激光操作：溫度控制和安裝選擇

當(dāng)您操作激光器時(shí)，激光驅(qū)動(dòng)器提供的電力中只有一部分轉(zhuǎn)化為光能。其余部分轉(zhuǎn)化為熱能，熱能的積聚給整個(gè)激光系統(tǒng)，特別是激光器帶來(lái)了許多問(wèn)題。

在您的激光器設(shè)置中，溫度控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理激光器運(yùn)行產(chǎn)生的熱量。除了溫度控制器之外，仔細(xì)選擇適合應(yīng)用的激光支架對(duì)于堅(jiān)固的激光系統(tǒng)至關(guān)重要。

最終，關(guān)于溫度控制最緊迫的問(wèn)題是溫度變化會(huì)影響激光質(zhì)量，特別是波長(zhǎng)。如果不加以控制，過(guò)熱也可能損壞激光器的發(fā)光面，降低產(chǎn)生的光的質(zhì)量和數(shù)量。

耗散激光產(chǎn)生的熱量的兩種基本策略稱為被動(dòng)冷卻和主動(dòng)冷卻。此外，本文將介紹用于高功率應(yīng)用和需要加熱激光器安裝的應(yīng)用的非傳統(tǒng)熱管理方法。

圖1 被動(dòng)冷卻激光支架的剖面和熱流

被動(dòng)冷卻

被動(dòng)散熱器將熱量從激光器中傳導(dǎo)出去，并將其消散到環(huán)境空氣中（圖1）。因?yàn)檫@種類型的激光器支架只是一個(gè)大的散熱片，所以支架溫度和激光器的溫度不可避免地會(huì)升高。被動(dòng)冷卻激光器支架的設(shè)計(jì)使溫度升高以漸進(jìn)和可預(yù)測(cè)的方式發(fā)生。

這種支架的熱性能被額定為熱阻，單位為°C/W。該額定值表示激光支架在激光產(chǎn)生的每瓦廢熱的熱平衡下溫度升高的量，單位為攝氏度。

風(fēng)扇將提高被動(dòng)冷卻激光器支架的熱性能。通常，制造商會(huì)提供帶和不帶輔助風(fēng)扇的激光器支架的額定值。即使有風(fēng)扇，無(wú)源散熱器的性能和功率范圍也僅限于中低功率應(yīng)用，或可接受更高工作溫度的應(yīng)用。

主動(dòng)冷卻

主動(dòng)冷卻是一種更全面、也更復(fù)雜的熱管理方法。一種稱為珀?duì)柼鋮s器的裝置，內(nèi)置于激光器支架或直接內(nèi)置于激光器封裝中，用于冷卻激光器（圖2）。

圖2:主動(dòng)冷卻激光器支架中的溫度控制回路響應(yīng)

珀?duì)柼b置，也稱為熱電冷卻器（TEC），是一種小型、扁平、導(dǎo)熱的陶瓷，它使用溫度控制器提供的電力來(lái)冷卻其一個(gè)表面，同時(shí)加熱相對(duì)的表面。激光器支架負(fù)責(zé)充當(dāng)珀?duì)柼b置一側(cè)的散熱器。珀?duì)柼b置的另一側(cè)應(yīng)用于與激光器封裝外殼接觸的鋁或銅冷板。

為了完成控制回路，溫度傳感器向溫度控制器提供反饋信號(hào)，溫度控制器調(diào)節(jié)提供給珀?duì)柼b置的功率。在許多情況下，激光器支架還將配備風(fēng)扇，以最大限度地提高熱性能。

主動(dòng)冷卻激光器支架的熱性能稱為熱容量，額定功率為瓦。該額定值表示激光器支架在保持穩(wěn)定溫度的同時(shí)可以吸收的熱功率量。當(dāng)?shù)鬃睦浒鍦囟扰c環(huán)境溫度相匹配時(shí)，通常適用此額定值。對(duì)于遠(yuǎn)離環(huán)境的安裝溫度，制造商通?？梢蕴峁┳鳛榘鍦囟群瘮?shù)的熱性能曲線。

