1 河北工业大学 先进激光技术研究中心，天津 300401
2 河北省先进激光技术与装备重点实验室，天津 300401
金刚石晶体不仅具有极佳的光学性质，同时也拥有极高的热导率和低的热膨胀系数，这使得金刚石激光器成为实现不受热影响高功率激光输出的重要路径。但随着激光功率的进一步提升，金刚石拉曼激光器中仍然存在不可忽视的热效应等问题，这对金刚石激光器性能提升提出了挑战。针对高功率运转情况下金刚石拉曼激光器的热效应进行了理论研究，根据热传导方程并采用有限元分析方法，模拟了金刚石温度、热应力以及热形变分布，分析了泵浦参数、晶体参数对金刚石温度、热应力、热形变的影响。此外，基于石墨片横向导热特性，设计了一种新型的用于金刚石晶体的热沉结构。与传统单一铜片散热方式相比，在泵浦功率800 W、束腰半径40 μm条件下，金刚石中心温度下降了10.16 K，下表面平均应力降低了19.857 MPa，端面平均形变量减小了0.055 μm。数值模拟结果表明，该方法对缓解金刚石激光的热效应，实现金刚石拉曼激光器输出功率的进一步提升和高光束质量激光输出具有重要指导意义。
金刚石 拉曼激光器 高功率 热效应 数值仿真 热沉 diamond Raman laser high power thermal effect numerical simulation heat sink 光学 精密工程
2023, 31(22): 3237
提出了一种新型扇形穴-梯形肋微通道散热器,采用单变量方法从速度、压降和温度方面分别对比了单一空穴或肋与组合结构的性能。基于强化传热因子和熵产最小法对微散热器进行了整体评估。结果表明：空穴和肋的组合使用,使得边界层周期性地中断和再发展,空穴和肋组合的散热效果优于单一的肋或穴。在雷诺数（Re）为1 300时,强化传热因子为1.535 4,远高于梯形肋的1.355和扇形空穴的1.28。熵产分析表明,组合结构的不可逆损失最小,这与强化传热因子结果相一致。
微通道热沉 穴 肋 热管理 强化传热因子 熵产分析 microchannel heat sink cavity rib thermal management enhanced heat transfer factor entropy generation analysis
长春理工大学 高功率半导体激光国家级重点实验室,长春 130022
通过设计基于金刚石微槽结构的复合热沉,利用不同材料的热导率差异改变热流传导方向,以优化垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）面阵由于温度分布不均匀导致的中心热量堆积的问题,从而改善激光器面阵整体的输出功率,提高可靠性。基于有限元分析法建立三维热电耦合模型,研究了VCSEL面阵单元排布方式对激光器热串扰效应的影响,同时还研究分析了金刚石复合热沉中微槽形状和位置的变化对半导体激光器内部温度的影响,设计最优结构对激光器的出光性能做进一步优化。采用金刚石复合热沉后的垂直腔面发射激光器面阵,与传统金刚石热沉的封装结构相比,激光器发光单元的温度差值降低了29%,为大面积半导体激光器面阵的输出功率优化提供了新思路。
半导体激光器 金刚石复合热沉 微槽结构 有限元分析法 热管理 semiconductor lasers diamond composite heat sink micro groove structure finite element analysis method thermal management
1 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
2 中国工程物理研究院 应用电子学研究所，四川 绵阳 621900
结温升高是影响主控振荡放大(MOPA)半导体激光芯片输出功率的重要因素，为解决MOPA芯片的多电极封装和高效散热问题，提出了一种正装和热扩散辅助次热沉相结合的封装结构。建立了该封装结构的3D热模型，对比研究了倒装封装结构、正装无辅助次热沉结构与正装有辅助次热沉结构对MOPA半导体激光器结温的影响。计算结果表明，采用正装有辅助次热沉结构与倒装封装结构散热性能接近，且显著优于正装无辅助次热沉结构，结温降低幅度最高可达40%。另外，采用正装有辅助次热沉封装结构的MOPA半导体激光芯片在连续工作条件下输出功率为10.5 W，谱宽可实现半高全宽小于0.1 nm，中心波长随电流的变化约14 pm/A，实现了10 W级MOPA芯片的封装，验证了该封装结构的有效性。
锥形半导体激光器 热设计 封装结构 热沉 master oscillator power amplifier diode laser thermal design package structure heat sink 强激光与粒子束
