激光二极管高效铜微通道冷却器设计

通过对铜微通道冷却器的散热分析,设计出5层结构的模块式铜微通道冷却器。采用常规的线切割工艺加工,散热通道宽大约200μm,深300μm,各层间用真空钎焊的方法组装。该冷却器对于腔长0 6mm、宽10mm的线阵激光二极管芯片热阻为0.58℃/W。通过面阵激光二极管封装实验证明,该冷却器可用于10%占空比工作的面阵激光二极管封装。

高功率二极管激光器模块式微通道冷却器研制

针对高功率二极管激光器（DL）的散热需求．对不同结构的微通道冷却器进行了模拟散热计算．优化了冷却器的结构参数。冷却器采用Cu-WCu合金复合结构，由多层金属片焊接而成，其内部散热片采用具有高热导率的无氧铜制作，上、下表面采用硬度高，热导率也较高的WCu合金制作。这种结构不仅避免了无氧铜较软、面形和棱边质量难控制的缺点，还可提高冷却器的强度．使冷却器可以做得较薄。冷却器外形尺寸为25．0mm×12．0min×1．5mm。使用连续二极管激光器板条和模拟热源对不同内部结构的微通道冷却器的热阻进行了实验测量．冷却器的热阻为0．4～0．8K／W。研制的模块式微通道冷却器可满足连续50w或脉冲功率120W（20％占空比）的高功率二极管激光器板条的散热需求．堆叠的二维叠阵DL可以很好地用作高平均功率DPL的泵浦源。

V形槽硅微通道冷却器研制

报道了V形槽硅微通道冷却器的结构和主要制作工艺,研制了冷却器样品。性能测试结果表明冷却器在供水压力为2×105Pa时,封装面热阻尼系数为0.051 ℃·cm2/W,能够用于封装峰值功率密度达到1 kW/cm2、工作占空比大于10%的激光二极管面阵。其冷却能力与数值模拟结果较吻合,尚存在流量较小的问题,原因可能在于导流槽内存在较大的水头损失,同时与导流槽的结构有关。

微通道冷却器的测试技术

对微通道冷却器的测试需求、测试方法、测试平台的构建及测试数据处理等问题进行了论述。

微通道冷却器的设计

微通道冷却器的设计采用微通道模型、水冷式激光二极管,用ANSYS软件进行设计。单位面积上的微通道数与通道壁的总面积成反比,把不规则通道折算成矩形通道,计算结果比预定的偏大,必须进行修正得出更准确的散热功率。

二极管激光器模块式微通道冷却器的优化设计

对不同结构的微通道冷却器进行了模拟散热计算，优化了冷却器的结构参数。冷却器采用纯铜或Cu-WCu合金复合结构，由多层金属片焊接而成。Cu-WCu合金复合结构的冷却器内部散热片采用具有高热导率的无氧铜制作，上、下表面采用硬度高，热导率也较高的WCu合金制作。这种结构不仅避免了无氧铜较软，面形和棱边质量难控制的缺点，还可提高冷却器的强度，使冷却器可以做得较薄。冷却器外形尺寸为25mm×12mm×1．5mm。分别采用模拟热源和连续二极管激光器芯片对优化结构的微通道冷却器的热阻进行了实验测量，图1为不同冷却水流量下冷却器的热阻曲线。

V形槽硅微通道冷却器的研制

高平均功率的二极管泵浦固体激光器（DPL）要求用于泵浦的二极管阵列功率密度达到1kW／cm^2，由于二极管运行的电光效率只有40％50％，需要高强度的冷却器来对面阵进行冷却。V型槽硅微通道冷却器。结构紧凑，具有较高的冷却能力，可在其V形槽上同时焊接多条bar而形成面阵。从而能大幅提高封装工艺的集成度，降低封装成本，使大规模地封装高功率激光二极管阵列成为可能。

基于模型的二氧化碳微通道气体冷却器性能分析

建立了跨临界二氧化碳制冷装置中对整个系统性能有很大影响的重要部件微通道气体冷却器的分布参数模型 ,用于指导优化设计 ,模型中考虑了二氧化碳和空气的分布特性 .通过比较仿真结果和试验数据验证了模型的正确性 .基于该模型对气体冷却器结构参数进行了敏感性分析 ,指出了气体冷却器结构参数的合理变化范围 .

二氧化碳微通道气体冷却器的数值仿真与性能优化

建立了跨临界CO2制冷系统中微通道气体冷却器模型,对管内CO2和空气侧的流动和换热进行了数值仿真.比较了多种工况下的仿真结果与实验数据,验证了该模型正确性;并运用该模型分析了各种参数下的气体冷却器的性能,可用于指导优化设计.

16通抽运微通道冷却Yb:YAG薄片激光器

为了研究Yb:YAG薄片激光器的性能,采用16通抽运耦合、微通道冷却的方法,对薄片的优化厚度、热力学特性和激光性能等进行了理论分析,利用直径10mm、厚度为250μm、掺杂原子数分数为0.1的Yb:YAG薄片进行了实验验证,抽运耦合系统实现了对薄片的16通抽运,在抽运功率为81.9W时,获得了平均功率为24.4W的激光输出,光光转换效率达到了29.8%。结果表明,多通抽运微通道冷却Yb:YAG激光器可以获得较高的光光转换效率。

用于高功率二极管激光器散热的变截面微通道数值模拟与性能分析

对一种屋脊式变截面微通道冷却器中的微通道进行了分析,采用Fluent 6.1软件对其中的流体流动和传热进行了数值模拟,并分析了流速、微通道入口大小对冷却性能的影响.

