01 Povzetek

Med delovanjem, ko se električna energija ali druge oblike energije v laserju pretvorijo v svetlobno energijo, neizogibno nastane velika količina toplote. Če takšne toplote ni mogoče pravočasno in učinkovito odvesti, se bo temperatura laserja dvignila, kar bo negativno vplivalo na njegovo izhodno moč, kakovost žarka in stabilnost valovne dolžine. V hujših primerih se lahko laserski čip in notranje optične komponente celo poškodujejo. Zato je učinkovito in zanesljivo odvajanje toplote ena ključnih tehnologij za zagotavljanje stabilnega delovanja in podaljšanje življenjske dobe laserjev. Z nenehnim povečevanjem moči laserja in širjenjem področij uporabe se tudi tehnologije odvajanja toplote nenehno razvijajo in uveljavljajo. Ta članek predstavlja glavne metode odvajanja toplote za laserje in njihove značilnosti.

02 Raziskovalno ozadje

Letnik 1960–1970

V zgodnji fazi razvoja laserja je bila izhodna moč na splošno nizka (nivo vatov ali manj). V tem obdobju sta bili večinoma sprejeti naravna konvekcija in odvajanje toplote zaradi sevanja, ki imata preprosto in zanesljivo strukturo. Ko se je moč plinskih laserjev z neprekinjenim -valom (CW) (kot so CO₂ laserji) in zgodnjih polprevodniških-laserjev povečala na desetine vatov, se je postopoma uporabljalo preprosto prisilno hlajenje z zrakom. Na ohišje laserja so bili nameščeni ventilatorji za odvajanje toplote s prisilno zračno konvekcijo, kar pomeni prvi korak tehnologije odvajanja toplote od pasivnega k aktivnemu hlajenju.

Letnik 1980–1990

Sistemi z vodnim hlajenjem s kroženjem vode so v tem obdobju postali standardna konfiguracija za visoko{0}}zmogljive laserje. Raziskave so bile osredotočene na optimizacijo zasnove pretočnega kanala hladnih plošč, izboljšanje kakovosti vode (npr. deionizirane vode) za preprečevanje nabiranja vodnega kamna in korozije ter razvoj visoko{4}}učinkovitih zunanjih izmenjevalnikov toplote (kot so hladilni stolpi in suhi hladilniki). Medtem so bili natančni sistemi za nadzor temperature s kompresorskim hlajenjem uporabljeni za temperaturno-občutljive polprevodniške črpalne vire in znanstveno-laserje, ki zahtevajo nizek hrup.

Leto 2000 do danes

Meja raziskav se je premaknila k učinkovitejšim-faznim hladilnim tehnologijam:

Hlajenje z razprševanjem: hladilna tekočina se razprši in razprši na površino vira toplote, da odstrani ogromno toplote zaradi udarca kapljic in latentne toplote fazne spremembe; v laboratorijih je bila dosežena zmogljivost odvajanja toplote, ki presega 1000 W/cm².

Mikrokanalno vrelo hlajenje: Nadzorovana fazna sprememba (vretje) hladilne tekočine se inducira znotraj mikrokanalov, kar močno izboljša mejo odvajanja toplote z uporabo latentne toplote uparjanja.

03 Metode odvajanja toplote

lNaravno hlajenje

Je najenostavnejša in najzanesljivejša metoda odvajanja toplote, ki temelji na naravni konvekciji in toplotnem sevanju med lupino laserja in okoliškim zrakom. Ne potrebuje zunanje napajalne naprave, ne povzroča hrupa in potrebuje minimalno vzdrževanje. Vendar je njegova zmogljivost odvajanja toplote omejena in je uporaben samo za nizko-laserje z nizko toploto.

lZračno hlajenje

Ventilatorji prisilijo zrak, da teče skozi hladilna rebra ali hladilna telesa laserja, da močno izboljša učinkovitost odvajanja toplote s prisilno konvekcijo. Zaradi razmeroma preproste zgradbe in nizkih stroškov je primeren za laserje srednje in visoke-moči. Njegove slabosti vključujejo hrup ventilatorja, nabiranje prahu in omejeno življenjsko dobo ventilatorja.

