01 Abstrakt

Počas prevádzky, keď sa elektrická energia alebo iné formy energie premieňajú v laseri na svetelnú energiu, nevyhnutne vzniká veľké množstvo tepla. Ak takéto teplo nie je možné včas a efektívne odviesť, teplota lasera sa zvýši, čo nepriaznivo ovplyvní jeho výstupný výkon, kvalitu lúča a stabilitu vlnovej dĺžky. V závažných prípadoch môže dôjsť dokonca k poškodeniu laserového čipu a vnútorných optických komponentov. Preto je efektívny a spoľahlivý odvod tepla jednou z kľúčových technológií na zabezpečenie stabilného výkonu a predĺženia životnosti laserov. S neustálym zvyšovaním výkonu lasera a rozširovaním aplikačných oblastí sa neustále vyvíjajú a inovujú aj technológie odvádzania tepla. Tento článok predstavuje hlavné metódy rozptylu tepla pre lasery a ich charakteristiky.

02 Pozadie výskumu

Rok 1960–1970

V počiatočnom štádiu vývoja lasera bol výstupný výkon vo všeobecnosti nízky (úroveň wattov alebo nižšia). Počas tohto obdobia sa prijalo hlavne prirodzené prúdenie a rozptyl tepla vyžarovaním, ktoré sa vyznačujú jednoduchou a spoľahlivou štruktúrou. Keď sa výkon plynových laserov s kontinuálnou -vlnou (CW) (ako CO₂ lasery) a skorých pevnolátkových laserov- zvýšil na desiatky wattov, postupne sa začalo používať jednoduché chladenie vzduchom. Na plášť lasera boli nainštalované ventilátory na odvádzanie tepla pomocou nútenej konvekcie vzduchu, čo predstavuje prvý krok technológie odvádzania tepla z pasívneho na aktívne chladenie.

Rok 1980–1990

Systémy obehového chladenia vodou sa v tejto ére stali štandardnou konfiguráciou-laserov s vysokým výkonom. Výskum sa zameral na optimalizáciu konštrukcie prietokového kanála chladiacich platní, zlepšenie kvality vody (napr. deionizovaná voda), aby sa zabránilo usadzovaniu vodného kameňa a korózii, a vývoj vysokoúčinných externých výmenníkov tepla (ako sú chladiace veže a suché chladiče). Medzitým boli presné systémy na reguláciu teploty s kompresorovým chladením aplikované na teplotne -citlivé polovodičové zdroje čerpadiel a vedecké-lasery vyžadujúce nízku hlučnosť.

Od roku 2000 do súčasnosti

Hranica výskumu sa posunula k efektívnejšej fáze{0}}zmeny chladiacich technológií:

Chladenie rozprašovaním: Chladiaca kvapalina sa rozprašuje a rozprašuje na povrch zdroja tepla, aby sa odstránilo obrovské teplo nárazom kvapiek a latentným teplom fázovej zmeny; v laboratóriách bola dosiahnutá kapacita rozptylu tepla presahujúca 1000 W/cm².

Mikrokanálové chladenie varom: Riadená fázová zmena (var) chladiacej kvapaliny je indukovaná vo vnútri mikrokanálov, čo výrazne zlepšuje limit rozptylu tepla využitím latentného tepla vyparovania.

03 Metódy rozptylu tepla

lPrirodzené chladenie

Je to najjednoduchšia a najspoľahlivejšia metóda rozptylu tepla, ktorá sa spolieha na prirodzené prúdenie a tepelné žiarenie medzi plášťom lasera a okolitým vzduchom. Nevyžaduje žiadne externé napájacie zariadenie, neprodukuje žiadny hluk a vyžaduje minimálnu údržbu. Jeho kapacita odvádzania tepla je však obmedzená a je použiteľný iba pre lasery s nízkym{2}}výkonom s nízkou tvorbou tepla.

lChladenie vzduchom

Ventilátory nútia vzduch prúdiť cez chladiace rebrá alebo chladiče lasera, aby sa výrazne zlepšila účinnosť odvádzania tepla prostredníctvom nútenej konvekcie. Vďaka relatívne jednoduchej štruktúre a nízkej cene je vhodný pre lasery so stredným a{1}}vysokým výkonom. Medzi jeho nevýhody patrí hlučnosť ventilátora, hromadenie prachu a obmedzená životnosť ventilátora.

