Quan feu servir un làser, només una part de l'energia elèctrica proporcionada pel controlador làser es converteix en energia lluminosa. La resta es converteix en energia tèrmica, i l'acumulació d'energia tèrmica presenta una sèrie de problemes per al sistema làser en general i el làser en particular.
En la vostra configuració làser, el sistema de control de temperatura s'encarrega de gestionar la calor generada pel funcionament del làser. A més del controlador de temperatura, la selecció acurada d'un muntatge làser adequat per a l'aplicació és fonamental per a un sistema làser robust.
En última instància, la preocupació més urgent pel que fa al control de la temperatura és que les variacions de temperatura poden afectar la qualitat del làser, especialment la longitud d'ona. Si no es controla, el sobreescalfament també pot danyar la cara emissora del làser, reduint la qualitat i la quantitat de llum produïda.
Les dues estratègies bàsiques per dissipar la calor generada pels làsers s'anomenen refrigeració passiva i refrigeració activa. A més, aquest article descriu mètodes de gestió tèrmica no tradicionals per a aplicacions i aplicacions d'alta potència que requereixen muntatges làser escalfats.
Refrigeració passiva
Els dissipadors de calor passius condueixen la calor lluny del làser i la dissipen a l'aire ambient (figura 1). Com que aquest tipus de muntatge làser és simplement un gran dissipador de calor, la temperatura del muntatge i la temperatura del làser augmentaran inevitablement. Els suports làser refrigerats passivament estan dissenyats perquè l'augment de la temperatura es produeixi de manera gradual i previsible.
El rendiment tèrmic d'aquest muntatge es classifica com a resistència tèrmica, en "CN Aquesta qualificació indica la quantitat d'augment de temperatura a la montura làser per cada watt de calor residual generat pel làser, en graus centígrads.
Un ventilador millorarà el rendiment tèrmic d'un muntatge làser refrigerat passivament. Normalment, els fabricants proporcionen classificacions per a muntatges làser amb i sense ventiladors auxiliars. Fins i tot amb els ventiladors, el rendiment i el rang de potència dels dissipadors de calor passius es limita a aplicacions de baixa o mitjana potència o aplicacions on s'accepten temperatures de funcionament més altes.
Refrigeració activa
La refrigeració activa és un enfocament més complet i complex de la gestió tèrmica. Un dispositiu anomenat refrigerador Peltier està integrat al suport làser o directament al paquet làser,
Un dispositiu Peltier, també conegut com a refrigerador termoelèctric (TEC), és una ceràmica petita, plana i tèrmicament conductora, que utilitza l'energia subministrada per un controlador de temperatura per refredar una de les seves superfícies mentre escalfa la superfície oposada. El suport làser és responsable d'actuar com a dissipador de calor en un costat del dispositiu Peltier. L'altra cara del dispositiu Peltier s'aplica a una placa freda d'alumini o coure que entra en contacte amb la carcassa del paquet làser.
Per completar el bucle de control, un sensor de temperatura proporciona un senyal de retroalimentació al controlador de temperatura, que regula l'alimentació subministrada al dispositiu Peltier. En molts casos, el suport làser també estarà equipat amb un ventilador per maximitzar el rendiment tèrmic.
El rendiment tèrmic d'un muntatge làser refrigerat activament s'anomena capacitat tèrmica i està valorat en watts. Aquesta qualificació indica la quantitat de potència tèrmica que la montura làser pot absorbir mentre manté una temperatura estable. Aquesta qualificació s'aplica generalment quan la temperatura de la placa freda de la muntura coincideix amb la temperatura ambient. Per a distància, els fabricants sovint poden proporcionar corbes de rendiment tèrmic en funció de la temperatura de la placa.
Val la pena assenyalar que els muntatges làser equipats amb dispositius Peltier es podran escalfar i refredar. Això permet una estabilització i temps de resposta més ràpids. A més, si esteu caracteritzant el rendiment d'un dispositiu LED o làser, aquesta característica també pot permetre que el sistema sigui estable tant per sobre com per sota de la temperatura ambient. Com que la longitud d'ona de sortida està relacionada amb la temperatura del làser, això també proporciona una manera convenient de controlar amb precisió el rendiment òptic del làser.
Consideracions funcionals per a la selecció del muntatge
Més enllà de la qüestió bàsica de la capacitat tèrmica adequada, hi ha tres àrees funcionals que afecten la utilitat d'una muntura làser. Aquests són la conductivitat tèrmica, la flexibilitat de l'arnès i el muntatge mecànic del làser.
