高功率固体激光器微通道冷却结构的数值研究

吕坤鹏; 刘震宇; 杨雪; 王柯

doi:doi:10.3788/CJL202047.0601010

中国激光, 2020, 47 (6): 0601010, 网络出版: 2020-06-03

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Numerical Research on Microchannel Cooling Structure of High Power Solid-State Lasers

吕坤鹏 ^1,2,*刘震宇 ²杨雪 ^1,2王柯 ^1,2

作者单位

¹ 固体激光技术重点实验室, 北京 100015

² 中国电子科技集团公司第十一研究所, 北京 100015

图 & 表

图 1. 双面串联冷却结构的计算模型示意图。(a)等轴视图;(b)正视图

Fig. 1. Schematic of calculation model of two-sided tandem cooling structure. (a) Isometric view; (b) front view

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图 2. Nd∶YAG板条结构示意图

Fig. 2. Structure diagram of Nd∶YAG slab

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图 3. 晶体中心面最高温度随冷却液流量的变化曲线

Fig. 3. Max temperature on middle face versus coolant flow rate

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图 4. 晶体两个冷却面最高温度随冷却液流量的变化曲线

Fig. 4. Max temperature of two cooling surfaces of crystal versus coolant flow rate

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图 5. 板条典型特征截面的温度分布云图。(a)板条中心面;(b)入口侧冷却表面;(c)出口侧冷却表面

Fig. 5. Temperature distributions of representative sections of slab. (a) Middle face of slab; (b) cooling surface near inlet; (c) cooling surface near outlet

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图 6. 距离键合线不同位置处板条宽度方向上的温度分布曲线

Fig. 6. Temperature distribution curves in width direction of strip at different length from bonding line

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图 7. 离键合面3 mm的平面上板条宽度方向上的温度分布曲线

Fig. 7. Temperature distribution curves in width direction of strip on plane 3 mm away from bonding surface

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图 8. 实验结果与数值计算结果对比图。(a)板条上表面红外热像图;(b)板条上表面数值计算温度分布云图

Fig. 8. Comparison of experimental result and numerical simulation. (a) Infrared thermal image of upper surface of slab; (b) calculated result of temperature distribution of upper surface of slab

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表 1铜热沉及Nd∶YAG板条热物性参数

Table1. Thermophysical parameters of cooper heat sink and Nd∶YAG slab

Parameter	Heat conductivity λ /(W·m^-1·K^-1)	Specific heat C_P /(J·kg^-1·K^-1)	Density ρ /(kg·m^-3)
Cu	387.6	381	8978
Nd∶YAG	14	590	4560

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表 2不同冷却液流量下的计算结果

Table2. Computation results under different volume flow rates

Volume flowrate Q /(L·min^-1)	Temperature differencebetween inletand outletΔT /℃	Max temperatureon middleface of gainmedium T /℃	Max temperatureon surfaceof gain mediumnear inletT₁ /℃	Max temperatureon surfaceof gain mediumnear outlet T₂ /℃	Pressure dropΔP /kPa
5	15.63	108.78	54.93	61.00	7.5
10	7.73	104.02	50.73	53.79	17.2
15	5.17	102.49	49.41	51.49	28.1
20	3.86	101.70	48.76	50.34	41.1
25	3.09	101.25	48.41	49.66	55.5

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吕坤鹏, 刘震宇, 杨雪, 王柯. 高功率固体激光器微通道冷却结构的数值研究[J]. 中国激光, 2020, 47(6): 0601010. Lü Kunpeng, Liu Zhenyu, Yang Xue, Wang Ke. Numerical Research on Microchannel Cooling Structure of High Power Solid-State Lasers[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(6): 0601010.

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图 1. 双面串联冷却结构的计算模型示意图。(a)等轴视图;(b)正视图

Fig. 1. Schematic of calculation model of two-sided tandem cooling structure. (a) Isometric view; (b) front view

图 2. Nd∶YAG板条结构示意图

Fig. 2. Structure diagram of Nd∶YAG slab

图 3. 晶体中心面最高温度随冷却液流量的变化曲线

Fig. 3. Max temperature on middle face versus coolant flow rate

图 4. 晶体两个冷却面最高温度随冷却液流量的变化曲线

Fig. 4. Max temperature of two cooling surfaces of crystal versus coolant flow rate

图 5. 板条典型特征截面的温度分布云图。(a)板条中心面;(b)入口侧冷却表面;(c)出口侧冷却表面

Fig. 5. Temperature distributions of representative sections of slab. (a) Middle face of slab; (b) cooling surface near inlet; (c) cooling surface near outlet

图 6. 距离键合线不同位置处板条宽度方向上的温度分布曲线

Fig. 6. Temperature distribution curves in width direction of strip at different length from bonding line

图 7. 离键合面3 mm的平面上板条宽度方向上的温度分布曲线

Fig. 7. Temperature distribution curves in width direction of strip on plane 3 mm away from bonding surface

图 8. 实验结果与数值计算结果对比图。(a)板条上表面红外热像图;(b)板条上表面数值计算温度分布云图

Fig. 8. Comparison of experimental result and numerical simulation. (a) Infrared thermal image of upper surface of slab; (b) calculated result of temperature distribution of upper surface of slab

表 1铜热沉及Nd∶YAG板条热物性参数

Table1. Thermophysical parameters of cooper heat sink and Nd∶YAG slab

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Table2. Computation results under different volume flow rates

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图 1. 双面串联冷却结构的计算模型示意图。(a)等轴视图;(b)正视图

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图 2. Nd∶YAG板条结构示意图

Fig. 2. Structure diagram of Nd∶YAG slab

图 3. 晶体中心面最高温度随冷却液流量的变化曲线

Fig. 3. Max temperature on middle face versus coolant flow rate

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Fig. 4. Max temperature of two cooling surfaces of crystal versus coolant flow rate

图 5. 板条典型特征截面的温度分布云图。(a)板条中心面;(b)入口侧冷却表面;(c)出口侧冷却表面

Fig. 5. Temperature distributions of representative sections of slab. (a) Middle face of slab; (b) cooling surface near inlet; (c) cooling surface near outlet

图 6. 距离键合线不同位置处板条宽度方向上的温度分布曲线

Fig. 6. Temperature distribution curves in width direction of strip at different length from bonding line

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Fig. 7. Temperature distribution curves in width direction of strip on plane 3 mm away from bonding surface

图 8. 实验结果与数值计算结果对比图。(a)板条上表面红外热像图;(b)板条上表面数值计算温度分布云图

Fig. 8. Comparison of experimental result and numerical simulation. (a) Infrared thermal image of upper surface of slab; (b) calculated result of temperature distribution of upper surface of slab

表 1铜热沉及Nd∶YAG板条热物性参数

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