Når du betjener en laser, konverteres kun en del af den elektriske effekt fra laserdriveren til lysenergi. Resten omdannes til varmeenergi, og opbygningen af varmeenergi giver en række problemer for lasersystemet generelt og laseren i særdeleshed.
I din laseropsætning er temperaturstyringssystemet ansvarlig for at styre den varme, der genereres ved laserens drift. Ud over temperaturregulatoren er omhyggelig udvælgelse af et laserbeslag, der er passende til applikationen, afgørende for et robust lasersystem.
I sidste ende er den mest presserende bekymring vedrørende temperaturkontrol, at temperaturvariationer kan påvirke laserkvaliteten, især bølgelængden. Hvis den ikke kontrolleres, kan overophedning også beskadige laserens emitterende overflade, hvilket reducerer kvaliteten og mængden af produceret lys.
De to grundlæggende strategier til at sprede varme genereret af lasere kaldes passiv køling og aktiv køling. Derudover vil denne artikel beskrive ikke-traditionelle termiske styringsmetoder til højeffektapplikationer og applikationer, der kræver opvarmede laserbeslag.
Passiv køling
Passive køleplader leder varme væk fra laseren og spreder den ud i den omgivende luft (Figur 1). Fordi denne type lasermontering simpelthen er en stor køleplade, vil monteringstemperaturen og laserens temperatur uundgåeligt stige. Passivt afkølede laserbeslag er designet således, at temperaturstigningen sker på en gradvis og forudsigelig måde.
Den termiske ydeevne af et sådant beslag er klassificeret som termisk modstand, i "CN. Denne bedømmelse angiver mængden af temperaturstigning i laserbeslaget for hver watt spildvarme genereret af laseren, i grader Celsius.
En blæser vil forbedre den termiske ydeevne af et passivt afkølet laserbeslag. Typisk giver producenterne vurderinger for laserbeslag med og uden ekstra blæsere. Selv med blæsere er ydeevnen og effektområdet for passive køleplader begrænset til applikationer med lav til medium effekt eller applikationer, hvor højere driftstemperaturer er acceptable.
Aktiv køling
Aktiv køling er en mere omfattende og kompleks tilgang til termisk styring. En enhed kaldet en Peltier-køler er indbygget i laserbeslaget eller direkte i laserpakken,
En Peltier-enhed, også kendt som en termoelektrisk køler (TEC), er en lille, flad, termisk ledende keramik, som bruger strøm fra en temperaturregulator til at køle en af dens overflader, mens den opvarmer den modsatte overflade. Lasermonteringen er ansvarlig for at fungere som en køleplade på den ene side af Peltier-enheden. Den anden side af Peltier-enheden påføres en kold plade af aluminium eller kobber, der er i kontakt med laserpakkens hus.
For at fuldende kontrolsløjfen giver en temperatursensor et feedbacksignal til temperaturregulatoren, som regulerer den strøm, der leveres til Peltier-enheden. I mange tilfælde vil laserbeslaget også være udstyret med en blæser for at maksimere den termiske ydeevne.
Den termiske ydeevne af et aktivt afkølet laserbeslag kaldes den termiske kapacitet og er vurderet i watt. Denne bedømmelse angiver mængden af termisk effekt, som laserbeslaget kan absorbere, mens det opretholder en stabil temperatur. Denne vurdering gælder generelt, når beslagets koldpladetemperatur matcher den omgivende temperatur. For fjerntliggende producenter kan ofte levere termiske ydeevnekurver som en funktion af pladetemperaturen.
Det er værd at bemærke, at laserbeslag udstyret med Peltier-enheder vil kunne opvarmes og afkøles. Dette giver mulighed for hurtigere stabilisering og responstider. Derudover, hvis du karakteriserer ydeevnen af en LED- eller laserenhed, kan denne funktion også gøre det muligt for systemet at være stabilt både over og under den omgivende temperatur. Da udgangsbølgelængden er relateret til lasertemperaturen, giver dette også en bekvem måde til præcist at kontrollere laserens optiske ydeevne.
Funktionelle overvejelser for valg af montering
Ud over det grundlæggende spørgsmål om tilstrækkelig termisk kapacitet, er der tre funktionelle områder, der påvirker nytten af et laserbeslag. Disse er termisk ledningsevne, ledningsfleksibilitet og mekanisk montering af laseren.
