全固態(tài)激光器散熱結(jié)構(gòu)設計及優(yōu)化

李 明，王禹凝*，劉超智，劉天紅,2，鄭 權(quán),2

(1.長春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司，長春 130103；2.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

0 引言

激光器是一種能發(fā)射激光的裝置，一經(jīng)問世就受到廣泛關(guān)注。經(jīng)過60年來的發(fā)展，激光器的種類也越來越多，如氣體激光器，固體激光器、半導體激光器、光纖激光器等。全固態(tài)激光器具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點，在大氣氣溶膠、海洋探測、激光雷達、激光測距以及深空探測等諸多領域都得到了十分廣泛的應用[1,2]。

激光器散熱能力以及熱穩(wěn)定性，對于激光器的性能和壽命起到極其關(guān)鍵的作用。近年來，國內(nèi)外許多專家學者在激光器光學結(jié)構(gòu)設計以及優(yōu)化方面做了大量的研究工作，促進了激光器技術(shù)的跨越式發(fā)展，但是在激光器殼體結(jié)構(gòu)設計方面，尤其是激光器散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面研究較少。在國內(nèi)，2019年3月劉思喆、全偉、翟躍陽等，在《窄線寬半導體激光器的熱設計及優(yōu)化》一文中，對半導體激光器散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面進行過相關(guān)的分析研究，提出的散熱結(jié)構(gòu)對激光器散熱能力的提升具有很大借鑒意義[3]。2020年1月馬新強、成巍等，對激光器殼體的優(yōu)化進行過相關(guān)研究，研究結(jié)論對于激光器強度以及剛度的提高具有一定的借鑒意義[4]。在國外，Nicholas W.Sawruk，Mark A.Stephen等，在《Space qualified laser transmitter for NASA’S ICESat-2 mission》一文中介紹了激光器熱設計的相關(guān)方法，為空間激光器熱設計以及熱實驗方面提供了寶貴經(jīng)驗。

本文以全固態(tài)激光器的研發(fā)為依托，根據(jù)激光器總體設計要求，設計了一種全固態(tài)激光器散熱結(jié)構(gòu)，采用ANSYS熱分析的方法得出了全固態(tài)激光器的溫度場分布和熱變形情況。根據(jù)溫度分布以及熱變形的特點，提出了一種優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)，并對優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的散熱性能進行了分析以及試驗驗證。分析結(jié)果表明，優(yōu)化后的激光器散熱結(jié)構(gòu)具有良好的散熱性能以及熱穩(wěn)定性能，為后期激光器的具體應用提供了參考。

1 全固態(tài)激光器的散熱結(jié)構(gòu)設計

全固態(tài)激光器散熱結(jié)構(gòu)設計在激光器結(jié)構(gòu)設計中是十分重要的，激光器工作過程中產(chǎn)生的熱量不及時散出，會給激光器性能帶來重大影響。根據(jù)全固態(tài)激光器的研制要求，激光器采用自然傳導散熱，要求激光器能夠在寬溫下實現(xiàn)長期穩(wěn)定的運行。因此為了滿足要求，將激光器的各個部件固定在主殼體上，將泵浦源固定在TEC（熱電制冷器）上，對泵浦源進行溫度控制，確保泵浦源無論在什么樣的溫度下都能夠保證恒溫。激光器主要結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 激光器主要結(jié)構(gòu)

由于激光器內(nèi)部器件材料不同，熱膨脹系數(shù)不同，當環(huán)境溫度變化時，結(jié)構(gòu)的熱變形會引起光學部件相對位置發(fā)生微小變化，從而導致激光器穩(wěn)定性發(fā)生變化。基于上述原因，需要對激光器殼體進行熱分析，掌握固態(tài)激光器的溫度場分布和熱變形情況。

2 全固態(tài)激光器熱分析

2.1 熱分析有限元方程

激光器在工作時，如果處在某個恒溫環(huán)境中時，依靠TEC的溫控作用，泵浦源產(chǎn)生的熱量等于激光器所散出的熱量，激光器處于熱穩(wěn)態(tài)，其任意點的溫度不隨時間變化。穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為:

式(1)中，[KT]為傳導矩陣，包含導熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；{T}為節(jié)點溫度向量；{Q}為節(jié)點熱流率向量，包含熱生成。

