При работе лазера только часть электрической мощности, вырабатываемой драйвером лазера, преобразуется в световую энергию. Остальная часть преобразуется в тепловую энергию, и накопление тепловой энергии представляет ряд проблем для лазерной системы в целом и лазера в частности.
В вашей лазерной установке система контроля температуры отвечает за управление теплом, выделяемым при работе лазера. Помимо контроллера температуры, для надежной лазерной системы критически важен тщательный выбор крепления лазера, подходящего для конкретного применения.
В конечном счете, наиболее насущной проблемой в отношении контроля температуры является то, что изменения температуры могут повлиять на качество лазера, особенно на длину волны. Если не контролировать, перегрев может также повредить излучающую поверхность лазера, снижая качество и количество производимого света.
Две основные стратегии рассеивания тепла, генерируемого лазерами, называются пассивным охлаждением и активным охлаждением. Кроме того, в этой статье будут описаны нетрадиционные методы управления температурой для приложений высокой мощности и приложений, требующих нагреваемых креплений лазеров.
Пассивное охлаждение
Пассивные радиаторы отводят тепло от лазера и рассеивают его в окружающем воздухе (рисунок 1). Поскольку этот тип крепления лазера представляет собой просто большой радиатор, температура крепления и температура лазера неизбежно возрастут. Пассивно охлаждаемые крепления лазера спроектированы таким образом, что повышение температуры происходит постепенно и предсказуемо.
Тепловые характеристики такого крепления оцениваются как тепловое сопротивление в «CN». Этот показатель указывает на величину повышения температуры в креплении лазера на каждый ватт отработанного тепла, генерируемого лазером, в градусах Цельсия.
Вентилятор улучшит тепловые характеристики пассивно охлаждаемого крепления лазера. Обычно производители указывают номинальные характеристики для креплений лазера с дополнительными вентиляторами и без них. Даже с вентиляторами диапазон производительности и мощности пассивных радиаторов ограничен приложениями с низкой и средней мощностью или приложениями, где приемлемы более высокие рабочие температуры.
Активное охлаждение
Активное охлаждение — это более комплексный и сложный подход к управлению температурой. Устройство, называемое охладителем Пельтье, встроено в крепление лазера или непосредственно в корпус лазера,
Устройство Пельтье, также известное как термоэлектрический охладитель (TEC), представляет собой небольшую плоскую теплопроводящую керамику, которая использует энергию, подаваемую контроллером температуры, для охлаждения одной из своих поверхностей, одновременно нагревая противоположную поверхность. Крепление лазера отвечает за работу в качестве теплоотвода на одной стороне устройства Пельтье. Другая сторона устройства Пельтье прикладывается к алюминиевой или медной холодной пластине, которая контактирует с корпусом лазерного пакета.
Для завершения контура управления датчик температуры подает сигнал обратной связи на контроллер температуры, который регулирует мощность, подаваемую на устройство Пельтье. Во многих случаях крепление лазера также будет оснащено вентилятором для максимизации тепловых характеристик.
Тепловые характеристики активно охлаждаемого крепления лазера называются тепловой емкостью и измеряются в ваттах. Эта оценка указывает на количество тепловой мощности, которое может поглотить крепление лазера, поддерживая при этом стабильную температуру. Эта оценка обычно применяется, когда температура холодной пластины крепления соответствует температуре окружающей среды. Для удаленных Производители часто могут предоставлять кривые тепловых характеристик в зависимости от температуры пластины.
Стоит отметить, что лазерные крепления, оснащенные устройствами Пельтье, можно будет нагревать и охлаждать. Это позволяет добиться более быстрой стабилизации и времени отклика. Кроме того, если вы характеризуете производительность светодиодного или лазерного устройства, эта функция также может позволить системе быть стабильной как выше, так и ниже температуры окружающей среды. Поскольку выходная длина волны связана с температурой лазера, это также обеспечивает удобный способ точного управления оптическими характеристиками лазера.
