基于半導體制冷器的LD激光器散熱研究

韓娟 高光波 唐瑋 鄭四木

摘 ?要：就半導體制冷器對LD激光器的降溫效果進行了試驗研究。通過一種典型的冷卻方案得到了制冷器數(shù)量對制冷效果的影響，以及通入制冷器兩端電壓與制冷效果的關系。結果顯示，制冷器數(shù)量和制冷兩端電壓均與制冷效果并不成正比關系。

關鍵詞：半導體制冷器;LD激光器;制冷

中圖分類號：TB65 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）13-0061-02

Abstract： The cooling effect of semiconductor cooler on LD laser is studied experimentally. The influence of the number of refrigerators on the refrigeration effect and the relationship between the voltage at both ends of the cooler and the refrigeration effect are obtained by a typical cooling scheme. The results show that the number of refrigerators and the voltage at both ends of the refrigeration are not proportional to the refrigeration effect.

Keywords： semiconductor cooler; LD laser; refrigeration

1 概述

LD激光器已在空間通訊、光纖通信、大氣研究等高科技領域有著廣泛的應用前景，而大功率LD激光器則在軍事國防等領域，發(fā)揮著極其重要的作用。高的光輸出帶來相應的高的耗散功率，如果不及時消除掉因耗散功率所轉化的熱量，就會導致整個晶體的熱透鏡效應[1-4]。因此，如何對激光器進行散熱冷卻是研制大功率LD激光器所亟待解決的關鍵問題。

半導體制冷是通過直流電制冷的一種新型制冷方式，它的優(yōu)點在于：（1）無機械運動，制冷迅速;（2）使用方便、應用廣泛;（3）結構簡單，尺寸小，質(zhì)量輕[5]。由于上述優(yōu)點，它解決了許多特殊條件下的制冷難題，有十分廣闊的應用前景。本文選擇風冷與半導體制冷相結合的冷卻試驗裝置，對LD激光器的降溫效果進行試驗研究。

2 試驗裝置與試驗方法

本文設計的LD激光器的制冷裝置如下圖1所示。主要包括LD激光器、無氧銅熱沉、半導體制冷器以及銅制散熱器。

將制冷器的冷端貼著熱沉，熱端貼著散熱器。熱量逐級向下傳遞，最后經(jīng)過強制風冷將傳遞到散熱器上的熱量消散。由于導熱硅脂具有很好的絕緣導熱特性，在激光器、熱沉、制冷器和散熱器的接觸面都涂上一層均勻的導熱硅脂，以避免其間空氣薄層對導熱性的影響。本文選擇的激光器正常工作溫度小于35℃，工作溫度低于35℃時，激光器可穩(wěn)定的工作，而當高于35℃時，激光器的性能將很快變壞或者失效。

本文選擇的激光器，P0=50W，I0=7.7A，Vo=13.5V，此時散熱量Q為53.95W。選用9500-199-100型制冷器，最高輸入電壓28V，最大電流10A，它的特性曲線如圖2所示。

在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作已經(jīng)成為LD激光器在軍事領域中亟待解決的問題，我們采用高低溫箱來模擬高溫環(huán)境。具體試驗方法為：將整個試驗裝置放入高低溫箱中，設置箱內(nèi)溫度為60℃，驗證本文的制冷裝置在60℃的環(huán)境溫度下，能否保證激光器35℃的工作溫度。由于制冷器工作時熱端溫度肯定高于環(huán)境溫度，先預判熱端溫度達到85℃，那么制冷器冷熱端溫度差為50℃。本文選用的LD激光器散熱量Q為53.95W，那么4片制冷器已足夠滿足制冷要求。（1）首先選擇4片制冷器通入14V電壓，當冷端溫度下降到一個平穩(wěn)狀態(tài)后打開激光器，觀察激光器是否能保持一分鐘的穩(wěn)定工作狀態(tài);（2）為了驗證制冷效果是否

與制冷器的數(shù)量成正比，在 4片制冷器基礎上多加兩片制冷器，記錄激光器的溫度數(shù)據(jù);（3）將通入制冷器的14V電壓增加到16V，記錄激光器溫度數(shù)據(jù)，對比兩種電壓下的制冷效果。