La conductivitat tèrmica de la montura làser, especialment la placa freda, és un aspecte important del disseny. Tot i que l'alumini és adequat per a algunes aplicacions, el material preferit per a la placa freda és el coure. El coure té millors propietats tèrmiques que altres materials i proporcionarà una temperatura més uniforme a la placa freda.
Per a una versatilitat òptima, tingueu en compte la flexibilitat del cablejat integrat al suport i, per extensió, al controlador làser i al controlador de temperatura. Idealment, el fabricant hauria de proporcionar cables estàndard prefabricats des de l'instrument fins al suport del làser. Quan es connecta làser a làser, la connexió ha de ser fàcil de fer i canviar, utilitzant terminals de cable o algun altre mètode senzill. Les connexions soldades o els connectors que requereixen un temps de configuració extens són menys desitjables.
El mateix principi s'aplica a la connexió mecànica entre el làser i el suport. No cal dir que aquesta connexió hauria de proporcionar una bona interfície tèrmica. A més, hauria de proporcionar una connexió fàcilment desconnectable i un grau de versatilitat per a una varietat de paquets làser. Alguns fabricants oferiran plaques fredes personalitzables que us permetran especificar el patró de forats de muntatge desitjat.
Sistemes d'alta potència
Més enllà dels suports làser amb ventiladors integrats i refrigeradors Peltier, gestionar nivells més alts de sortida tèrmica es fa més difícil. Si un muntatge refrigerat per aire resulta insuficient, la següent opció és un muntatge refrigerat per aigua (figura 3). L'aigua augmenta molt la capacitat de calor a costa de la complexitat i la capacitat de resposta.
Tot i que les plaques refrigerades per aigua són efectives per transferir grans quantitats de calor, hi ha diversos inconvenients. En primer lloc, el punt de consigna de temperatura ha d'estar entre els punts d'ebullició i de congelació de l'aigua. En segon lloc, els sistemes d'aigua requereixen refrigeradors, bombes, muntatges làser personalitzats i fontaneria, cosa que augmentarà el temps i el cost de la configuració. En tercer lloc, alguns sistemes d'aigua poden tenir un marge d'error d'unes dècimes de grau i no reaccionen ràpidament als canvis de temperatura. Això pot no ser adequat per a aplicacions d'alta precisió.
Per millorar la precisió dels sistemes d'aigua, funcionen bé els sistemes híbrids que combinen TEC amb muntatges làser refrigerats per aigua. Aquest sistema es basa en el TEC per a un control fi de la temperatura i utilitza un sistema de refrigeració per aigua per dissipar ràpidament la calor. Aquest enfocament és comú en aplicacions làser d'alta potència que requereixen una bona estabilitat de temperatura.
Sistemes d'alta temperatura
Com s'ha esmentat anteriorment en aquest article, les capacitats de calefacció d'un dispositiu Peltier poden ser útils si esteu caracteritzant el rendiment d'un dispositiu en un rang de temperatures o treballant amb aplicacions que requereixen temperatures més altes, com ara LED. Les temperatures de muntatge més altes requereixen diferents tipus de sensors de temperatura i TEC adequats per al funcionament a alta temperatura, així que discutiu la vostra aplicació amb el fabricant del muntatge làser. Alguns muntatges làser també contenen escalfadors resistius, tot i que aquesta disposició només és adequada per a aplicacions només de calefacció. En aquest cas, mentre el controlador de temperatura pugui alimentar l'escalfador resistiu, la resta del sistema de gestió tèrmica pot romandre sense canvis.
Conclusió
Escollir el suport adequat per al vostre sistema làser estalviarà temps i esforç alhora que millorarà el rendiment general. A més de decidir utilitzar la refrigeració passiva o activa, presteu especial atenció a altres característiques del suport làser. La facilitat d'instal·lació, les connexions elèctriques flexibles i la bona selecció del material són factors importants a tenir en compte. Al final, el millor curs d'acció pot ser trucar directament al fabricant i fer preguntes sobre el rendiment de la muntura per a la seva aplicació específica.
Reimprès de: Photon Bit
Nota: els drets d'autor de l'article pertanyen a l'autor original. Aquest article només té finalitats de comunicació i aprenentatge. Si hi ha cap problema amb els drets d'autor, si us plau, feu-nos-ho saber i ho tractarem de manera oportuna.
