彭興文，馮志剛，李立波

(1. 國(guó)防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410073；2. 武漢銳科光纖激光器技術(shù)有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430223)

光纖激光器泵浦源有限元熱分析*

彭興文1，馮志剛1，李立波2

(1. 國(guó)防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410073；2. 武漢銳科光纖激光器技術(shù)有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430223)

泵浦源是光纖激光器的重要部件。半導(dǎo)體激光器(LD)是光纖激光器最常用的泵浦源，溫度對(duì)其工作的影響非常大。文中采用有限元法(FEM)分析了連續(xù)工作和間斷工作兩種模式下，作為泵浦源的半導(dǎo)體激光器的熱特性。試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與軟件仿真結(jié)果具有高度的一致性，整體趨勢(shì)吻合，最大誤差不超過(guò)5%，驗(yàn)證了仿真模型的正確性和可行性。在此基礎(chǔ)上分析了4種工況下泵浦源的溫度場(chǎng)和芯片溫度變化特性，并進(jìn)行了散熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)的初步研究，發(fā)現(xiàn)改變AIN基板和銅熱沉的厚度可在一定程度上降低芯片的結(jié)溫。

激光器；泵浦源；有限元法；熱分析

引 言

光纖激光器因其具有優(yōu)異的光束質(zhì)量、非常高的功率和功率密度、易于冷卻、高穩(wěn)定性和可靠性等多方面的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在通信、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。泵浦源是光纖激光器的一個(gè)重要組成部分，泵浦源的輸出性能、泵浦效率、壽命、尺寸和價(jià)格等都直接影響光纖激光器的性能。半導(dǎo)體激光器(LD)作為光纖激光器常用的泵浦源，其工作閾值電流、輸出波長(zhǎng)以及輸出功率的穩(wěn)定性對(duì)溫度都非常敏感[2]。目前，半導(dǎo)體激光器的光電轉(zhuǎn)換效率為40%～50%，則有最高達(dá)60%的廢熱產(chǎn)生[3]。因此對(duì)泵浦源進(jìn)行熱分析，掌握其溫度場(chǎng)和溫度變化規(guī)律，可改善其散熱效率，提高光束質(zhì)量，延長(zhǎng)使用壽命，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 模型建立與仿真分析

泵浦源的熱分析主要包括數(shù)值仿真和物理試驗(yàn)兩個(gè)方面。采用有限元法來(lái)模擬計(jì)算泵浦源的溫度場(chǎng)，可以獲得任意時(shí)刻及任一點(diǎn)的溫度及相關(guān)熱特性，但仿真的結(jié)果需要物理試驗(yàn)驗(yàn)證及校正。通過(guò)物理試驗(yàn)得到在一些特定環(huán)境條件下泵浦源上某些測(cè)點(diǎn)的溫度值隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，但不能反映泵浦源整體的溫度分布，而且耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。研究思路是對(duì)泵浦源的溫度場(chǎng)進(jìn)行建模，以試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，結(jié)合仿真計(jì)算以驗(yàn)證和校正模型，用于進(jìn)行泵浦源進(jìn)一步的溫度場(chǎng)分析。

本文研究的泵浦源為某型半導(dǎo)體激光器，實(shí)物如圖1(a)所示。半導(dǎo)體激光器主要由LD芯片、AIN基板、光學(xué)透鏡、準(zhǔn)直器、可伐合金蓋板和銅熱沉等部件組成，其內(nèi)部散熱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1(b)所示。

圖1 半導(dǎo)體激光器

鑒于泵浦源的實(shí)際結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，建模時(shí)對(duì)AIN基板和光學(xué)部分進(jìn)行了簡(jiǎn)化，省略螺紋孔、倒角、圓角等細(xì)微結(jié)構(gòu)。焊料層及連接層均采用高熱導(dǎo)率材料且厚度極小，對(duì)激光器廢熱貢獻(xiàn)相對(duì)很小，為簡(jiǎn)化模型和計(jì)算，建模時(shí)也予以忽略。這樣處理可提高計(jì)算效率，有利于有限元分析中的網(wǎng)格劃分，保證網(wǎng)格劃分質(zhì)量，劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2所示，其中節(jié)點(diǎn)數(shù)為260 910，單元數(shù)為164 650。

圖2 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分圖

泵浦源主要部件的構(gòu)成材料及熱物理參數(shù)如表1所示。

表1 泵浦源部件的材料及熱物理參數(shù)

泵浦源工作時(shí)的主要發(fā)熱源是9個(gè)半導(dǎo)體芯片，單個(gè)芯片的電功率為18 W，光電轉(zhuǎn)換效率約為50%，發(fā)熱功率為9 W，總功率81 W。芯片體積為0.18 mm3，則單個(gè)芯片熱功率密度為5×1010W/m3。

與空氣接觸的泵浦源的表面積相對(duì)微小，輻射散熱忽略不計(jì)。泵浦源工作溫度范圍0 ℃～40 ℃，對(duì)應(yīng)自然對(duì)流換熱系數(shù)范圍取2～10 W/(m2·K)。

