Při provozu laseru se na světelnou energii přemění pouze část elektrické energie dodávané ovladačem laseru. Zbytek se přemění na tepelnou energii a nahromadění tepelné energie představuje řadu problémů pro laserový systém obecně a laser zvláště.
Ve vašem nastavení laseru je systém řízení teploty zodpovědný za řízení tepla generovaného provozem laseru. Kromě regulátoru teploty je pro robustní laserový systém rozhodující pečlivý výběr držáku laseru, který je vhodný pro danou aplikaci.
Nejnaléhavějším problémem týkajícím se regulace teploty je nakonec to, že změny teploty mohou ovlivnit kvalitu laseru, zejména vlnovou délku. Pokud není kontrolováno, přehřátí může také poškodit vyzařovací plochu laseru a snížit kvalitu a množství produkovaného světla.
Dvě základní strategie pro odvádění tepla generovaného lasery se nazývají pasivní chlazení a aktivní chlazení. Kromě toho tento článek popíše netradiční metody tepelného managementu pro vysoce výkonné aplikace a aplikace, které vyžadují vyhřívané laserové držáky.
Pasivní chlazení
Pasivní chladiče odvádějí teplo pryč z laseru a odvádějí ho do okolního vzduchu (obrázek 1). Protože tento typ držáku laseru je jednoduše velký chladič, teplota držáku a teplota laseru se nevyhnutelně zvýší. Pasivně chlazené laserové držáky jsou navrženy tak, aby ke zvýšení teploty docházelo pozvolným a předvídatelným způsobem.
Tepelný výkon takového držáku je hodnocen jako tepelný odpor v „CN Toto hodnocení udává míru nárůstu teploty v držáku laseru na každý watt odpadního tepla generovaného laserem ve stupních Celsia.
Ventilátor zlepší tepelný výkon pasivně chlazeného laserového držáku. Výrobci obvykle poskytují hodnocení pro laserové držáky s pomocnými ventilátory a bez nich. I s ventilátory je rozsah výkonu a výkonu pasivních chladičů omezen na aplikace s nízkým až středním výkonem nebo na aplikace, kde jsou přijatelné vyšší provozní teploty.
Aktivní chlazení
Aktivní chlazení je komplexnější a komplexnější přístup k tepelnému managementu. Zařízení zvané Peltierův chladič je zabudováno do držáku laseru nebo přímo do pouzdra laseru,
Peltierovo zařízení, také známé jako termoelektrický chladič (TEC), je malá, plochá, tepelně vodivá keramika, která využívá energii dodávanou regulátorem teploty k ochlazení jednoho ze svých povrchů a zároveň k ohřevu protilehlého povrchu. Laserový držák je zodpovědný za to, že funguje jako chladič na jedné straně Peltierova zařízení. Druhá strana Peltierova zařízení je přiložena na hliníkovou nebo měděnou studenou desku, která je v kontaktu s pouzdrem laserového pouzdra.
Pro dokončení regulační smyčky poskytuje teplotní senzor zpětnovazební signál do regulátoru teploty, který reguluje výkon dodávaný do Peltierova zařízení. V mnoha případech bude držák laseru vybaven také ventilátorem pro maximalizaci tepelného výkonu.
Tepelný výkon aktivně chlazeného laserového držáku se nazývá tepelná kapacita a udává se ve wattech. Toto hodnocení udává množství tepelné energie, kterou může držák laseru absorbovat při zachování stabilní teploty. Toto hodnocení obecně platí, když teplota studené desky držáku odpovídá okolní teplotě. Pro vzdálené Výrobci mohou často poskytnout křivky tepelného výkonu jako funkci teploty desky.
Stojí za zmínku, že laserové držáky vybavené zařízeními Peltier bude možné zahřívat a chladit. To umožňuje rychlejší stabilizaci a doby odezvy. Kromě toho, pokud charakterizujete výkon LED nebo laserového zařízení, tato funkce může také umožnit, aby byl systém stabilní nad i pod okolní teplotou. Protože výstupní vlnová délka souvisí s teplotou laseru, poskytuje to také pohodlný způsob, jak přesně řídit optický výkon laseru.
Funkční aspekty pro výběr montáže
Kromě základního problému adekvátní tepelné kapacity existují tři funkční oblasti, které ovlivňují užitečnost laserového držáku. Těmi jsou tepelná vodivost, flexibilita svazku a mechanické upevnění laseru.
