放熱方法の分析と高出力半導体レーザーの新しいアイデア！

半導体レーザーには、体積が小さく、電気光学変換の効率が高いなど、非常に明らかな利点があります。これらの利点により、半導体レーザーはさまざまな業界で使用されてきました。 半導体レーザーは通常、最も基本的な発光管と組み合わされます。発光管は複数のバーを形成し、複数のバーが特定のスタックアレイを形成します。 私の国では半導体技術のレベルが徐々に深まっているため、使用電力も徐々に増加しています.1つの発光管の限界電力は25ワットに達する可能性があり、ピークセンチメートルバーの電力は1000ワットに増加しました。しかし、発光シングルチューブのボリュームは確かに非常に大きいです。絶妙です。 チップの加熱は半導体の仕事に非常に深刻な影響を与えるため、この記事では、高出力半導体レーザーから熱を効果的に放散する方法を具体的に研究し、それらを効果的に使用する方法について説明します。

1.半導体レーザーに対するチップの温度の影響

1.1最小電流に対する温度の影響

レーザーの通常動作に必要な最小電流に対するチップ温度の影響は、主にレーザーの内部構造に反映されます。チップ温度が上昇すると、それに応じてレーザーの最小電流が増加します。このとき、半導体レーザーは最小電流をサポートして温度の熱放散効率を加速する必要があることは明らかです。この方法でのみ、レーザーの正常な動作が保証されます。

1.2傾斜に対するチップ温度の影響

半導体レーザーのスロープ効率は、半導体レーザーの発射電流と駆動電流の線形データです。一般に、半導体レーザーのスロープ効率が高いほど、性能は向上しますが、温度が上昇すると、半導体レーザーのスロープ効率を十分に活用することはできません。

1.3発光効率に対するチップ温度の影響

実験データから、チップの温度が高いほど、レーザーの発光効率が低くなることがはっきりとわかります。

1.4チップ温度発光ラインの長さの影響

レーザーの温度が変化すると、それに応じて機械の発光長も変化します。したがって、上記のデータによれば、チップ温度の上昇とそれに伴うレーザー温度の上昇により、レーザーは良好な動作性能を得ることができなくなります。したがって、レーザーの熱放散性能を研究することが不可欠です。レーザーも正常に動作しています。重要な場所。

2.レーザー放熱法に関する研究

2.1半導体レーザーの熱伝達リンク

通常の動作中に半導体レーザーから放出される熱の大部分は、蓄積されて放散されます。レーザーの熱放散には、主に一次熱放散と二次熱放散が含まれます。レーザー加工チップは、一次熱放散のために複数の複雑で変更可能なプロセス技術を経ています。二次熱放散は、冷却材料に最も直接的な影響を与える可能性があるため、熱が消えます。レーザーによって生成された熱は、溶接室、断熱室、一次熱放散、および最終放散のための二次熱放散によって順次放散されます。その中で、ある程度のレーザー発光効率で、レーザーの温度を効果的に下げたい場合は、2つのことを行う必要があります。1つは、冷却剤の温度を下げて、温度を達成することです。温度差を大きくすることによる散逸。例えば、実用的な方法は実用的な液体窒素法です。日常の作業環境での半導体レーザーの実際の冷却が強すぎるため、レーザーの表層に霜が発生し、霜が発生すると、レーザーはライトライン機能を生成します。場合によっては、レーザーが発生します。回路が短絡し、レーザーが正常に動作しないため、この方法では動作基準を厳密に実装する必要があります。一方、レーザーのチップ温度とクーラントの間の熱抵抗を低減します。たとえば、現在より良い使用方法である細かい鋼の石膜の使用。