泵浦源在實(shí)際工作中，銅熱沉通過(guò)導(dǎo)熱硅脂固定在水冷板上，導(dǎo)熱良好，有水冷措施時(shí)設(shè)定熱沉的底部溫度為恒溫25 ℃，無(wú)冷卻措施時(shí)不設(shè)置。

2 結(jié)果對(duì)比及分析

依據(jù)光纖激光器需要采用的連續(xù)出光和間斷出光兩種工作模式，分別設(shè)定不同的功率加載方式，如圖3所示。在連續(xù)工作模式下，設(shè)定仿真時(shí)間300 s，間斷工作模式下，先出光30 s，然后冷卻60 s，再出光30 s，停止工作。通過(guò)有限元軟件對(duì)兩種工作模式下的泵浦源進(jìn)行熱分析，同時(shí)采用多路熱電偶測(cè)溫儀對(duì)泵浦源外表面多個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。測(cè)點(diǎn)的選取如圖4所示，其中T1為蓋板中心處，T2、T3為蓋板兩角，T4、T6為銅熱沉表面，T5為側(cè)壁表面。

圖3 泵浦源的兩種工作模式

圖4 測(cè)溫點(diǎn)示意圖

仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖5和圖6所示，結(jié)果表明，仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整體趨勢(shì)完全吻合，最大誤差不超過(guò)5%。產(chǎn)生誤差的原因有幾個(gè)方面：1)模型簡(jiǎn)化，省略了焊料等部分熱流路徑；2)熱電偶測(cè)點(diǎn)與有限元模型節(jié)點(diǎn)的差異；3)儀器測(cè)溫的誤差；4)材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化；5)空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)與幾何尺寸等諸多因素相關(guān)，難以確定。

圖5 連續(xù)工作模式下仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖6 間斷工作模式下仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖5可知，連續(xù)工作模式下，90 s左右即達(dá)到穩(wěn)態(tài)，溫度小幅波動(dòng)，幾乎不再上升。由圖6可知，間斷工作模式下，出光30 s后，各測(cè)點(diǎn)溫度在30 s左右均達(dá)到峰值，隨后冷卻至90 s后再次工作時(shí)，溫度均基本恢復(fù)到初始值，再工作30 s，峰值及變化過(guò)程一致，沒(méi)有出現(xiàn)熱積累的情況，激光器能夠安全可靠工作。

3 拓展計(jì)算及優(yōu)化改進(jìn)

為進(jìn)一步研究泵浦源的溫度特性，基于第2節(jié)得到的計(jì)算參數(shù)，進(jìn)行了如下的拓展計(jì)算，并進(jìn)行了初步的改進(jìn)研究和仿真計(jì)算。

3.1 不同工況下溫度變化特性

為試驗(yàn)泵浦源在4種工況下能否正常工作，尤其是芯片和AIN基板的溫度變化情況，進(jìn)行了4種工況下的熱仿真，結(jié)果如圖7所示。4種工況的工作條件如表2所示。

圖7 4種工況下，芯片和AIN基板的溫度變化

序號(hào)冷卻條件初溫/℃單次出光時(shí)間/s單次冷卻時(shí)間/s1無(wú)冷卻2530602無(wú)冷卻2560603水冷2530604水冷25連續(xù)連續(xù)

由圖7可知，4種工況中，無(wú)冷卻的工況1和工況2下泵浦源的芯片和AIN基板溫度在每個(gè)工作周期結(jié)束后都不斷升高，單次出光時(shí)間較長(zhǎng)的工況2與工況1相比，相同時(shí)間的溫度較高，而后期兩種工況的升溫速率則逐漸減慢。對(duì)于有冷卻的工況3，每個(gè)工作周期結(jié)束后，芯片和AIN基板的溫度均能恢復(fù)到接近初始溫度，且每個(gè)周期的峰值溫度沒(méi)有明顯升高。對(duì)于有冷卻連續(xù)工作的工況4，約50 s時(shí)刻即完全達(dá)到穩(wěn)態(tài)，溫度不再變化。

圖8所示為無(wú)水冷的工況1和有水冷的工況3在工作相同時(shí)間30 s后的溫度分布云圖。由圖可知，兩種工況的溫度場(chǎng)相似，溫度最高的區(qū)域均為芯片所在區(qū)域。而在相同位置，有水冷措施的溫度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于無(wú)水冷措施的溫度。

圖8 30 s時(shí)刻溫度場(chǎng)云圖

3.2 不同環(huán)境溫度下溫度變化特性

泵浦源工作的環(huán)境溫度要求為0 ℃～40 ℃，仿真計(jì)算了泵浦源在這一溫度范圍內(nèi)4種工況下芯片的溫度變化，結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同環(huán)境溫度下芯片的溫度變化

由圖9可知，對(duì)于無(wú)冷卻措施的工況1和工況2，芯片溫度受環(huán)境溫度影響極大，環(huán)境溫度越高，芯片溫度越高，工作時(shí)間越長(zhǎng)，溫度越高。而對(duì)于有冷卻措施的工況3和工況4，芯片溫度則幾乎完全不受環(huán)境溫度的影響，不同環(huán)境溫度下的溫度幾乎完全一致。

