LD端面泵浦固体激光器微通道热沉散热技术研究

作     者：马圣洁 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：江海河

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：分流式微通道热沉 固体激光器 结构设计 数值模拟 

摘      要：由于介质的不完全吸收,部分泵浦功率转变为废热在激光晶体中不断积累,由此产生出的热效应问题将直接导致激光晶体光学性能降低。随着固体激光器不断向小型化、高输出功率、长时间运行等方向发展,激光晶体的热效应问题日益突出,当前的散热方式已经无法满足固体激光器持续高效散热的需求。为快速高效的导出激光晶体产生的废热,减小其热效应,引入了微通道热沉散热技术。当前对于微通道热沉的研究主要集中于热沉散热性能的提高,大多采用平行流动,冷却液流动性能低,压降损失较大,并且内部结构较为复杂,工艺性较差。针对以上问题,本文开展了 LD端面泵浦固体激光器微通道热沉散热技术的研究,证实了微通道热沉优良的散热性能以及对于固体激光器性能参数的改善的重要作用,本文主要研究内容如下:1、设计了一种结构简单的基于冲击流动的分流式正弦型微通道热沉,具有更高的传热效率,更小的压降损失,并且加工工艺更简单。通过对于热沉总热阻和压降损失的理论分析,并结合边界层理论和场协同理论的研究,指导微通道热沉的结构设计。2、基于Ansys-fluent中热-流-固耦合的有限元分析方法,分别探究了不同冷却液流量、激光晶体发热功率、微通道宽度、深度、形状及分流结构等因素对微通道热沉内部流体流动和传热特性的影响,综合考虑其工艺性能,得到综合性能最优的一种结构,为热沉设计方案的优化提供了理论依据。优化后的热沉为通道交叠分流式正弦型微通道结构,分流通道数为8个,微通道的长宽深尺寸为 30×0.4×2.5mm3,在f=0.6 ml/s 时,热沉总热阻Rtotal=0.247℃/W。3、根据优化结果制备了微通道热沉,通过LD端面泵浦固体激光器中进行实验验证,在f=0.6 ml/s时,热沉总热阻Rtotal=0.395℃/W。相比于预设计的直线型分流式微通道热沉和大通道热沉,总热阻分别降低了 11.5%、44.2%,压降损失相比大通道热沉降低了 3.3%,表明微通道热沉能有效改善激光晶体的散热问题。在泵浦功率为15W时,搭载优化后微通道热沉的激光器输出光束质量得到明显提升,光强分布也得到有效改善。