基于半導(dǎo)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(dǎo)體制冷器對(duì)LD激光器的降溫效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過一種典型的冷卻方案得到了制冷器數(shù)量對(duì)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(guān)系。結(jié)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(guān)系。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制冷器;LD激光器;制冷

中圖分類號(hào)：TB65 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，而大功率LD激光器則在軍事國(guó)防等領(lǐng)域，發(fā)揮著極其重要的作用。高的光輸出帶來相應(yīng)的高的耗散功率，如果不及時(shí)消除掉因耗散功率所轉(zhuǎn)化的熱量，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)晶體的熱透鏡效應(yīng)[1-4]。因此，如何對(duì)激光器進(jìn)行散熱冷卻是研制大功率LD激光器所亟待解決的關(guān)鍵問題。

半導(dǎo)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(diǎn)在于：（1）無機(jī)械運(yùn)動(dòng)，制冷迅速;（2）使用方便、應(yīng)用廣泛;（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，質(zhì)量輕[5]。由于上述優(yōu)點(diǎn)，它解決了許多特殊條件下的制冷難題，有十分廣闊的應(yīng)用前景。本文選擇風(fēng)冷與半導(dǎo)體制冷相結(jié)合的冷卻試驗(yàn)裝置，對(duì)LD激光器的降溫效果進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

本文設(shè)計(jì)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(dǎo)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(jí)向下傳遞，最后經(jīng)過強(qiáng)制風(fēng)冷將傳遞到散熱器上的熱量消散。由于導(dǎo)熱硅脂具有很好的絕緣導(dǎo)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(dǎo)熱硅脂，以避免其間空氣薄層對(duì)導(dǎo)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(shí)，激光器可穩(wěn)定的工作，而當(dāng)高于35℃時(shí)，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(shí)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L(zhǎng)D激光器在軍事領(lǐng)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(yàn)方法為：將整個(gè)試驗(yàn)裝置放入高低溫箱中，設(shè)置箱內(nèi)溫度為60℃，驗(yàn)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(shí)熱端溫度肯定高于環(huán)境溫度，先預(yù)判熱端溫度達(dá)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(dāng)冷端溫度下降到一個(gè)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(yàn)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(chǔ)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(duì)比兩種電壓下的制冷效果。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 制冷器數(shù)量對(duì)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(duì)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(shí)已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。但是只將激光器溫度制冷到29℃時(shí)就已經(jīng)不再繼續(xù)降溫，此時(shí)加上熱負(fù)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(shí)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(fēng)機(jī)風(fēng)量不夠吸收如此多的熱量，那么散熱器端的熱量將會(huì)越聚越多，進(jìn)而返回到熱沉上，導(dǎo)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(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況選擇合適數(shù)量的制冷器。

3.2 電壓對(duì)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(duì)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(dá)到穩(wěn)定溫度，在激光器工作60s后，溫度達(dá)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(huì)有更多的熱量從冷端轉(zhuǎn)移到熱端，導(dǎo)致熱端溫度升高，風(fēng)機(jī)就能從散熱器上帶走更多的熱量，達(dá)到制冷目的。

在本實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度是有限的，隨著制冷器熱端熱量的增加，必將導(dǎo)致制冷器冷熱端溫差的加大，當(dāng)溫差增加到某一值時(shí)，制冷器效率開始下降，因此在實(shí)際應(yīng)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(qiáng)。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(duì)比，確定了該型號(hào)制冷器的最佳工作電壓為16V。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了對(duì)連續(xù)輸出功率50W的LD激光器的制冷器加風(fēng)冷散熱，并對(duì)散熱系統(tǒng)的工作情況進(jìn)行了測(cè)試。制冷器的數(shù)量與制冷效果并不成正比關(guān)系，制冷器多一些能在短時(shí)間內(nèi)將激光器的溫度降低，但是如果風(fēng)機(jī)吸收不了這么多熱量，將導(dǎo)致激光器溫度快速升高，影響激光器性能。同時(shí)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(guān)系，這主要受半導(dǎo)體制冷器熱端散熱效果的影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)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。

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