01 Resum

Durant el funcionament, quan l'energia elèctrica o altres formes d'energia es converteixen en energia lluminosa en un làser, inevitablement es genera una gran quantitat de calor. Si aquesta calor no es pot dissipar de manera oportuna i eficaç, la temperatura del làser augmentarà, cosa que afectarà negativament la seva potència de sortida, la qualitat del feix i l'estabilitat de la longitud d'ona. En casos greus, el xip làser i els components òptics interns fins i tot es poden danyar. Per tant, una dissipació de calor eficient i fiable és una de les tecnologies clau per garantir un rendiment estable i allargar la vida útil dels làsers. Amb l'augment continu de la potència del làser i l'expansió dels camps d'aplicació, les tecnologies de dissipació de calor també estan experimentant un desenvolupament i innovació contínues. Aquest article presenta els principals mètodes de dissipació de calor dels làsers i les seves característiques.

02 Antecedents de recerca

Any 1960–1970

En les primeres fases del desenvolupament del làser, la potència de sortida era generalment baixa (nivell de watts o inferior). La convecció natural i la dissipació de calor per radiació es van adoptar principalment durant aquest període, amb una estructura senzilla i fiable. A mesura que la potència dels làsers de gas-d'ona contínua (CW) (com ara els làsers de CO₂) i els primers làsers d'estat sòlid- va augmentar a desenes de watts, es va aplicar gradualment un simple refredament forçat per aire. Es van instal·lar ventiladors a la carcassa del làser per eliminar la calor mitjançant la convecció d'aire forçada, marcant el primer pas de la tecnologia de dissipació de calor de la refrigeració passiva a la refrigeració activa.

Any 1980–1990

Els sistemes de refrigeració d'aigua circulant es van convertir en la configuració estàndard per als làsers d'alta potència-en aquesta època. La investigació es va centrar a optimitzar el disseny del canal de flux de plaques fredes, millorar la qualitat de l'aigua (p. ex., aigua desionitzada) per evitar l'escala i la corrosió, i desenvolupar intercanviadors de calor externs d'alta -eficiència (com ara torres de refrigeració i refrigeradors secs). Mentrestant, es van aplicar sistemes de control de temperatura de precisió amb refrigeració per compressor a fonts de bombes de semiconductors sensibles a la temperatura-i làsers de grau-científic que requereixen baix soroll.

Any 2000 fins a l'actualitat

La frontera de la investigació s'ha desplaçat cap a tecnologies de refrigeració de canvi de fase-més eficients:

Refrigeració per polvorització: el líquid de refrigeració s'atomitza i s'aboca a la superfície de la font de calor per eliminar la calor massiva a través de l'impacte de gotes i la calor latent de canvi de fase; s'ha aconseguit una capacitat de dissipació de calor superior a 1000 W/cm² als laboratoris.

Refrigeració per ebullició de microcanals: el canvi de fase controlat (ebullició) del líquid de refrigeració s'indueix dins dels microcanals, la qual cosa millora molt el límit de dissipació de calor mitjançant la utilització de la calor latent de vaporització.

03 Mètodes de dissipació de calor

lRefredament natural

És el mètode de dissipació de calor més senzill i fiable, que es basa en la convecció natural i la radiació tèrmica entre la carcassa del làser i l'aire ambiental. No requereix cap dispositiu d'alimentació extern, no produeix soroll i necessita un manteniment mínim. Tanmateix, la seva capacitat de dissipació de calor és limitada i només s'aplica als làsers de baixa-potència amb poca generació de calor.

lRefrigeració per aire

Els ventiladors obliguen l'aire a fluir a través de les aletes de refrigeració o els dissipadors de calor del làser per millorar considerablement l'eficiència de dissipació de calor mitjançant la convecció forçada. Amb una estructura relativament senzilla i un cost baix, és adequat per a làsers de potència mitjana i alta-. Els seus desavantatges inclouen el soroll del ventilador, l'acumulació de pols i la vida útil limitada del ventilador.

