基于半导体制冷器的LD激光器散热研究

韩娟 高光波 唐玮 郑四木

摘  要：就半导体制冷器对LD激光器的降温效果进行了试验研究。通过一种典型的冷却方案得到了制冷器数量对制冷效果的影响，以及通入制冷器两端电压与制冷效果的关系。结果显示，制冷器数量和制冷两端电压均与制冷效果并不成正比关系。

关键词：半导体制冷器;LD激光器;制冷

中图分类号：TB65 文献标志码：A         文章编号：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激光器已在空间通讯、光纤通信、大气研究等高科技领域有着广泛的应用前景，而大功率LD激光器则在军事国防等领域，发挥着极其重要的作用。高的光输出带来相应的高的耗散功率，如果不及时消除掉因耗散功率所转化的热量，就会导致整个晶体的热透镜效应[1-4]。因此，如何对激光器进行散热冷却是研制大功率LD激光器所亟待解决的关键问题。

半导体制冷是通过直流电制冷的一种新型制冷方式，它的优点在于：（1）无机械运动，制冷迅速;（2）使用方便、应用广泛;（3）结构简单，尺寸小，质量轻[5]。由于上述优点，它解决了许多特殊条件下的制冷难题，有十分广阔的应用前景。本文选择风冷与半导体制冷相结合的冷却试验装置，对LD激光器的降温效果进行试验研究。

2 试验装置与试验方法

本文设计的LD激光器的制冷装置如下图1所示。主要包括LD激光器、无氧铜热沉、半导体制冷器以及铜制散热器。

将制冷器的冷端贴着热沉，热端贴着散热器。热量逐级向下传递，最后经过强制风冷将传递到散热器上的热量消散。由于导热硅脂具有很好的绝缘导热特性，在激光器、热沉、制冷器和散热器的接触面都涂上一层均匀的导热硅脂，以避免其间空气薄层对导热性的影响。本文选择的激光器正常工作温度小于35℃，工作温度低于35℃时，激光器可稳定的工作，而当高于35℃时，激光器的性能将很快变坏或者失效。

本文选择的激光器，P0=50W，I0=7.7A，Vo=13.5V，此时散热量Q为53.95W。选用9500-199-100型制冷器，最高输入电压28V，最大电流10A，它的特性曲线如图2所示。

在高温环境下稳定工作已经成为LD激光器在军事领域中亟待解决的问题，我们采用高低温箱来模拟高温环境。具体试验方法为：将整个试验装置放入高低温箱中，设置箱内温度为60℃，验证本文的制冷装置在60℃的环境温度下，能否保证激光器35℃的工作温度。由于制冷器工作时热端温度肯定高于环境温度，先预判热端温度达到85℃，那么制冷器冷热端温度差为50℃。本文选用的LD激光器散热量Q为53.95W，那么4片制冷器已足够满足制冷要求。（1）首先选择4片制冷器通入14V电压，当冷端温度下降到一个平稳状态后打开激光器，观察激光器是否能保持一分钟的稳定工作状态;（2）为了验证制冷效果是否

与制冷器的数量成正比，在 4片制冷器基础上多加两片制冷器，记录激光器的温度数据;（3）将通入制冷器的14V电压增加到16V，记录激光器温度数据，对比两种电压下的制冷效果。

3 试验结果分析

3.1 制冷器数量对制冷效果的影响

图3为4片制冷器和6片制冷器在14V电压下，LD激光器的温度对比。

从图中可以看出，6片制冷器在一开始制冷效果显著，到120s时已经达到了稳定状态。但是只将激光器温度制冷到29℃时就已经不再继续降温，此时加上热负载，在激光器工作60s后，激光器温度已经上升到了36℃，完全不能满足激光器所需的正常工作温度。4片制冷器虽然在开始阶段没有6片制冷器的制冷幅度大，但是在180s时能降温到27℃。开启激光器，工作60s后，激光器温度逐渐上升到32.4℃，保证了激光器的正常工作温度。这是由于6片制冷器能快速的把热沉的温度降低，热端产生较4片制冷器更多的热量传递到散热器上，如果散热器端的风机风量不够吸收如此多的热量，那么散热器端的热量将会越聚越多，进而返回到热沉上，导致激光器温度的不断升高，最终不能满足正常工作性能。可见制冷效果并不是与制冷器的数量成正比，反而数量越多可能制冷效果更不好，因此应该根据实际情况选择合适数量的制冷器。

3.2 电压对制冷效果的影响

图4为4片制冷器分别在14V和16V电压下，激光器的温度对比。

从图中可以看出，同样是4片制冷器，通入16V电压的制冷器比通入14V电压的制冷器更早达到稳定温度，在激光器工作60s后，温度达到33℃，满足了激光器的正常工作温度。由于制冷器电压越大，就会有更多的热量从冷端转移到热端，导致热端温度升高，风机就能从散热器上带走更多的热量，达到制冷目的。

在本实验中，制冷器输入电压增加2V，制冷器热端的热量将增加20%左右。而热端的散热强度是有限的，随着制冷器热端热量的增加，必将导致制冷器冷热端温差的加大，当温差增加到某一值时，制冷器效率开始下降，因此在实际应用中，制冷器存在最佳工作电压，在最佳工作电压下制冷器的制冷能力最强。我们通过继续增加制冷器两端电压来寻找制冷器的最佳工作电压，经过对比，确定了该型号制冷器的最佳工作电压为16V。

4 结束语

本文设计并实现了对连续输出功率50W的LD激光器的制冷器加风冷散热，并对散热系统的工作情况进行了测试。制冷器的数量与制冷效果并不成正比关系，制冷器多一些能在短时间内将激光器的温度降低，但是如果风机吸收不了这么多热量，将导致激光器温度快速升高，影响激光器性能。同时发现激光器的降温效果也与制冷器的电压并不成正比关系，这主要受半导体制冷器热端散热效果的影响。因此，在实际应用中，应根据使用环境和被冷却器件的降温要求，合理选择制冷器。

参考文献：

[1]李强，王志敏，王志勇.647W灯泵浦大功率连续Nd：YAG激光器[J].强激光与粒子束，2004，16（9）：1097-1100.

[2]李修乾，洪延姬.高能固体激光器现状及发展趋势[J].装备指挥技术学院学报，2004，15（1）：101-105.

[3]李适民，等.激光器件原理與设计[M].北京：国防工业出版，1998，148.

[4]程东明，杜艳丽，马凤英.半导体激光器散热技术研究及进展[J].电子与封装，2007，7（3）：28-32.

[5]赵培聪，袁广超，陈恩.半导体制冷片对电子元件降温效果的试验研究[J].流体机械，2012，40（3）：64-66.