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大功率半导体激光器制冷散热方式

2020-08-27

  半导体激光器有着非常明显的优势地方,例如体积质量小,电光转变的高效等优势地方,因为这些优势特点致使半导体激光器已经被使用在了各个行业中。半导体激光器通常情况友最基础的发光单管进行组合,发光单管可形成多个Bar条,再由多个 Bar条形成一定的叠阵。

大功率半导体激光器制冷散热方式

  因为我国半导体技术水平的逐渐加深,所以使用的功率也在逐渐升高,一个发光单管的极限功率可以达到25瓦,峰值厘米巴条功率已经增长到了1000瓦,但是发光单管的体积确实非常精巧的。因为芯片的升温会对半导体工作产生非常严重的影响,所以本文特针对大功率半导体激光器如何有效散热情况进行了研究,并且讨论如何有效使用。


  1 芯片的温度对半导体激光器的影响

  1.1 温度对最小电流的作用

  芯片温度对激光器正常工作所需求的最小电流的作用主要体现在激光器的内部构造。由于芯片温度提高,激光器的最小电流也会相应的加大,这时可以明显看出半导体激光器在最小电流的支持下,所必需要加快温度的散热效率,只有这样才可以保证激光器的正常工作。


  1.2 芯片温度对斜率的作用

  半导体激光器的斜率功效就是半导体激光器的发动电流和驱光电流的线性数据,通常情况下,半导体激光器的斜率功效愈大,所带来的性能也就更加优秀,然而芯片的温度升高却能够使得半导体激光器的斜率功效得不到很好的发挥。


  1.3 芯片温度对发光功效的作用

  通过实验数据可以清晰的看出,芯片的温度越高,激光器的发光功效就会变得很小。


  1.4 芯片温度发光线长度的作用

  如果激光器的温度产生了变化,那么激光器的发光长度也会随之相应的发生变化。所以根据之上所说的数据,芯片温度的升高,带之而来的激光器温度加大会使得激光器得不到良好的工作性能,所以对激光器的散热性能的研究是刻不容缓的,也是激光器正常工作的关键地方。


  2 激光器散热方法研究

  2.1 半导体激光器传递热量环节

  半导体激光器正常工作时发出的热量大多是经过沉淀发散,激光器的热量散热主要有初级散热和次级散热。激光器工作芯片经过多次复杂多变的工艺技术进行初级散热。而次级散热可以和冷却物质发生最为直接的作用,从而使的热量消失。激光器产生的热量依次由焊接间,绝缘间,初级散热,次级散热后进行最终的消散。其中,在激光器发光功效一定程度中,想要有效减少激光器的温度就必须要做到这两点:一方面是,可以采用减少冷却液的温度,以此通过增加温度的差别来达到温度的消散。例如实用的办法就是实用液氮方法。因为半导体激光器在日常的工作环境下所实用的降温太强的话,会使得激光器的表面层形成霜,所以当出现了结霜现象,激光器就会产生光线折线功能,甚至严重的情况,会使得激光器发生电路短路,激光器无法正常工作,所以采用这种方法要严格执行操作标准。另一方面是,减轻激光器的芯片温度和冷却液的之间的热阻。例如使用精钢石膜,这是目前较好 的使用方法。


  2.2 激光器的散热方法研究

  激光器的传热导体可以分成固体导热和流固传导两个方面。固体层的热传导其中包括热层的热阻,各个焊接间的热阻,绝缘间的热阻。为了能够有效减少固体端的热阻,很多研究人员做出了提升原材料导热性能的研究,比如使用精钢石膜可以有效的进行热量的发散。这种方式相比较传统的热沉材质,热阻的功效减轻了百分之四五十,最小电流也得到了很明显的降低。发光功效也得到了明显的提升。虽然固体端热阻的减轻能够有效使得激光器的温度得到缓解,但是根据相应的研究发现,再使用一些硅胶材料作为热沉材料,其中固体端的热则仅仅达到了流体端热阻的一半,这就代表着激光器的散热的重中之重就是在于加大流体端的热阻。传统方式的热阻是采用空气对流方法,伴随者激光器不断加大的功率,一些传统的流体管散热方式已经不够满足激光器的散热需求,因此有着很多新颖的散热方式应运而生,例如采用微型通道散热方法,喷雾方式冷却等。


  3 传统的散热方式

  我国较为传统的散热方式其中包括自然对流法,大通道的水冷方式还有对半导体的冷却方式。


  3.1 自然对流冷却方式

  我国对于激光器采取的传统散热方式是使用热导性好的沉淀,对半导体激光器的表层进行延伸,使用自然散热方式,以此达到对芯片温度降低的目标。这种方式结构具有一定的方便性,对材料的热导性能要求标准也比较高,所以经常使用铜最为使用材料。但是这种方式已经不能够满足现如今的散热要求。


  3.2 大通道水冷方式

  在最开始的时间,一些研究学者为了能够充分降低激光器热量发散的问题,将自然对流降温改变成了强迫性对流降温,由此出现了大通道热沉方式。传统的大通道水冷方式中的结构是空腔型。进过对进水空位的优化,能够达到激光器发光效率的充分发挥,通过实验数据证明,这样的方式具有很好的散热功能。虽然这种水冷方式比起传统的那些方式有着一定明显的优势,但是它自身也是存在着不足的,其主要的问题就是温度的分布不均匀。研究学者为了解决这个现象,在通道之内增添了很多换热架构,例如则流结构。还设计了顺排结构和叉排结构对散热效果的分析,得出了顺排结构和叉排结构对温度的散热都比传统的散热方式优良,但是存在不足的是,其压力会变大。所以大通道水冷方式具有着结构简单,温度发散优良的特点,是目前阶段中应用最为广泛的散热方式,但是因为最近这些年来,激光器的大功率投入使用,这种方式还是达不到散热需求。


