对半导体激光器堆栈快轴方向光束质量计算方法进行了修正,最后通过实验对计算结果进行验证。结果显示,相对于实验测量值,该理论模型计算值的误差仅为2.14%,与修正前的计算误差24.16%和18.36%相比,在精度上有了很大程度的提高,因此,该方法可行,能更精确的反应堆栈快轴的光束质量。     

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.     

多通道及铟封技术改善晶体热效应

为了解决激光二极管(LD)端面抽运固体激光器中晶棒的散热问题,结合多通道和铟封技术,设计并加工了新型散热装置。采用激光二极管端面抽运Nd:GdVO4晶棒,在输入抽运功率28 W的时候,利用传统铟包式直通孔热沉器、铟包多通道式热沉器和铟封多通道热沉器分别获得8.7 W,10.5 W和11.9 W的最大输出功率, 相应的光-光转换效率分别为31%,38%和44%,斜率效率分别为36%,42%和49%。而且采用铟封多通道热沉器,输入40 W的抽运功率时得到了17.5 W的输出功率,此时仍未见饱和。可见无论最大输出功率,光-光转换效率还是斜率效率,结合了铟封技术的多通道式热沉器都比前两种热沉器散热效果好。此外,通过对热透镜焦距和基模输出功率的测量,进一步验证了铟封技术的多通道式热沉器的优点。     

光纤耦合激光器驱动与控制技术研究

针对一种将多个半导体激光器(LD)芯片串联驱动,通过光纤耦合进行功率合成,构成光纤耦合高功率输出激光模块的特殊驱动要求,研发了小型化高效率激光电流源组件和小型化高效率半导体制冷(TEC)LD模块温度控制组件。组件工作温度范围为-45℃～55℃,实验证明达到了设计性能指标要求。建立了LD模块驱动电流源电路的数学模型,提出了LD模块电流源控制电路的数字化实现方法,并利用ADuC831单片机实现了数字化设计。给出了一种基于TEC的LD模块温度控制组件的结构,建立了简化、实用的温度控制系统数学模型,对TEC的性能系数ξ、控制端的热量Qc和TEC的工作电流I进行了寻优控制,减小了激光器输出波长随温度的漂移。