劉亞萍，彭緒金，趙 剛，陶 剛，高 恒，白 楊，唐 偉，羅杰平

(西南技術(shù)物理研究所，成都 610041)

引 言

目前，在遠(yuǎn)距離、高重頻激光測(cè)距機(jī)中，二極管抽運(yùn)的激光器已逐步取代燈抽運(yùn)激光器。但隨著激光器功率不斷提升，熱耗散功率隨之增加，若不能及時(shí)消除耗散功率轉(zhuǎn)化的熱量，激光器溫度劇增，閾值電流增高，其發(fā)射的激光波長(zhǎng)發(fā)生嚴(yán)重溫漂[1]，1℃漂移約0.3nm,而吸收巴條激光的Nd∶YAG的吸收寬度只有3nm左右。為了保證激光能量穩(wěn)定，對(duì)巴條進(jìn)行了特定溫度范圍內(nèi)的免溫控設(shè)計(jì)，可在環(huán)境溫度20℃～60℃之間保證吸收寬度的需求。但是激光測(cè)距機(jī)在重頻50Hz工作時(shí)，如果沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的熱設(shè)計(jì)，該產(chǎn)品很難滿足環(huán)境溫度-40℃～65℃的要求。本文中重點(diǎn)對(duì)50Hz的激光測(cè)距機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的熱設(shè)計(jì)和仿真分析[2-3]。

1 二極管激光器的散熱分析

二極管激光器的閾值電流是指激光器正常工作時(shí)的最小電流。激光器的結(jié)構(gòu)和共振腔品質(zhì)決定了溫度對(duì)閾值電流的影響，具體如下式[4]所示：

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

(1)

式中，T0是特征溫度，Iref是參考溫度Tref下的閾值電流。從(1)式可看出，閾值電流會(huì)隨著溫度的升高而增大，為使激光器在較低的閾值電壓下工作，必須提高熱沉的散熱效率，從而降低二極管激光器芯片的工作溫度。

二極管激光器作為YAG固體激光器的抽運(yùn)源，其熱量主要是通過(guò)熱沉散出。二極管激光器芯片產(chǎn)生廢熱依次通過(guò)焊接層、絕緣層、初級(jí)熱沉、次級(jí)熱沉最終通過(guò)對(duì)流產(chǎn)生的方式散出。二極管激光器芯片溫度與傳熱熱阻、冷卻流體溫度、輸出功率的關(guān)系如下式[5]所示：

Tlaser=Tc+Rth(I0U0-Pout)

(2)

式中，Tlaser表示二極管激光器芯片的最高溫度，Tc表示冷卻流體的溫度，Rth表示芯片與冷卻流體件的傳熱熱阻，I0和U0分別表示輸入電流和輸入電壓，Pout表示激光器輸出功率。由(2)式可知，要想降低二極管激光器芯片的溫度要從兩方面著手：(1)降低冷卻流體的溫度，增大溫差以提高散熱熱流密度；(2)減小二極管激光器芯片與冷卻流體間的傳熱熱阻。本文中在假設(shè)這兩者都是最優(yōu)的情況下，次級(jí)熱沉與外界散熱部件進(jìn)行熱傳導(dǎo)的設(shè)計(jì)與分析。

2 激光器方案設(shè)計(jì)和熱計(jì)算

2.1 激光器方案設(shè)計(jì)

該二極管激光器的設(shè)計(jì)要求如下：波長(zhǎng)為1.064μm；激光器輸出能量大于150mJ；重頻為50Hz；脈寬小于10ns；束散為2.5mard～3mard；工作溫度為-30℃～+65℃。光束質(zhì)量：光斑能量分布均勻；工作方式：重頻50 次/s 時(shí)，一次連續(xù)工作時(shí)間不小于40s，間隔時(shí)間3min為一個(gè)工作循環(huán)，連續(xù)工作3個(gè)循環(huán)后休息30min。

該二極管抽運(yùn)Nd∶YAG固體激光器的最高使用環(huán)境溫度為65℃。YAG固體激光器使用的抽運(yùn)源——二極管激光器(以下簡(jiǎn)稱抽運(yùn)源)工作溫度為20℃～60℃。因此,在65℃工作時(shí)，熱管理?xiàng)l件最為嚴(yán)峻，產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是產(chǎn)品如何滿足環(huán)境溫度65℃工作時(shí)保證巴條工作溫度不大于60℃。