lVodné chladenie

Cirkulujúca chladiaca kvapalina (zvyčajne deionizovaná voda alebo zmes vody a etylénglykolu) prúdi cez vodné kanály alebo chladiace platne v tesnom kontakte so zdrojmi tepla, aby odvádzala teplo. Systémy vodného chladenia sa vyznačujú mimoriadne-vysokou kapacitou odvádzania tepla a vysokou presnosťou regulácie teploty, ktorá dokáže efektívne udržiavať stabilnú teplotu základných laserových komponentov. Široko sa používajú vo vysoko-výkonných a{4}}laserových systémoch s vysokou spotrebou energie. Nevýhodou je zložité zloženie systému (vyžadujúce vodné čerpadlá, vodné nádrže, potrubia a externé chladiace zariadenia, ako sú suché chladiče alebo chladiace veže), vysoké náklady na údržbu a potenciálne riziká úniku vody.

lKompresorové chladenie

Kompresory využívajú rovnaký pracovný princíp ako domáce klimatizácie a chladničky, poháňajú cirkuláciu chladiva, aby absorbovali teplo z laserového chladiaceho okruhu vo výparníkoch a realizovali aktívne chladenie. Táto metóda môže znížiť prevádzkovú teplotu lasera pod okolitú teplotu a poskytnúť mimoriadne stabilné nízko{1}}teplotné chladiace prostredie. Je obzvlášť vhodný pre teplotne-citlivé polovodičové lasery a aplikačné scenáre s ultra-vysokými požiadavkami na stabilitu. Má najkomplexnejšiu štruktúru, veľký objem, vysokú spotrebu energie a najvyššie náklady.

Pokročilé technológie odvádzania tepla

V snahe splniť požiadavky na odvod tepla s vyššou hustotou tepelného toku (ako sú vysokovýkonné-polovodičové laserové tyče), priemysel neustále skúma efektívnejšie technológie chladenia:

· Mikrokanálové chladenie: Fluidné kanály s veľkosťou desiatok až stoviek mikrónov sú vyrobené vo vnútri chladičov. V týchto malých kanálikoch prúdi chladiaca kvapalina a vďaka obrovskému špecifickému povrchu dosahuje mimoriadne-vysokú účinnosť výmeny tepla.

· Chladenie rozprašovaním: Chladiaca kvapalina je rozprášená na drobné kvapôčky a rozprašovaná priamo na povrch zdroja tepla. Masívne teplo sa odstraňuje nárazom kvapiek, šírením a zmenou fázy odparovania, pričom výkon rozptylu tepla ďaleko prevyšuje tradičné konvekčné chladenie.

· Termoelektrické chladenie (polovodičové chladenie): Na základe Peltierovho javu jednosmerný prúd spôsobuje, že jedna strana polovodičového termočlánku absorbuje teplo a druhá uvoľňuje teplo, čím sa realizuje presné lokálne aktívne riadenie teploty. Bežne sa používa na bodové ovládanie teploty malých-zariadení.

· Fázová-zmena chladenia: Teplo sa rozptýli využitím vlastnosti, že materiály (určité kovy alebo tekutiny) absorbujú počas fázového prechodu veľké množstvo latentného tepla.

Tieto pokročilé technológie poskytujú vyšší výkon pri odvádzaní tepla a kompaktnejšiu štruktúru, napriek tomu sa vyznačujú komplexným remeselným spracovaním a relatívne vysokými nákladmi.

Záver

Stručne povedané, lasery využívajú širokú škálu riešení na odvádzanie tepla, ktoré tvoria kompletný technický systém od jednoduchého prirodzeného chladenia až po sofistikované kompresorové chladenie a rôzne pokročilé technológie vysokoúčinného chladenia. V praktických aplikáciách sa optimálne riešenie vyberie na základe komplexného zváženia výkonu lasera, konštrukčného tvaru, požiadaviek na výkon, prevádzkového prostredia a rozpočtu. Keďže laserová technológia sa vyvíja smerom k vyššiemu výkonu, vyššiemu jasu a menšej veľkosti, vývoj efektívnejších, kompaktnejších a spoľahlivejších riešení na odvádzanie tepla zostane dôležitou témou výskumu v laserovom priemysle a základnou zárukou na podporu rozsiahleho použitia laserov v rôznych oblastiach.