系统工况对微通道平行流气冷器换热性能的影响

以自然工质二氧化碳作为制冷剂的跨临界试验系统结合微通道平行流气冷器进行实验,在不同系统压力、质量流量等工况下对气冷器换热性能进行实验研究。结果表明:二氧化碳在超临界状态下换热随系统压力的增大而减小,扁管对流换热随二氧化碳流速的增大得到加强,同时也探讨了气冷器迎风表面温度分布情况。

高功率二极管激光器相变冷却技术

根据高功率二极管激光器的散热需求,设计了一种储能式相变冷却实验系统,并开展了喷雾相变冷却器和微通道相变冷却器的设计。采用多孔微结构的换热表面,用氨做制冷剂,实现了喷雾相变冷却器表面温度37℃时,散热功率密度达到了511W/cm2。采用节流汽化原理,分别设计了背冷式相变微通道冷却器和薄片型的模块式相变微通道冷却器,背冷式相变微通道冷却器采用氨做制冷剂,散热功率密度达到了550W/cm2,采用R124做制冷剂,散热功率密度约270W/cm2。采用R124做制冷剂,实现了脉冲激光功率3kW和连续激光功率100W的相变冷却二极管激光器模块封装。

连续100W量子阱二极管激光器封装工艺

为了提高激光器输出功率,对研制的铜微通道冷却器性能进行了测试,分析了其散热能力。设计了一种在软焊料中掺杂金属添加剂的工艺,有效抑制了晶须生长,并利用该冷却器和新工艺封装出了连续100W大功率二极管激光器,并对封装的器件进行了性能测试。测试结果表明,封装的连续100W器件在工作电流105 A时,输出功率超过了100W,中心波长为808.5 nm,光谱半高宽为2.15 nm,器件的smile尺寸小于2μm,部分值小于0.5μm。

高平均功率面阵二极管激光器封装

对激光二极管中冷却和界面联接热阻两个关键环节进行了分析 ,设计了一种五层结构的模块式铜微通道冷却器 ,对于腔长 0 .9mm、宽 1 0 mm的线阵激光器二极管 (DL )芯片热阻为0 .39°C/W。对冷却器进行了面阵 DL封装实验 ,在工作电流 5 2 A,电压 41 .4V时 ,封装的面阵 DL输出功率 1 0 0 5 W,电光效率 45 %,中心波长 80 7.3nm,谱宽约 2 .2 nm。经快轴准直后整个面阵输出激光的发散角小于 2°(快轴 )× 1 2°(慢轴 )。

IBM研发水冷超级服务器 降低能耗40％

IBM近日联合瑞士苏黎世联邦理工学院共同研发了一种名叫Aquasar的液冷超级计算机．它可以降低40％的能源消耗，减少85％的碳排放．同时将收集来的热能用于建筑上的需求．这种系统由IBM BladeCenter服务器和机架构成，能实现6万亿次浮点运算．这种被称为微通道冷却器的装置连接到处理器的背面，

15％占空比27kW二维叠阵二极管激光器

根据高平均功率DPL（二极管泵浦激光器）的研制需求，采用模块式微通道冷却器封装方式，研制出了由220个DLbar组成的二维叠阵DL。每个DLbar安装在1个微通道冷却器上作为1个单元模块DL（见图1），220bar叠阵由4组单元叠阵组成，每组单元叠阵由55个单元模块DL沿快轴方向堆叠组成，堆叠周期为1．7mm，将4组55bar单元叠阵沿慢轴方向组合到一起，即构成了1个220bar的叠阵DL，慢轴方向组合周期为22．5mm，整个叠阵的出光面积为95mm（快轴）×47．5mm（慢轴）。

20％占空比2．5kW二维叠阵二极管激光器

采用Cu-WCu复合结构研制了一种五层结构的模块式微通道冷却器，并用所研制的冷却器封装出了20％占空比工作，峰值功率2．5kW的二维叠阵DL。制作的冷却器为五层结构，由上盖片、上散热片、分水片、下散热片和下盖片扩散焊成。散热片和分水片采用具有高热导率的无氧铜制作，上、下盖片采用硬度高，热导率也较高的WCu合金制作。这种结构不仅避免了无氧铜较软，面形和棱边质量难控制的缺点，还可提高冷却器的强度，

连续40W 808nm量子阱线阵二极管激光封装技术

研究了高功率二极管激光 (LD)封装中的铟焊料蒸镀工艺和回流焊工艺对芯片焊接状态的影响。在数值模拟和实验研究的基础上 ,优化了冷却器结构设计 ,研制出具有热阻低、压降小的铜微通道液体冷却器 ,可以满足热耗散功率大于 6 0W的二极管激光器散热冷却需要。通过封装实验得到输出功率 40W ,波长 80 8nm ,谱线半高宽<2nm ,电光效率近 40 %的连续线阵二极管激光器。用该激光器进行了抽运Nd∶YAG固体激光实验 ,在抽运功率为 40W时 ,获得 11 8W单横模固体激光输出 ,光 光效率约为 30 %。

用有限元法讨论光抽运垂直外腔面发射半导体激光器的散热性能

多物理场耦合有限元方法被用来模拟光抽运垂直外腔面发射半导体激光器(OPS-VECSEL)内部的热分布情况,特别对OPS-VECSEL芯片帽层表面与金刚石散热片毛细键合(capillary bond)的情况做了计算。计算表明,在没有金刚石散热片的情况下,从窗口以下首个量子阱到末个量子阱的温差达到150 K;在有金刚石散热片的情况下,器件中各个量子阱的温差很小,其共振波长差只有几纳米;在芯片的分布式布拉格反射镜(DBR)一侧焊接有硅微通道冷却器的情况下,各量子阱间的温差进一步减小,器件性能得到最大改善。模拟计算也表明,在抽运功率不变的情况下,适当增加抽运光的半径,可显著降低器件的热效应,尤其热透镜效应。