YAG固體激光器的熱設(shè)計(jì)分為激光晶體的熱設(shè)計(jì)和抽運(yùn)源熱設(shè)計(jì)[6-8]。激光晶體采用的是圓柱形YAG晶體棒，其熱設(shè)計(jì)為傳導(dǎo)冷卻，YAG晶體棒側(cè)面的一半為抽運(yùn)面，另外一半銦焊在與之熱脹系數(shù)一致的金屬熱沉上，其材料為鎢銅合金座WCu20(GB/T8320-2003)，該金屬熱沉再與激光器基體緊密接觸，實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)冷卻，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

激光器抽運(yùn)源熱設(shè)計(jì)[9]，采用半導(dǎo)體熱電致冷器(thermo electric cooler,TEC)輔助溫控的寬溫度范圍(20℃～60℃)巴條并結(jié)合軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷，TEC提高致冷效率的前提是最大限度地及時(shí)帶走TEC熱端的熱量。抽運(yùn)源金屬熱沉與TEC的冷端緊密接觸并與激光器外殼進(jìn)行絕熱設(shè)計(jì)，TEC熱端與外部散熱部件——帶散熱翅的均溫板緊密貼合，該均溫板內(nèi)部真空封裝均熱介質(zhì)，以保證更高效的散熱。風(fēng)機(jī)對(duì)均溫板的散熱翅進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷。在環(huán)境溫度低于20℃時(shí)，即-40℃～20℃時(shí)，啟動(dòng)TEC加熱巴條熱沉到20℃之上時(shí)，TEC停止工作，當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)60℃時(shí)，啟動(dòng)TEC致冷，使得巴條熱沉溫度不超過(guò)60℃。一般情況下，在激光器工作的大部分時(shí)間是20℃～60℃，所以TEC不用工作，發(fā)熱和功耗都維持在一個(gè)較低的水平。

Fig.1 Thermal design structure of laser

2.2 激光器熱計(jì)算

該激光器采用兩組抽運(yùn)模塊，每組抽運(yùn)模塊以25Hz交替工作，合成50Hz激光輸出。每組抽運(yùn)模塊采用48×2個(gè)150W的二極管巴條交錯(cuò)對(duì)稱抽運(yùn)，每個(gè)巴條最大工作在100A、脈寬200μs下，則總的抽運(yùn)脈沖峰值電功率和電脈沖能量分別為：2×96V×100A×200μs =3.84J，抽運(yùn)功率為3.84×25=96W，以二極管40%的光電轉(zhuǎn)換效率，巴條產(chǎn)生的熱功率為96×60%=57.6W。

考慮到小型化、輕量化的設(shè)計(jì)要求，采用半導(dǎo)體制冷散熱方式進(jìn)行散熱，其最主要的特點(diǎn)[10]是體積小、可靠性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單[11]，通過(guò)調(diào)整TEC內(nèi)部參量可以提高TEC的控冷效果[12]，并且最佳的傳熱面積比值能讓TEC特性系數(shù)達(dá)到最大值。在TEC冷熱面不大于30℃的前提下，TEC效率為40%，此時(shí)TEC的功率為57.6/40%=144W，則TEC熱端需要散走的熱量為144W+57.6W=200W。

由于本方案中采用2組抽運(yùn)模塊，因此TEC熱端散走的熱量為200W×2=400W。

由風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫冷卻散熱翅蓋板帶走如此多的熱量壓力很大，尤其在65℃高溫的小體積密閉艙里，更是艱巨，所以需要進(jìn)行整機(jī)的詳細(xì)熱設(shè)計(jì)、仿真。

3 機(jī)箱熱仿真

3.1 FloEFD熱仿真

本次熱仿真采用FloEFD軟件[13]。FloEFD是無(wú)縫集成于主流3維CAD軟件中的高度工程化的通用流體傳熱分析軟件，它基于當(dāng)今主流計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)軟件都廣泛采用的有限體積法(finite volume method，F(xiàn)VM)開(kāi)發(fā)，其完全支持本次3維設(shè)計(jì)軟件——SolidWorks軟件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design，CAD)模型。FloEFD的分析步驟包括測(cè)距機(jī)3維模型建立、自動(dòng)網(wǎng)格劃分、邊界條件施加、求解和后處理等完全在CAD軟件界面下完成，整個(gè)過(guò)程快速高效。值得注意的是，已經(jīng)通過(guò)大量數(shù)值驗(yàn)證該方法是正確的[14-16]。