3 試驗結果分析

3.1 制冷器數(shù)量對制冷效果的影響

圖3為4片制冷器和6片制冷器在14V電壓下，LD激光器的溫度對比。

從圖中可以看出，6片制冷器在一開始制冷效果顯著，到120s時已經(jīng)達到了穩(wěn)定狀態(tài)。但是只將激光器溫度制冷到29℃時就已經(jīng)不再繼續(xù)降溫，此時加上熱負載，在激光器工作60s后，激光器溫度已經(jīng)上升到了36℃，完全不能滿足激光器所需的正常工作溫度。4片制冷器雖然在開始階段沒有6片制冷器的制冷幅度大，但是在180s時能降溫到27℃。開啟激光器，工作60s后，激光器溫度逐漸上升到32.4℃，保證了激光器的正常工作溫度。這是由于6片制冷器能快速的把熱沉的溫度降低，熱端產(chǎn)生較4片制冷器更多的熱量傳遞到散熱器上，如果散熱器端的風機風量不夠吸收如此多的熱量，那么散熱器端的熱量將會越聚越多，進而返回到熱沉上，導致激光器溫度的不斷升高，最終不能滿足正常工作性能。可見制冷效果并不是與制冷器的數(shù)量成正比，反而數(shù)量越多可能制冷效果更不好，因此應該根據(jù)實際情況選擇合適數(shù)量的制冷器。

3.2 電壓對制冷效果的影響

圖4為4片制冷器分別在14V和16V電壓下，激光器的溫度對比。

從圖中可以看出，同樣是4片制冷器，通入16V電壓的制冷器比通入14V電壓的制冷器更早達到穩(wěn)定溫度，在激光器工作60s后，溫度達到33℃，滿足了激光器的正常工作溫度。由于制冷器電壓越大，就會有更多的熱量從冷端轉移到熱端，導致熱端溫度升高，風機就能從散熱器上帶走更多的熱量，達到制冷目的。

在本實驗中，制冷器輸入電壓增加2V，制冷器熱端的熱量將增加20%左右。而熱端的散熱強度是有限的，隨著制冷器熱端熱量的增加，必將導致制冷器冷熱端溫差的加大，當溫差增加到某一值時，制冷器效率開始下降，因此在實際應用中，制冷器存在最佳工作電壓，在最佳工作電壓下制冷器的制冷能力最強。我們通過繼續(xù)增加制冷器兩端電壓來尋找制冷器的最佳工作電壓，經(jīng)過對比，確定了該型號制冷器的最佳工作電壓為16V。

4 結束語

本文設計并實現(xiàn)了對連續(xù)輸出功率50W的LD激光器的制冷器加風冷散熱，并對散熱系統(tǒng)的工作情況進行了測試。制冷器的數(shù)量與制冷效果并不成正比關系，制冷器多一些能在短時間內(nèi)將激光器的溫度降低，但是如果風機吸收不了這么多熱量，將導致激光器溫度快速升高，影響激光器性能。同時發(fā)現(xiàn)激光器的降溫效果也與制冷器的電壓并不成正比關系，這主要受半導體制冷器熱端散熱效果的影響。因此，在實際應用中，應根據(jù)使用環(huán)境和被冷卻器件的降溫要求，合理選擇制冷器。

參考文獻：

[1]李強，王志敏，王志勇.647W燈泵浦大功率連續(xù)Nd：YAG激光器[J].強激光與粒子束，2004，16（9）：1097-1100.

[2]李修乾，洪延姬.高能固體激光器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].裝備指揮技術學院學報，2004，15（1）：101-105.

[3]李適民，等.激光器件原理與設計[M].北京：國防工業(yè)出版，1998，148.

[4]程東明，杜艷麗，馬鳳英.半導體激光器散熱技術研究及進展[J].電子與封裝，2007，7（3）：28-32.

[5]趙培聰，袁廣超，陳恩.半導體制冷片對電子元件降溫效果的試驗研究[J].流體機械，2012，40（3）：64-66.