Podczas obsługi lasera tylko część mocy elektrycznej dostarczanej przez sterownik lasera jest przekształcana w energię świetlną. Reszta jest przekształcana w energię cieplną, a gromadzenie się energii cieplnej stwarza szereg problemów dla systemu laserowego w ogóle, a lasera w szczególności.
W konfiguracji lasera system kontroli temperatury odpowiada za zarządzanie ciepłem generowanym przez działanie lasera. Oprócz regulatora temperatury, staranny dobór mocowania lasera odpowiedniego do zastosowania jest kluczowy dla solidnego systemu laserowego.
Ostatecznie najbardziej palącym problemem dotyczącym kontroli temperatury jest to, że wahania temperatury mogą wpływać na jakość lasera, szczególnie długość fali. Jeśli nie są kontrolowane, przegrzanie może również uszkodzić emitującą powierzchnię lasera, zmniejszając jakość i ilość wytwarzanego światła.
Dwie podstawowe strategie rozpraszania ciepła generowanego przez lasery nazywane są chłodzeniem pasywnym i chłodzeniem aktywnym. Ponadto w tym artykule opisano niestandardowe metody zarządzania termicznego dla aplikacji o dużej mocy i aplikacji wymagających podgrzewanych mocowań laserowych.
Chłodzenie pasywne
Pasywne radiatory odprowadzają ciepło od lasera i rozpraszają je do otaczającego powietrza (rysunek 1). Ponieważ ten typ mocowania lasera jest po prostu dużym radiatorem, temperatura mocowania i temperatura lasera nieuchronnie wzrosną. Pasywnie chłodzone mocowania laserów są zaprojektowane tak, aby wzrost temperatury następował stopniowo i przewidywalnie.
Wydajność cieplną takiego mocowania ocenia się za pomocą oporu cieplnego, w „CN”. Ocena ta wskazuje, o ile stopni Celsjusza wzrasta temperatura w mocowaniu lasera na każdy wat ciepła odpadowego generowanego przez laser.
Wentylator poprawi wydajność cieplną pasywnie chłodzonego mocowania lasera. Zazwyczaj producenci podają oceny dla mocowań lasera z wentylatorami pomocniczymi i bez nich. Nawet z wentylatorami zakres wydajności i mocy pasywnych radiatorów jest ograniczony do zastosowań o niskiej i średniej mocy lub zastosowań, w których dopuszczalne są wyższe temperatury robocze.
Aktywne chłodzenie
Aktywne chłodzenie jest bardziej kompleksowym i złożonym podejściem do zarządzania termicznego. Urządzenie zwane chłodnicą Peltiera jest wbudowane w mocowanie lasera lub bezpośrednio w pakiet lasera,
Urządzenie Peltiera, znane również jako chłodnica termoelektryczna (TEC), to mała, płaska, przewodząca ciepło ceramika, która wykorzystuje energię dostarczaną przez regulator temperatury do chłodzenia jednej ze swoich powierzchni, a jednocześnie ogrzewa powierzchnię przeciwną. Mocowanie lasera jest odpowiedzialne za działanie jako radiator po jednej stronie urządzenia Peltiera. Druga strona urządzenia Peltiera jest przyłożona do aluminiowej lub miedzianej płyty chłodzącej, która styka się z obudową pakietu lasera.
Aby zakończyć pętlę sterowania, czujnik temperatury dostarcza sygnał zwrotny do regulatora temperatury, który reguluje moc dostarczaną do urządzenia Peltiera. W wielu przypadkach mocowanie lasera będzie również wyposażone w wentylator w celu maksymalizacji wydajności cieplnej.
Wydajność cieplna aktywnie chłodzonego mocowania lasera nazywana jest pojemnością cieplną i jest mierzona w watach. Ta ocena wskazuje ilość mocy cieplnej, jaką mocowanie lasera może pochłonąć, utrzymując stabilną temperaturę. Ta ocena ma zastosowanie zazwyczaj, gdy temperatura zimnej płyty mocowania jest zgodna z temperaturą otoczenia. W przypadku urządzeń zdalnych producenci często mogą podać krzywe wydajności cieplnej jako funkcję temperatury płyty.
Warto zauważyć, że mocowania laserowe wyposażone w ogniwa Peltiera będą mogły być podgrzewane i chłodzone. Pozwala to na szybszą stabilizację i czasy reakcji. Ponadto, jeśli charakteryzujesz wydajność diody LED lub urządzenia laserowego, ta funkcja może również umożliwić systemowi stabilność zarówno powyżej, jak i poniżej temperatury otoczenia. Ponieważ długość fali wyjściowej jest związana z temperaturą lasera, zapewnia to również wygodny sposób na precyzyjną kontrolę wydajności optycznej lasera.
Rozważania funkcjonalne przy wyborze mocowania
Oprócz podstawowej kwestii odpowiedniej pojemności cieplnej istnieją trzy obszary funkcjonalne, które wpływają na użyteczność mocowania lasera. Są to przewodnictwo cieplne, elastyczność uprzęży i mechaniczne mocowanie lasera.
