重频50Hz风冷YAG固体激光器热设计及仿真分析

刘亚萍，彭绪金，赵 刚，陶 刚，高 恒，白 杨，唐 伟，罗杰平

(西南技术物理研究所，成都 610041)

引 言

目前，在远距离、高重频激光测距机中，二极管抽运的激光器已逐步取代灯抽运激光器。但随着激光器功率不断提升，热耗散功率随之增加，若不能及时消除耗散功率转化的热量，激光器温度剧增，阈值电流增高，其发射的激光波长发生严重温漂[1]，1℃漂移约0.3nm,而吸收巴条激光的Nd∶YAG的吸收宽度只有3nm左右。为了保证激光能量稳定，对巴条进行了特定温度范围内的免温控设计，可在环境温度20℃～60℃之间保证吸收宽度的需求。但是激光测距机在重频50Hz工作时，如果没有对其进行相应的热设计，该产品很难满足环境温度-40℃～65℃的要求。本文中重点对50Hz的激光测距机进行了详细的热设计和仿真分析[2-3]。

1 二极管激光器的散热分析

二极管激光器的阈值电流是指激光器正常工作时的最小电流。激光器的结构和共振腔品质决定了温度对阈值电流的影响，具体如下式[4]所示：

Ith(T)=Irefexp(T-Tref/T0)

(1)

式中，T0是特征温度，Iref是参考温度Tref下的阈值电流。从(1)式可看出，阈值电流会随着温度的升高而增大，为使激光器在较低的阈值电压下工作，必须提高热沉的散热效率，从而降低二极管激光器芯片的工作温度。

二极管激光器作为YAG固体激光器的抽运源，其热量主要是通过热沉散出。二极管激光器芯片产生废热依次通过焊接层、绝缘层、初级热沉、次级热沉最终通过对流产生的方式散出。二极管激光器芯片温度与传热热阻、冷却流体温度、输出功率的关系如下式[5]所示：

Tlaser=Tc+Rth(I0U0-Pout)

(2)

式中，Tlaser表示二极管激光器芯片的最高温度，Tc表示冷却流体的温度，Rth表示芯片与冷却流体件的传热热阻，I0和U0分别表示输入电流和输入电压，Pout表示激光器输出功率。由(2)式可知，要想降低二极管激光器芯片的温度要从两方面着手：(1)降低冷却流体的温度，增大温差以提高散热热流密度；(2)减小二极管激光器芯片与冷却流体间的传热热阻。本文中在假设这两者都是最优的情况下，次级热沉与外界散热部件进行热传导的设计与分析。

2 激光器方案设计和热计算

2.1 激光器方案设计

该二极管激光器的设计要求如下：波长为1.064μm；激光器输出能量大于150mJ；重频为50Hz；脉宽小于10ns；束散为2.5mard～3mard；工作温度为-30℃～+65℃。光束质量：光斑能量分布均匀；工作方式：重频50 次/s 时，一次连续工作时间不小于40s，间隔时间3min为一个工作循环，连续工作3个循环后休息30min。

该二极管抽运Nd∶YAG固体激光器的最高使用环境温度为65℃。YAG固体激光器使用的抽运源——二极管激光器(以下简称抽运源)工作温度为20℃～60℃。因此,在65℃工作时，热管理条件最为严峻，产品的热设计的重点是产品如何满足环境温度65℃工作时保证巴条工作温度不大于60℃。

YAG固体激光器的热设计分为激光晶体的热设计和抽运源热设计[6-8]。激光晶体采用的是圆柱形YAG晶体棒，其热设计为传导冷却，YAG晶体棒侧面的一半为抽运面，另外一半铟焊在与之热胀系数一致的金属热沉上，其材料为钨铜合金座WCu20(GB/T8320-2003)，该金属热沉再与激光器基体紧密接触，实现热传导冷却，其结构如图1所示。

激光器抽运源热设计[9]，采用半导体热电致冷器(thermo electric cooler,TEC)辅助温控的宽温度范围(20℃～60℃)巴条并结合轴流风机强迫风冷，TEC提高致冷效率的前提是最大限度地及时带走TEC热端的热量。抽运源金属热沉与TEC的冷端紧密接触并与激光器外壳进行绝热设计，TEC热端与外部散热部件——带散热翅的均温板紧密贴合，该均温板内部真空封装均热介质，以保证更高效的散热。风机对均温板的散热翅进行强迫风冷。在环境温度低于20℃时，即-40℃～20℃时，启动TEC加热巴条热沉到20℃之上时，TEC停止工作，当环境温度超过60℃时，启动TEC致冷，使得巴条热沉温度不超过60℃。一般情况下，在激光器工作的大部分时间是20℃～60℃，所以TEC不用工作，发热和功耗都维持在一个较低的水平。

