李凤昌 1王鹏 1,2,3王小林 1,2,3,*奚小明 1,2,3[ ... ]陈金宝 1,2,3,*
1 国防科技大学 前沿交叉学科学院，长沙 410073
2 国防科技大学 南湖之光实验室，长沙 410073
3 国防科技大学 高能激光技术湖南省重点实验室，长沙 410073
当前，光纤激光器工作温度范围一般较窄，如果能够扩展激光器的工作温度范围，则有望在更多的环境和领域得到应用。近期，国防科技大学基于风冷结构的光纤耦合半导体激光器（LD）泵浦的全光纤振荡器方案，在−50～50 ℃超宽温范围内实现了1 kW量级的激光输出。通过优化系统设计，有望进一步提升宽温运行激光器的输出功率。
光纤激光器 光纤振荡器 宽温运行 风冷 fiber laser optical fiber oscillator wide temperature operation air cooling 强激光与粒子束
2023, 35(9): 091013
1 常州大学 机械与轨道交通学院，江苏常州2364
2 常州星宇车灯股份有限公司，江苏常州130
大功率LED车灯采用风扇进行强制对流散热，针对风扇周边空间尺寸影响车灯散热性能的问题，采用有限元仿真、均匀设计法及响应面分析相结合的研究方法进行优化研究。首先，利用有限元软件FloEFD研究了风扇护风罩与壁面的径向距离A、风扇入风口与壁面的距离B及风扇出风口与散热器的距离C三个设计参数对大功率LED车灯风冷散热系统散热性能的影响；然后，使用均匀设计法设计试验方案进行响应面分析并拟合出三个参数与LED焊点温度之间的回归模型，利用Pareto分析法确定三个参数对系统散热性能的影响大小；最后，利用Minitab软件的响应优化器，以LED结温最小化为目标，确认三个参数的最佳组合是A为8.4 mm、B为16.3 mm、C为4.3 mm。通过对最佳组合进行实验，表明此组合具有最优的散热性能，同时仿真和实验结果具有一致性，验证了仿真的可靠性。
发光二极管车灯 有限元仿真 响应面法 风冷散热 LED headlight finite element simulation response surface method air cooling
1 中国科学院 空天信息创新研究院 高功率微波源与技术重点实验室，北京 100190
2 中国科学院大学 电子电气与通信工程学院，北京 100190
3 成都中电锦江信息产业有限公司，成都 615000
为解决大功率小型化速调管收集极在强迫风冷条件下的高效散热问题，以某大功率速调管为研究对象，介绍了一种大功率高效风冷收集极系统的设计方法。利用ANSYS有限元软件对收集极的强迫风冷散热特性进行模拟计算，分析比较了非均匀热流密度加载方式下不同散热翼片结构对风冷收集极的风阻和最高温度的影响，确定了散热翼片的尺寸和数量。为进一步提高风冷收集极系统的对流换热效果，对收集极入风口的结构进行改进，收集极内表面最高温度降低了22 ℃。采用风冷收集极风阻的计算模型对风阻进行验证，仿真结果与理论值相差2.2%。最后对采用该风冷收集极系统的大功率速调管进行测试，实验测试的最高温度与仿真结果相差1.8%，验证了该风冷收集极系统设计的合理性和有效性。
大功率速调管 风冷收集极 散热翼片 温度 风阻 high-power klystron air cooling collector cooling fins temperature wind resistance 强激光与粒子束
2022, 34(6): 063001
1 山东华光光电子股份有限公司, 山东 济南 250100
2 济南大学物理科学与技术学院, 山东 济南 250100
3 山东大学晶体材料国家重点实验室, 山东 济南 250100
利用Zn扩散形成非吸收窗口的技术, 制备了大功率660 nm半导体激光器。在芯片窗口区用选择性扩Zn方式, 使得窗口区有源层发光波长蓝移了61 nm, 有效降低了腔面的光吸收。制备的激光器芯片有源区条宽为150 μm, 腔长为1000 μm, p面朝下用AuSn焊料烧结于AlN陶瓷热沉上。封装后的器件最高输出功率达到了4.2 W, 并且没有出现灾变性光学腔面损伤的现象。半导体激光器的水平发散角为6°, 垂直发散角为39°, 室温1.5 A电流下的激光峰值波长为659 nm。使用简易的风冷散热条件, 在1.5 A连续电流下老化10只激光器, 4000 h小时仍未出现失效现象。可见, 所制备的660 nm半导体激光器在瓦级以上功率连续输出时同时具有可靠性高及使用成本低的优势。