Przewodność cieplna mocowania lasera, zwłaszcza zimnej płyty, jest ważnym aspektem projektowym. Podczas gdy aluminium jest odpowiednie do niektórych zastosowań, preferowanym materiałem na zimną płytę jest miedź. Miedź ma lepsze właściwości termiczne niż inne materiały i zapewni bardziej równomierną temperaturę na całej zimnej płycie.
Aby uzyskać optymalną wszechstronność, należy wziąć pod uwagę elastyczność wiązki przewodów wbudowanej w uchwyt, a co za tym idzie, w sterownik lasera i regulator temperatury. W idealnym przypadku producent powinien dostarczyć standardowe, gotowe kable od instrumentu do uchwytu lasera. Podczas łączenia lasera z laserem połączenie powinno być łatwe do wykonania i zmiany, przy użyciu zacisków kablowych lub innej prostej metody. Połączenia lutowane lub złącza wymagające długiego czasu konfiguracji są mniej pożądane.
Ta sama zasada dotyczy połączenia mechanicznego między laserem a uchwytem. Nie trzeba dodawać, że połączenie to powinno zapewniać dobry interfejs termiczny. Ponadto powinno zapewniać łatwe do odłączenia połączenie i stopień wszechstronności dla różnych pakietów laserowych. Niektórzy producenci oferują konfigurowalne płyty chłodzące, które umożliwiają określenie pożądanego wzoru otworów montażowych.
Systemy dużej mocy
Oprócz uchwytów laserowych ze zintegrowanymi wentylatorami i chłodnicami Peltiera, zarządzanie wyższymi poziomami mocy cieplnej staje się trudniejsze. Jeśli mocowanie chłodzone powietrzem okaże się niewystarczające, następną opcją jest mocowanie chłodzone wodą (rysunek 3). Woda znacznie zwiększa pojemność cieplną kosztem złożoności i responsywności.
Chociaż płyty chłodzone wodą są skuteczne w przenoszeniu dużych ilości ciepła, istnieje kilka wad. Po pierwsze, nastawa temperatury musi mieścić się między punktami wrzenia i zamarzania wody. Po drugie, systemy wodne wymagają chłodziarek, pomp, niestandardowych mocowań laserowych i instalacji wodno-kanalizacyjnej, co zwiększy czas i koszty konfiguracji. Po trzecie, niektóre systemy wodne mogą mieć margines błędu kilku dziesiątych stopnia i nie reagują szybko na zmiany temperatury. Może to nie być odpowiednie dla zastosowań o wysokiej precyzji.
Aby poprawić dokładność systemów wodnych, dobrze sprawdzają się systemy hybrydowe łączące TEC z chłodzonymi wodą mocowaniami laserów. System ten opiera się na TEC w celu dokładnej kontroli temperatury i wykorzystuje system chłodzenia wodnego w celu szybkiego rozpraszania ciepła. Takie podejście jest powszechne w zastosowaniach laserów dużej mocy, które wymagają dobrej stabilności temperatury.
Systemy wysokotemperaturowe
Jak wspomniano wcześniej w tym artykule, możliwości grzewcze urządzenia Peltiera mogą być przydatne, jeśli charakteryzujesz wydajność urządzenia w zakresie temperatur lub pracujesz z aplikacjami wymagającymi wyższych temperatur, takimi jak diody LED. Wyższe temperatury montażu wymagają różnych typów czujników temperatury i TEC nadających się do pracy w wysokich temperaturach, więc omów swoją aplikację z producentem mocowania lasera. Niektóre mocowania lasera zawierają również grzałki rezystancyjne, chociaż takie rozwiązanie jest oczywiście odpowiednie tylko do zastosowań wyłącznie grzewczych. W takim przypadku, o ile regulator temperatury może zasilać grzałkę rezystancyjną, reszta systemu zarządzania temperaturą może pozostać niezmieniona.
Wniosek
Wybór właściwego uchwytu do systemu laserowego pozwoli zaoszczędzić czas i wysiłek, a jednocześnie poprawić ogólną wydajność. Oprócz decyzji o użyciu pasywnego lub aktywnego chłodzenia, zwróć szczególną uwagę na inne cechy uchwytu laserowego. Łatwość instalacji, elastyczne połączenia elektryczne i dobry dobór materiałów to ważne czynniki, które należy wziąć pod uwagę. Ostatecznie najlepszym rozwiązaniem może być bezpośredni kontakt z producentem i zadanie pytań o wydajność uchwytu w jego konkretnym zastosowaniu.
Przedruk z: Photon Bit
Uwaga: Prawa autorskie do artykułu należą do oryginalnego autora. Niniejszy artykuł jest przeznaczony wyłącznie do celów komunikacyjnych i edukacyjnych. Jeśli występują jakiekolwiek problemy z prawami autorskimi, daj nam znać, a my zajmiemy się tym w odpowiednim czasie.
