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Abstract
College of Electrical and Information Engineering, Quzhou University, Quzhou 324000, China
An immersed liquid cooling slab laser is demonstrated with deionized water as the coolant and a Nd:YAG slab as the gain medium. Using waveguides, a highly uniform pump beam distribution is achieved, and the flow velocity distribution is also optimized in the channels of the gain module (GM). At various flow velocities, the convective heat transfer coefficient (CHTC) is obtained. Experimentally, a maximum output power of 434 W is obtained with an optical–optical efficiency of 27.1% and a slope efficiency of 36.6%. To the best of our knowledge, it is the highest output power of an immersed liquid cooling laser oscillator with a single Nd:YAG slab.
liquid cooling slab laser oscillator convective heat transfer coefficient Chinese Optics Letters
2023, 21(8): 081401
1 中山大学中法核工程与技术学院，广东 珠海 519000
2 中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川 绵阳 612000
3 中国工程物理研究院高能激光重点实验室，四川 绵阳 612000
对于直接液冷薄片激光器而言，实现功率的定标放大可以在保证泵浦光强恒定的情况下通过增大泵浦光斑的尺寸同时增加增益介质的尺寸或数量来实现。这种设计理念自提出以来就得到了学术界的青睐。本团队针对高功率直接液冷薄片激光器的实际工作条件，建立了单薄片双通道增益模块在对称情况下的模型，研究了微通道高度、薄片厚度、冷却液雷诺数等参数对激光器输出波前畸变的影响。结果表明：当其他条件一定时，随着微通道高度及薄片厚度的减小，激光器输出光束质量提高；随着冷却液雷诺数增大，激光器输出光束质量提高。经遗传算法优化后的设计参数产生的输出光束光程差均方根值为3.27 μm，峰谷值为6.11 μm，相较于经典文献设计参数下的均方根值和峰谷值分别降低了12.3%和15.6%。
激光器 直接液冷 薄片激光器 耦合模拟 波前畸变 遗传算法优化 中国激光
2022, 49(23): 2301005
1 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室, 上海 201800
2 中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所, 上海 201800
重复频率激光放大器是实现重复频率激光器的关键器件,其重复频率取决于对抽运及放大过程中产生热量的有效控制。针对千焦耳量级输出重复频率激光器的需求,通过合理的结构设计、冷却液选型及测试等,研制出一台基于氙灯抽运、钕玻璃增益介质、液体冷却、通光直径为Φ130 mm的激光放大器样机。测试结果表明,该放大器样机可实现每分钟一次的重复频率运行,同时具备双程1.3189倍净增益,双程动态波前PV(peak to valley)平均值为0.2718波长(λ)(20 ℃,λ=1053 nm,10发次计)和0.3223λ(30 ℃,λ=1053 nm,10发次计)。
激光器 重复频率激光放大器 液体冷却 氙灯抽运 钕玻璃 中国激光
2019, 46(10): 1001007
1 中国工程物理研究院应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900
2 中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
3 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100088
4 复旦大学信息科学与工程学院, 上海 200082
