基于半导体激光冷却的热电阶梯脉冲过冷特性的研究

高热流密度的半导体激光器件的散热问题成为制约其发展的瓶颈,本论文围绕半导体激光器的热管理系统的集成封装、高温环境、及时启停和温度精度要求,针对目前半导体激光器热管理中关于热电冷却技术研究尚不充分,尤其是在高温环境下如何强化热电制冷的能力。脉冲过冷效应可强化热电制冷温度,但目前对脉冲过冷效应多是针对特例及特定工况下的研究,且没有研究过脉冲过冷后引起的温度升高的问题,而这恰是保证热电制冷系统的温度精度要求中最需要避免或解决的问题。因此本论文主要致力于完善热电脉冲过冷效应的理论和为激光器的温度精度控制提供理论支撑。 本论文从热电制冷系统的核心器件热电模块的实际制冷能力分析着手,探讨实际应用工况下热电模块的最大制冷能力与热端换热器热阻的关系。再着手优化整个热电制冷系统,建立第三类边界条件下的稳态和瞬态数学模型。采用有限体积法和刚性偏微型方程的Gear算法进行解析计算,研究影响热电制冷系统性能的权重因素和实时仿真热电制冷的实际工作过程,并通过实验验证数学模型与算法的可靠性和准确性。再利用热电脉冲过冷效应强化热电制冷的能力,分析随机工况下热电脉冲过冷的动态过程、影响因素和最大强化制冷能力。选用微型热电模块集成封装冷却高热流密度的半导体激光器,研究冷却连续半导体激光器和脉冲激光器的热电模块的制冷方式和冷却效果,保证激光器的温度精度要求。搭建了热电冷却半导体激光器的实验台,验证阶梯冷却的现象和探索验结果与理论结果误差。 研究发现热电模块获得最低制冷温度、最大温差和最大制冷量的电压与热端换热器热阻的阶梯变化关系,以及宏观到微观尺寸下热电模块的尺寸效应引起的阶梯现象的强化和最低制冷温度的梯度变化。不仅为实际应用中选择合适的热电模块提供了理论依据,并尝试解释热电模块尺寸效应新现象的机理。通过对热电制冷的稳态性能的权重分析,发现工作电源对热电制冷性能的影响远大于冷、热端换热系数的影响,提供了更优化经济措施。动态分析影响热电制冷性能的因素,如热电模块的启停、环境变化和变工况,更有效地优化热电制冷系统的制冷能力和热响应时间。并通过实验验证Gear算法求解方法是正确的。 通过热电脉冲过冷效应的分析,引入了热电脉冲增益效应,将热电脉冲过冷效应的概念普适化和完善化。通过理论与实验研究,发现存在一个最优的脉冲振幅,当脉冲振幅小于它时,最小过冷温度随脉冲振幅的增大而减小；当脉冲振幅大于它时,最小过冷温度随脉冲振幅的增大而增大。另外分析脉冲振幅、热端散热器和冷负荷对热电脉冲过冷的温度和最小脉冲时间的影响。证实由于焦耳热和帕尔贴热的联合影响,热电脉冲的最小过冷温度不可能达到先前研究报道的绝对零度。 在70℃C的高温工作环境下,探讨热电冷却半导体激光器的热响应过程和影响因素。发现热电制冷可用于冷却冷负荷小于一定值的半导体连续激光器；而对于一定负荷的高热流密度的半导体脉冲激光器,存在一个临界脉冲宽度,当激光器的脉冲宽度小于临界脉冲宽度时,可以通过脉冲过冷冷却脉冲激光器；当激光器的脉冲宽度大于临界脉冲宽度时,引入阶梯冷却方法冷却脉冲激光器,即通过阶梯电压驱动来抵消脉冲增益温度。且发现热电阶梯冷却脉冲负荷的冷端温度变化曲线类似于二阶系统单位阶跃响应的减幅的衰减振荡曲线,因此拟合出了热电阶梯冷却脉冲负荷的冷端温度的时间响应函数,为半导体激光器的温度控制过程的执行单元和控制单元设计提供了理论依据。 本论文基于尺寸效应和热输运及热电转换过程分析,发现实际工况下热电模块的最低制冷温度和最大制冷温差的梯度随尺寸减小趋于定值,以及获得最低制冷温度、最大制冷温差和最大制冷量的电压的阶梯现象,且阶梯现象随尺寸的减小会越明显；定义了脉冲增益效应和随机工况的热电脉冲过冷的概念,完善了热电脉冲过冷的理论体系,并打破了前人关于最小脉冲过冷度为绝对零度的推断。引入阶梯冷却方法来降低脉冲增益温度,保证高热流密度和大脉冲宽度的脉冲激光器的温度精度。