激光操作：溫度控制和安裝選擇

當您操作激光器時，激光驅動器提供的電力中只有一部分轉化為光能。其余部分轉化為熱能，熱能的積聚給整個激光系統(tǒng)，特別是激光器帶來了許多問題。

在您的激光器設置中，溫度控制系統(tǒng)負責管理激光器運行產(chǎn)生的熱量。除了溫度控制器之外，仔細選擇適合應用的激光支架對于堅固的激光系統(tǒng)至關重要。

最終，關于溫度控制最緊迫的問題是溫度變化會影響激光質量，特別是波長。如果不加以控制，過熱也可能損壞激光器的發(fā)光面，降低產(chǎn)生的光的質量和數(shù)量。

耗散激光產(chǎn)生的熱量的兩種基本策略稱為被動冷卻和主動冷卻。此外，本文將介紹用于高功率應用和需要加熱激光器安裝的應用的非傳統(tǒng)熱管理方法。

圖1 被動冷卻激光支架的剖面和熱流

被動冷卻

被動散熱器將熱量從激光器中傳導出去，并將其消散到環(huán)境空氣中（圖1）。因為這種類型的激光器支架只是一個大的散熱片，所以支架溫度和激光器的溫度不可避免地會升高。被動冷卻激光器支架的設計使溫度升高以漸進和可預測的方式發(fā)生。

這種支架的熱性能被額定為熱阻，單位為°C/W。該額定值表示激光支架在激光產(chǎn)生的每瓦廢熱的熱平衡下溫度升高的量，單位為攝氏度。

風扇將提高被動冷卻激光器支架的熱性能。通常，制造商會提供帶和不帶輔助風扇的激光器支架的額定值。即使有風扇，無源散熱器的性能和功率范圍也僅限于中低功率應用，或可接受更高工作溫度的應用。

主動冷卻

主動冷卻是一種更全面、也更復雜的熱管理方法。一種稱為珀爾帖冷卻器的裝置，內置于激光器支架或直接內置于激光器封裝中，用于冷卻激光器（圖2）。

圖2:主動冷卻激光器支架中的溫度控制回路響應

珀爾帖裝置，也稱為熱電冷卻器（TEC），是一種小型、扁平、導熱的陶瓷，它使用溫度控制器提供的電力來冷卻其一個表面，同時加熱相對的表面。激光器支架負責充當珀爾帖裝置一側的散熱器。珀爾帖裝置的另一側應用于與激光器封裝外殼接觸的鋁或銅冷板。

為了完成控制回路，溫度傳感器向溫度控制器提供反饋信號，溫度控制器調節(jié)提供給珀爾帖裝置的功率。在許多情況下，激光器支架還將配備風扇，以最大限度地提高熱性能。

主動冷卻激光器支架的熱性能稱為熱容量，額定功率為瓦。該額定值表示激光器支架在保持穩(wěn)定溫度的同時可以吸收的熱功率量。當?shù)鬃睦浒鍦囟扰c環(huán)境溫度相匹配時，通常適用此額定值。對于遠離環(huán)境的安裝溫度，制造商通?？梢蕴峁┳鳛榘鍦囟群瘮?shù)的熱性能曲線。

值得注意的是，配備珀爾帖裝置的激光支架將能夠加熱和冷卻。這允許更快的穩(wěn)定和響應時間。此外，如果您正在表征LED或激光設備的性能，此功能還可以使系統(tǒng)在環(huán)境溫度以上和以下保持穩(wěn)定。由于輸出波長與激光器溫度相關，這也為精確控制激光器的光學性能提供了一種方便的方法。

安裝選擇的功能考慮因素

除了足夠的熱容量這一基本問題外，還有三個功能領域會影響激光支架的實用性。這些是熱導率、線束的靈活性和激光器的機械安裝。

激光器支架，特別是冷板的導熱性是一個重要的設計方面。雖然鋁對于某些應用來說已經(jīng)足夠了，但冷板的優(yōu)選材料是銅。銅的熱性能優(yōu)于其他材料，并將在整個冷板上提供更均勻的溫度。

為了獲得最佳的多功能性，請考慮內置在支架中的線束的靈活性，并進一步擴展到激光驅動器和溫度控制器中。理想情況下，制造商應提供從儀器到激光器支架的標準預制電纜。激光器與激光器對接時，連接應易于建立和更改，使用螺絲端子或其他一些簡單的方法。焊接連接或需要大量設置時間的連接器不太可取。

同樣的原理也適用于激光器和支架之間的機械連接。這種連接應該提供良好的熱接口，這是不言而喻的。此外，它應該為各種激光封裝提供易于斷開的連接和一定程度的通用性。一些制造商將提供可定制的冷板，允許您指定所需的安裝孔圖案。

大功率系統(tǒng)

除了帶有集成風扇和珀爾帖冷卻器的激光支架外，管理更高的熱輸出水平變得更加具有挑戰(zhàn)性。如果風冷安裝被證明是不夠的，那么下一個選擇是水冷安裝（圖3）。水以復雜性和響應性為代價，大大提高了熱容量。

圖3 水冷式高功率激光器支架的布局

雖然水冷板在傳遞大量熱量方面是有效的，但存在幾個缺點。首先，你的溫度設定點必須在水的沸點和冰點之間。其次，水系統(tǒng)需要冷卻器、泵、定制的激光支架和管道，這將增加設置時間和成本。第三，一些水系統(tǒng)的誤差范圍可能為十分之幾度，對溫度變化反應不快。這可能不適合高精度應用。

為了提高水系統(tǒng)的精度，將TEC與水冷激光支架相結合的混合系統(tǒng)效果良好。該系統(tǒng)依靠TEC進行精細的溫度控制，并使用水冷系統(tǒng)快速散熱。這種方法在需要良好溫度穩(wěn)定性的高功率激光器應用中很常見。

高溫系統(tǒng)

正如本文前面提到的，如果你正在表征一個設備在不同溫度范圍內的性能，或者處理需要更高溫度的應用程序，如LED，珀爾帖設備的加熱能力可能會很有用。更高的安裝溫度需要不同類型的溫度傳感器和適用于高溫操作的TEC，因此請與激光安裝制造商討論您的應用。一些激光器支架還包含電阻加熱器，盡管這種布置顯然只適用于僅加熱的應用。在這種情況下，只要溫度控制器能夠為電阻加熱器供電，熱管理系統(tǒng)的其余部分就可以保持不變。

結束語

為您的激光系統(tǒng)選擇合適的支架將節(jié)省時間和精力，同時提高整體性能。除了決定使用被動或主動冷卻外，還要特別注意激光支架的其他功能。易于安裝、靈活的電氣連接和良好的材料選擇是需要考慮的重要因素。最后，最好的做法可能是直接致電制造商，詢問有關其特定應用的安裝性能的問題。