  4 新型的散热方式

  现如今,我国随着大功率激光器的投入使用,因此研究出了很多新型的散热方式,其中包括使用通道散热,喷雾冷却液,热管 道散热方式等。


  4.1 微型通道散热

  通过实验发现了微型通道里单向水冷的高效能散热方式,使用微型通道单向水冷方式进行温度的冷却引起了学者们的纷纷研究,对于微型通道水冷方式的定义有两种,第一种是依据其尺寸来定义,其中对水力直径小的定义为微型通道,另一种是通过对表面张力进行划分,分成了微型通道或者常规性通道。其中对微型通道散热性能的研究比比皆是,从微型通道中液体的流向可以划分成单项和双项两种。伴随着对微型通道理论知识的不断研究,很多的研究者将微型通道散热方式投入到了激光器的散热工 作中。其中,一位学者对一种发光长度为 808nm的激光器进行了试验,通过数据表明,这种微型通道可以有效的减少激光器的温度,还可以保证激光器的发光功率。这种方式可以通过管道作为换热的方式,由此减轻了微型通道的工作难度,并且得出了这种 方式具有良好的换热功能。


  4.2 喷雾冷却方式

  和之前所述的微型通道散热方式,使用喷雾冷却是一种更为复杂的方式,其需要借助高气压的方式,使得液体进行雾化,进行强力喷射,以此来实现激光器的降温。其中一些学者研究了激光器表面的粗糙程度对喷射冷却液热传导的影响,进过对表面粗糙程度进行加深,可以有效增强喷雾的热流密度。通过这些实验研究,都能够为喷雾冷却的实际投入使用增添了可能性。现如今,在我国化工产业,核电产业中广泛使用这种喷雾冷却方式。


  4.3 射流冲击方式

  采用射流冲击尽心降温的方式是一种通过高速的液体进行为表面的热传导,以此达到降温的作用。其中一些学者做出了实验,他们使用二十三度的水作为喷射的物质,经过强力的喷射,使得温度控制在了五十度上,学者还对喷射设备进行设计研究。使用微型电子机械操控手段,可以在进行强力喷射的环节中使得工作完成的更好,其有着结构精巧,可靠性高的特点。非常适合投入在小型激光器的散热问题上。除此之外,这种方式使用在核反应堆上也可以,其中冷却介质可以换成氦气,其中温度差别可以形成到1500w。射流冲击的这种方式是一种非常行之有效的降温方式,这种方式大多是用来解决热流密度高的散热问题,例如使用在核反应堆上,采用这种的方式其中的缺点是,需要为其提供一定的高速冷却介质,因为可能会造成流体的损失过大,功耗也会随之变大。


  4.4 液态冷却方式

  因为液态金属的导热性能良好,例如铝合金的导热性能就是水的29倍之多,因为其拥有着很好的对流热传导性,所以这种良好的热传导性可以广泛的使用在电子芯片技术上,但是也有一部分学者发现其可以投入使用在激光器的散热问题上。有些研究学者创造性的制造出了一种液态性金属散热方式。实验过程是,金属物质在圆环之内进行旋转,并且同时进过热管或者微型通道将铝合金等金属发散的热量带走,通过实验表明,在激光器芯片表面的热流密度达到1000w的情况下,芯片的温度只达到23度, 这样就能很好的使得激光器得到很正常的使用。对于液态金属的散热研究,是最近几年新兴的研究方向,如果顺利可以成为降低激光器热量密度很好的办法。其中也有液态金属还可以使用在多个方面,例如对电脑芯片的散热工作等,在实际的使用过程中,需要注意的地方就是要注意材料的兼容性问题等。


  5 热流密度和温度差异的分析

  之上所说的这些散热方式能够解决热量密度,但是并不一定代表其具有很好的降温性能。如果单单从热量密度的大小来评判其散热的效率是片面的,要对其进行全面综合的考察,对一种方式是否具有良好的降温性能需要对热量密度和温度差异进行同时考虑。相关的研究学者对不同的散热方式进行了研究,统计了热量密度和温度差异的实验数据。其中实验数据表明,每种散热方式达成的热量密度都可随着温度的差异加大而加大。对于激光器的热沉,一般情况下需要冷却介质的温度保持在二十度左右。而激光器芯片正常的工作温度不能超过六十度,这就使得其之间的温度差异不能超过四十度,对于传统的散热方式,还不能够达成要求,其所热量密度较小。而采用新型的散热方式其中使用微型通道方式,喷雾冷却方式等都能够实现一定的标准要求,能够达成热量密度散热的结果,这些方式的存在都为实现大功率半导体激光器的散热问题提供了可行性的方案。


  芯片温度升高问题已经逐渐成为了阻碍半导体激光器正常工作的首要因素,对于新型的散热方式正在不断的加深研究,对于解决大功率半导体激光器的散热情况必须要紧紧抓住热力学学科,材料学,与制造业进行充分的合作工作。虽然对于导热性较好的材料和装配技术的发展能够在一定程度上解决大功率半导体激光器的散热问题,但是对大功率半导体激光器的散热问题还 是需要注重在对流散热上,采取合理性的对流散热方式是解决目前这一问题的关键所在。新型的散热方式为实际的散热工作提供了一定的基础。


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