激光器 瓦级激光器 Zn扩散 半导体激光器 风冷
燕山大学 电气工程学院, 河北 秦皇岛 066004
针对大功率LED光源存在的散热问题, 在风冷散热条件下, 对加装导流罩的大功率LED散热器进行优化设计。在肋片结构参数固定的条件下, 利用流体分析软件对导流罩的内径、高度、进气口直径以及散热器肋片夹角进行优化。通过改变这些参数来改变散热片表面气体流体的流形、风速等值, 最终改变肋片表面对流换热系数。获得的导流罩和肋片夹角参数: 导流罩高度85 mm, 进气口直径76 mm, 出气口直径83 mm, 散热器肋片夹角9°。通过优化使散热器温度有一定程度的降低, 为大功率LED灯具散热设计提供了一种优化方案。
半导体器件与技术 导流罩优化 大功率LED 风冷 semiconductor device and technology shroud optimization high power LED air-cooling
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院研究生院, 北京 100049
半导体激光器散热是在热源至热沉之间尽可能提供一条低的热阻通路。其主要目的是降低外热阻(即激光器芯片至散热空间的热阻)，使发热激光器芯片与被冷却表面之间保持一个低的温度梯度和良好的热接触。对于接触热阻冷却方法，人们往往根据自身的研究对象，用实验方法来解决接触热阻的问题。通过对单管合束模块整体热阻逐步进行分析,通过软件模拟和结合频率红移法对激光二极管热阻进行测量，得出单管合束模块整体散热热阻小于0.25 ℃/W。此散热模块可以满足百瓦级半导体激光器的散热要求。
激光器 大功率半导体激光器 风冷散热 热阻 频率红移法
哈尔滨工程大学动力装置电控技术研究所， 黑龙江 哈尔滨 150001
介绍了一种激光二极管侧面抽运的风冷高能量Nd:YAG激光器，当重复频率为30 Hz时，峰值功率可达到12 MW，脉冲宽度为11 ns。激光器重复频率为1~30 Hz可调，光光转换效率达到13.2%，激光输出波长为1064.2 nm，带宽为1 nm，光束质量因子M2为2.85。针对以往大功率激光器的冷却系统体积大的问题，采用半导体热电制冷（TEC）配合风扇的风冷系统，省去了体积庞大的水冷系统，为整机的小型化提供了可能性。
激光器 风冷 激光二极管侧面抽运 Nd:YAG晶体 激光与光电子学进展
2011, 48(11): 111405
介绍了半导体激光器外部散热设计的数值模拟方法计算流体力学(CFD)方法。对于流体固体耦合传热问题, 建立对流导热耦合传热模型和质量守恒、能量守恒、动量守恒以及k-ε方程联合控制方程组, 按照给定的边界条件, 利用数值方法进行迭代计算, 求解出高精度的数值结果。对一只最大热功耗15 W的半导体激光器的外部散热设计铝合金片状翅片热沉加轴流风扇强制风冷方案, 用CFD方法进行模拟仿真, 数值计算结果表明设计方案可以较好地满足总体热设计要求。
激光器 半导体激光器 散热 计算流体力学 强制风冷 热沉 数值模拟
1 四川大学 物理科学与技术学院,成都 610064
2 中国工程物理研究院 环保工程研究中心,四川 绵阳 621900
研究了1.2 MW大功率电子加速器引出窗钛膜受力状况,确定其工作温度必须控制在150 ℃以内。此温度下,热传导和热辐射的散热作用可以忽略,强迫风冷是唯一的散热途径。用流体模拟计算软件分析了钛膜冷却效果与出口风速和距离之间的关系,分析回流区的存在及其影响,并对引出窗结构做了初步优化。模拟了附加隔离窗形成的封闭空间对引出窗风冷的影响,模拟结果为:提出的非均布扫描方式可以将引出窗输出能力提升76%。
引出窗 附壁射流 强迫风冷 热传导 热辐射 extraction window wall jet forced air-cooling heat transfer heat radiation
