流量自适应控制的高功率蓝光半导体激光器的冷却装置

本发明属于蓝光半导体激光，更具体地，涉及一种流量自适应控制的高功率蓝光半导体激光器的冷却装置。

背景技术：

1、波长为450nm的大功率蓝光半导激光器与常见红外波段激光相比，加工质量和加工效率有明显提高，但要其实现高功率和稳定输出又面临许多挑战，诸如可靠性及温度对功率影响等问题。电子元件在工作时功率会随工作时间损耗，器件自身升温，当温度无法传导或借助冷却装置对流则会严重影响自身性能。实验中我们使用合束技术(空间合束、偏振合束、光谱合束)以及自行设计的水冷装置解决上述问题，从而改善光束质量，提高输出效率。

2、现有技术方案中，在导热层与外壳之间增加水冷层或使用内置直筒型水道或曲型水道的分离式水冷装置是常用的解决方案，此种分离式水冷装置在一定条件下达稳定功率时散热性能良好且装置加工安装简洁快速。但在设计上不仅要考虑水道的形状结构还需要考虑水冷系统的整体密封性能。但由于直筒型水道在单位长度内的水道较短，导致激光器内有效散热面积较小，散热效率较低，且容易造成各发光模块温度差异较大。

3、曲型水道加工制造更为困难且对材料的传热系数、延展性等性质要求较高。此外，虽然水的比热较大，散热效果良好，但是水温波动也会对发光模块温度均匀一致性产生不良影响，间接影响了输出光频率的稳定性。另外，turkerman和pease在1981年首次提出了微通道冷却，随后国内外学者进行了许多微通道强化换热研究。微通道冷却具有重量轻、结构紧凑、集成度好等优点。在狭小空间内此冷却方案相对与传统水冷更好地满足了功率器件阵列的散热需求。目前尺寸优化和形状优化是微通道的主要优化设计，但在获得强化传热时容易导致压降过大，难以实现热阻和流阻的协同优化设计。

4、然而，针对高功率器件阵列的散热需求，常规的内置直筒型水道或曲型水道的分离式水冷装置存在散热面积小，散热性能低，整体密封性较差的问题；喷雾冷却装置在一些严格控制重量和空间尺寸的高功率器件阵列的热控技术应用方面，由于尺寸较大，应用受到一定限制。因此，在现有技术中高功率蓝光半导体激光器的冷却装置的冷却效率较低。

技术实现思路

1、针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供了一种流量自适应控制的高功率蓝光半导体激光器的冷却装置，旨在解决现有技术方案中对高功率蓝光半导体激光器的冷却效率较低的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种流量自适应控制的高功率蓝光半导体激光器的冷却装置，包括：水冷底座、温度传感器、流速传感器和流速控制终端；

3、所述温度传感器与光源单元连接，所述水冷底座紧贴设置在光源单元的背面，所述流速传感器与水冷底座连接，所述流速控制终端与所述温度传感器和流速传感器连接；

4、所述水冷底座包括从下到上层叠设置的入射层和出射层，所述入射层内设置入射管道，所述出射层内对应设置出射管道，所述入射管道与出射管道通过微孔管道连接；所述入射管道和出射管道均包括主管道和子管道，主管道依次和多个子管道连接；所述出射管道的上表面为锯齿状；所述入射管道用于连接蓄水池，导入冷却水；所述出射管道用于从入射管道中导入冷却水对所述光源单元降温，并在锯齿状的上表面处形成扰流，混合冷热流体，将吸热后的冷却水流回蓄水池；

5、所述流速传感器用于监测所述出射管道中冷却水的流速；

6、所述温度传感器用于监测所述光源单元的温度；

7、所述流速控制终端用于根据所述光源单元的温度调节进入所述入射管道的冷却水的流速，以调节所述出射管道中冷却水的流速。

8、可选的，所述入射管道和出射管道中的子管道为多级子管道，分别级联构成树状结构。

9、可选的，所述入射管道和出射管道中分别包括两个主管道，分别设置在所述入射层和出射层的多级子管道的两端。

10、可选的，所述微孔管道设置在所述入射管道的中心位置。

11、可选的，所述微孔管道的直径为0.05mm，长度为1mm。

12、可选的，所述入射管道的冷却水的流量为750ml/min。

13、可选的，所述冷却装置还包括特制玻璃水冷模块、偏振合束器水冷模块、柱面凸透镜水冷模块、第一柱面凹透镜水冷模块和第二柱面凹透镜水冷模块，均由水冷外壳和内部的水冷管道构成。

