LD端泵固体激光器微通道冷却技术研究

论文摘要

固体激光器由于温度分布不均引起的热透镜效应、热致衍射损耗和热炸裂等热效应,已成为制约其向高功率、高光束质量、低功耗、小型化长寿命方向发展的瓶颈,因此,必须发展有效的冷却技术才能解决高热负荷激光器的冷却问题,而微通道热沉冷却由于体积小、换热系数高等优点,是一种很好的选择。本文概述了固体激光器的冷却技术,特别是近年来出现的新型独特的冷却技术。利用热分析的有限元法,在详细分析准三能级激光器热效应的基础上,结合对LD(Laser Diode)输出泵浦光的实验测量,考虑多模输出、近高斯分布等多种因素,较为准确地建立了块状激光晶体热传导的有限元模型,模拟了晶体在不同换热边界条件下的温度场、温度梯度场和热应力场分布,提出了改善激光晶体散热性能的有效措施。阐明了微通道热沉的设计原理,完成了微通道热沉的设计、加工和表面处理。基于微通道热沉进出口水温和晶体边界环境温度的理论分析和实验测量,指出了人们对晶体边界环境温度即为冷却剂温度的假定是不够准确的,通过微通道热沉与普通热沉散热的对比实验研究,验证了微通道热沉优良的散热性能。测量了微通道的流阻变化,为优化设计微通道结构和合理选择冷却水流量提供了依据。有限元分析结果表明,提高对流换热系数或降低晶体边界环境温度,可显著降低晶体整体温度,但温度梯度变化较小,且换热系数达到最大值后,继续强化外部换热几乎不改变晶体的温度和热应力场分布。本文设计、加工出了通道宽度为0.2mm,肋片厚度为0.8mm的微通道热沉。针对紫铜微通道在加工过程产生的污垢,开发了表面处理工艺,完成了组装,并成功应用于固体激光器的冷却上。利用微通道热沉散热,在LD端泵Nd:YVO4输出914nm激光实验中,相同实验条件下,与普通热沉相比,输出斜坡效率提高了14%,输出功率为6W时,光束质量因子M2由3.35改善为2.00,最高输出功率增加了1.5W,达到8.9W,据我们所知,这是目前有报道的最高水平。结果表明,微通道冷却技术可缓解晶体的热效应,有效提高激光器的激光输出功率和改善光束质量,且在高泵浦功率下,将体现出更明显的优势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 固体激光器冷却技术概述
• 1.2.1 灯泵固体激光器冷却技术
• 1.2.2 二极管泵浦固体激光器冷却技术
• 1.2.3 新型冷却技术及其研究进展
• 1.3 微通道冷却技术研究进展
• 1.3.1 微通道冷却原理及应用
• 1.3.2 微通道技术研究进展
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 传热学有限元分析理论
• 2.1 ANSYS简介
• 2.2 传热学基本理论
• 2.2.1 热传递
• 2.2.2 傅里叶定律
• 2.2.3 牛顿冷却公式
• 2.2.4 热力学第一定律
• 2.2.5 热分析的控制方程
• 2.3 热分析有限元法
• 2.4 稳态热分析
• 2.4.1 稳态热分析定义
• 2.4.2 稳态热分析的控制方程
• 2.5 本章小结
• 第3章 准三能级激光器热分析
• 3.1 固体激光器热能产生机制
• 3.2 掺钕钒酸钇晶体热性能
• 3.3 热负载比
• 3.4 激光下能级热粒子数布居
• 3.5 热效应
• 3.6 晶体温度场有限元分析
• 3.6.1 晶体热传导理论模型
• 3.6.2 有限元模型
• 3.6.3 晶体散热效果比较
• 3.7 热应力有限元分析
• 3.8 热透镜焦距
• 3.9 热炸裂
• 3.10 本章小结
• 第4章 微通道热沉的设计与加工
• 4.1 设计原理
• 4.1.1 对流传热的实验关联式
• 4.1.2 热阻分析
• 4.2 结构设计
• 4.3 加工
• 4.3.1 热沉材料的选择
• 4.3.2 加工方法
• 4.3.3 表面处理
• 4.3.4 封接及安装
• 4.4 本章小结
• 第5章 微通道热沉实验研究
• 5.1 LD参数的测量
• 5.2 微通道热沉与传统热沉对比实验
• 5.2.1 激光输入输出特性对比
• 5.2.2 激光光束质量对比
• 5.3 微通道传热实验
• 5.3.1 输出功率与环境温度的关系
• 5.3.2 流阻性能测试
• 5.3.3 传热实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