值得注意的是，配備珀?duì)柼b置的激光支架將能夠加熱和冷卻。這允許更快的穩(wěn)定和響應(yīng)時(shí)間。此外，如果您正在表征LED或激光設(shè)備的性能，此功能還可以使系統(tǒng)在環(huán)境溫度以上和以下保持穩(wěn)定。由于輸出波長(zhǎng)與激光器溫度相關(guān)，這也為精確控制激光器的光學(xué)性能提供了一種方便的方法。

安裝選擇的功能考慮因素

除了足夠的熱容量這一基本問(wèn)題外，還有三個(gè)功能領(lǐng)域會(huì)影響激光支架的實(shí)用性。這些是熱導(dǎo)率、線束的靈活性和激光器的機(jī)械安裝。

激光器支架，特別是冷板的導(dǎo)熱性是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)方面。雖然鋁對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了，但冷板的優(yōu)選材料是銅。銅的熱性能優(yōu)于其他材料，并將在整個(gè)冷板上提供更均勻的溫度。

為了獲得最佳的多功能性，請(qǐng)考慮內(nèi)置在支架中的線束的靈活性，并進(jìn)一步擴(kuò)展到激光驅(qū)動(dòng)器和溫度控制器中。理想情況下，制造商應(yīng)提供從儀器到激光器支架的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制電纜。激光器與激光器對(duì)接時(shí)，連接應(yīng)易于建立和更改，使用螺絲端子或其他一些簡(jiǎn)單的方法。焊接連接或需要大量設(shè)置時(shí)間的連接器不太可取。

同樣的原理也適用于激光器和支架之間的機(jī)械連接。這種連接應(yīng)該提供良好的熱接口，這是不言而喻的。此外，它應(yīng)該為各種激光封裝提供易于斷開的連接和一定程度的通用性。一些制造商將提供可定制的冷板，允許您指定所需的安裝孔圖案。

大功率系統(tǒng)

除了帶有集成風(fēng)扇和珀?duì)柼鋮s器的激光支架外，管理更高的熱輸出水平變得更加具有挑戰(zhàn)性。如果風(fēng)冷安裝被證明是不夠的，那么下一個(gè)選擇是水冷安裝（圖3）。水以復(fù)雜性和響應(yīng)性為代價(jià)，大大提高了熱容量。

圖3 水冷式高功率激光器支架的布局

雖然水冷板在傳遞大量熱量方面是有效的，但存在幾個(gè)缺點(diǎn)。首先，你的溫度設(shè)定點(diǎn)必須在水的沸點(diǎn)和冰點(diǎn)之間。其次，水系統(tǒng)需要冷卻器、泵、定制的激光支架和管道，這將增加設(shè)置時(shí)間和成本。第三，一些水系統(tǒng)的誤差范圍可能為十分之幾度，對(duì)溫度變化反應(yīng)不快。這可能不適合高精度應(yīng)用。

為了提高水系統(tǒng)的精度，將TEC與水冷激光支架相結(jié)合的混合系統(tǒng)效果良好。該系統(tǒng)依靠TEC進(jìn)行精細(xì)的溫度控制，并使用水冷系統(tǒng)快速散熱。這種方法在需要良好溫度穩(wěn)定性的高功率激光器應(yīng)用中很常見。

高溫系統(tǒng)

正如本文前面提到的，如果你正在表征一個(gè)設(shè)備在不同溫度范圍內(nèi)的性能，或者處理需要更高溫度的應(yīng)用程序，如LED，珀?duì)柼O(shè)備的加熱能力可能會(huì)很有用。更高的安裝溫度需要不同類型的溫度傳感器和適用于高溫操作的TEC，因此請(qǐng)與激光安裝制造商討論您的應(yīng)用。一些激光器支架還包含電阻加熱器，盡管這種布置顯然只適用于僅加熱的應(yīng)用。在這種情況下，只要溫度控制器能夠?yàn)殡娮杓訜崞?a target="_blank">供電，熱管理系統(tǒng)的其余部分就可以保持不變。

結(jié)束語(yǔ)

為您的激光系統(tǒng)選擇合適的支架將節(jié)省時(shí)間和精力，同時(shí)提高整體性能。除了決定使用被動(dòng)或主動(dòng)冷卻外，還要特別注意激光支架的其他功能。易于安裝、靈活的電氣連接和良好的材料選擇是需要考慮的重要因素。最后，最好的做法可能是直接致電制造商，詢問(wèn)有關(guān)其特定應(yīng)用的安裝性能的問(wèn)題。