01 Sažetak

Tijekom rada, kada se električna energija ili drugi oblici energije pretvaraju u svjetlosnu energiju u laseru, neizbježno se stvara velika količina topline. Ako se takva toplina ne može raspršiti na vrijeme i učinkovito, temperatura lasera će porasti, što će nepovoljno utjecati na njegovu izlaznu snagu, kvalitetu zrake i stabilnost valne duljine. U teškim slučajevima, laserski čip i unutarnje optičke komponente mogu se čak oštetiti. Stoga je učinkovita i pouzdana disipacija topline jedna od ključnih tehnologija za osiguranje stabilnih performansi i produljenje životnog vijeka lasera. Sa stalnim povećanjem snage lasera i širenjem područja primjene, tehnologije rasipanja topline također prolaze kontinuirani razvoj i inovacije. Ovaj rad predstavlja glavne metode odvođenja topline za lasere i njihove karakteristike.

02 Pozadina istraživanja

Godina 1960–1970

U ranoj fazi razvoja lasera, izlazna snaga je općenito bila niska (razina u vatima ili niža). Prirodna konvekcija i rasipanje topline zračenjem uglavnom su usvojeni tijekom tog razdoblja, a odlikuje se jednostavnom i pouzdanom strukturom. Kako je snaga plinskih lasera s kontinuiranim -valovima (CW) (kao što su CO₂ laseri) i ranih-lasera u čvrstom stanju porasla na desetke vata, postupno se primjenjivalo jednostavno prisilno hlađenje zrakom. Ventilatori su ugrađeni na lasersko kućište za uklanjanje topline putem prisilne konvekcije zraka, označavajući prvi korak tehnologije rasipanja topline s pasivnog na aktivno hlađenje.

Godina 1980–1990

Sustavi hlađenja cirkulacijom vode postali su standardna konfiguracija za lasere velike-snage u ovom razdoblju. Istraživanja su bila usmjerena na optimizaciju dizajna kanala protoka hladnih ploča, poboljšanje kvalitete vode (npr. deionizirane vode) kako bi se spriječilo stvaranje kamenca i korozije i razvoj visoko-učinkovitih vanjskih izmjenjivača topline (kao što su rashladni tornjevi i suhi hladnjaci). U međuvremenu, precizni sustavi kontrole temperature s kompresorskim hlađenjem primijenjeni su na temperaturno-osjetljive izvore poluvodičkih pumpi i znanstveno-lasere koji zahtijevaju nisku razinu buke.

Godina 2000. do danas

Granica istraživanja pomaknula se prema učinkovitijim tehnologijama-faznog hlađenja:

Hlađenje raspršivanjem: rashladna tekućina se raspršuje i raspršuje na površinu izvora topline kako bi se uklonila ogromna toplina kroz udar kapljica i latentnu toplinu promjene faze; u laboratorijima je postignut kapacitet rasipanja topline veći od 1000 W/cm².

Mikrokanalno hlađenje ključanjem: kontrolirana promjena faze (ključanje) rashladne tekućine inducira se unutar mikrokanala, što uvelike poboljšava granicu rasipanja topline korištenjem latentne topline isparavanja.

03 Metode odvođenja topline

lPrirodno hlađenje

To je najjednostavnija i najpouzdanija metoda odvođenja topline, koja se oslanja na prirodnu konvekciju i toplinsko zračenje između laserske ljuske i okolnog zraka. Ne zahtijeva vanjski uređaj za napajanje, ne proizvodi buku i zahtijeva minimalno održavanje. Međutim, njegov kapacitet rasipanja topline je ograničen i primjenjiv je samo na lasere male-snage s niskim stvaranjem topline.

lZračno hlađenje

Ventilatori tjeraju zrak da struji kroz rebra za hlađenje ili hladnjake lasera kako bi se znatno poboljšala učinkovitost rasipanja topline putem prisilne konvekcije. Uz relativno jednostavnu strukturu i nisku cijenu, prikladan je za lasere srednje-i velike snage. Njegovi nedostaci uključuju buku ventilatora, nakupljanje prašine i ograničen vijek trajanja ventilatora.