3.3 無(wú)冷卻措施情況下，單次出光冷卻時(shí)間

無(wú)冷卻措施情況下，泵浦源出光30 s和60 s，待其自然冷卻恢復(fù)初始溫度所需時(shí)間也是產(chǎn)品應(yīng)用需要關(guān)注的。初始溫度設(shè)置為25 ℃，在0 ℃～25 ℃范圍內(nèi)，仿真計(jì)算了工況1(單次出光30 s)和工況2(單次出光60 s)下，泵浦源的芯片恢復(fù)初始溫度的理論時(shí)間，如圖10所示。

圖10 無(wú)冷卻措施的兩種工況下，單次出光后恢復(fù)初始溫度的理論時(shí)間

由圖10可知，即便在0 ℃的低溫環(huán)境下，只出光30 s和60 s，單靠空氣自然對(duì)流冷卻，兩種工況下泵浦源的芯片也需要大約1 000 s的時(shí)間才能恢復(fù)到初始溫度25 ℃，隨著環(huán)境溫度升高，恢復(fù)時(shí)間也不斷增加。這表明，無(wú)冷卻措施情況下，泵浦源依靠自然冷卻無(wú)法工作。

3.4 優(yōu)化改進(jìn)初步研究

通過(guò)調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn)可知，AIN基板、銅熱沉的結(jié)構(gòu)參數(shù)與芯片的最高溫度之間有一定的內(nèi)在關(guān)系[4]。根據(jù)熱阻的定義，在導(dǎo)熱系數(shù)和橫截面積不變的情況下，厚度越小，熱阻越小，傳熱越容易，芯片最高溫度應(yīng)該也會(huì)有一定程度的下降。在不改變泵浦源現(xiàn)有光學(xué)設(shè)計(jì)和總體結(jié)構(gòu)的情況下，分別改變AIN基板和銅熱沉的厚度(圖11)。有冷卻措施情況下，初始溫度25 ℃，環(huán)境溫度20 ℃，連續(xù)出光，進(jìn)行仿真計(jì)算得到如圖12所示結(jié)果。

圖11 AIN基板和銅熱沉厚度示意圖

圖12 改變AIN基板、銅熱沉厚度對(duì)芯片溫度的影響

由圖12(a)可知，AIN基板越厚，芯片的穩(wěn)態(tài)溫度越高，將AIN基板厚度減小到0.3mm，溫度降低了0.7 ℃。由圖12(b)可知，銅熱沉越薄，芯片的穩(wěn)態(tài)溫度反而越高，但溫度變化很小，銅熱沉厚度減小到2 mm后，穩(wěn)態(tài)溫度升高了0.8 ℃。將銅熱沉厚度增加到8 mm，溫度降低了0.2 ℃。這與前面的熱阻理論有一定的沖突，推測(cè)原因是銅熱沉厚度變小，雖然能減小熱阻，但熱沉體積減小，熱容量也相應(yīng)減小，吸收芯片產(chǎn)生的熱量也相應(yīng)減小，反而使得芯片溫度升高。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)采用有限元法對(duì)某型大功率光纖激光器的泵浦源進(jìn)行了瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)仿真分析，并進(jìn)行了溫度試驗(yàn)。仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有高度的一致性，整體趨勢(shì)完全一致，最大誤差不超過(guò)5%，驗(yàn)證了有限元模型和施加載荷的正確性。

2)進(jìn)行了4種工況和不同環(huán)境溫度下泵浦源溫度場(chǎng)仿真分析，得到了泵浦源溫度場(chǎng)和芯片溫度變化規(guī)律及無(wú)水冷措施情況下單次出光后恢復(fù)初始溫度的理論時(shí)間。

3)進(jìn)行了泵浦源散熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)的初步研究，通過(guò)減小AIN基板厚度和增大銅熱沉厚度，降低了芯片最高溫度。

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彭興文(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娮釉岱治觥?/p>

馮志剛(1969-)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)轱w行器熱氣動(dòng)彈性耦合。

Thermal Analysis for the Pump Source of Fiber Laser Based on FEM

PENG Xing-wen1，F(xiàn)ENG Zhi-gang1，LI Li-bo2

(1.CollegeofAerospaceScienceandTechnology,NUDT,Changsha410073,China；2.WuhanRaycusFiberLaserTechnologyCo.,Ltd.,Wuhan430223,China)

Pump source is an important component of fiber laser. Laser diode (LD) is the most common pump source for fiber laser, and temperature has significant influence on LD′s work. The thermal characteristics of LD as pump source under two kinds of working modes (continuous mode and discontinuous mode) is investigated by finite element method (FEM). A good agreement between simulation results and experimental data is obtained. The variation trends are similar and the maximum error is less than 5%, which prove the correction and feasibility of the simulation model. On this basis, the temperature field of pump source and the temperature variation characteristics of chips under 4 working conditions are simulated. A preliminary study on the improvement of heat dissipation structure shows that the changes in thickness of AIN submount and copper heat sink can reduce the junction temperature of chips at some degree.

laser; pump source; FEM; thermal analysis

2015-08-11

TN245;TK124

A

1008-5300(2015)05-0027-04