Geri Dön

Lazer diyot pompalarının soğutulmasında metal poroz malzeme kullanımının deneysel ve sayısal yollarla incelenmesi

Experimental and numerical investigation of the utilization of metallic porous materials for cooling in laser diode pumps

  1. Tez No: 946444
  2. Yazar: ORKUN DOĞU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İLHAMİ HORUZ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Gazi Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Lazer diyot pompaları, kompakt yapıları ve yüksek ışın kalitesi nedeniyle askeri, endüstriyel ve tıbbi uygulamalarda yaygın olarak kullanılan optoelektronik bileşenlerdir. Bu sistemlerde oluşan yüksek ısı akıları, termal kararlılığı doğrudan etkileyerek cihaz ömrünü ve performansını sınırlandırmaktadır. Geleneksel soğutma yöntemlerinin bu ihtiyaca yanıt vermekte yetersiz kalması, yeni nesil, daha verimli ve kompakt soğutma çözümlerine olan ihtiyacı artırmıştır. Bu tez çalışmasında, lazer diyot pompalarının termal yönetiminde metal poroz malzemelerin kullanım potansiyeli deneysel ve sayısal yöntemlerle kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Çalışma iki ana bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde, ticari alüminyum açık hücreli metal köpüklerin, farklı porozite ve gözenek yoğunluklarında (PPI) kanatçıklarla birlikte kullanımı analiz edilmiştir. Isıtılmış yüzeylere entegre edilen bu yapılar, hava ve su gibi ısıl iletkenliği farklı akışkanlar kullanılarak değerlendirilmiştir. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) simülasyonları ile her konfigürasyon için Nusselt sayısı ve basınç düşümü parametreleri incelenmiştir. Metal köpüklerin poroz ortam parametreleri ile modellenmesi sonucunda elde edilen simülasyon verileri, deneysel sonuçlarla yüksek oranda uyum göstermiştir. Bu durum, düzensiz gözenekli yapıların HAD yazılımlarında poroz ortam modeliyle güvenle temsil edilebileceğini göstermiştir. İkinci bölümde, seçici lazer ergitme (SLM) yöntemiyle üretilen üç farklı birim hücre geometrisine (BCC, Kelvin, Octet) sahip, %70, %80, %90 porozite oranlarında toplam 12 farklı latis yapı test edilmiştir. Ayrıca, malzeme yüksekliği boyunca değişken lif çapına sahip bir örnek de çalışmaya dahil edilmiştir. Bu yapılar, 250 W ve 500 W olmak üzere iki farklı ısıl yük altında değerlendirilmiş; elde edilen deneysel bulgular, HAD analizleri ile karşılaştırılmıştır. Poroz ortam yaklaşımının düzenli hücresel yapılarda da geçerli olduğu görülmüş; özellikle Octet geometrisi yüksek ısı geçişi performansı sunmuştur. Bu çalışma hem metal köpüklerin hem de eklemeli imalatla üretilmiş kafes yapıların poroz ortam modeliyle temsil edilerek, lazer diyot pompaları gibi yüksek güç yoğunluklu sistemlerin soğutulmasında uygulanabilir ve optimize edilebilir çözümler sunduğunu göstermektedir.

Özet (Çeviri)

Laser diode pumps are widely used optoelectronic components in military, industrial, and medical applications due to their compact structure and high beam quality. The high heat flux generated in these systems directly affects thermal stability, thereby limiting the operational lifetime and performance of the devices. The inadequacy of conventional cooling methods to meet this demand has increased the need for next-generation, more efficient, and compact cooling solutions. In this doctoral thesis, the potential use of metallic porous materials for the thermal management of laser diode pumps is comprehensively investigated through both experimental and numerical approaches. The study is structured in two main parts. In the first part, commercially available open-cell aluminum metal foams with varying porosity and pore density (PPI) were analyzed in combination with fins. These structures, integrated onto heated surfaces, were evaluated using working fluids with different thermal conductivities such as air and water. Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations were performed to examine key performance parameters including the Nusselt number and pressure drop for each configuration. The simulation results based on porous media parameters showed strong agreement with experimental findings, demonstrating that irregular porous structures can be reliably modeled using the porous medium approach in CFD tools. In the second part, a total of 12 lattice structures with three different unit cell geometries—BCC, Kelvin, and Octet—were fabricated via Selective Laser Melting (SLM) at porosity levels of 70%, 80%, and 90%. Additionally, one sample with a graded strut diameter along its vertical axis was included. These structures were tested under thermal loads of 250 W and 500 W, and the experimental results were compared with CFD simulations. The porous media modeling approach was also found valid for these regular cellular structures, with the Octet geometry in particular exhibiting superior heat transfer performance. This study shows that both metal foams and additively manufactured lattice structures can be effectively represented using porous medium modeling, offering applicable and optimizable cooling solutions for high heat flux systems such as laser diode pumps.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    783901

    The synthesis, SLIC based labeling, and characterization of microbial rhodopsins by using custom build spectroscopic methods

    Mikrobiyal rodopsin membran proteinlerin sentezi, SLIC yöntemiyle etiketlenmesi, ve spektroskopik yöntemlerle karazterizasyonu

    CANSU ÇAVDAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Genetikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)

    DOÇ. DR. HALİL BAYRAKTAR

  2. Tez No

    365228

    ND:YVO4 diyot pompalamalı lazer ile radyasyona tabi tutulan mgb2 külçe süperiletkenlerin yapısal ve manyetik özelliklerinin karakterizasyonu

    Structural and magnetic characterisations of mgb2 bulk superconductors irradiated by nd:YVO4 diode pump laser

    ÖZGE ERDEM

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Fizik ve Fizik MühendisliğiKaradeniz Teknik Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EKREM YANMAZ

  3. Tez No

    480538

    Diyot lazer kullanarak metalik yüzeylerdeki mikrokırıkların giderilmesi

    Repair of metalic micro-crack with laser diode

    ALİCAN DEMİRBİLEK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Fizik ve Fizik MühendisliğiÇanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA KURT

  4. Tez No

    1014982

    Diyot lazer işleme sistemleri için derin öğrenme tabanlı parametre tahmini: Transfer learning ve crowdsourced veri ile hibrit yaklaşım

    Deep learning-based parameter estimation for diode laser processing systems: A hybrid approach with transfer learning and crowdsourced data

    HALİL İBRAHİM HANCI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Yönetim Bilişim Sistemleriİstanbul Okan Üniversitesi

    Bilişim Sistemleri ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ENDER ŞAHİNASLAN

  5. Tez No

    293356

    Diyot lazer kullanımının ortodontik diş hareketi hızı üzerindeki etkilerinin deneysel olarak incelenmesi

    Effects of diode laser on orthodontic tooth movement rate

    AYŞE BURCU KOÇOĞLU ALTAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    Diş HekimliğiCumhuriyet Üniversitesi

    Ortodonti Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ORAL SÖKÜCÜ

Geri Dön