01 Анотація

Під час роботи, коли електрична енергія або інші форми енергії перетворюються в енергію світла в лазері, неминуче виділяється велика кількість тепла. Якщо таке тепло не може бути своєчасно та ефективно розсіяно, температура лазера підвищиться, що негативно вплине на його вихідну потужність, якість променя та стабільність довжини хвилі. У важких випадках лазерний чіп і внутрішні оптичні компоненти можуть навіть бути пошкоджені. Тому ефективне та надійне розсіювання тепла є однією з ключових технологій для забезпечення стабільної роботи та продовження терміну служби лазерів. З постійним збільшенням потужності лазера та розширенням сфер застосування технології розсіювання тепла також зазнають постійного розвитку та інновацій. У цій статті представлено основні методи розсіювання тепла для лазерів та їх характеристики.

02 Дослідження

Рік 1960–1970

На ранній стадії розробки лазера вихідна потужність, як правило, була низькою (на рівні ват або нижче). Протягом цього періоду в основному використовувалися природна конвекція та радіаційне розсіювання тепла, які відрізнялися простою та надійною конструкцією. Оскільки потужність газових лазерів безперервної-хвилі (таких як CO₂-лазери) і ранніх твердотільних-лазерів зросла до десятків ват, поступово почали застосовувати просте примусове повітряне охолодження. Вентилятори були встановлені на корпус лазера для відводу тепла за допомогою примусової конвекції повітря, знаменуючи перший крок технології розсіювання тепла від пасивного до активного охолодження.

Рік 1980–1990

Циркуляційні системи водяного охолодження стали стандартною конфігурацією для високо-лазерів цієї епохи. Дослідження зосереджено на оптимізації конструкції каналу потоку холодних пластин, покращенні якості води (наприклад, деіонізованої води) для запобігання утворенню накипу та корозії та розробці високо-ефективних зовнішніх теплообмінників (таких як градирні та сухі охолоджувачі). Тим часом прецизійні системи контролю температури з компресорним охолодженням були застосовані до-чутливих до температури напівпровідникових джерел накачування та лазерів-наукового рівня, які потребують низького рівня шуму.

Рік 2000 до теперішнього часу

Кордон досліджень перемістився до більш ефективних-технологій охолодження із зміною фаз:

Розпилювальне охолодження: охолоджуюча рідина розпилюється та розпорошується на поверхню джерела тепла для видалення масивного тепла через удар крапель і приховану теплоту зміни фази; в лабораторіях було досягнуто тепловиділення понад 1000 Вт/см².

Мікроканальне кипляче охолодження: контрольована фазова зміна (кипіння) охолоджувальної рідини індукується всередині мікроканалів, що значно покращує межу розсіювання тепла за рахунок використання прихованої теплоти випаровування.

03 Методи розсіювання тепла

lПриродне охолодження

Це найпростіший і найнадійніший метод розсіювання тепла, заснований на природній конвекції та тепловому випромінюванні між корпусом лазера та навколишнім повітрям. Він не потребує зовнішнього джерела живлення, не створює шуму та потребує мінімального обслуговування. Однак його здатність до розсіювання тепла обмежена, і він застосовний лише до мало-потужних лазерів із низьким виділенням тепла.

lПовітряне охолодження

Вентилятори змушують повітря проходити через ребра охолодження або радіатори лазера, щоб значно підвищити ефективність розсіювання тепла за допомогою примусової конвекції. Маючи відносно просту структуру та низьку вартість, він підходить для лазерів середньої та високої-потужності. До його недоліків відносяться шум вентилятора, накопичення пилу і обмежений термін служби вентилятора.

lВодяне охолодження

Циркулююча охолоджуюча рідина (зазвичай деіонізована вода або суміш води та етиленгліколю) тече через водяні канали або холодні пластини в тісному контакті з джерелами тепла, щоб відводити тепло. Системи водяного охолодження мають над-високу тепловіддачу та високу точність контролю температури, які можуть ефективно підтримувати стабільну температуру основних лазерних компонентів. Вони широко використовуються в лазерних системах високої-потужності та-високої енергії. Недоліками є складна структура системи (вимагає водяних насосів, резервуарів для води, трубопроводів і зовнішнього охолоджувального обладнання, такого як сухі охолоджувачі або градирні), високі витрати на технічне обслуговування та потенційні ризики витоку води.

lКомпресорний холод

Прийнявши той самий принцип роботи, що й побутові кондиціонери повітря та холодильники, компресори забезпечують циркуляцію холодоагенту, щоб поглинати тепло від контуру лазерного охолодження у випарниках і здійснювати активне охолодження. Цей метод може знизити робочу температуру лазера нижче температури навколишнього середовища та забезпечити надзвичайно стабільне низько{1}}температурне середовище охолодження. Він особливо підходить для чутливих до температури-напівпровідникових лазерів і сценаріїв застосування з над-високими вимогами до стабільності. Він має найскладнішу структуру, великий об'єм, високу енергоємність і найвищу вартість.

Передові технології розсіювання тепла

Щоб вирішити проблеми з розсіюванням тепла через високу щільність теплового потоку (наприклад, високо-потужні напівпровідникові лазерні стрижні), промисловість продовжує досліджувати ефективніші технології охолодження:

· Мікроканальне охолодження: канали для рідини розміром від десятків до сотень мікрон виготовлені всередині радіаторів. Охолоджуюча рідина тече в цих крихітних каналах, досягаючи над-високої ефективності теплообміну завдяки величезній питомій площі поверхні.

· Спрей-охолодження: Охолоджуюча рідина розпилюється на дрібні краплі та розпилюється безпосередньо на поверхню джерела тепла. Велике тепло видаляється шляхом удару крапель, поширення та зміни фази випаровування, причому ефективність розсіювання тепла значно перевищує традиційне конвекційне охолодження.

· Термоелектричне охолодження (напівпровідникове охолодження): На основі ефекту Пельтьє постійний струм змушує одну сторону напівпровідникової термобатареї поглинати тепло, а іншу – віддавати тепло, реалізуючи точне місцеве активне регулювання температури. Він зазвичай використовується для точкового контролю температури-пристроїв малої потужності.

· Фаза-охолодження: Тепло розсіюється за допомогою того, що матеріали (певні метали або рідини) поглинають велику кількість прихованого тепла під час фазового переходу.

Ці передові технології забезпечують більшу ефективність розсіювання тепла та більш компактну структуру, але вони відрізняються складною майстерністю та відносно високою вартістю.

Висновок

Підсумовуючи, лазери використовують широкий спектр рішень для розсіювання тепла, утворюючи повну технічну систему від простого природного охолодження до складного компресорного охолодження та різноманітних передових високо-ефективних технологій охолодження. У практичних застосуваннях оптимальне рішення має бути вибрано на основі комплексного розгляду номінальної потужності лазера, структурної форми, вимог до продуктивності, робочого середовища та бюджету. Оскільки лазерна технологія розвивається в напрямку більшої потужності, більшої яскравості та меншого розміру, розробка більш ефективних, компактних і надійних рішень для розсіювання тепла залишатиметься важливою темою досліджень у лазерній промисловості та основною гарантією сприяння широкому застосуванню лазерів у різних галузях.