01 Abstraktne

Töö ajal, kui elektrienergia või muud energiavormid muundatakse laseris valgusenergiaks, tekib paratamatult suur hulk soojust. Kui sellist soojust ei saa õigeaegselt ja tõhusalt hajutada, tõuseb laseri temperatuur, mis mõjutab negatiivselt selle väljundvõimsust, kiire kvaliteeti ja lainepikkuse stabiilsust. Rasketel juhtudel võivad laserkiip ja sisemised optilised komponendid isegi kahjustuda. Seetõttu on tõhus ja usaldusväärne soojuse hajutamine üks võtmetehnoloogiaid, mis tagab laserite stabiilse jõudluse ja pikendab nende kasutusiga. Laseri võimsuse pideva suurenemise ja rakendusalade laienemisega arenevad ja uuendused läbi ka soojuse hajumise tehnoloogiad. Selles artiklis tutvustatakse laserite peamisi soojuse hajumise meetodeid ja nende omadusi.

02 Uurimise taust

Aasta 1960–1970

Laseri arendamise varases staadiumis oli väljundvõimsus üldiselt madal (vati tase või alla selle). Sel perioodil kasutati peamiselt loomulikku konvektsiooni ja kiirgussoojuse hajumist, millel oli lihtne ja töökindel struktuur. Kuna pidevlaine (CW) gaaslaserite (nt CO₂ laserite) ja varajaste tahkis{3}laserite võimsus tõusis kümnete vattideni, rakendati järk-järgult lihtsat sundõhujahutust. Laserkestale paigaldati ventilaatorid soojuse eemaldamiseks sundõhu konvektsiooni abil, mis tähistab esimest sammu soojuse hajumise tehnoloogias passiivsest jahutusest aktiivsele jahutamisele.

Aasta 1980–1990

Ringlusvesijahutussüsteemid said sellel ajastul suure võimsusega{0}}laserite standardkonfiguratsiooniks. Teadusuuringud keskendusid külmaplaatide voolukanalite kujunduse optimeerimisele, vee kvaliteedi parandamisele (nt deioniseeritud vesi), et vältida katlakivi tekkimist ja korrosiooni, ning suure -tõhusate välissoojusvahetite (nt jahutustornid ja kuivjahutid) väljatöötamisele. Vahepeal rakendati täppistemperatuuri reguleerimissüsteeme koos kompressorjahutusega temperatuuritundlikele pooljuhtpumbaallikatele ja madala müratasemega teadusliku kvaliteediga -laseritele.

Aastast 2000 kuni praeguseni

Teadustöö eesliin on nihkunud tõhusamatele faasi{0}}jahutustehnoloogiatele.

Pihustusjahutus: jahutusvedelik pihustatakse ja pihustatakse soojusallika pinnale, et eemaldada massiivne kuumus tilgalöögi ja faasimuutuse latentse soojuse kaudu; laborites on saavutatud soojuseraldusvõime üle 1000 W/cm².

Mikrokanaliga keev jahutamine: jahutusvedeliku kontrollitud faasimuutus (keemine) indutseeritakse mikrokanalites, mis parandab oluliselt soojuse hajumise piiri, kasutades ära latentse aurustumissoojuse.

03 Soojuse hajutamise meetodid

Looduslik jahutus

See on lihtsaim ja usaldusväärseim soojuse hajutamise meetod, mis põhineb loomulikul konvektsioonil ja soojuskiirgusel laserkesta ja ümbritseva õhu vahel. See ei vaja välist toiteseadet, ei tekita müra ja vajab minimaalset hooldust. Selle soojuseraldusvõime on aga piiratud ja see on kasutatav ainult väikese-võimsusega laserite puhul, mille soojust genereeritakse.

Õhkjahutus

Ventilaatorid sunnivad õhku voolama läbi laseri jahutusribide või jahutusradiaatorite, et sundkonvektsiooni kaudu soojuse hajumise efektiivsust oluliselt parandada. Suhteliselt lihtsa struktuuri ja madala hinnaga sobib see keskmise ja suure võimsusega{1}}laserite jaoks. Selle puudused hõlmavad ventilaatori müra, tolmu kogunemist ja ventilaatori piiratud kasutusiga.