lVodno hlajenje

Krožeča hladilna tekočina (običajno deionizirana voda ali mešanica vode in etilenglikola) teče skozi vodne kanale ali hladne plošče v tesnem stiku z viri toplote, da odvaja toploto. Sistemi za vodno hlajenje se ponašajo z izjemno-visoko zmogljivostjo odvajanja toplote in visoko natančnostjo nadzora temperature, ki lahko učinkovito vzdržuje stabilno temperaturo osnovnih laserskih komponent. Široko se uporabljajo v visoko{3}}zmogljivih in visoko{4}}energijskih laserskih sistemih. Pomanjkljivosti so zapletena sestava sistema (ki zahteva vodne črpalke, rezervoarje za vodo, cevovode in zunanjo hladilno opremo, kot so suhi hladilniki ali hladilni stolpi), visoki stroški vzdrževanja in možna tveganja puščanja vode.

lKompresorsko hlajenje

Kompresorji, ki uporabljajo enak princip delovanja kot gospodinjske klimatske naprave in hladilniki, poganjajo kroženje hladilnega sredstva, da absorbirajo toploto iz laserskega hladilnega kroga v uparjalnikih in realizirajo aktivno hlajenje. Ta metoda lahko zniža delovno temperaturo laserja pod temperaturo okolja in zagotovi izjemno stabilno nizko{1}}temperaturno hladilno okolje. Posebej primeren je za temperaturno-občutljive polprevodniške laserje in scenarije uporabe z ultra-visokimi zahtevami glede stabilnosti. Ima najbolj zapleteno strukturo, velik volumen, visoko porabo energije in najvišje stroške.

Napredne tehnologije odvajanja toplote

Za soočanje z izzivi odvajanja toplote zaradi večje gostote toplotnega toka (kot so visoko-zmogljive polprevodniške laserske palice) industrija še naprej raziskuje učinkovitejše tehnologije hlajenja:

· Mikrokanalno hlajenje: Kanali za tekočino z velikostjo od deset do sto mikronov so izdelani znotraj hladilnih odvodov. Hladilna tekočina teče v teh majhnih kanalih in dosega ultra-visoko učinkovitost izmenjave toplote zaradi ogromne specifične površine.

· Hlajenje s pršenjem: Hladilna tekočina se razprši v drobne kapljice in razprši neposredno na površino vira toplote. Ogromna toplota se odstrani z udarcem kapljic, širjenjem in fazno spremembo izhlapevanja, pri čemer zmogljivost odvajanja toplote daleč presega tradicionalno konvekcijsko hlajenje.

· Termoelektrično hlajenje (polprevodniško hlajenje): Na podlagi Peltierjevega učinka enosmerni tok povzroči, da ena stran polprevodniškega termoelektričnega elementa absorbira toploto, druga pa sprošča toploto, kar omogoča natančen lokalni aktivni nadzor temperature. Običajno se uporablja za točkovno regulacijo temperature-naprav z majhno močjo.

· Fazna-sprememba Hlajenje: Toplota se odvaja z uporabo lastnosti, da materiali (določene kovine ali tekočine) med faznim prehodom absorbirajo veliko količino latentne toplote.

Te napredne tehnologije zagotavljajo večjo učinkovitost odvajanja toplote in kompaktnejšo strukturo, vendar jih odlikuje zapletena izdelava in razmeroma visoki stroški.

Zaključek

Če povzamemo, laserji uporabljajo široko paleto rešitev za odvajanje toplote, ki tvorijo celoten tehnični sistem od preprostega naravnega hlajenja do prefinjenega kompresorskega hlajenja in različnih naprednih visoko-učinkovitih hladilnih tehnologij. V praktičnih aplikacijah bo optimalna rešitev izbrana na podlagi celovitega upoštevanja nazivne moči laserja, strukturne oblike, zahtev glede zmogljivosti, delovnega okolja in proračuna. Ker se laserska tehnologija razvija v smeri večje moči, večje svetlosti in manjše velikosti, bo razvoj učinkovitejših, kompaktnejših in zanesljivih rešitev za odvajanje toplote ostal pomembna raziskovalna tema v laserski industriji in temeljno jamstvo za spodbujanje obsežne uporabe laserjev na različnih področjih.