14、可选的，所述冷却装置还包括可控水阀；

15、所述可控水阀设置在所述入射管道的入水口处，所述可控水阀与所述流速控制终端通过弹簧连接；

16、所述流速控制终端还用于根据所述光源单元的温度产生控制信号调节所述弹簧的伸缩，所述弹簧用于控制所述可控水阀的入水口直径，所述可控水阀用于调节所述入射管道的冷却水的水流速度和流量。

17、第二方面，本发明还提供了一种流量自适应控制的高功率蓝光半导体激光器的冷却方法，应用于如第一方面中任一一项所述的冷却装置，包括：

18、流速控制终端通过流速传感器获取与光源单元的背面紧贴设置的水冷底座的出射管道中冷却水的流速，通过温度传感器获取光源单元的温度；

19、所述流速控制终端根据光源单元的温度调节可控水阀的入水口直径，以调节进入入射管道的冷却水的流速，从而调节所述出射管道中冷却水的流速。

20、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

21、1、本发明实施例提供了一种流量自适应控制的高功率蓝光半导体激光器的冷却装置，对入射层和出射层的微管分别使用了仿生结构，由主管道和多个子管道构成歧管结构，入射层和出射层的管道通过微孔管道连接，使得进入出射层的水流形成射流冲击，在出射管道的内部上表面设置为锯齿状，在射流冲击锯齿状结构时，形成扰流，增强冷热流体的混合作用，提高对流换热系数；微管传热结构设计大大增加了流动换热面积，解决了温度分布不均的问题，锯齿状结构的内表面提高了换热及冷却效率；通过歧管结构、射流冲击和仿生微通道三种技术的优点，强化换热效果，提高冷却装置的工作效率。

22、2、本发明实施例提供了一种流量自适应控制的高功率蓝光半导体激光器的冷却装置，采用温度传感器监测光源单元的温度，采用流速传感器监测入射管道的冷却水流速，通过流速控制终端综合温度数据和流速数据，对入射管道的冷却水流速进行实时调控，具体的，可以通过可控水阀调节管道入水口直径，从而调节入射管道的冷却水的水流速度和流量，进而调节冷却装置的冷却功率，稳定高功率蓝光半导体激光器的工作温度。

23、3、本发明实施例提供了一种流量自适应控制的高功率蓝光半导体激光器的冷却装置，采用拓扑仿生结构，优化微通道结构，将管道设计成多级分叉性微管热沉，针对高功率器件阵列的散热需求，降低入水口和出水口的压降，避免损坏仪器。

技术特征：

1.一种流量自适应控制的高功率蓝光半导体激光器的冷却装置，其特征在于，包括：水冷底座、温度传感器、流速传感器和流速控制终端；

2.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述入射管道和出射管道中的子管道为多级子管道，分别级联构成树状结构。

3.如权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，所述入射管道和出射管道中分别包括两个主管道，分别设置在所述入射层和出射层的多级子管道的两端。

4.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述微孔管道设置在所述入射管道的中心位置。

5.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述微孔管道的直径为0.05mm，长度为1mm。

6.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述入射管道的冷却水的流量为750ml/min。

7.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却装置还包括特制玻璃水冷模块、偏振合束器水冷模块、柱面凸透镜水冷模块、第一柱面凹透镜水冷模块和第二柱面凹透镜水冷模块，均由水冷外壳和内部的水冷管道构成。

8.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却装置还包括可控水阀；

9.一种流量自适应控制的高功率蓝光半导体激光器的冷却方法，应用于如权利要求1-8任一一项所述的冷却装置，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种流量自适应控制的高功率蓝光半导体激光器的冷却装置。该装置包括：温度传感器与光源单元连接，水冷底座紧贴设置在光源单元的背面，流速传感器与水冷底座连接，流速控制终端与温度传感器和流速传感器连接；水冷底座包括从下到上层叠设置的入射层和出射层，入射层内设置入射管道，出射层内对应设置出射管道，入射管道与出射管道通过微孔管道连接；出射管道的上表面为锯齿状；入射管道连接蓄水池，导入冷却水；出射管道从入射管道中导入冷却水对光源单元降温，并在锯齿状的上表面处形成扰流，混合冷热流体，将吸热后的冷却水流回蓄水池；流速控制终端根据温度调节冷却水的流速。实现强化换热效果，提高冷却装置的工作效率。

技术研发人员：李冀仁,熊永康,胡烜瑜,唐霞辉,孟习文,孙程崑,肖瑜,陈曦,王修正,张瑞凯
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17