عند تشغيل الليزر، يتم تحويل جزء فقط من الطاقة الكهربائية التي يوفرها محرك الليزر إلى طاقة ضوئية. ويتم تحويل الباقي إلى طاقة حرارية، ويؤدي تراكم الطاقة الحرارية إلى عدد من المشاكل لنظام الليزر بشكل عام والليزر بشكل خاص.
في إعدادات الليزر، يكون نظام التحكم في درجة الحرارة مسؤولاً عن إدارة الحرارة الناتجة عن تشغيل الليزر. بالإضافة إلى وحدة التحكم في درجة الحرارة، فإن الاختيار الدقيق لحامل الليزر المناسب للتطبيق أمر بالغ الأهمية لنظام ليزر قوي.
في النهاية، فإن أكثر ما يقلق بشأن التحكم في درجة الحرارة هو أن التغيرات في درجة الحرارة يمكن أن تؤثر على جودة الليزر، وخاصة الطول الموجي. وإذا لم يتم التحكم فيها، فإن ارتفاع درجة الحرارة يمكن أن يؤدي أيضًا إلى إتلاف الوجه المنبعث من الليزر، مما يقلل من جودة وكمية الضوء المنتج.
تُسمى الاستراتيجيتان الأساسيتان لتبديد الحرارة المتولدة عن الليزر بالتبريد السلبي والتبريد النشط. بالإضافة إلى ذلك، ستصف هذه المقالة طرق إدارة الحرارة غير التقليدية للتطبيقات عالية الطاقة والتطبيقات التي تتطلب حوامل ليزر ساخنة.
التبريد السلبي
تعمل مشعات الحرارة السلبية على توصيل الحرارة بعيدًا عن الليزر وتبددها في الهواء المحيط (الشكل 1). نظرًا لأن هذا النوع من حامل الليزر عبارة عن مشعات حرارية كبيرة، فإن درجة حرارة الحامل ودرجة حرارة الليزر سترتفع حتمًا. تم تصميم حوامل الليزر المبردة سلبيًا بحيث يحدث ارتفاع درجة الحرارة بطريقة تدريجية ويمكن التنبؤ بها.
يتم تصنيف الأداء الحراري لمثل هذا التركيب على أنه مقاومة حرارية، بـ "CN". يشير هذا التصنيف إلى مقدار الارتفاع في درجة الحرارة في تركيب الليزر لكل واط من الحرارة المهدرة التي يولدها الليزر، بالدرجات المئوية.
ستعمل المروحة على تحسين الأداء الحراري لحامل الليزر المبرد سلبيًا. عادةً، توفر الشركات المصنعة تصنيفات لحامل الليزر مع أو بدون مراوح مساعدة. حتى مع المراوح، يقتصر نطاق الأداء والطاقة لمبددات الحرارة السلبية على التطبيقات ذات الطاقة المنخفضة إلى المتوسطة، أو التطبيقات حيث تكون درجات حرارة التشغيل الأعلى مقبولة.
التبريد النشط
التبريد النشط هو نهج أكثر شمولاً وتعقيدًا لإدارة الحرارة. يتم دمج جهاز يسمى مبرد Peltier في حامل الليزر أو مباشرة في حزمة الليزر،
جهاز Peltier، المعروف أيضًا باسم المبرد الحراري الكهربائي (TEC)، عبارة عن سيراميك صغير ومسطح وموصل للحرارة، يستخدم الطاقة التي يوفرها جهاز التحكم في درجة الحرارة لتبريد أحد أسطحه أثناء تسخين السطح المقابل. حامل الليزر مسؤول عن العمل كمشتت حراري على أحد جانبي جهاز Peltier. يتم وضع الجانب الآخر من جهاز Peltier على صفيحة باردة من الألومنيوم أو النحاس تلامس غلاف حزمة الليزر.
ولإكمال حلقة التحكم، يوفر مستشعر درجة الحرارة إشارة تغذية مرتدة إلى وحدة التحكم في درجة الحرارة، والتي تنظم الطاقة المقدمة لجهاز Peltier. وفي العديد من الحالات، سيتم تجهيز حامل الليزر أيضًا بمروحة لتعظيم الأداء الحراري.
