01 Abstrakts

Darbības laikā, kad elektriskā enerģija vai cita veida enerģija lāzerā tiek pārvērsta gaismas enerģijā, neizbēgami rodas liels siltuma daudzums. Ja šādu siltumu nevar izkliedēt savlaicīgi un efektīvi, paaugstināsies lāzera temperatūra, kas negatīvi ietekmēs tā izejas jaudu, staru kūļa kvalitāti un viļņa garuma stabilitāti. Smagos gadījumos lāzera mikroshēma un iekšējie optiskie komponenti var pat tikt bojāti. Tāpēc efektīva un uzticama siltuma izkliedēšana ir viena no galvenajām tehnoloģijām, lai nodrošinātu lāzeru stabilu darbību un pagarinātu kalpošanas laiku. Nepārtraukti palielinoties lāzera jaudai un paplašinot pielietojuma jomas, arī siltuma izkliedes tehnoloģijas tiek nepārtraukti attīstītas un jauninājumi. Šajā rakstā ir aprakstītas galvenās lāzeru siltuma izkliedes metodes un to raksturlielumi.

02 Pētniecības priekšvēsture

1960.–1970. gads

Lāzera izstrādes sākumposmā izejas jauda parasti bija zema (vatu līmenis vai zemāks). Šajā periodā galvenokārt tika izmantota dabiskā konvekcija un starojuma siltuma izkliede ar vienkāršu un uzticamu struktūru. Tā kā nepārtrauktu -viļņu (CW) gāzes lāzeru (piemēram, CO₂ lāzeru) un agrīno cietvielu-lāzeru jauda palielinājās līdz desmitiem vatu, pakāpeniski tika izmantota vienkārša piespiedu gaisa dzesēšana. Lāzera apvalkā tika uzstādīti ventilatori, lai noņemtu siltumu ar piespiedu gaisa konvekciju, iezīmējot siltuma izkliedes tehnoloģijas pirmo soli no pasīvās uz aktīvo dzesēšanu.

1980.–1990. gads

Cirkulācijas ūdens dzesēšanas sistēmas kļuva par standarta konfigurāciju lieljaudas{0}}lāzeriem šajā laikmetā. Pētījumi koncentrējās uz aukstuma plākšņu plūsmas kanālu dizaina optimizēšanu, ūdens kvalitātes uzlabošanu (piemēram, dejonizēta ūdens), lai novērstu katlakmens veidošanos un koroziju, un augstas -efektivitātes ārējo siltummaiņu (piemēram, dzesēšanas torņu un sauso dzesētāju) izstrādi. Tikmēr precīzas temperatūras kontroles sistēmas ar kompresoru dzesēšanu tika izmantotas temperatūras{6}}jutīgiem pusvadītāju sūkņu avotiem un zinātniskiem{7}lāzeriem, kuriem nepieciešams zems trokšņa līmenis.

No 2000. gada līdz mūsdienām

Pētniecības fronte ir pārgājusi uz efektīvākām{0}}fāzu dzesēšanas tehnoloģijām:

Dzesēšana ar izsmidzināšanu: dzesēšanas šķidrums tiek izsmidzināts un izsmidzināts uz siltuma avota virsmas, lai noņemtu milzīgu siltumu ar pilienu triecienu un latento fāzes maiņas siltumu; laboratorijās ir sasniegta siltuma izkliedes jauda, ​​kas pārsniedz 1000 W/cm².

Mikrokanālu vārīšanās dzesēšana: kontrolēta dzesēšanas šķidruma fāzes maiņa (vārīšanās) tiek inducēta mikrokanālos, kas ievērojami uzlabo siltuma izkliedes robežu, izmantojot latento iztvaikošanas siltumu.

03 Siltuma izkliedes metodes

lDabiskā dzesēšana

Tā ir vienkāršākā un uzticamākā siltuma izkliedes metode, kas balstās uz dabisko konvekciju un termisko starojumu starp lāzera apvalku un apkārtējo gaisu. Tam nav nepieciešama ārēja barošanas ierīce, tas nerada troksni un tai nepieciešama minimāla apkope. Tomēr tā siltuma izkliedes jauda ir ierobežota, un tā ir piemērojama tikai mazjaudas lāzeriem ar zemu siltuma ražošanu.

lGaisa dzesēšana

Ventilatori piespiež gaisu plūst caur lāzera dzesēšanas ribām vai siltuma izlietnēm, lai ievērojami uzlabotu siltuma izkliedes efektivitāti, izmantojot piespiedu konvekciju. Salīdzinoši vienkāršajai struktūrai un zemajām izmaksām tas ir piemērots vidējas un lielas jaudas{1}}lāzeriem. Tā trūkumi ietver ventilatora troksni, putekļu uzkrāšanos un ierobežotu ventilatora kalpošanas laiku.

