1 南京理工大学 能源与动力工程学院，江苏 南京 210094
2 南京理工大学 电子设备热控制工信部重点实验室，江苏 南京 210094
天气环境变幻莫测，阴雨天气更是不可避免，研究地面目标表面热特征可以更好地服务于热红外探测与热红外制导，提高目标定位的准确性。阴雨天气条件下地面目标表面降雨分布受降雨、风力影响；地面背景受透水材料的水分吸收及蒸发带来的潜热影响，致使地面目标表面的热特征具有不确定性。文中将空气流动模型、辐射换热模型、风驱雨模型和湿热耦合模型相结合，在开源平台Open FOAM提出了一种集成考虑风驱雨与湿热耦合的地面目标表面温度计算模型，研究阴雨天气条件下地面目标表面的热特征以及降雨强度和风向对目标表面温度特性的影响。结果表明：利用该集成计算模型计算目标表面温度的模拟值与热电偶实测值变化趋势高度一致，数值计算24 h各表面的平均绝对误差为0.95 K；存在降雨的时刻目标表面的温差较小，受降雨与风向的影响，目标的迎风面因降雨捕获率较高，温度通常低于背风面温度；降雨强度、风速风向发生改变均会影响目标表面降雨捕获率分布，从而影响表面温度特征分布。研究表明该方法具有可靠性和较好的精确性，可为阴雨天气条件下复杂地面目标的热特性分析提供方法支撑。
雨 地面目标 风向 降雨强度 热特征 rain ground target wind direction rainfall intensity thermal characteristic 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230009
北京天地玛珂电液控制系统有限公司, 北京 100020
电液控制系统在采煤自动化系统中是必不可少的关键子系统, 其中的重要元件阀芯的生产对加工工艺提出了高精度、高可靠的要求。数控车床的加工是阀芯加工的关键工序, 对这一关键工序的改进可以有效提高加工的精度, 因为数控车床在进行车削加工过程中, 主轴高速旋转, 与轴承之间摩擦会产生大量的热量, 热量急剧上升会造成数控车床在加工过程中位移的偏差。实验以CAK3675经济型数控车床为研究对象, 利用米铱激光三角测量仪和FLIR 红外热像仪对其主轴系统进行高精度测量, 最后从实验结果中得到重要结论, 由于前后轴承位置温升值各不相同, 使得主轴箱前后位置温升不同, 从而导致热变形有相对差异, 产生误差。
数控车床 主轴系统 热特性 激光三角测量仪 红外热像仪 computer numerical control (CNC) lathe spindle system thermal characteristic laser triangulation instrument infrared thermal imager
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 西安炬光科技有限公司, 陕西 西安 710119
随着半导体激光器输出功率的进一步提高, 热管理已经成为制约其性能和可靠性的关键瓶颈之一。利用有限元方法对千瓦级高功率传导冷却型(G-Stack)半导体激光器阵列的热特性进行数值模拟与分析。结果表明工作脉宽大于250 μs时器件各发光单元之间会发生严重的热串扰现象。在横向及垂直方向的热量分别为64.7％与35.3％, 横向方向热阻的74.9％及垂直方向热阻的66.5％来自CuW, 表明CuW对于激光器的散热性能有着决定性的影响。实验测试了器件在不同占空比条件下的光谱特性, 得到工作频率分别为20、30、40 Hz相对50 Hz的温差分别为2.33、1.56、0.78 ℃, 根据累积平均温度法计算得到的温差分别为2.13, 1.47, 0.75 ℃, 理论模拟结果相对于实验结果的平均误差小于6.85%, 结果表明理论模拟结果和实验瞬态热阻基本吻合。
千瓦级 半导体激光器阵列 传导冷却 热特性 有限元 kW-level semiconductor laser array conduction-cooled thermal characteristic finite element 红外与激光工程
2017, 46(10): 1005003
1 重庆师范大学 物理与电子工程学院，重庆 400047
2 重庆师范大学 重庆市高校光电材料与工程重点实验室，重庆 400047
3 重庆师范大学 重庆市光电功能材料重点实验室，重庆 400047
4 四川机电职业技术学院 材料工程系，攀枝花 617000
热效应是限制外腔面发射激光器（VECSEL）输出功率和光束质量的主要原因。为了优化VECSEL增益芯片有源区量子阱的设计，降低激光器的热效应，提高斜效率和输出功率，采用光致荧光谱方法，对设计波长980nm VECSEL自发辐射谱的热特性进行了实验研究。取得了不同热沉温度下边发射和面发射谱随温度的变化数据。结果表明，反映有源区量子阱自身特性的边发射谱峰值波长随温度升高的红移速率是0.5nm/K，而受到增益芯片多层结构调制的面发射谱峰值波长随温度升高的红移速率只有0.1nm/K；由于受到VECSEL增益芯片中微腔的限制，面发射谱分离为多个模式，分别与微腔的腔模对应。可见对量子阱的发射波长及微腔腔长做预偏置优化处理，可以显著改善激光器的输出性能。
