脉冲功率3 kW二极管激光器叠阵的相变冷却

针对二极管激光器叠阵的高效散热冷却开展了研究,设计了基于R134a制冷剂的相变冷却系统和以节流式微通道相变冷却方式工作的冷却器,完成了脉冲功率3 kW叠阵的封装,并分析了制冷剂在热沉进出口的温度对叠阵出光波长的影响。实验测试结果表明:在20%的高占空比下,电流197 A时叠阵的输出功率达到3 030 W,插座效率为39%,光谱宽度小于3.8 nm,冷却器内R134a的气化率约为50%。制冷剂R134a的流量为0.60 L/min,仅为水系统的1/5,大幅减小了冷却液流量和热管理系统的体积。     

泵浦用高平均功率二极管激光器研制

针对高平均功率线阵二极管激光器(DL )芯片的工作要求,开展了相应的封装结构设计和高效冷却技术研究.封装的单条线阵DL连续输出激光功率50 W,工作寿命达到5 000 h,10%占空比准连续输出激光脉冲功率150 W,25%占空比准连续输出激光脉冲功率100 W,工作寿命达到5×109次脉冲.采用模块式封装方式由25个模块堆叠,制作出了连续激光功率1 kW和20%占空比工作脉冲功率2.5 kW的叠阵二极管激光器.     

高密度封装二极管激光器阵列

 理论模拟了自制的高效冷却器的散热能力,分析了单元封装结构所需材料的导热特性,获得了高功率二极管激光器在高功率密度、高占空比条件下运行的可行性。改进了高密度封装的关键工艺,热沉金属化层达到了3~5 mm,焊料厚度为4~7 mm,封装间距0.6 mm,采用峰值功率1 kW的背冷式叠阵二极管激光器。实验测试结果表明:封装的二极管激光器叠阵单元的整体封装热阻为0.115 ℃/W,有良好的散热能力;该叠阵模块在电流为100 A、占空比15%时,输出峰值功率为986 W,峰值功率密度达到1.5 kW/cm2,平均每个板条的斜效率为1.25 W/A,激光器阈值电流为20 A左右。     

V形槽硅微通道冷却器的研制

高平均功率的二极管泵浦固体激光器（DPL）要求用于泵浦的二极管阵列功率密度达到1kW／cm^2，由于二极管运行的电光效率只有40％50％，需要高强度的冷却器来对面阵进行冷却。V型槽硅微通道冷却器。结构紧凑，具有较高的冷却能力，可在其V形槽上同时焊接多条bar而形成面阵。从而能大幅提高封装工艺的集成度，降低封装成本，使大规模地封装高功率激光二极管阵列成为可能。     

V形槽硅微通道冷却器研制

报道了V形槽硅微通道冷却器的结构和主要制作工艺,研制了冷却器样品.性能测试结果表明冷却器在供水压力为2×105Pa时,封装面热阻尼系数为 0.051 ℃·cm2/W,能够用于封装峰值功率密度达到1 kW/cm2、工作占空比大于10%的激光二极管面阵.其冷却能力与数值模拟结果较吻合,尚存在流量较小的问题,原因可能在于导流槽内存在较大的水头损失,同时与导流槽的结构有关.     

高功率二极管激光器相变冷却技术

根据高功率二极管激光器的散热需求,设计了一种储能式相变冷却实验系统,并开展了喷雾相变冷却器和微通道相变冷却器的设计。采用多孔微结构的换热表面,用氨做制冷剂,实现了喷雾相变冷却器表面温度37 ℃时,散热功率密度达到了511 W/cm2。采用节流汽化原理,分别设计了背冷式相变微通道冷却器和薄片型的模块式相变微通道冷却器,背冷式相变微通道冷却器采用氨做制冷剂, 散热功率密度达到了550 W/cm2,采用R124做制冷剂,散热功率密度约270 W/cm2。采用R124做制冷剂,实现了脉冲激光功率3 kW和连续激光功率100 W的相变冷却二极管激光器模块封装。     

kW级光纤耦合输出二极管激光器模块

基于二极管激光器mini-bar的光纤耦合方式是一种降低耦合系统成本并提高整体转换效率的方法, 为此,采用40片封装在铜微通道冷却器上的连续60 W二极管激光器mini-bar组成空间叠加阵列,作为耦合光源,采用非球面柱透镜及柱透镜阵列对mini-bar叠阵进行了快轴与慢轴的准直,实现了两列叠阵的激光束沿快轴方向的空间合成以提高叠阵激光束的填充因子,合成后的激光束可以耦合进入芯径为800 m、数值孔径为0.22的光纤。测试结果表明,光纤耦合模块输出功率最高为1360 W,整体光光效率58%,光纤端面的功率密度达到1.73105 W/cm2。     

圆柱形锂电池液冷热管理实验研究

对92根加热棒组成的等效电池组的液冷热管理进行了实验研究,波浪形扁管穿插入电池组构成冷却通道。结果表明：电池组的最高温度和最大温差均随着冷却液流量的增大而降低,但降幅逐渐减小,冷却液泵功随着流量的增大而快速增长,综合考虑10 L/h为冷却液最佳流量;电池组的最高温度随着冷却液进口温度的降低而降低,但电池组温度的均匀性随着冷却液温度的降低而恶化;四种不同冷却液相比,体积分数为50%乙二醇溶液的电池组温度最高,均匀性最差,去离子水居中,由于石蜡的相变潜热和颗粒的微对流效应,体积分数为2%和5%相变微胶囊悬浮液对电池组的冷却效果最佳,且悬浮液浓度越高,电池组温度越低,均匀性越好。     