激光器底板固定在散熱片上，假設散熱性能良好，底板保持恒溫，忽略熱輻射，則用方程(1)求解激光器的溫度場時包含如下兩類邊界條件：

1）第一類邊界條件，設置激光器外表面的溫度為環(huán)境溫度；

2）第三類邊界條件，設置激光器外表面與周圍空氣的熱交換系數(shù)。穩(wěn)態(tài)溫度場下熱力耦合計算的基本方程為：

式(2)中，[K]為剛度矩陣；{U}為節(jié)點位移向量；{F}為力向量，包括施加在節(jié)點上的和由熱應變引起的力[5,6]。

2.2 激光器有限元模型的建立

根據(jù)激光器的熱分析要求，利用SOLIDWORKS建模軟件對激光器結(jié)構(gòu)進行建模，建模后激光器三維實體模型如圖2所示。

注1 當時,我們方案成功的概率為1。此時,我們的方案與文獻[44]的方案是一致的。因此,本文的方案推廣了文獻[44]的方案。

圖2 激光器三維模型

激光器在工作時，除泵浦源產(chǎn)生熱量外，其他光學部件都不會產(chǎn)生熱量，溫度基本與激光器腔內(nèi)溫度保持一致，受熱變形很小。由于激光器在工作時，腔內(nèi)各光學器件全部固定在激光器殼體底板，底板的熱變形量對激光器熱穩(wěn)定起著至關(guān)要的作用，因此可以對激光器有限元模型進行很大程度上的簡化。分析時，可以將激光器腔內(nèi)的器件變形大小忽略，重點關(guān)注激光器殼體光學器件安裝面的熱變形大小。

激光器殼體材料為6061-T4鋁合金，固定座材料為TC4鈦合金，這些材料的物理屬性如表1所示。

表1 材料物理參數(shù)

2.3 網(wǎng)格劃分

有限元網(wǎng)格劃分的好壞將直接影響計算的精度以及計算量。ANSYS提供了多種網(wǎng)格劃分的形式，包括自由網(wǎng)格劃分、映射網(wǎng)格劃分、延伸網(wǎng)格劃分和自適應網(wǎng)格劃分[7～9]。此次分析利用自由網(wǎng)格劃分法對有限元模型進行了網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分完成后的模型如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分完成后的模型

2.4 激光器熱分析

在激光器熱分析過程中，邊界條件主要有載荷以及約束。設置激光器接觸類型為綁定接觸，將各部件用慣性載荷代替[10,11]。TEC的熱面作為熱源，熱功率約為100W，激光器裝調(diào)溫度為25℃，殼體采用直接傳導散熱，計算以環(huán)境溫度為+50℃，觀察殼體的熱分布以及熱變形情況。熱彈性分析時，約束條件為螺釘固定孔處全約束。

將上述邊界條件施加在有限元模型上，進行激光器穩(wěn)態(tài)熱分析，溫度場分布結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫度場分布結(jié)果

熱流分布如圖5所示，熱變形如圖6所示。

圖5 熱流分布結(jié)果

圖6 激光器熱變形結(jié)果

從分析結(jié)果可以看出，熱流主要分布在TEC處，且熱量流向殼體底板。激光器溫度在49.4℃～56.6℃之間，殼體與TEC接觸處溫度最高，為56.6℃，溫升約6.6℃。激光器由于存在溫度梯度使殼體產(chǎn)生“凸”型熱變形，最大變形量為0.086mm。各光學器件安裝面相對變形量約為0.06mm。

3 激光器散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從激光器熱分析結(jié)果來看，熱流主要分布在TEC與殼體接觸處，且熱量流向殼體底板，說明TEC將大量的熱傳給激光器殼體，導致激光器殼體溫度梯度增大，使殼體產(chǎn)生“凸”型熱變形，從而改變激光器各器件的空間相對位置，影響激光器穩(wěn)定性。TEC處溫度為56.6℃，溫升為6.6攝氏度，過大的溫升會降低制冷器效率，影響溫控效果。因此需要通過優(yōu)化激光器散熱結(jié)構(gòu)，使激光器能及時將熱量導出，減小TEC接觸面溫升，同時又不會將熱量回傳到主殼體，影響主殼體的穩(wěn)定性。

基于上述原因，對激光器的散熱結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計。在優(yōu)化傳熱結(jié)構(gòu)設計中，散熱方式采用“熱隔離”的方式，即在TEC熱面增加一個銅質(zhì)熱沉，將TEC熱面直接貼在高導熱率的銅質(zhì)熱沉上，熱量通過銅質(zhì)熱沉直接導向外界，熱沉與殼體之間采用高絕熱材料進行熱隔離，使熱量不會回傳到主殼體上，影響主殼體熱穩(wěn)定性。優(yōu)化后的激光器散熱結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的激光器散熱結(jié)構(gòu)

3.1 優(yōu)化后激光器的散熱性能

優(yōu)化后的散熱結(jié)構(gòu)增加了導熱率相對較大的銅熱沉，TEC直接固定在熱沉上，可以快速將TEC產(chǎn)生的熱量導出，可以有效降低TEC接觸面的溫度值，提高TEC制冷效率。同時在銅熱沉與殼體之間增加絕熱墊，可以有效將熱與主殼體進行隔離，減小激光器殼體存在過大溫度梯度引起的熱變形。

3.2 優(yōu)化后激光器熱分析

熱沉材料為紫銅，絕熱墊材料為尼龍。這些材料的物理屬性如表2所示。

表2 材料物理參數(shù)

采用與前述2.4節(jié)中激光器熱分析相同的方法，利用ANSYS有限元分析軟件，對優(yōu)化后的激光器進行熱分析，驗證優(yōu)化后激光器的散熱效果。分析后，得到的優(yōu)化后激光器溫度場分布如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后激光器溫度場分布