Функциональные соображения при выборе крепления
Помимо основного вопроса адекватной теплоемкости, есть три функциональные области, которые влияют на полезность крепления лазера. Это теплопроводность, гибкость жгута и механическое крепление лазера.
Теплопроводность крепления лазера, особенно охлаждающей пластины, является важным аспектом проектирования. Хотя алюминий подходит для некоторых применений, предпочтительным материалом для охлаждающей пластины является медь. Медь имеет лучшие тепловые свойства, чем другие материалы, и обеспечивает более равномерную температуру по всей охлаждающей пластине.
Для оптимальной универсальности рассмотрите гибкость жгута проводов, встроенного в держатель и, как следствие, в драйвер лазера и контроллер температуры. В идеале производитель должен предоставить стандартные готовые кабели от прибора к держателю лазера. При сопряжении лазера с лазером соединение должно быть простым в установке и замене с использованием клемм проводов или другого простого метода. Паяные соединения или разъемы, требующие длительного времени на настройку, менее желательны.
Тот же принцип применим к механическому соединению между лазером и держателем. Само собой разумеется, что это соединение должно обеспечивать хороший тепловой интерфейс. Кроме того, оно должно обеспечивать легкоразъемное соединение и степень универсальности для различных лазерных пакетов. Некоторые производители предлагают настраиваемые охлаждающие пластины, которые позволяют вам указать желаемую схему монтажных отверстий.
Системы высокой мощности
За пределами держателей лазеров со встроенными вентиляторами и охладителями Пельтье управление более высокими уровнями тепловой мощности становится более сложным. Если крепление с воздушным охлаждением оказывается недостаточным, следующим вариантом является крепление с водяным охлаждением (рисунок 3). Вода значительно увеличивает теплоемкость за счет сложности и отзывчивости.
Хотя пластины с водяным охлаждением эффективны при передаче большого количества тепла, у них есть несколько недостатков. Во-первых, заданное значение температуры должно находиться между точками кипения и замерзания воды. Во-вторых, для систем с водой требуются охладители, насосы, специальные крепления лазера и сантехника, что увеличит время и стоимость настройки. В-третьих, некоторые системы с водой могут иметь погрешность в несколько десятых градуса и не реагировать быстро на изменения температуры. Это может не подойти для высокоточных приложений.
Для повышения точности систем с водой хорошо подходят гибридные системы, объединяющие TEC с охлаждаемыми водой лазерными креплениями. Эта система использует TEC для точного контроля температуры и использует систему водяного охлаждения для быстрого рассеивания тепла. Такой подход распространен в приложениях с мощными лазерами, где требуется хорошая температурная стабильность.
Высокотемпературные системы
Как упоминалось ранее в этой статье, нагревательные возможности устройства Пельтье могут быть полезны, если вы характеризуете производительность устройства в диапазоне температур или работаете с приложениями, требующими более высоких температур, такими как светодиоды. Более высокие температуры крепления требуют других типов датчиков температуры и ТЭО, подходящих для работы при высоких температурах, поэтому обсудите ваше приложение с производителем крепления лазера. Некоторые крепления лазера также содержат резистивные нагреватели, хотя такое расположение, очевидно, подходит только для приложений, требующих только нагрева. В этом случае, пока контроллер температуры может питать резистивный нагреватель, остальная часть системы терморегулирования может оставаться неизменной.
Заключение
Выбор правильного кронштейна для вашей лазерной системы сэкономит время и усилия, одновременно улучшив общую производительность. Помимо решения использовать пассивное или активное охлаждение, обратите особое внимание на другие характеристики кронштейна лазера. Простота установки, гибкие электрические соединения и хороший выбор материала являются важными факторами для рассмотрения. В конце концов, лучшим вариантом действий может быть прямой звонок производителю и вопросы о производительности крепления для его конкретного применения.
Перепечатано из: Photon Bit
Примечание: Авторские права на статью принадлежат ее оригинальному автору. Эта статья предназначена только для общения и обучения. Если возникнут какие-либо проблемы с авторскими правами, сообщите нам об этом, и мы решим их своевременно.
