01 Santrauka

Eksploatacijos metu, kai elektros energija ar kitos energijos formos lazeriu paverčiamos šviesos energija, neišvengiamai susidaro didelis šilumos kiekis. Jei tokios šilumos nepavyks išsklaidyti laiku ir efektyviai, kils lazerio temperatūra, o tai neigiamai paveiks jo išėjimo galią, pluošto kokybę ir bangos ilgio stabilumą. Sunkiais atvejais lazerio lustas ir vidiniai optiniai komponentai gali būti net pažeisti. Todėl efektyvus ir patikimas šilumos išsklaidymas yra viena iš pagrindinių technologijų, užtikrinančių stabilų veikimą ir prailginantį lazerių tarnavimo laiką. Nuolat didėjant lazerio galiai ir plečiantis pritaikymo sritims, šilumos išsklaidymo technologijos taip pat nuolat tobulėja ir diegiamos. Šiame straipsnyje pristatomi pagrindiniai lazerių šilumos išsklaidymo būdai ir jų charakteristikos.

02 Tyrimo pagrindas

1960–1970 metai

Ankstyvajame lazerio kūrimo etape išėjimo galia paprastai buvo maža (vatų lygis arba mažesnis). Natūrali konvekcija ir spinduliuotės šilumos išsklaidymas daugiausia buvo pritaikytas šiuo laikotarpiu, pasižymintis paprasta ir patikima struktūra. Kadangi nuolatinių -bangų (CW) dujinių lazerių (pvz., CO₂ lazerių) ir ankstyvųjų kietojo kūno{3} lazerių galia padidėjo iki dešimčių vatų, palaipsniui buvo taikomas paprastas priverstinis oro aušinimas. Ant lazerio korpuso buvo sumontuoti ventiliatoriai, siekiant pašalinti šilumą per priverstinę oro konvekciją, o tai žymi pirmąjį šilumos išsklaidymo technologijos žingsnį nuo pasyvaus iki aktyvaus aušinimo.

1980–1990 metai

Šios eros cirkuliacinės vandens aušinimo sistemos tapo standartine didelės{0}}galios lazerių konfigūracija. Tyrimai buvo skirti optimizuoti šaltų plokščių srauto kanalų dizainą, pagerinti vandens kokybę (pvz., dejonizuoto vandens), kad būtų išvengta nuosėdų susidarymo ir korozijos, ir didelio efektyvumo išorinių šilumokaičių (tokių kaip aušinimo bokštai ir sausieji aušintuvai) kūrimui. Tuo tarpu tikslios temperatūros valdymo sistemos su kompresoriaus šaldymu buvo pritaikytos temperatūrai -jautriems puslaidininkinių siurblių šaltiniams ir mokslinio-klasio lazeriams, kuriems reikalingas mažas triukšmas.

Nuo 2000 metų iki dabar

Mokslinių tyrimų sritis perėjo prie efektyvesnių{0}}fazinių aušinimo technologijų:

Purškiamas aušinimas: aušinimo skystis purškiamas ir purškiamas ant šilumos šaltinio paviršiaus, kad būtų pašalinta didžiulė šiluma dėl lašelių poveikio ir latentinė fazės kaitos šiluma; laboratorijose buvo pasiektas šilumos išsklaidymo pajėgumas, viršijantis 1000 W/cm².

Mikrokanalų virimo aušinimas: kontroliuojamas aušinimo skysčio fazės pokytis (virimas) sukeliamas mikrokanaluose, o tai labai pagerina šilumos išsklaidymo ribą, panaudojant latentinę garavimo šilumą.

03 Šilumos išsklaidymo metodai

lNatūralus vėsinimas

Tai paprasčiausias ir patikimiausias šilumos išsklaidymo būdas, pagrįstas natūralia konvekcija ir termine spinduliuote tarp lazerio apvalkalo ir aplinkos oro. Jis nereikalauja išorinio maitinimo įrenginio, nekelia triukšmo ir reikalauja minimalios priežiūros. Tačiau jo šilumos išsklaidymo pajėgumas yra ribotas ir taikomas tik mažos-galios lazeriams, kurie generuoja mažai šilumos.

lOro aušinimas

Ventiliatoriai priverčia orą tekėti per lazerio aušinimo briaunas arba šilumnešius, kad per priverstinę konvekciją žymiai pagerintų šilumos išsklaidymo efektyvumą. Dėl palyginti paprastos struktūros ir mažos kainos jis tinka vidutinės ir didelės galios{1}}lazeriams. Jo trūkumai yra ventiliatoriaus triukšmas, dulkių kaupimasis ir ribotas ventiliatoriaus tarnavimo laikas.

