微型热电制冷片用于激光器散热的研究

摘要

半导体激光器的散热问题已成为制约其发展的瓶颈，与其它制冷方式相比热电制冷具有结构简单、体积小以及易与半导体激光器封装集成等优点。本课题采用热电制冷片冷却半导体激光器，解决热流密度为2.5×104W/m2激光器的散热问题。在外界环境温度较高的情形下（如60℃），通过优化热电冷却系统的散热方式，使光电芯片的温度维持在需要的30℃-40℃。
　　本文采用有限元分析与实验验证的研究方法，分析热电制冷片冷却半导体激光器的热动态变化。选择合适的热电制冷片，利用选择的热电制冷片的性能参数，进行有限元分析的参数设定和数值模拟。实验研究中用替代热源作为热负载，利用所选定的热电制冷片搭建实验台。
　　主要研究内容从优化热电制冷系统的热端散热方式着手，分别考虑了热端无散热装置、自然对流和强迫通风三种散热系统对其制冷效果的影响。实验验证了模拟分析的结果，并且对两者进行了对比分析和误差分析。为了进一步研究分析热电制冷片在散热系统中的工作性能，分别分析了环境温度、热端换热热阻以及激光器外壳对热电片制冷能力的影响。
　　结果表明，热电制冷片在用于激光器散热时不能够单独使用，必须在热端配置有增强热端换热的热沉。热电制冷片热端配置有翅片换热器和换热风扇的换热系统，能够满足此课题的热设计要求。热电制冷片性能分析表明，随着环境温度的升高热电片冷热端温度和冷热端温差升高，热电片制冷系数会下降。热端换热热阻的增大会削弱热电制冷片的制冷能力以及COP，而且得到了满足该散热系统的最大换热热阻为1.55K/W。

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1绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 半导体激光器散热技术总结

1.3 热电制冷应用于半导体激光器散热的国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

2激光器散热系统热力学模型

2.1 热电制冷的热力学分析

2.2 半导体激光器的实体结构

2.3 散热系统数学模型

2.4本章小结

3激光器散热系统的理论与实验研究

3.1 热电片的选择方法

3.2 半导体激光器有限元分析物理模型

3.3验证分析实验台

3.4 散热系统实验与模拟结果的对比分析

3.5 本章小结

4 微型热电制冷片的工作性能分析

4.1 环境温度对制冷片性能的影响

4.2 热端换热热阻对热电片制冷性能的影响

4.3 半导体激光器外壳对换热的影响

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 研究工作总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表论文情况

附录2 攻读学位期间获奖情况

附录3 攻读学位期间参与项目情况