Termisk ledningsevne af laserbeslaget, især den kolde plade, er et vigtigt designaspekt. Mens aluminium er tilstrækkeligt til nogle applikationer, er det foretrukne materiale til den kolde plade kobber. Kobber har bedre termiske egenskaber end andre materialer og vil give en mere ensartet temperatur over den kolde plade.
For optimal alsidighed skal du overveje fleksibiliteten af ledningsnettet indbygget i holderen og i forlængelse heraf i laserdriveren og temperaturregulatoren. Ideelt set bør producenten levere standard præfabrikerede kabler fra instrumentet til laserholderen. Når man forbinder laser til laser, skal forbindelsen være let at lave og ændre ved hjælp af ledningsterminaler eller en anden simpel metode. Loddede forbindelser eller stik, der kræver omfattende opsætningstid, er mindre ønskelige.
Det samme princip gælder for den mekaniske forbindelse mellem laseren og holderen. Det burde sige sig selv, at denne forbindelse skal give et godt termisk interface. Derudover skulle det give en let afbrydelig forbindelse og en grad af alsidighed til en række laserpakker. Nogle producenter vil tilbyde tilpassede kolde plader, der giver dig mulighed for at specificere det ønskede monteringshulmønster.
Højeffektsystemer
Ud over laserholdere med integrerede blæsere og Peltier-kølere bliver det mere udfordrende at håndtere højere niveauer af termisk output. Hvis et luftkølet beslag viser sig utilstrækkeligt, er den næste mulighed et vandkølet beslag (Figur 3). Vand øger varmekapaciteten i høj grad på bekostning af kompleksitet og reaktionsevne.
Mens vandkølede plader er effektive til at overføre store mængder varme, er der flere ulemper. For det første skal dit temperaturindstillingspunkt ligge mellem koge- og frysepunktet for vand. For det andet kræver vandsystemer kølere, pumper, brugerdefinerede lasermonteringer og VVS, hvilket vil øge opsætningstiden og omkostningerne. For det tredje kan nogle vandsystemer have en fejlmargin på nogle få tiendedele af en grad og reagerer ikke hurtigt på temperaturændringer. Dette er muligvis ikke egnet til højpræcisionsapplikationer.
For at forbedre nøjagtigheden af vandsystemer fungerer hybridsystemer, der kombinerer TEC'er med vandkølede laserbeslag, godt. Dette system er afhængig af TEC for fin temperaturkontrol og bruger et vandkølingssystem til hurtigt at sprede varmen. Denne tilgang er almindelig i laserapplikationer med høj effekt, der kræver god temperaturstabilitet.
Højtemperatursystemer
Som nævnt tidligere i denne artikel kan opvarmningsmulighederne for en Peltier-enhed være nyttige, hvis du karakteriserer en enheds ydeevne over en række temperaturer eller arbejder med applikationer, der kræver højere temperaturer, såsom LED'er. Højere monteringstemperaturer kræver forskellige typer temperatursensorer og TEC'er, der er egnede til højtemperaturdrift, så diskuter din ansøgning med lasermonteringsproducenten. Nogle laserbeslag indeholder også resistive varmelegemer, selvom dette arrangement naturligvis kun er egnet til opvarmning. I dette tilfælde kan resten af det termiske styringssystem forblive uændret, så længe temperaturregulatoren kan forsyne den resistive varmelegeme.
Konklusion
At vælge det rigtige beslag til dit lasersystem vil spare tid og kræfter, samtidig med at den overordnede ydeevne forbedres. Ud over at vælge at bruge passiv eller aktiv køling, skal du være særlig opmærksom på andre funktioner i laserbeslaget. Nem installation, fleksible elektriske forbindelser og godt materialevalg er vigtige faktorer at overveje. I sidste ende kan den bedste fremgangsmåde være at ringe direkte til producenten og stille spørgsmål om ydeevnen af monteringen til deres specifikke anvendelse.
Genoptrykt fra: Photon Bit
Bemærk: Ophavsretten til artiklen tilhører den originale forfatter. Denne artikel er kun til kommunikations- og læringsformål. Hvis der er problemer med ophavsret, bedes du fortælle os det, og vi vil behandle det rettidigt.