lVandens aušinimas

Cirkuliuojantis aušinimo skystis (dažniausiai dejonizuotas vanduo arba vandens ir etilenglikolio mišinys) teka per vandens kanalus arba šaltas plokštes, glaudžiai kontaktuodamas su šilumos šaltiniais, kad pašalintų šilumą. Vandens aušinimo sistemos pasižymi itin-dideliu šilumos išsklaidymo pajėgumu ir aukšto temperatūros valdymo tikslumu, todėl gali veiksmingai palaikyti stabilią pagrindinių lazerio komponentų temperatūrą. Jie plačiai naudojami didelės-galios ir didelės{4}}energijos lazerinėse sistemose. Trūkumai yra sudėtinga sistemos sudėtis (reikalingi vandens siurbliai, vandens rezervuarai, vamzdynai ir išorinė aušinimo įranga, pvz., sausieji aušintuvai ar aušinimo bokštai), didelės priežiūros sąnaudos ir galimas vandens nutekėjimo pavojus.

lKompresoriaus šaldymas

Taikant tą patį veikimo principą kaip ir buitinių oro kondicionierių ir šaldytuvų, kompresoriai varo šaltnešio cirkuliaciją, kad sugertų šilumą iš garintuvų lazerinio aušinimo kontūro ir įgyvendintų aktyvų šaldymą. Šis metodas gali sumažinti lazerio veikimo temperatūrą žemiau aplinkos temperatūros ir užtikrinti itin stabilią žemos temperatūros aušinimo aplinką. Jis ypač tinka temperatūrai -jautriems puslaidininkiniams lazeriams ir pritaikymo scenarijams, kuriems taikomi itin aukšti stabilumo reikalavimai. Jis pasižymi sudėtingiausia struktūra, dideliu tūriu, dideliu energijos suvartojimu ir didžiausia kaina.

Pažangios šilumos išsklaidymo technologijos

Siekdama įveikti šilumos išsklaidymo iššūkius, susijusius su didesniu šilumos srauto tankiu (pvz.,{0}}didelės galios puslaidininkinių lazerinių strypų), pramonė nuolat tiria efektyvesnes aušinimo technologijas:

· Mikrokanalinis vėsinimas: Skysčių kanalai, kurių dydis yra nuo dešimčių iki šimtų mikronų, yra gaminami šilumos kriauklių viduje. Aušinimo skystis teka šiais mažais kanalais ir dėl didžiulio specifinio paviršiaus ploto pasiekiamas itin-didelis šilumos mainų efektyvumas.

· Purškiamas vėsinimas: Aušinimo skystis purškiamas į mažus lašelius ir purškiamas tiesiai ant šilumos šaltinio paviršiaus. Didžiulė šiluma pašalinama dėl lašelių poveikio, sklaidos ir garavimo fazės pasikeitimo, o šilumos išsklaidymo efektyvumas gerokai viršija tradicinį konvekcinį aušinimą.

· Termoelektrinis aušinimas (puslaidininkinis šaldymas): Remiantis Peltier efektu, nuolatinė srovė priverčia vieną puslaidininkinio termopolio pusę sugerti šilumą, o kitą išskiria šilumą, realizuojant tikslią vietinę aktyvią temperatūros valdymą. Jis dažniausiai naudojamas mažų -galios įrenginių taškinei temperatūrai valdyti.

· Fazės{0}}keitimas Aušinimas: Šiluma išsklaidoma naudojant savybę, kad medžiagos (tam tikri metalai ar skysčiai) sugeria didelį latentinės šilumos kiekį fazinio virsmo metu.

Šios pažangios technologijos užtikrina didesnį šilumos išsklaidymo efektyvumą ir kompaktiškesnę struktūrą, tačiau jos pasižymi sudėtingu meistriškumu ir gana didelėmis sąnaudomis.

Išvada

Apibendrinant galima pasakyti, kad lazeriai naudoja daugybę šilumos išsklaidymo sprendimų, sudarydami išbaigtą techninę sistemą nuo paprasto natūralaus aušinimo iki sudėtingo kompresoriaus šaldymo ir įvairių pažangių didelio{0}}efektyvumo aušinimo technologijų. Praktikoje optimalus sprendimas turi būti parenkamas visapusiškai įvertinus lazerio galią, konstrukcinę formą, veikimo reikalavimus, veikimo aplinką ir biudžetą. Lazerių technologijoms tobulėjant siekiant didesnės galios, didesnio ryškumo ir mažesnio dydžio, efektyvesnių, kompaktiškesnių ir patikimesnių šilumos išsklaidymo sprendimų kūrimas išliks svarbia lazerių pramonės tyrimų tema ir pagrindinė garantija, skatinanti platų lazerių taikymą įvairiose srityse.