高功率CCEPS激光器微通道热管理系统设计及激光增益介质温度分布的研究

在激光研究领域，由于热而引起的各种问题极为突出，对热引起的问题进行处理远超出了一般电子器件的散热、热设计等传统概念，固体激光器―热管理‖概念被赋予更多研究内容，譬如，利用新材料和研究新原理减少热的产生，革新激光工作物质的几何构型以提高升光学和传热性能，分析光学器件内的精确温度分布以及优化由温度分布引起的各种光学效应等。 高功率固体激光器的冷却具有总传热功率高，热流密度高，热流密度空间分布极不均匀等特点。用最有效、不良影响最小的方法导出最大热流量的无用热是高能固体激光器研制中的首要工作，也是最重要的工作之一。 此前，关于激光器热管理研究的文献几乎全部集中在增益介质内部温度分布以及由此产生的力学效应和光学效应等方面，对各种传热强化方法的论述和研究都只讨论一种技术的特点，不涉及激光器的整体传热过程，很难使激光器研究人员认识到传热过程的全貌。因此，对激光器传热全过程进行了详尽分析，阐明了在这个串联环节中每种传热技术所起到的作用，尤其是在分析中引入了热阻概念，这在固体激光器热管理领域属首次。所以，不限于高功率激光器中的传热，对于中低功率的激光器，对于风冷/水冷等各种散热方式，采用此方法都可以更清楚地分析出每个传热环节所占的热阻大小，更有针对性地进行强化。 对10kW级高功率传导冷却端面泵浦板条（CCEPS）激光器的微通道热管理系统的设计和实施方案进行了介绍，整个系统全部采用微通道阵列冷却了高达70kW的巨大总热量，系统采用多模块式水冷方案，包括多处平均热流密度89.3W/cm2，局部热流密度达到150W/cm2，散热面积30cm2的大面积散热器（热沉），大量平均热流密度达到1000W/cm2的半导体激光器(LD)散热器，大量超均匀超低热阻的热界面，以及大功率热气旁路精密控温循环冷水机组等，该热管理系统为中国第一套10kW级半导体泵浦固体激光系统的成功研制奠定了坚实基础。 固体激光器内由于温度分布产生的光学晶体内的热透镜效应，应力双折射等问题是激光研究的焦点问题，而这些研究非常依赖于光学晶体内精确的温度分布。因此，对板条激光增益介质内的温度分布进行了重点研究，有别于传统的用平均传热系数或者平均对流换热系数近似的方法，主要借助于计算流体力学（CFD）方法，特别考虑了流-固耦合传热以及由此产生的实际三维温度分布，为激光器的热效应分析提供了更准确更可靠的手段。更重要的是，此方法可以将工程上可以直接测量的冷却水流量和压力等参数与温度分布建立对应关系，为激光工程领域应用CFD方法开创了新的思路。 另外，对无氧铜叠片式半导体激光器微通道热沉进行了独立自行方案设计，并利用CFD方法进行了研究，对相应的最大热阻、总流动阻力、热阻-流量和压力损失-流量等特性分别进行了数值计算和比较，对增加金刚石热扩散片的方案也进行了数值计算。理论计算结果表明多个设计方案完全都可满足100W以上发热量的要求，按照当前半导体激光器芯片的一般温度要求，有或者无金刚石热扩散片的75μm微通道热沉最大散热量可达到205W和160W，计算结果说明安装在微通道热沉的上表面的金刚石热扩散片可以很有效降低热阻，如果能进一步解决材料热膨胀系数不匹配带来的负面问题，应当会非常具有应用价值。