Tepelná vodivost laserového držáku, zejména studené desky, je důležitým konstrukčním aspektem. Zatímco hliník je pro některé aplikace dostačující, preferovaným materiálem pro studené desky je měď. Měď má lepší tepelné vlastnosti než jiné materiály a zajistí rovnoměrnější teplotu na celé studené desce.
Pro optimální všestrannost zvažte flexibilitu kabelového svazku zabudovaného v držáku a potažmo v ovladači laseru a regulátoru teploty. V ideálním případě by měl výrobce poskytnout standardní předem připravené kabely od přístroje k držáku laseru. Při propojování laseru s laserem by mělo být snadné vytvořit a změnit spojení pomocí svorek vodičů nebo nějakou jinou jednoduchou metodou. Pájené spoje nebo konektory, které vyžadují dlouhou dobu nastavení, jsou méně žádoucí.
Stejný princip platí pro mechanické spojení mezi laserem a držákem. Je samozřejmé, že toto spojení by mělo poskytovat dobré tepelné rozhraní. Kromě toho by měl poskytovat snadno odpojitelné připojení a určitý stupeň univerzálnosti pro různé laserové balíčky. Někteří výrobci nabídnou přizpůsobitelné studené desky, které vám umožní určit požadovaný vzor montážních otvorů.
Vysoce výkonné systémy
Kromě laserových držáků s integrovanými ventilátory a Peltierovými chladiči je řízení vyšších úrovní tepelného výkonu náročnější. Pokud se vzduchem chlazený držák ukáže jako nedostatečný, další možností je vodou chlazený držák (obrázek 3). Voda výrazně zvyšuje tepelnou kapacitu na úkor složitosti a citlivosti.
Zatímco vodou chlazené desky jsou účinné při přenosu velkého množství tepla, existuje několik nevýhod. Za prvé, vaše nastavená teplota musí být mezi bodem varu a bodu mrazu vody. Za druhé, vodní systémy vyžadují chladiče, čerpadla, vlastní laserové držáky a instalatérské práce, což prodlouží čas a náklady na nastavení. Za třetí, některé vodní systémy mohou mít chybovou hranici několika desetin stupně a nereagují rychle na změny teploty. To nemusí být vhodné pro vysoce přesné aplikace.
Pro zlepšení přesnosti vodních systémů dobře fungují hybridní systémy, které kombinují TEC s vodou chlazenými laserovými držáky. Tento systém spoléhá na TEC pro jemnou regulaci teploty a využívá systém vodního chlazení k rychlému odvodu tepla. Tento přístup je běžný ve vysoce výkonných laserových aplikacích, které vyžadují dobrou teplotní stabilitu.
Vysokoteplotní systémy
Jak již bylo zmíněno dříve v tomto článku, možnosti ohřevu Peltierova zařízení mohou být užitečné, pokud charakterizujete výkon zařízení v rozsahu teplot nebo pracujete s aplikacemi, které vyžadují vyšší teploty, jako jsou LED. Vyšší teploty montáže vyžadují různé typy teplotních senzorů a TEC vhodných pro vysokoteplotní provoz, proto svou aplikaci proberte s výrobcem laserové montáže. Některé laserové držáky také obsahují odporové ohřívače, ačkoli toto uspořádání je zjevně vhodné pouze pro aplikace pouze s ohřevem. V tomto případě, pokud regulátor teploty může napájet odporový ohřívač, může zbytek systému řízení teploty zůstat nezměněn.
Závěr
Výběr správného držáku pro váš laserový systém ušetří čas a námahu a zároveň zlepší celkový výkon. Kromě rozhodnutí použít pasivní nebo aktivní chlazení věnujte zvláštní pozornost dalším vlastnostem laserového držáku. Snadná instalace, flexibilní elektrické připojení a dobrý výběr materiálu jsou důležité faktory, které je třeba zvážit. Nakonec může být nejlepším řešením zavolat přímo výrobci a zeptat se na výkon držáku pro jeho konkrétní aplikaci.
Přetištěno z: Photon Bit
Poznámka: Autorská práva k článku patří původnímu autorovi. Tento článek je určen pouze pro účely komunikace a učení. Pokud se vyskytnou nějaké problémy s autorskými právy, dejte nám prosím vědět a my to včas vyřešíme.
