När du använder en laser omvandlas endast en del av den elektriska kraften från laserdrivrutinen till ljusenergi. Resten omvandlas till värmeenergi, och uppbyggnaden av värmeenergi ger ett antal problem för lasersystemet i allmänhet och lasern i synnerhet.
I din laserinstallation ansvarar temperaturkontrollsystemet för att hantera värmen som genereras av laserns drift. Förutom temperaturregulatorn är noggrant val av ett laserfäste som är lämpligt för applikationen avgörande för ett robust lasersystem.
I slutändan är det mest akuta problemet med temperaturkontroll att temperaturvariationer kan påverka laserkvaliteten, särskilt våglängden. Om den inte kontrolleras kan överhettning också skada laserns emitterande yta, vilket minskar kvaliteten och kvantiteten av ljus som produceras.
De två grundläggande strategierna för att avleda värme som genereras av lasrar kallas passiv kylning och aktiv kylning. Dessutom kommer den här artikeln att beskriva icke-traditionella termiska hanteringsmetoder för högeffektapplikationer och applikationer som kräver uppvärmda laserfästen.
Passiv kylning
Passiva kylflänsar leder bort värme från lasern och leder bort den i den omgivande luften (Figur 1). Eftersom denna typ av laserfäste helt enkelt är en stor kylfläns, kommer monteringstemperaturen och laserns temperatur oundvikligen att öka. Passivt kylda laserfästen är utformade så att temperaturökningen sker på ett gradvis och förutsägbart sätt.
Den termiska prestandan för ett sådant fäste är klassificerat som termiskt motstånd, i "CN. Denna klassificering anger mängden temperaturstegring i laserfästet för varje watt spillvärme som genereras av lasern, i grader Celsius.
En fläkt kommer att förbättra den termiska prestandan hos ett passivt kylt laserfäste. Vanligtvis tillhandahåller tillverkare betyg för laserfästen med och utan extra fläktar. Även med fläktar är prestanda och effektområde för passiva kylflänsar begränsade till applikationer med låg till medeleffekt, eller applikationer där högre driftstemperaturer är acceptabla.
Aktiv kylning
Aktiv kylning är en mer omfattande och komplex metod för termisk hantering. En enhet som kallas en Peltier-kylare är inbyggd i laserfästet eller direkt i laserpaketet,
En Peltier-enhet, även känd som en termoelektrisk kylare (TEC), är en liten, platt, termiskt ledande keramik, som använder ström från en temperaturregulator för att kyla en av dess ytor samtidigt som den värmer upp den motsatta ytan. Laserfästet är ansvarigt för att fungera som en kylfläns på ena sidan av Peltier-enheten. Den andra sidan av Peltier-enheten appliceras på en kallplatta av aluminium eller koppar som kommer i kontakt med laserpaketets hölje.
För att slutföra reglerslingan ger en temperatursensor en återkopplingssignal till temperaturregulatorn, som reglerar strömmen till Peltier-enheten. I många fall kommer laserfästet också att utrustas med en fläkt för att maximera termisk prestanda.
Den termiska prestandan hos ett aktivt kylt laserfäste kallas för termisk kapacitet och anges i watt. Denna klassificering indikerar mängden termisk effekt som laserfästet kan absorbera samtidigt som det bibehåller en stabil temperatur. Detta betyg gäller generellt när fästets kylplattas temperatur matchar omgivningstemperaturen. För avlägsna Tillverkare kan ofta tillhandahålla termiska prestandakurvor som en funktion av plattans temperatur.
Det är värt att notera att laserfästen utrustade med Peltier-enheter kommer att kunna värmas och kylas. Detta möjliggör snabbare stabilisering och svarstider. Dessutom, om du karakteriserar prestandan hos en LED- eller laserenhet, kan den här funktionen även tillåta systemet att vara stabilt både över och under omgivningstemperaturen. Eftersom den utgående våglängden är relaterad till lasertemperaturen, ger detta också ett bekvämt sätt att exakt kontrollera laserns optiska prestanda.
Funktionella överväganden för monteringsval
Utöver den grundläggande frågan om adekvat termisk kapacitet, finns det tre funktionella områden som påverkar användbarheten av ett laserfäste. Dessa är värmeledningsförmåga, ledningsflexibilitet och mekanisk montering av lasern.