3.2 模型簡(jiǎn)化的說(shuō)明

采用SolidWorks軟件進(jìn)行3維建模，該機(jī)箱的模型比較復(fù)雜，在保證分析精度的前提下，需要對(duì)測(cè)距機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化[17]。簡(jiǎn)化過(guò)程中，機(jī)箱的細(xì)節(jié)特征，如螺紋孔、工藝孔、圓角、倒角可去掉；裝配體中的小零件，如蓋板螺釘、加強(qiáng)筋等也可去掉。對(duì)于通風(fēng)濾網(wǎng)，在保證通風(fēng)面積不變的情況下，可以用包含一定風(fēng)阻的結(jié)構(gòu)代替。簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

Fig.2 Built-in model of the simplified case

Fig.3 Total model of the simplified case

3.3 網(wǎng)格

劃分網(wǎng)格數(shù)量的多少會(huì)直接影響計(jì)算精度和準(zhǔn)確性。雖然網(wǎng)格數(shù)目越多計(jì)算精度越準(zhǔn)確，但與此同時(shí)計(jì)算規(guī)模也會(huì)隨之增加，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)也就越重，運(yùn)算所需的時(shí)間也就越長(zhǎng)。因此,在確定網(wǎng)格數(shù)量時(shí)需要平衡兩方面，既要滿足設(shè)計(jì)精度要求，又要避免計(jì)算機(jī)運(yùn)算負(fù)擔(dān)過(guò)重。

3.4 機(jī)箱輸入條件設(shè)置

環(huán)境溫度65℃；單個(gè)TEC外形尺寸：120mm×30mm×3.45mm；均溫板外形：210mm×100mm×58mm，散熱翅寬1.5mm，翅間距為1.5mm，翅高50mm，散熱面積約為377580mm2；均溫板導(dǎo)熱系數(shù)為2500W/(m·K)。

機(jī)箱模塊功耗如圖4所示。熱耗等效為面熱源，兩組TEC熱功耗共450W(考慮50W裕量)，工作40s，停止3min，共3個(gè)循環(huán)。功率加載波形如圖5所示。

Fig.4 Distribution of thermal consumption

Fig.5 TEC wave form chart

3.5 風(fēng)扇設(shè)置

機(jī)箱內(nèi)兩個(gè)風(fēng)扇分布位置如圖6所示。風(fēng)機(jī)采用的是軸流式風(fēng)機(jī)，其電壓為28V，外形大小約40mm×40mm×28mm，單個(gè)風(fēng)扇風(fēng)量設(shè)置為恒定值50m3/h，共兩個(gè)風(fēng)機(jī)。

Fig.6 Air fan in the case

3.6 仿真結(jié)果

將以上的條件加載到模型上，仿真TEC與散熱均溫板貼合面的溫度。該測(cè)距機(jī)的工作方式為：重頻50次/s時(shí)，一次連續(xù)工作時(shí)間不小于40s，間隔時(shí)間3min為一個(gè)工作循環(huán)，連續(xù)工作3個(gè)循環(huán)后休息30min?？芍す馄鳠岢猎?0s，260s，480s時(shí)，溫度達(dá)到峰值，這3個(gè)時(shí)間的TEC與散熱均溫板的溫度云圖如圖7所示。由圖中可看出，溫度最高的位置是兩個(gè)TEC的位置，然后圍繞最高溫度位置，溫度逐漸降低，溫度曲線如圖8所示。3個(gè)時(shí)間的溫度分別為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

綜上分析，TEC模塊在3個(gè)工作循環(huán)后，巴條最高溫度為83.7℃，小于85℃的設(shè)計(jì)要求，該熱設(shè)計(jì)可滿足激光測(cè)距機(jī)的要求。

4 結(jié) 論

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，加工出各個(gè)零件。在散熱均溫板與TEC貼合的位置涂抹導(dǎo)熱硅脂，以保證兩者能緊密貼合，更好地導(dǎo)熱。二極管激光器在高溫65℃工作時(shí)，根據(jù)技術(shù)要求工作40s，停止3min，一共進(jìn)行3個(gè)循環(huán)，激光器能正常工作，在重頻50Hz下，輸出能量為155mJ，脈寬為10ns，激光束散為2.6mard，經(jīng)過(guò)24h的高低溫工作和48h的高低溫存儲(chǔ)后，光斑大小依然均勻，光束質(zhì)量仍然穩(wěn)定可靠。測(cè)試散熱器的溫度約為85℃，證明該熱設(shè)計(jì)滿足激光器散熱需求，滿足測(cè)距機(jī)性能和技術(shù)要求。