lRefrigeració per aigua

El líquid refrigerant circulant (normalment aigua desionitzada o una barreja d'aigua i etilenglicol) flueix a través de canals d'aigua o plaques fredes en contacte estret amb fonts de calor per emportar-se la calor. Els sistemes de refrigeració d'aigua tenen una capacitat de dissipació de calor ultra-i una precisió de control de temperatura elevada, que poden mantenir de manera eficaç la temperatura estable dels components làser bàsics. S'utilitzen àmpliament en sistemes làser d'alta-potència i alta-energia. Els inconvenients són la complexa composició del sistema (que requereix bombes d'aigua, dipòsits d'aigua, canonades i equips de refrigeració externs, com ara refrigeradors secs o torres de refrigeració), costos de manteniment elevats i possibles riscos de fuites d'aigua.

lRefrigeració per compressor

Adoptant el mateix principi de funcionament que els aparells d'aire condicionat i refrigeradors domèstics, els compressors impulsen la circulació del refrigerant per absorbir la calor del circuit de refrigeració làser dels evaporadors i realitzar una refrigeració activa. Aquest mètode pot reduir la temperatura de funcionament del làser per sota de la temperatura ambient i proporcionar un ambient de refrigeració a baixa-temperatura extremadament estable. És especialment adequat per a làsers de semiconductors sensibles a la temperatura-i escenaris d'aplicació amb requisits d'estabilitat ultra-elevats. Té l'estructura més complexa, gran volum, alt consum d'energia i el cost més alt.

Tecnologies avançades de dissipació de calor

Per fer front als reptes de dissipació de calor d'una densitat de flux de calor més alta (com ara barres làser de semiconductors d'alta potència), la indústria continua explorant tecnologies de refrigeració més eficients:

· Refrigeració Microcanal: Els canals de fluids amb una mida de desenes a centenars de micres es fabriquen dins dels dissipadors de calor. El líquid de refrigeració flueix en aquests petits canals, aconseguint una eficiència d'intercanvi de calor ultra-a causa de la gran superfície específica.

· Refrigeració per aspersió: El líquid de refrigeració s'atomitza en petites gotetes i s'aboca directament a la superfície de la font de calor. La calor massiva s'elimina mitjançant l'impacte de gotes, la propagació i el canvi de fase evaporativa, amb un rendiment de dissipació de calor que supera amb escreix el refredament per convecció tradicional.

· Refrigeració Termoelèctrica (Refrigeració Semiconductor): Basat en l'efecte Peltier, el corrent continu fa que un costat de la termopila semiconductora absorbeixi calor i l'altre alliberi calor, aconseguint un control de temperatura actiu local precís. S'utilitza habitualment per al control puntual de la temperatura de dispositius de petit-potència.

· Canvi{0}}de fase Refrigeració: La calor es dissipa utilitzant la característica que els materials (certs metalls o fluids) absorbeixen una gran quantitat de calor latent durant la transició de fase.

Aquestes tecnologies avançades ofereixen un major rendiment de dissipació de calor i una estructura més compacta, però presenten una artesania complexa i costos relativament elevats.

Conclusió

En resum, els làsers adopten una àmplia gamma de solucions de dissipació de calor, formant un sistema tècnic complet, des de la simple refrigeració natural fins a la sofisticada refrigeració del compressor i diverses tecnologies avançades de refrigeració d'alta -eficiència. En aplicacions pràctiques, la solució òptima s'ha de seleccionar en funció de la consideració integral de la potència nominal del làser, la forma estructural, els requisits de rendiment, l'entorn operatiu i el pressupost. A mesura que la tecnologia làser es desenvolupa cap a una potència més gran, una brillantor més gran i una mida més petita, el desenvolupament de solucions de dissipació de calor més eficients, compactes i fiables seguirà sent un tema d'investigació important a la indústria del làser i una garantia bàsica per promoure l'aplicació àmplia dels làsers en diversos camps.