激光器 外腔面发射激光器 光致荧光谱 热特性 lasers external-cavity surface-emitting laser photoluminescence spectrum thermal characteristic
北京工业大学 激光工程研究院， 北京 100124
为研究热容型大功率半导体激光器在低环境温度、高瞬时功率、长工作间歇时间条件下的应用，建立三维瞬态热传导模型，通过有限元法计算得出热沉三维尺寸对半导体激光器瞬态热特性的影响。选取尺寸为26.6 mm×11.5 mm×4 mm的热沉进行热容型半导体激光器的封装测试，获得其在-20 ℃和-30 ℃环境温度下连续工作3.5 s过程中有源区温度随时间的变化曲线，并与数值计算的结果进行对比。结果表明，两者在误差范围内能够很好地吻合。
激光器 半导体激光器 热容型 瞬态热特性 laser diode laser heat capacity transient thermal characteristic
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
发光二极管(LED)微阵列芯片在工作时积累的热量使结温过高，进而对LED 微阵列芯片造成一系列不利影响，严重降低LED 微阵列芯片工作的可靠性，甚至造成永久性损坏。散热问题是制约LED 微阵列芯片工作性能提高的关键因素，是LED 微阵列芯片在制备过程中亟待解决的问题之一。利用有限元分析软件，针对AlGaInP 材料LED 微阵列建立了有限元模型，详细介绍了实体模型建立、网格划分以及边界条件的施加方法。瞬态分析了在脉冲电流驱动下，单个单元和3×3单元工作时阵列的温度场分布，以及温度随时间的变化规律。为了改善阵列芯片的散热性能，设计了一种热沉结构，模拟分析了热沉结构对阵列温度分布的影响。
光学器件 热学特性 有限元分析 发光二极管微阵列 热沉
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室,吉林 长春130033
2 中国科学院大学,北京100049
建立了5×5 AlGaInP材料LED微阵列的有限元热分析模型，根据计算对模型进行了简化。结果表明，简化模型与原始模型的温度分布规律基本一致，计算得到的两种模型在工作1.5 s时的温度相对误差为0.8%。使用简化模型模拟了含104个单元、尺寸为10 mm×10 mm×100 μm的芯片的温度场分布，工作1.5 s时的芯片中心温度已达到360.6 ℃。为解决其散热问题，设计了两种散热器，并对其结构进行了优化，分析了翅片数量、翅片尺寸、粘结材料对芯片温度的影响。
光学器件 热学特性 有限元分析 LED微阵列 散热器 optical devices thermal characteristic finite element analysis LED microarray radiator
1 电子物理与器件教育部重点实验室(西安交通大学), 西安 710049
2 西北核技术研究所, 西安 710024
通过T-CAD软件建立了PIN 二极管的电学模型和热学模型, 模拟了PIN 二极管的稳态与瞬态特性。研究了PIN 二极管器件在正反偏压和脉冲电压下的电学特性及热学特性, 讨论了PIN二极管的I层厚度与温度的关系, 模拟得到了不同I层厚度的稳态与瞬态响应曲线、得到了与器件内部温度的关系。模拟结果表明: 随着I层厚度的增加，器件内部最高温度增长减慢，器件内部最高温度区由结区位置向器件的中间位置移动。
PIN二极管 电热特性 脉冲电压 PIN diode electric thermal characteristic pulse voltage 强激光与粒子束
2014, 26(6): 065009
1 发光学及应用国家重点实验室 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春130033
2 中国科学院 研究生院, 北京100039
对百瓦级半导体激光器风冷散热系统进行分析，利用ANSYS 有限元分析软件对高功率半导体激光模块器件的温度场分布进行了模拟和优化设计。为百瓦级大功率半导体激光模块风冷系统工艺方案的选择提供了依据，并据此进行了实验验证。
高功率半导体激光器 热特性 温度分布 high-power semiconductor laser thermal characteristic ANSYS ANSYS temperature distribution
北京工业大学电子信息与控制工程学院 北京市光电子技术实验室, 北京 100022
讨论了隧道再生大功率半导体激光器内部的热源分布,利用有限元方法模拟计算了其在脉冲工作下的二维瞬态热分布,同时测量了不同时刻波长的漂移量并换算为温升值,与计算结果进行了比较,二者基本吻合。模拟结果还表明靠近衬底的有源区温度略高于靠近热沉的有源区温度;用金刚石-铜热沉替换铜热沉,还可以很好地降低器件内部温升,使隧道再生大功率半导体激光器能够高效工作。
激光技术 半导体激光器 瞬态热特性 有限元