lŪdens dzesēšana

Cirkulējošais dzesēšanas šķidrums (parasti dejonizēts ūdens vai ūdens un etilēnglikola maisījums) plūst caur ūdens kanāliem vai aukstuma plāksnēm ciešā saskarē ar siltuma avotiem, lai aizvadītu siltumu. Ūdens dzesēšanas sistēmām ir īpaši-augsta siltuma izkliedes jauda un augsta temperatūras kontroles precizitāte, kas var efektīvi uzturēt stabilu lāzera galveno komponentu temperatūru. Tos plaši izmanto lielas-jaudas un lielas{4}}enerģijas lāzersistēmās. Trūkumi ir sarežģīts sistēmas sastāvs (nepieciešami ūdens sūkņi, ūdens tvertnes, cauruļvadi un ārējās dzesēšanas iekārtas, piemēram, sausie dzesētāji vai dzesēšanas torņi), augstās uzturēšanas izmaksas un iespējamie ūdens noplūdes riski.

lKompresora dzesēšana

Izmantojot to pašu darbības principu kā sadzīves gaisa kondicionētājiem un ledusskapjiem, kompresori virza aukstumaģenta cirkulāciju, lai absorbētu siltumu no lāzera dzesēšanas kontūras iztvaicētājos un realizētu aktīvo dzesēšanu. Šī metode var pazemināt lāzera darba temperatūru zem apkārtējās vides temperatūras un nodrošināt ārkārtīgi stabilu zemas-temperatūras dzesēšanas vidi. Tas ir īpaši piemērots temperatūras-jutīgiem pusvadītāju lāzeriem un lietojuma scenārijiem ar īpaši augstām stabilitātes prasībām. Tam ir vissarežģītākā struktūra, liels apjoms, augsts enerģijas patēriņš un visaugstākās izmaksas.

Uzlabotas siltuma izkliedes tehnoloģijas

Lai risinātu siltuma izkliedes problēmas, ko rada lielāka siltuma plūsmas blīvums (piemēram, lieljaudas{0}}pusvadītāju lāzera stieņi), nozare turpina pētīt efektīvākas dzesēšanas tehnoloģijas.

· Mikrokanālu dzesēšana: Šķidruma kanāli, kuru izmērs ir no desmitiem līdz simtiem mikronu, ir izgatavoti siltuma izlietnēs. Dzesēšanas šķidrums plūst šajos mazajos kanālos, panākot īpaši-augstu siltuma apmaiņas efektivitāti milzīgās īpatnējās virsmas dēļ.

· Izsmidzināma dzesēšana: Dzesēšanas šķidrums tiek izsmidzināts sīkos pilienos un izsmidzināts tieši uz siltuma avota virsmas. Milzīgs siltums tiek noņemts ar pilienu triecienu, izkliedi un iztvaikošanas fāzes maiņu, un siltuma izkliedes veiktspēja ievērojami pārsniedz tradicionālo konvekcijas dzesēšanu.

· Termoelektriskā dzesēšana (pusvadītāju dzesēšana): Balstoties uz Peltjē efektu, līdzstrāva liek vienai pusvadītāju termopila pusei absorbēt siltumu, bet otrai izdalīt siltumu, realizējot precīzu lokālo aktīvās temperatūras kontroli. To parasti izmanto, lai kontrolētu punktu temperatūru mazās -barošanas ierīcēs.

· Fāze{0}}mainīt dzesēšanu: Siltums tiek izkliedēts, izmantojot īpašību, ka materiāli (noteikti metāli vai šķidrumi) absorbē lielu daudzumu latenta siltuma fāzes pārejas laikā.

Šīs uzlabotās tehnoloģijas nodrošina augstāku siltuma izkliedes veiktspēju un kompaktāku struktūru, tomēr tām ir sarežģīta meistarība un salīdzinoši augstas izmaksas.

Secinājums

Rezumējot, lāzeri izmanto plašu siltuma izkliedes risinājumu klāstu, veidojot pilnīgu tehnisko sistēmu no vienkāršas dabiskās dzesēšanas līdz sarežģītai kompresoru dzesēšanai un dažādām progresīvām augstas -efektivitātes dzesēšanas tehnoloģijām. Praktiskajos lietojumos optimālo risinājumu izvēlas, pamatojoties uz vispusīgu lāzera jaudas, konstrukcijas formas, veiktspējas prasību, darbības vides un budžeta apsvērumiem. Lāzertehnoloģijām attīstoties lielākai jaudai, lielākam spilgtumam un mazākam izmēram, efektīvāku, kompaktāku un uzticamāku siltuma izkliedes risinājumu izstrāde joprojām būs svarīga pētniecības tēma lāzeru industrijā un galvenā garantija, lai veicinātu plašu lāzeru pielietojumu dažādās jomās.