高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵的性能研究

以巴条叠阵结构及封装方法为基础,研制了一组高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵,并研究了其相关的光电性能和寿命特征。结果表明,所研制的器件在200 A的工作电流下,重复频率250 Hz、脉宽200 μs时,单巴峰值功率>200 W,50%光谱宽度<3 nm,电光转换效率>50%,寿命达到4.71×10⁹ shots时的功率衰减<15%;当工作电流为150 A时,预期寿命高达1.5×10¹⁰ shots。     

基于沸腾-空化耦合效应的微通道线阵LD用热沉

 针对大功率LD的冷却需求,基于沸腾-空化耦合效应,研制了一种微通道相变热沉,封装腔长1.5 mm的LD线阵。依据加工条件确定通道宽度、深度以及间距,采用2维数值模型估算了通道长度,热沉材料采用无氧铜,多层叠焊,外形尺寸为20 mm×12 mm×1.6 mm。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50 r/s时热沉热阻为0.3 ℃/W。结果显示微通道相变热沉具有良好的散热能力,能够满足大功率LD的散热要求。     

激光二极管抽运固体激光器场分布的热不稳定性研究

通过建立激光介质非热平衡状态的振荡散热模型，分析了激光二极管抽运固体激光器中，热透镜的不稳定性.研究表明，热透镜的这种热不稳定性是造成激光场不稳定的重要因素.会造成高斯半径的不稳定波动，会使激光光束的指向角波动，会造成激光光斑的非对称畸变，这种畸变也处于波动之中.通过对端面抽运条件下，热耗为1W的Nd:YAG激光介质的理论和实验研究，确定了这种原因下光场不稳定度的数量级. 关键词： 激光二极管 固体激光器 热透镜     

Heat transfer for diode side-pumped YAG slabs

Thermal heating is a major limiting factor in scaling the average power of a solid-state laser. The heat transfer coefficient is affected by the coolant flow rate, the physical properties of the laser slab and the coolant, and the pumping cavity geometry. The relationship between the heating effects and the heat transfer coefficient has been studied by considering the variations of thermal conductivity and expansion coefficient of the laser slab with temperature. It is concluded that different heat transfer coefficients should be adopted according to different heat intensities inside the laser slabs in order to obtain better pumping input as well as to optimize the cooling effects.     

Optimum convective heat transfer coefficient for diode-pumped laser slabs

It is important for laser designers to study the characteristics of heat transfer from the laser crystal slab to the coolant in high-power DPSS laser operations. We have simulated and obtained the optimum heat transfer coefficient and coolant flow rate for our cavity design, in which the circulating coolant is maintained at a constant temperature. It has been determined that the coolant temperature and the convective heat transfer coefficient (h) are important parameters in the thermal analysis. The coefficient h is affected by the coolant flow rate, the physical properties of the laser slab and the coolant and the pumping cavity geometry. Using analytical heat transfer equation, for cooling water temperature of 300 K, the optimum flow rate for our cavity geometry is found to be 390 cm³/s, corresponding to h=5 W/cm² K.     

高功率半导体激光器微通道热沉的方案设计

 对用于高功率半导体激光器的叠片式微通道热沉进行方案设计,利用计算流体力学和数值传热学对各种方案进行数值仿真,研究了微通道的特征尺寸和流量等因素对冷却效果和流动阻力特性的影响,一般情况下,减小微通道的特征尺寸和增加冷却水的流量可以降低传热热阻,但增加了流动压力损失;另外对金刚石热扩散片（次热沉）的效果也进行了数值计算,计算结果表明:金刚石热扩散片在该类型问题中降低温度作用明显。     

Beam combining of a high-power laser diode bar on a temperature gradient heat sink

A new wavelength beam combining technique for a high-power laser diode bar by using a temperature gradient heat sink has been proposed. The thermal controlling principle of the temperature heat sink has been discussed. It has been proved by experiment that the linear temperature distribution, which generates linear wavelength spread of the output beams from a LD bar, can be obtained by introducing a temperature gradient heat sink and the output beams can be focused into a relative small spot by using the Czerny-Turner beam shaping system.     

Thermal Performance of Laser Diode Array under Constant Convective Heat Transfer Boundary Condition

Three-dimensional heat transfer model of laser diode array under constant convective heat transfer coefficient boundary condition is established and analytical temperature profiles within its heat sink are obtained by separation of variables. The influences on thermal resistance and maximum temperature variation among emitters from heat sink structure parameters and convective heat transfer coefficient are brought forward. The derived formula enables the thermal optimization of laser diode array.     

激光二极管阵列泵浦固体激光器热设计研究

对激光二极管阵列（LaserDiodeArray,LDA）泵浦固体激光器热设计进行了研究。通过采用计算热阻的方法,根据LDA的发热功率选择热电制冷器（ThermaolElectronicConrtoller,TEC）和相应的散热器,采用强迫风冷的方式对重复频率为25Hz,输出单脉冲能量为80mJ的LDA泵浦固体激光器进行了精确的温度控制。试验结果表明,在-40℃～55℃环境温度范围内,激光器性能稳定,满足技术指标要求。