Värmeledningsförmågan hos laserfästet, särskilt den kalla plattan, är en viktig designaspekt. Även om aluminium är lämpligt för vissa tillämpningar, är det föredragna materialet för den kalla plattan koppar. Koppar har bättre termiska egenskaper än andra material och ger en jämnare temperatur över den kalla plattan.
För optimal mångsidighet, överväg flexibiliteten hos ledningsnätet som är inbyggt i hållaren och, i förlängningen, i laserdrivenheten och temperaturregulatorn. Helst bör tillverkaren tillhandahålla standardkablar från instrumentet till laserhållaren. Vid gränssnitt mellan laser och laser ska anslutningen vara enkel att göra och ändra, med hjälp av trådterminaler eller någon annan enkel metod. Lödade anslutningar eller kontakter som kräver lång installationstid är mindre önskvärda.
Samma princip gäller för den mekaniska kopplingen mellan lasern och hållaren. Det borde vara självklart att denna anslutning ska ge ett bra termiskt gränssnitt. Dessutom bör den ge en lätt urkopplingsbar anslutning och en grad av mångsidighet för en mängd olika laserpaket. Vissa tillverkare kommer att erbjuda anpassningsbara kallplattor som låter dig specificera önskat monteringshålsmönster.
Högeffektssystem
Utöver laserhållare med integrerade fläktar och Peltier-kylare, blir det mer utmanande att hantera högre nivåer av termisk effekt. Om ett luftkylt fäste visar sig vara otillräckligt är nästa alternativ ett vattenkylt fäste (Figur 3). Vatten ökar värmekapaciteten avsevärt på bekostnad av komplexitet och lyhördhet.
Medan vattenkylda plattor är effektiva för att överföra stora mängder värme, finns det flera nackdelar. För det första måste ditt temperaturbörvärde ligga mellan vattnets kokpunkt och fryspunkt. För det andra kräver vattensystem kylaggregat, pumpar, anpassade laserfästen och VVS, vilket kommer att öka installationstiden och kostnaden. För det tredje kan vissa vattensystem ha en felmarginal på några tiondels grader och reagerar inte snabbt på temperaturförändringar. Detta kanske inte är lämpligt för tillämpningar med hög precision.
För att förbättra vattensystemens noggrannhet fungerar hybridsystem som kombinerar TEC:er med vattenkylda laserfästen bra. Detta system förlitar sig på TEC för fin temperaturkontroll och använder ett vattenkylningssystem för att snabbt avleda värme. Detta tillvägagångssätt är vanligt i laserapplikationer med hög effekt som kräver god temperaturstabilitet.
Högtemperatursystem
Som nämnts tidigare i den här artikeln kan uppvärmningsförmågan hos en Peltier-enhet vara användbar om du karakteriserar en enhets prestanda över ett temperaturintervall, eller arbetar med applikationer som kräver högre temperaturer, såsom lysdioder. Högre monteringstemperaturer kräver olika typer av temperatursensorer och TEC som lämpar sig för högtemperaturdrift, så diskutera din applikation med tillverkaren av laserfästet. Vissa laserfästen innehåller också resistiva värmare, även om detta arrangemang uppenbarligen endast är lämpligt för uppvärmningsapplikationer. I detta fall, så länge som temperaturregulatorn kan driva den resistiva värmaren, kan resten av värmehanteringssystemet förbli oförändrat.
Slutsats
Att välja rätt fäste för ditt lasersystem kommer att spara tid och ansträngning samtidigt som den övergripande prestandan förbättras. Förutom att bestämma dig för att använda passiv eller aktiv kylning, var särskilt uppmärksam på andra funktioner hos laserfästet. Enkel installation, flexibla elektriska anslutningar och bra materialval är viktiga faktorer att ta hänsyn till. I slutändan kan det bästa tillvägagångssättet vara att ringa tillverkaren direkt och ställa frågor om prestandan hos fästet för deras specifika tillämpning.
Omtryckt från: Photon Bit
Obs: Upphovsrätten till artikeln tillhör den ursprungliga författaren. Den här artikeln är endast avsedd för kommunikation och lärande. Om det finns några upphovsrättsproblem, vänligen meddela oss så kommer vi att ta itu med det i tid.