Fig.1 Thermal design structure of laser

2.2 激光器热计算

该激光器采用两组抽运模块，每组抽运模块以25Hz交替工作，合成50Hz激光输出。每组抽运模块采用48×2个150W的二极管巴条交错对称抽运，每个巴条最大工作在100A、脉宽200μs下，则总的抽运脉冲峰值电功率和电脉冲能量分别为：2×96V×100A×200μs =3.84J，抽运功率为3.84×25=96W，以二极管40%的光电转换效率，巴条产生的热功率为96×60%=57.6W。

考虑到小型化、轻量化的设计要求，采用半导体制冷散热方式进行散热，其最主要的特点[10]是体积小、可靠性强、操作简单[11]，通过调整TEC内部参量可以提高TEC的控冷效果[12]，并且最佳的传热面积比值能让TEC特性系数达到最大值。在TEC冷热面不大于30℃的前提下，TEC效率为40%，此时TEC的功率为57.6/40%=144W，则TEC热端需要散走的热量为144W+57.6W=200W。

由于本方案中采用2组抽运模块，因此TEC热端散走的热量为200W×2=400W。

由风机强迫冷却散热翅盖板带走如此多的热量压力很大，尤其在65℃高温的小体积密闭舱里，更是艰巨，所以需要进行整机的详细热设计、仿真。

3 机箱热仿真

3.1 FloEFD热仿真

本次热仿真采用FloEFD软件[13]。FloEFD是无缝集成于主流3维CAD软件中的高度工程化的通用流体传热分析软件，它基于当今主流计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件都广泛采用的有限体积法(finite volume method，FVM)开发，其完全支持本次3维设计软件——SolidWorks软件的计算机辅助设计(computer aided design，CAD)模型。FloEFD的分析步骤包括测距机3维模型建立、自动网格划分、边界条件施加、求解和后处理等完全在CAD软件界面下完成，整个过程快速高效。值得注意的是，已经通过大量数值验证该方法是正确的[14-16]。

3.2 模型简化的说明

采用SolidWorks软件进行3维建模，该机箱的模型比较复杂，在保证分析精度的前提下，需要对测距机的结构进行简化[17]。简化过程中，机箱的细节特征，如螺纹孔、工艺孔、圆角、倒角可去掉；装配体中的小零件，如盖板螺钉、加强筋等也可去掉。对于通风滤网，在保证通风面积不变的情况下，可以用包含一定风阻的结构代替。简化后的结构如图2和图3所示。

Fig.2 Built-in model of the simplified case

Fig.3 Total model of the simplified case

3.3 网格

划分网格数量的多少会直接影响计算精度和准确性。虽然网格数目越多计算精度越准确，但与此同时计算规模也会随之增加，计算机的运算负担也就越重，运算所需的时间也就越长。因此,在确定网格数量时需要平衡两方面，既要满足设计精度要求，又要避免计算机运算负担过重。

3.4 机箱输入条件设置

环境温度65℃；单个TEC外形尺寸：120mm×30mm×3.45mm；均温板外形：210mm×100mm×58mm，散热翅宽1.5mm，翅间距为1.5mm，翅高50mm，散热面积约为377580mm2；均温板导热系数为2500W/(m·K)。

机箱模块功耗如图4所示。热耗等效为面热源，两组TEC热功耗共450W(考虑50W裕量)，工作40s，停止3min，共3个循环。功率加载波形如图5所示。

Fig.4 Distribution of thermal consumption

Fig.5 TEC wave form chart

3.5 风扇设置

机箱内两个风扇分布位置如图6所示。风机采用的是轴流式风机，其电压为28V，外形大小约40mm×40mm×28mm，单个风扇风量设置为恒定值50m3/h，共两个风机。

Fig.6 Air fan in the case

3.6 仿真结果

将以上的条件加载到模型上，仿真TEC与散热均温板贴合面的温度。该测距机的工作方式为：重频50次/s时，一次连续工作时间不小于40s，间隔时间3min为一个工作循环，连续工作3个循环后休息30min。可知，激光器热沉在40s，260s，480s时，温度达到峰值，这3个时间的TEC与散热均温板的温度云图如图7所示。由图中可看出，温度最高的位置是两个TEC的位置，然后围绕最高温度位置，温度逐渐降低，温度曲线如图8所示。3个时间的温度分别为82.3℃，83.6℃和83.7℃。

Fig.7 TEC temperature nephogram

Fig.8 Relationship of the maximum temperature in the diode heat sink and the time

综上分析，TEC模块在3个工作循环后，巴条最高温度为83.7℃，小于85℃的设计要求，该热设计可满足激光测距机的要求。

4 结 论

根据设计图纸，加工出各个零件。在散热均温板与TEC贴合的位置涂抹导热硅脂，以保证两者能紧密贴合，更好地导热。二极管激光器在高温65℃工作时，根据技术要求工作40s，停止3min，一共进行3个循环，激光器能正常工作，在重频50Hz下，输出能量为155mJ，脉宽为10ns，激光束散为2.6mard，经过24h的高低温工作和48h的高低温存储后，光斑大小依然均匀，光束质量仍然稳定可靠。测试散热器的温度约为85℃，证明该热设计满足激光器散热需求，满足测距机性能和技术要求。