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热电制冷的半导体泵浦532nm激光器控温性能优化研究

作　者: 沈渊
导　师: 邓琦林；胡企铨
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械工程
关键词: 激光器半导体泵浦532nm激光器热电制冷有限元分析
分类号: TN248
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

半导体泵浦532nm激光器已经越来越广泛地应用于材料加工、医疗和军事等领域,其工作的稳定性和可靠性在系统应用中起着关键作用。但是半导体泵浦532nm激光器的性能受温度的影响很大,因此其热问题一直是人们关注的焦点之一。特别是近年来,半导体泵浦532nm激光器的发展趋势向小型化,高功率的方向发展,其对传热特性与温度控制技术提出了新的要求。本文首先简单回顾了半导体泵浦532nm激光器的发展和应用,介绍了半导体泵浦532nm激光器的温度特性,阐述了温控对于半导体泵浦532nm激光器的重要性和目前半导体激光器的主要温控手段。介绍了目前半导体泵浦532nm激光器的市场状况,回顾了有限元方法在半导体激光器传热特性研究中的应用情况。其次,叙述了热电制冷的原理以及热电制冷在设计中具体应用,建立了热电制冷的半导体泵浦532nm激光器控温部分的数学模型,然后在半导体泵浦532nm激光器控温部分的设计中,通过引入有限元分析(FEM)的方法,使用ANSYS有限元分析软件,通过稳态热模拟和瞬态热模拟对控温部分结构进行热分析,并且在数学模型的指导下对结构进行了优化和热分析。研究结果表明:在同样的制冷量输入下,优化后控温部分的稳态控温能力提高了8%左右,瞬态的作用时间提高了33%,较初始结构有明显改善。最后,根据优化后的结构制作了实验装置,并且对实验装置的控温能力进行了测试。通过对比实验测试数据和ANSYS热模拟的数据,确认相互之间的误差约在10%左右;结果表明,有限元分析的应用在改善热电制冷的半导体泵浦532nm激光器控温部分性能有明显的效果,有助于缩短产品的开发周期、提高产品性能、降低研发成本、提高客户满意度。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-21
  1.1 半导体泵浦532nm 激光器的发展和应用  12-13
  1.2 半导体泵浦532nm 激光器的温度特性  13-16
  1.3 半导体泵浦激光器温控技术的发展和热电制冷器的特性分析  16-17
    1.3.1 半导体泵浦激光器温控技术的发展  16-17
    1.3.2 热电制冷器的建模方法和特性分析  17
  1.4 国内外532nm 激光器的现状  17-18
  1.5 有限元方法在半导体激光器组件传热特性研究中的应用  18-19
  1.6 论文主要的研究内容  19-21
第二章基于热电制冷技术的激光器控温系统的设计  21-38
  2.1 热电制冷技术的发展和基本原理  21-29
    2.1.1 热电制冷技术的发展  21
    2.1.2 热电制冷技术的基本原理  21-29
  2.2 热电制冷的半导体泵浦532nm 激光器的结构和控温过程研究  29
    2.2.1 典型的热电制冷的半导体泵浦532nm 激光器的结构  29
    2.2.2 控温过程的研究  29
  2.3 控温模型  29-33
    2.3.1 LD 的热模型  29-30
    2.3.2 热电制冷器的热模型  30
    2.3.3 基座的热模型  30-32
    2.3.4 隔热板的热模型  32
    2.3.5 总的热传导方程  32-33
  2.4 热电制冷的半导体泵浦532nm 激光器控温系统的设计  33-37
    2.4.1 激光器的控温系统设计要求  33-34
    2.4.2 激光器的温控系统设计  34-37
  2.5 本章小结  37-38
第三章热电制冷的激光器控温能力有限元分析.  38-53
  3.1 概述  38
  3.2 有限元方法在传热问题中的应用  38-41
    3.2.1 有限元方法的基本步骤  38-40
    3.2.2 有限元法的优缺点  40-41
  3.3 工程分析软件 ANSYS 简介  41-43
  3.4 半导体泵浦532nm 激光器控温部分温度场有限元分析  43-51
    3.4.1 建立并简化模型  43
    3.4.2 定义模型的材料特性  43-44
    3.4.3 定义模型的边界条件  44-45
    3.4.4 定义模型的热力载荷  45-48
    3.4.5 划分有限元网格  48-49
    3.4.6 热力分析结果  49-51
  3.5 有限元分析结果讨论  51-52
  3.6 本章小结  52-53
第四章热电制冷的激光器温控能力优化与验证  53-70
  4.1 优化分析  53-55
    4.1.1 数学模型优化分析  53-54
    4.1.2 结构设计优化分析  54-55
  4.2 优化结构的温度场有限元分析  55-63
    4.2.1 减少隔热层和基座的接触面积  55-57
    4.2.2 增加基座保温层  57-60
    4.2.3 同时减少隔热层接触面积和增加保温层  60-63
  4.3 优化结构的有限元分析结果对比  63-65
    4.3.1 稳态热分析对比  63
    4.3.2 瞬态热分析对比  63-65
  4.4 实际样机的控温能力  65-67
    4.4.1 实验目的  65-66
    4.4.2 数据采集方法  66
    4.4.3 实验方法和设备  66-67
    4.4.4 实验结果  67
  4.5 实际测试情况与有限元分析结果对比  67-69
    4.5.1 稳态模拟和测试数据对比  67-68
    4.5.2 瞬态模拟结果和测试数据对比  68
    4.5.3 差异分析  68-69
  4.6 本章小结  69-70
第五章结论与展望  70-71
参考文献  71-74
致谢  74-75
攻读学位期间发表的学术论文目录  75

热电制冷的半导体泵浦532nm激光器控温性能优化研究

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