lVodeno hlađenje

Rashladna tekućina koja cirkulira (obično deionizirana voda ili mješavina vode i etilen glikola) teče kroz vodene kanale ili hladne ploče u bliskom kontaktu s izvorima topline kako bi odvela toplinu. Sustavi vodenog hlađenja imaju ultra-veliki kapacitet rasipanja topline i visoku točnost kontrole temperature, što može učinkovito održavati stabilnu temperaturu komponenti jezgre lasera. Naširoko se koriste u laserskim sustavima velike-snage i visoke{4}}energije. Nedostaci su složeni sastav sustava (koji zahtijeva pumpe za vodu, spremnike za vodu, cjevovode i vanjsku opremu za hlađenje kao što su suhi hladnjaci ili rashladni tornjevi), visoki troškovi održavanja i potencijalni rizici curenja vode.

lKompresorsko hlađenje

Usvajajući isti princip rada kao kućni klima uređaji i hladnjaci, kompresori pokreću cirkulaciju rashladnog sredstva kako bi apsorbirali toplinu iz laserskog kruga hlađenja u isparivačima i ostvarili aktivno hlađenje. Ova metoda može sniziti radnu temperaturu lasera ispod temperature okoline i pružiti iznimno stabilno okruženje za hlađenje niske-temperature. Posebno je prikladan za temperaturno-poluvodičke lasere i scenarije primjene s ultra-visokim zahtjevima stabilnosti. Ima najsloženiju strukturu, veliki volumen, veliku potrošnju energije i najveću cijenu.

Napredne tehnologije rasipanja topline

Kako bi odgovorila na izazove disipacije topline veće gustoće toplinskog toka (kao -laserske poluvodičke trake velike snage), industrija nastavlja istraživati ​​učinkovitije tehnologije hlađenja:

· Mikrokanalno hlađenje: Kanali za tekućinu veličine desetaka do stotina mikrona izrađeni su unutar hladnjaka. Rashladna tekućina teče u ovim sićušnim kanalima, postižući ultra-visoku učinkovitost izmjene topline zbog ogromne specifične površine.

· Hlađenje sprejom: Rashladna tekućina raspršuje se u sitne kapljice i raspršuje izravno na površinu izvora topline. Ogromna toplina uklanja se udarom kapljica, širenjem i promjenom faze isparavanja, s performansama rasipanja topline koje daleko nadmašuju tradicionalno konvekcijsko hlađenje.

· Termoelektrično hlađenje (poluvodičko hlađenje): Na temelju Peltierovog učinka, istosmjerna struja čini da jedna strana poluvodičke termoelektrane apsorbira toplinu, a druga otpušta toplinu, ostvarujući preciznu lokalnu aktivnu kontrolu temperature. Uobičajeno se koristi za kontrolu temperature točke za-uređaje male snage.

· Promjena-faze Hlađenje: Toplina se raspršuje korištenjem karakteristike da materijali (određeni metali ili tekućine) apsorbiraju veliku količinu latentne topline tijekom faznog prijelaza.

Ove napredne tehnologije daju veću učinkovitost disipacije topline i kompaktniju strukturu, ali imaju složenu izradu i relativno visoke troškove.

Zaključak

Ukratko, laseri usvajaju širok raspon rješenja za odvođenje topline, tvoreći potpuni tehnički sustav od jednostavnog prirodnog hlađenja do sofisticiranog kompresorskog hlađenja i raznih naprednih visoko{0}}učinkovitih tehnologija hlađenja. U praktičnim primjenama, optimalno rješenje bit će odabrano na temelju sveobuhvatnog razmatranja nazivne snage lasera, strukturnog oblika, zahtjeva za izvedbom, radnog okruženja i proračuna. Kako se laserska tehnologija razvija prema većoj snazi, većoj svjetlini i manjoj veličini, razvoj učinkovitijih, kompaktnijih i pouzdanijih rješenja za raspršivanje topline ostat će važna tema istraživanja u laserskoj industriji i temeljno jamstvo za promicanje opsežne primjene lasera u raznim područjima.