LD端泵固體激光器微通道冷卻技術(shù)研究.pdf

1、固體激光器由于溫度分布不均引起的熱透鏡效應(yīng)、熱致衍射損耗和熱炸裂等熱效應(yīng)，已成為制約其向高功率、高光束質(zhì)量、低功耗、小型化長(zhǎng)壽命方向發(fā)展的瓶頸，因此，必須發(fā)展有效的冷卻技術(shù)才能解決高熱負(fù)荷激光器的冷卻問(wèn)題，而微通道熱沉冷卻由于體積小、換熱系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，是一種很好的選擇。
　　本文概述了固體激光器的冷卻技術(shù)，特別是近年來(lái)出現(xiàn)的新型獨(dú)特的冷卻技術(shù)。利用熱分析的有限元法，在詳細(xì)分析準(zhǔn)三能級(jí)激光器熱效應(yīng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)LD（LaserDi

2、ode）輸出泵浦光的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，考慮多模輸出、近高斯分布等多種因素，較為準(zhǔn)確地建立了塊狀激光晶體熱傳導(dǎo)的有限元模型，模擬了晶體在不同換熱邊界條件下的溫度場(chǎng)、溫度梯度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)分布，提出了改善激光晶體散熱性能的有效措施。闡明了微通道熱沉的設(shè)計(jì)原理，完成了微通道熱沉的設(shè)計(jì)、加工和表面處理。基于微通道熱沉進(jìn)出口水溫和晶體邊界環(huán)境溫度的理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，指出了人們對(duì)晶體邊界環(huán)境溫度即為冷卻劑溫度的假定是不夠準(zhǔn)確的，通過(guò)微通道熱沉與普通熱沉散熱

3、的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了微通道熱沉優(yōu)良的散熱性能。測(cè)量了微通道的流阻變化，為優(yōu)化設(shè)計(jì)微通道結(jié)構(gòu)和合理選擇冷卻水流量提供了依據(jù)。
　　有限元分析結(jié)果表明，提高對(duì)流換熱系數(shù)或降低晶體邊界環(huán)境溫度，可顯著降低晶體整體溫度，但溫度梯度變化較小，且換熱系數(shù)達(dá)到最大值后，繼續(xù)強(qiáng)化外部換熱幾乎不改變晶體的溫度和熱應(yīng)力場(chǎng)分布。
　　本文設(shè)計(jì)、加工出了通道寬度為0.2mm，肋片厚度為0.8mm的微通道熱沉。針對(duì)紫銅微通道在加工過(guò)程產(chǎn)生的污垢，開(kāi)

4、發(fā)了表面處理工藝，完成了組裝，并成功應(yīng)用于固體激光器的冷卻上。
　　利用微通道熱沉散熱，在LD端泵Nd:YVO4輸出914nm激光實(shí)驗(yàn)中，相同實(shí)驗(yàn)條件下，與普通熱沉相比，輸出斜坡效率提高了14％，輸出功率為6W時(shí)，光束質(zhì)量因子M2由3.35改善為2.00，最高輸出功率增加了1.5W，達(dá)到8.9W，據(jù)我們所知，這是目前有報(bào)道的最高水平。結(jié)果表明，微通道冷卻技術(shù)可緩解晶體的熱效應(yīng)，有效提高激光器的激光輸出功率和改善光束質(zhì)量，且在高泵浦