设计了一种新型高功率直接液冷固体薄片激光器,由数十至数百片透射薄片密集堆叠构成分布式增益系统,使特种激光冷却液在增益介质间的平板微流道内流动以实现薄片直接冷却,有效解决了传统高功率固体激光器中增益介质焊接于热沉引入的热致应力、焊接面变形等问题。对该激光器的腔内损耗、腔内像差等参数进行了优化设计。分析了影响光-光转换效率的关键因素,根据像差特点给出了光束质量控制方法。将20片薄片以特别角度密集堆叠构成增益模块,利用两个增益模块在稳腔和非稳腔中均实现了功率大于9 kW的准连续波(QCW)偏振激光输出,且这一实验室光源的体积小于0.4 m
3。
激光器 高功率激光 固体激光 薄片激光器 直接液冷 中国激光
2018, 45(12): 1201004
1 中国工程物理研究院研究生院, 北京 100088
2 中国工程物理研究院应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900
3 中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
4 衢州学院电气与信息工程学院, 浙江 衢州 324000
介绍了一种工作在准连续状态下的直接液体冷却的侧面抽运Nd∶YAG多薄片激光谐振腔, 装置中选用20片Nd∶YAG薄片作为增益介质, 由激光二极管阵列在其侧面进行抽运, 流动的硅氧烷溶液作为冷却液在其端面进行冷却, 振荡激光以布儒斯特角穿过多层薄片和冷却液实现增益。设计了层流冷却流场并通过数值模拟验证了其对来流不均匀性的耗散能力。根据之前报道的层流冷却能力测量实验建立数值模型, 模拟了流场的冷却效果, 实验结果证明了模型的置信性, 进而基于模型对激光器中薄片的热安全性进行了评估。在抽运能量为49.9 J时, 获得了15.7 J的最大脉冲能量输出, 对应光-光效率和斜率效率分别为31.4%和39.2%; 在抽运脉宽为250 μs, 重复频率为100 Hz, 平均抽运功率为5 kW时, 获得了1440 W的平均输出功率。
激光器 薄片 谐振腔 直接液体冷却 浸入式激光器
1 北京大学 深圳研究生院 信息工程学院, 广东 深圳 518055
2 北京信息科技大学 信息微系统研究所, 北京 100101
3 北京大学 微纳电子学研究院, 北京 100871
随着系统级封装（SIP）所容纳的电子元器件和集成密度迅速增加, 传统的散热方法（热通孔、风冷散热等）越来越难以满足系统级封装的热管理需求。低温共烧陶瓷（LTCC）作为常见的封装基板材料之一, 设计并研制了三种内嵌于LTCC基板的微流道, 其中包括直排型、蛇型和螺旋型微流道（高度为0.3 mm, 宽度分别为0.4, 0.5和0.8 mm）。通过数值仿真和红外热像仪测试相结合的方式分析了微流道网络结构、流体质量流量、雷诺数、材料热导率对内嵌微流道LTCC基板换热性能的影响, 实验结果表明: 当去离子水的流量为10 mL/min, 热源等效功率为2 W/cm2时, 直排型微流道的LTCC基板最高温度在3.1 kPa输入泵压差下能降低75.4 ℃, 蛇型微流道的LTCC基板最高温度在85.8 kPa输入泵压差下能降低80.2 ℃, 螺旋型微流道的LTCC基板最高温度在103.1 kPa输入泵压差下能降低86.7 ℃。在三种微流道中, 直排型微流道具有最小的雷诺数, 在相同的输入泵压差下有最好的散热性能。窄的直排型微流道（0.4 mm）在相同的流道排布密度和流体流量时比宽的微流道（0.8 mm）能多降低基板温度10 ℃。此外, 提高封装材料的热导率有助于提高微流道的换热性能。
低温共烧陶瓷 微流道 传热性能 强制对流换热 heat transfer LTCC laminates microchannel liquid cooling 强激光与粒子束
2016, 28(6): 064126
1 长安大学 信息工程学院，西安 710069
2 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室，西安 710119
为了解决增益介质的热效应问题，提出了一种浸没式构型液冷激光器方案，该构型激光器在10Hz重复抽运频率下，获得了615mJ的能量输出，光光转换效率为21%，斜率效率为23%.基于流体力学和热力学原理，建立了激光器增益区流场的热-流-固耦合模型，利用软件模拟和有限元分析法，研究了在不同流速、泵浦功率条件下，整个增益区的温度场、速度场的分布特性；并基于增益区温度场的分布，分析了液冷条件下通过增益区的激光波前畸变特性.结果表明，增益介质的最大光程差为0.7666λ，冷却液最大光程差为－4.7331λ，说明该构型激光器有着良好的热管理性能.
薄片激光器 液体冷却 热效应 热管理 波前畸变 Thin-disk lasers Liquid cooling Thermal effect Thermal management Wavefront aberration