2.2レーザーの放熱方法に関する研究

レーザーの熱伝達導体は、固体熱伝導と流体-固体伝導の2つの側面に分けることができます。固体層の熱伝導には、熱層の熱抵抗、各溶接間の熱抵抗、および断熱材間の熱抵抗が含まれます。ソリッドエンドの熱抵抗を効果的に低減するために、多くの研究者が原材料の熱伝導率を改善するための研究を行ってきました。たとえば、ステンレス鋼フィルムを使用すると、効果的に熱を放散できます。この方法は、従来のヒートシンク材料と比較して、熱抵抗の影響を40〜50％低減し、最小電流も大幅に低減します。発光効率も大幅に改善されました。固体端の熱抵抗の減少はレーザーの温度を効果的に緩和することができますが、対応する研究結果によると、いくつかのシリカゲル材料がヒートシンク材料として使用され、固体端の熱は半分にしか達しません流体端の熱抵抗。これは、レーザーの熱放散において最も重要なことは、流体端の熱抵抗を増やすことであることを意味します。熱抵抗の従来の方法は空気対流法です。レーザーの出力が増加するにつれて、一部の従来の流体チューブの熱放散方法では、レーザーの熱放散要件を満たすのに十分ではありません。したがって、多くの新しい熱放散方法が登場しました。マイクロチャネルの使用など。放熱方法、スプレー冷却など。

3.従来の熱放散方法

私の国のより伝統的な熱放散方法には、自然対流、大水路水冷、および半導体冷却が含まれます。

3.1自然対流冷却法

我が国で採用されているレーザーの伝統的な熱放散法は、熱伝導率の良い沈殿物を使用して半導体レーザーの表面層を拡張し、自然熱放散法を使用してチップ温度を下げるという目標を達成することです。この構造はある程度の利便性があり、材料の熱伝導率について比較的高い基準を必要とするため、銅が最も使用される材料としてよく使用されます。ただし、この方法では、今日の熱放散要件を満たすことができなくなります。

3.2大通路水冷方式

当初、一部の研究者は、レーザーの熱放散の問題を完全に軽減できるようにするために、自然対流冷却を強制対流冷却に変更しました。これにより、大チャネルヒートシンク方式が実現しました。従来の大水冷方式の構造はキャビティ式です。水入口空孔を最適化した後、レーザーの発光効率を十分に活用することができます。実験データは、この方法が優れた熱放散機能を持っていることを証明しています。この水冷方式には、従来の方式に比べて明らかなメリットがありますが、デメリットもあり、温度分布が不均一であることが主な問題です。この現象を解決するために、研究者は流れ構造など、チャネルに多くの熱交換構造を追加しました。インライン構造とフォーク列構造の熱放散効果の分析も設計されており、インライン構造とフォーク列構造は従来の熱放散方法よりも優れた熱放散を持っていると結論付けられます。しかし、欠点は圧力が増加することです。そのため、大チャンネル水冷方式は、構造がシンプルで温度発散に優れているという特徴があり、現段階で最も広く使用されている放熱方式ですが、近年、高出力のレーザーが使用されているためです。 、この方法はまだ熱放散要件を満たしていません。

4.新しい放熱方法

今日、私の国では高出力レーザーを使用して、チャネル熱放散、スプレー冷却液、ヒートパイプ熱放散方法など、多くの新しい熱放散方法が開発されています。

4.1マイクロチャネル冷却

実験を通じて、マイクロチャンネルの一方向水冷の高効率放熱法を発見し、マイクロチャンネルの一方向水冷法を温度冷却に利用することで、学者の研究が進んでいます。はマイクロチャネル水冷法の2つの定義であり、そのサイズに応じて定義されます。その中で、小さな水圧直径はマイクロチャネルとして定義され、もう1つはマイクロチャネルまたは従来のチャネルに分割されます。表面張力。その中でも、マイクロチャネルの放熱性能に関する研究は数多くあり、マイクロチャネル内の液体の流れ方向は、一項と二項の2種類に分けられます。マイクロチャネルの理論的知識に関する継続的な研究により、多くの研究者がマイクロチャネルの熱放散方法をレーザーの熱放散に取り入れてきました。その中で、学者が808nmの発光長さのレーザーで実験を行ったところ、この種のマイクロチャネルはレーザーの温度を効果的に下げることができ、また、レーザー。このように、パイプを熱交換方法として使用することにより、マイクロチャネルの難易度を低減することができ、この方法は良好な熱交換機能を有すると結論付けられる。

