基于半導體激光冷卻的熱電階梯脈沖過冷特性的研究.pdf

1、高熱流密度的半導體激光器件的散熱問題成為制約其發(fā)展的瓶頸，本論文圍繞半導體激光器的熱管理系統(tǒng)的集成封裝、高溫環(huán)境、及時啟停和溫度精度要求，針對目前半導體激光器熱管理中關于熱電冷卻技術研究尚不充分，尤其是在高溫環(huán)境下如何強化熱電制冷的能力。脈沖過冷效應可強化熱電制冷溫度，但目前對脈沖過冷效應多是針對特例及特定工況下的研究，且沒有研究過脈沖過冷后引起的溫度升高的問題，而這恰是保證熱電制冷系統(tǒng)的溫度精度要求中最需要避免或解決的問題。因此本論文

2、主要致力于完善熱電脈沖過冷效應的理論和為激光器的溫度精度控制提供理論支撐。
　　本論文從熱電制冷系統(tǒng)的核心器件熱電模塊的實際制冷能力分析著手，探討實際應用工況下熱電模塊的最大制冷能力與熱端換熱器熱阻的關系。再著手優(yōu)化整個熱電制冷系統(tǒng)，建立第三類邊界條件下的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)數(shù)學模型。采用有限體積法和剛性偏微型方程的Gear算法進行解析計算，研究影響熱電制冷系統(tǒng)性能的權重因素和實時仿真熱電制冷的實際工作過程，并通過實驗驗證數(shù)學模型與算法的可

3、靠性和準確性。再利用熱電脈沖過冷效應強化熱電制冷的能力，分析隨機工況下熱電脈沖過冷的動態(tài)過程、影響因素和最大強化制冷能力。選用微型熱電模塊集成封裝冷卻高熱流密度的半導體激光器，研究冷卻連續(xù)半導體激光器和脈沖激光器的熱電模塊的制冷方式和冷卻效果，保證激光器的溫度精度要求。搭建了熱電冷卻半導體激光器的實驗臺，驗證階梯冷卻的現(xiàn)象和探索驗結果與理論結果誤差。
　　研究發(fā)現(xiàn)熱電模塊獲得最低制冷溫度、最大溫差和最大制冷量的電壓與熱端換熱器熱阻

4、的階梯變化關系，以及宏觀到微觀尺寸下熱電模塊的尺寸效應引起的階梯現(xiàn)象的強化和最低制冷溫度的梯度變化。不僅為實際應用中選擇合適的熱電模塊提供了理論依據(jù)，并嘗試解釋熱電模塊尺寸效應新現(xiàn)象的機理。通過對熱電制冷的穩(wěn)態(tài)性能的權重分析，發(fā)現(xiàn)工作電源對熱電制冷性能的影響遠大于冷、熱端換熱系數(shù)的影響，提供了更優(yōu)化經(jīng)濟措施。動態(tài)分析影響熱電制冷性能的因素，如熱電模塊的啟停、環(huán)境變化和變工況，更有效地優(yōu)化熱電制冷系統(tǒng)的制冷能力和熱響應時間。并通過實驗驗證

5、Gear算法求解方法是正確的。
　　通過熱電脈沖過冷效應的分析，引入了熱電脈沖增益效應，將熱電脈沖過冷效應的概念普適化和完善化。通過理論與實驗研究，發(fā)現(xiàn)存在一個最優(yōu)的脈沖振幅，當脈沖振幅小于它時，最小過冷溫度隨脈沖振幅的增大而減??；當脈沖振幅大于它時，最小過冷溫度隨脈沖振幅的增大而增大。另外分析脈沖振幅、熱端散熱器和冷負荷對熱電脈沖過冷的溫度和最小脈沖時間的影響。證實由于焦耳熱和帕爾貼熱的聯(lián)合影響，熱電脈沖的最小過冷溫度不可能達到

6、先前研究報道的絕對零度。
　　在70oC的高溫工作環(huán)境下，探討熱電冷卻半導體激光器的熱響應過程和影響因素。發(fā)現(xiàn)熱電制冷可用于冷卻冷負荷小于一定值的半導體連續(xù)激光器；而對于一定負荷的高熱流密度的半導體脈沖激光器，存在一個臨界脈沖寬度，當激光器的脈沖寬度小于臨界脈沖寬度時，可以通過脈沖過冷冷卻脈沖激光器；當激光器的脈沖寬度大于臨界脈沖寬度時，引入階梯冷卻方法冷卻脈沖激光器，即通過階梯電壓驅動來抵消脈沖增益溫度。且發(fā)現(xiàn)熱電階梯冷卻脈沖負

7、荷的冷端溫度變化曲線類似于二階系統(tǒng)單位階躍響應的減幅的衰減振蕩曲線，因此擬合出了熱電階梯冷卻脈沖負荷的冷端溫度的時間響應函數(shù)，為半導體激光器的溫度控制過程的執(zhí)行單元和控制單元設計提供了理論依據(jù)。
　　本論文基于尺寸效應和熱輸運及熱電轉換過程分析，發(fā)現(xiàn)實際工況下熱電模塊的最低制冷溫度和最大制冷溫差的梯度隨尺寸減小趨于定值，以及獲得最低制冷溫度、最大制冷溫差和最大制冷量的電壓的階梯現(xiàn)象，且階梯現(xiàn)象隨尺寸的減小會越明顯；定義了脈沖增益效