2023, 35(5): 051001
1 郑州大学 机械与动力工程学院, 郑州 450001
2 河南省智能制造研究院, 郑州 450001
基于牛顿粘性定律和计算流体力学(CFD), 在实际项目的基础上探究了五种不同垂直截面形状的翅片式散热器在强迫对流条件下的散热性能, 最终根据其各自的散热性能和经济性筛选出最佳垂直截面形状的散热器为三角形截面翅片散热器, 与传统的矩形截面翅片散热器相比, 其散热性能提升了4.23%, 材料成本下降了17.95%。
热电制冷 翅片式散热器 风冷热沉散热 计算流体力学 thermoelectric cooler fin heat sink heat dissipation of heat sink CFD
长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室, 长春 130000
为了降低微盘腔半导体激光器工作时有源区的温度, 提升封装的可靠性, 基于Ansys Workbench有限元分析分别对AlN, WCu10, SiC, 石墨烯, 以及CVD金刚石过渡热沉封装的蜗线型微盘腔半导体激光器进行了热特性分析, 得到了器件工作时的温度分布以及热应力、热应变分布。结果显示, SiC封装器件的有源区温度较AlN和WCu10封装器件分别降低了2.18, 3.078℃, 并在五种过渡热沉封装器件中表现出最低的热应力, 器件热应变最小。SiC过渡热沉封装可以有效降低微盘腔半导体激光器工作时的有源区温度, 同时减少封装应力与器件应变, 从而提高器件的散热能力和可靠性。计算结果对半导体激光器单管散热及阵列集成散热均有指导意义。
微盘腔半导体激光器 过渡热沉 ANSYS热分析 热应力 micro-disk cavity semiconductor laser transition heat sink ANSYS thermal analysis thermal stress
1 海军工程大学 动力工程学院, 武汉 430033
2 武汉工程大学 热科学与动力工程研究所, 武汉 430205
3 武汉工程大学 机电工程学院, 武汉 430205
针对均匀背景热流条件下的散热问题, 构建了类叶状微通道矩形热沉模型, 基于构形理论, 在给定热沉体积与液冷通道总体积的约束条件下, 以热沉最高温度和压降最小化为目标, 以微通道单元数、主通道与分支通道的夹角、主通道与分支通道的管径比为设计变量进行了优化设计。结果表明: 通过增加微通道单元数、减小主通道与分支通道的夹角、采用较小的主通道与分支通道之管径比, 可以降低热沉的最高温度, 但是会增大压降损失。
构形理论 电子器件散热 微通道热沉 热设计 constructal theory heat dissipation of electronic devices micro-channel heat sink thermal design
1 海军工程大学 动力工程学院, 武汉 430033
2 武汉工程大学 热科学与动力工程研究所, 武汉 430205
3 武汉工程大学 机电工程学院, 武汉 430205
建立了多孔侧肋双层微通道复合热沉模型, 选取最大热阻最小化为优化目标、热沉单元端面纵横比为优化变量, 在热沉总体积和流体区域体积占比给定的条件下, 对复合热沉进行了构形优化, 并分析了冷却剂入口速度、多孔材料孔隙率、上下通道高度比、流体区域体积占比、肋厚比等参数对热沉最优构形的影响。结果表明: 给定初始条件, 优化热沉单元端面纵横比, 可使最大热阻减小21.19%; 在热沉单元端面纵横比较小时, 减小孔隙率有利于降低最大热阻, 而在热沉单元端面纵横比较大时, 存在最优的孔隙率使得最大热阻最小; 上下通道高度比和肋厚比的改变均未影响热沉最优构形。
构形理论 电子器件冷却 多孔材料 微通道热沉 热管理 constructal theory electronics cooling porous medium microchannel heat sink thermal management
1 中国石油大学(华东)1. 储运与建筑工程学院
2 中国石油大学(华东) 2. 新能源学院， 山东 青岛 266580
通过数值模拟研究了交错式微针鳍散热器的散热效应，分析了针鳍阵列间距和高度对散热器壁温和压降的影响。结果表明，压降随针鳍间距和针鳍高度的减小而呈非线性增加；壁温随针鳍间距的增大而上升，随针鳍高度的增加则呈现出波动趋势。基于上述研究，进一步利用响应表面近似法对微针鳍的横向间距、纵向间距和高度进行了优化，优化后压降最大可降低61.11%。
微针鳍散热器 热点 微流体冷却 参数优化 micro pinfin heat sink hot spot microfluidic cooling parameter optimization