從分析結(jié)果可以看出，激光器溫度分布較為均勻，溫度在45.4℃～53.3℃之間，與優(yōu)化前相比，激光器殼體溫度大幅度降低，溫度梯度有效減小。熱沉與TEC接觸處溫度最高，溫度值為53.3℃，優(yōu)化前TEC接觸處溫度為56.6℃，優(yōu)化后溫度降低約3.3℃，較低的溫升可以有效提高TEC制冷效率，散熱效果較優(yōu)化前明顯改善，優(yōu)化效果明顯。

3.3 優(yōu)化后的熱變形

采用與前述2.4節(jié)中激光器熱分析相同的方法，對激光器進行熱彈性分析，得到優(yōu)化后激光器熱變形結(jié)果如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后激光器熱變形結(jié)果

從熱變形分析結(jié)果可以看出，由于激光器溫度梯度減小，激光器熱變形較優(yōu)化前有明顯改善。優(yōu)化后熱變形最大值為0.06mm，與優(yōu)化前0.08mm相比，最大熱變形量減小約0.02mm。各光學器件安裝面變形較優(yōu)化前更加均勻，相對變形量約為0.02mm，較優(yōu)化前0.06mm有明顯減小，環(huán)境適應性顯著提高。

4 實驗驗證

為了進一步驗證優(yōu)化效果，檢驗優(yōu)化后激光器在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性，對優(yōu)化后的激光器與優(yōu)化前的激光器進行了對比實驗驗證。實驗用優(yōu)化前的激光器如圖10(a)所示，優(yōu)化完成后的激光器如圖10(b)所示。

圖10 全固態(tài)激光器

實驗分別將兩臺激光器放入高低溫試驗箱中，將試驗箱溫度設定為+50℃，激光器工作時間為2小時，如圖11所示。

圖11 設定溫度+50℃

實驗設定激光器常溫下工作能量輸出為10mj，觀察兩臺激光器能量輸出變化情況，并每隔10分鐘記錄一次激光器能量數(shù)值。分別繪制優(yōu)化前與優(yōu)化后激光器在+50℃工作時的能量變化曲線如圖12(a)、圖12(b)所示。

圖12 +50℃激光器能量輸出曲線

由圖12可知，激光器在工作初期，兩臺激光器能量隨著時間緩慢下降，隨后能量穩(wěn)定輸出。這是由于激光器在工作初期，外界環(huán)境變化會使激光器的熱進行重新的分布，這時激光器各部分溫度尚未達到一個穩(wěn)定狀態(tài)，此時由于溫度梯度的存在會使激光器殼體產(chǎn)生輕微熱變形，使能量產(chǎn)生下降。隨著時間的推移，激光器各部分溫度達到了穩(wěn)定狀態(tài)，熱量重新分布完成，熱變形停止，此時激光器能量開始穩(wěn)定輸出。

從實驗結(jié)果可以看出，優(yōu)化前的激光器在0～80分鐘內(nèi)激光器能量由10mj下降到了3mj，隨后能量穩(wěn)定輸出，能量下降約7mj；優(yōu)化后的激光器在0～30分鐘內(nèi)激光器能量由10mj下降到了9mj，隨后能量穩(wěn)定輸出，能量下降約1mj，實驗結(jié)果表明優(yōu)化后的激光器能量穩(wěn)定性較優(yōu)化前有明顯改善，能量變化更小，熱平衡時間更短，散熱效果較之前有明顯改善，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果吻合度較高,結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果明顯。

5 結(jié)語

本文根據(jù)全固態(tài)激光器的研制要求，對激光器散熱結(jié)構(gòu)進行了設計，利用ANSYS有限元分析軟件對激光器進行了熱分析，根據(jù)溫度分布以及熱變形的特點，提出了一種優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)，并對優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的散熱性以及熱變形進行了仿真。分析結(jié)果表明：在相同條件下，TEC接觸面溫度由優(yōu)化前的56.6℃減小為53.3℃，散熱效果顯著提高。熱變形分析結(jié)果顯示：在相同條件下，激光器熱變形最大綜合變形量由優(yōu)化前的0.08mm減小為優(yōu)化后的0.06mm，光學器件安裝面相對變形量由優(yōu)化前的0.06mm減小為0.02mm，熱變形優(yōu)化效果明顯。通過對優(yōu)化前激光器與優(yōu)化后激光器進行對比實驗，實驗結(jié)果表明：優(yōu)化后的激光器在0～30分鐘內(nèi)激光器能量由10mj下降到了9mj，激光器環(huán)境適應性顯著提高，結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果明顯；實驗結(jié)果與仿真結(jié)果吻合度較高,驗證了激光器散熱結(jié)構(gòu)的合理性以及熱仿真方法的正確性。分析結(jié)果不僅為后期激光器的具體應用提供了參考，也為同類激光器的設計與仿真提供了相應的指導。