Vesijahutus

Tsirkuleeriv jahutusvedelik (tavaliselt deioniseeritud vesi või vee ja etüleenglükooli segu) voolab soojuse ära kandmiseks läbi veekanalite või külmaplaatide, mis on tihedas kontaktis soojusallikatega. Vesijahutussüsteemidel on üli-kõrge soojuseraldusvõime ja kõrge temperatuuri reguleerimise täpsus, mis võimaldab tõhusalt hoida laseri tuumakomponentide stabiilset temperatuuri. Neid kasutatakse laialdaselt suure-võimsusega ja suure-energiaga lasersüsteemides. Puuduseks on süsteemi keerukas koostis (nõuab veepumpasid, veepaake, torustikke ja väliseid jahutusseadmeid, nagu kuivjahutid või jahutustornid), kõrged hoolduskulud ja võimalikud veelekke ohud.

Kompressori jahutus

Kasutades sama tööpõhimõtet nagu kodumajapidamises kasutatavad kliimaseadmed ja külmikud, käivitavad kompressorid külmutusagensi tsirkulatsiooni, et neelata aurustites laserjahutusringist soojust ja realiseerida aktiivne jahutus. See meetod võib langetada laseri töötemperatuuri ümbritsevast temperatuurist madalamale ja tagada äärmiselt stabiilse madala temperatuuriga jahutuskeskkonna. See sobib eriti hästi temperatuuri-tundlike pooljuhtlaserite ja ülikõrgete stabiilsusnõuetega rakenduste jaoks. Sellel on kõige keerulisem struktuur, suur maht, kõrge energiatarve ja kõrgeim hind.

Täiustatud soojuse hajumise tehnoloogiad

Suurema soojusvoo tihedusega (nt suure võimsusega{0}}pooljuhtlaservardad) seotud soojuse hajumise väljakutsetega tegelemiseks uurib tööstus jätkuvalt tõhusamaid jahutustehnoloogiaid.

· Mikrokanali jahutus: Kümnete kuni sadade mikronite suurused vedelikukanalid on valmistatud jahutusradiaatorite sees. Jahutusvedelik voolab nendes pisikestes kanalites, saavutades tänu tohutule eripinnale üli-kõrge soojusvahetuse efektiivsuse.

· Pihustusjahutus: Jahutusvedelik pihustatakse pisikesteks tilkadeks ja pihustatakse otse soojusallika pinnale. Massiivne soojus eemaldatakse tilkade löögi, levimise ja aurustumisfaasi muutuse kaudu, kusjuures soojuse hajumise jõudlus ületab tunduvalt traditsioonilist konvektsioonjahutust.

· Termoelektriline jahutus (pooljuhtjahutus): Peltieri efekti põhjal paneb alalisvool pooljuhttermopaagi ühe külje soojust neelama ja teise soojust eraldama, realiseerides täpse lokaalse aktiivse temperatuuri reguleerimise. Seda kasutatakse tavaliselt väikeste -toiteseadmete punktitemperatuuri reguleerimiseks.

· Jahutuse{0}}muutmine: Soojust hajutatakse, kasutades ära omadust, et materjalid (teatud metallid või vedelikud) neelavad faasisiirde ajal suurel hulgal varjatud soojust.

Need täiustatud tehnoloogiad tagavad suurema soojuse hajumise ja kompaktsema struktuuri, kuid neil on keerukas viimistlus ja suhteliselt kõrged kulud.

Järeldus

Kokkuvõtteks võib öelda, et laserid kasutavad laias valikus soojuse hajutamise lahendusi, moodustades tervikliku tehnilise süsteemi lihtsast loomulikust jahutusest kuni keeruka kompressorjahutuse ja erinevate täiustatud -tõhusate jahutustehnoloogiateni. Praktilistes rakendustes valitakse optimaalne lahendus laseri võimsuse, konstruktsioonivormi, jõudlusnõuete, töökeskkonna ja eelarve põhjalik kaalumisel. Kuna lasertehnoloogia areneb suurema võimsuse, suurema heledusega ja väiksemate mõõtmete suunas, jääb tõhusamate, kompaktsete ja töökindlamate soojuseralduslahenduste väljatöötamine laseritööstuses oluliseks uurimisteemaks ning põhitagatiseks laserite laialdase rakendamise edendamisel erinevates valdkondades.