4.2スプレー冷却方法

前述のマイクロチャネル熱放散法と比較して、スプレー冷却はより複雑な方法であり、液体を噴霧するために高い空気圧を使用し、レーザーを冷却するために強力な注入を実行する必要があります。一部の学者は、スプレーされたクーラントの熱伝導に対するレーザーの表面粗さの影響を研究しました。表面粗さを深くすると、スプレーの熱流束を効果的に高めることができます。これらの実験的研究を通じて、スプレー冷却の実際の使用に可能性を追加することが可能です。今日、このスプレー冷却法は、私の国の化学産業や原子力産業で広く使用されています。

4.3ジェットインパクト法

ジェットインパクトを利用して冷却する方法は、冷却効果を実現するために、高速液体を介した表面への一種の熱伝導です。実験を行った学者の中には、23度の水を噴霧材料として使用し、強力な噴霧後、温度を50度に制御した研究者もいました。また、噴霧装置の設計研究も行いました。マイクロエレクトロニックの機械的制御方法を使用することで、強力な噴射のプロセスでの作業を改善でき、絶妙な構造と高い信頼性の特徴を備えています。小型レーザーの熱放散に投資することは非常に適しています。さらに、この方法は、冷却媒体をヘリウムに置き換えることができ、最大1500wの温度差を形成できる原子炉でも使用できます。このジェット衝突法は非常に効果的な冷却方法であり、主に高熱流束の熱放散問題を解決するために使用されます。たとえば、原子炉で使用されます。この方法の欠点は、それが必要なことです。過度の流体損失と電力消費を引き起こす可能性があるため、特定の高速冷却媒体を提供します。

4.4液冷方式

たとえば、液体金属の熱伝導率が優れているため、アルミニウム合金の熱伝導率は水の29倍です。対流熱伝導率が優れているため、この優れた熱伝導率は電子チップ技術で広く使用できます。学者は、それがレーザーの熱放散に使用できることを発見しました。一部の研究者は、液体金属の熱放散方法を創造的に作成しました。実験プロセスでは、金属物質がリング内で回転すると同時に、ヒートパイプまたはマイクロチャネルに入り、アルミニウム合金や他の金属から放射される熱を取り除きます。実験では、レーザーチップの表面は1000wに達し、チップの温度は23度にしか達しないので、レーザーは正常に使用できます。液体金属の熱放散に関する研究は、近年の新しい研究の方向性であり、順調に進んでいれば、レーザーの熱密度を下げる良い方法となる可能性があります。その中でも液体金属は、コンピュータチップの放熱など、さまざまな面で使用できます。実際の使用過程では、材料の相溶性に注意を払う必要があります。

5.熱流束と温度差の分析

上記の放熱方法は、熱密度を解決することができますが、必ずしも優れた冷却性能を備えているとは限りません。熱密度だけで放熱効率を判断するのが一方的な場合は、総合的に検討する必要があります。冷却性能が良い方法かどうかは、熱密度と温度差を同時に考慮する必要があります。関連する研究者は、さまざまな熱放散方法について研究を行い、熱密度と温度差の実験データを計算しました。実験データは、各熱放散方法によって達成される熱密度は、温度差が増加するにつれて増加する可能性があることを示しています。レーザーのヒートシンクの場合、冷却媒体の温度は一般に約20度に維持されます。レーザーチップの通常の動作温度は60度を超えることはできないため、レーザーチップ間の温度差は40度を超えることはありません。従来の放熱方法では要件を満たせず、熱密度は比較的小さくなります。マイクロチャネルやスプレー冷却法の使用を含む新しい熱放散方法の使用は、特定の標準要件を達成でき、熱密度熱放散の結果を達成できます。これらの方法の存在は、熱放散を実現するための実現可能性を提供します。高出力半導体レーザーの問題。計画。

6.おわりに

チップの温度上昇の問題は、半導体レーザーの正常な動作を妨げる主な要因になりつつあり、新しい熱放散方法は絶えず深まっています。高出力半導体レーザーの熱放散を解決するには、の分野をしっかりと把握する必要があります。熱力学、材料科学、および製造業は完全な協力作業を行っています。より優れた熱伝導率と組立技術を備えた材料の開発は、高出力半導体レーザーの熱放散問題をある程度解決することができますが、高出力半導体レーザーの熱放散問題は、対流熱放散に注意を払い、採用する必要があります。合理的な対流熱放散。方法は現在の問題を解決するための鍵です。新しい放熱方法は、実際の放熱作業に一定の基盤を提供します。

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