يُطلق على الأداء الحراري لحامل الليزر المبرد بنشاط اسم السعة الحرارية ويُقاس بالواط. يشير هذا التصنيف إلى مقدار الطاقة الحرارية التي يمكن لحامل الليزر امتصاصها مع الحفاظ على درجة حرارة ثابتة. ينطبق هذا التصنيف عمومًا عندما تتطابق درجة حرارة اللوحة الباردة للحامل مع درجة الحرارة المحيطة. بالنسبة للأجهزة البعيدة، يمكن للمصنعين غالبًا تقديم منحنيات الأداء الحراري كدالة لدرجة حرارة اللوحة.
تجدر الإشارة إلى أن حوامل الليزر المجهزة بأجهزة Peltier ستكون قادرة على التسخين والتبريد. وهذا يسمح باستقرار أسرع وأوقات استجابة أسرع. بالإضافة إلى ذلك، إذا كنت تقوم بتوصيف أداء جهاز LED أو ليزر، فإن هذه الميزة يمكن أن تسمح أيضًا للنظام بأن يكون مستقرًا فوق درجة الحرارة المحيطة وتحتها. نظرًا لأن طول الموجة الناتج مرتبط بدرجة حرارة الليزر، فإن هذا يوفر أيضًا طريقة ملائمة للتحكم الدقيق في الأداء البصري لليزر.
اعتبارات وظيفية لاختيار الحامل
إلى جانب القضية الأساسية المتمثلة في السعة الحرارية الكافية، هناك ثلاثة مجالات وظيفية تؤثر على فائدة حامل الليزر. وهي التوصيل الحراري، ومرونة الحزام، والتركيب الميكانيكي لليزر.
تعتبر الموصلية الحرارية لحامل الليزر، وخاصة اللوحة الباردة، أحد الجوانب التصميمية المهمة. وفي حين أن الألومنيوم مناسب لبعض التطبيقات، فإن المادة المفضلة للوحة الباردة هي النحاس. يتمتع النحاس بخصائص حرارية أفضل من المواد الأخرى وسيوفر درجة حرارة أكثر اتساقًا عبر اللوحة الباردة.
لتحقيق أقصى قدر من التنوع، ضع في اعتبارك مرونة حزمة الأسلاك المدمجة في الحامل، وبالتالي في مشغل الليزر ووحدة التحكم في درجة الحرارة. من الناحية المثالية، يجب أن يوفر المصنع كابلات قياسية معدة مسبقًا من الجهاز إلى حامل الليزر. عند توصيل ليزر بالليزر، يجب أن يكون الاتصال سهلاً في الصنع والتغيير، باستخدام أطراف الأسلاك أو بعض الطرق البسيطة الأخرى. الوصلات أو الموصلات الملحومة التي تتطلب وقت إعداد طويل هي أقل استحسانًا.
ينطبق المبدأ نفسه على الاتصال الميكانيكي بين الليزر والحامل. ومن الواضح أن هذا الاتصال يجب أن يوفر واجهة حرارية جيدة. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يوفر اتصالاً يمكن فصله بسهولة ودرجة من التنوع لمجموعة متنوعة من حزم الليزر. تقدم بعض الشركات المصنعة ألواحًا باردة قابلة للتخصيص تسمح لك بتحديد نمط فتحة التركيب المطلوبة.
أنظمة عالية الطاقة
وبعيدًا عن حوامل الليزر المزودة بمراوح مدمجة ومبردات Peltier، فإن إدارة مستويات أعلى من الناتج الحراري تصبح أكثر صعوبة. وإذا ثبت أن الحامل المبرد بالهواء غير كافٍ، فإن الخيار التالي هو الحامل المبرد بالماء (الشكل 3). حيث يزيد الماء من السعة الحرارية بشكل كبير على حساب التعقيد والاستجابة.
على الرغم من أن الألواح المبردة بالماء فعالة في نقل كميات كبيرة من الحرارة، إلا أن هناك العديد من العيوب. أولاً، يجب أن تكون نقطة ضبط درجة الحرارة بين نقطة غليان الماء ونقطة تجمده. ثانيًا، تتطلب أنظمة المياه مبردات ومضخات وحوامل ليزر مخصصة وسباكة، مما يزيد من وقت الإعداد والتكلفة. ثالثًا، قد يكون لبعض أنظمة المياه هامش خطأ يبلغ بضعة أعشار الدرجة ولا تتفاعل بسرعة مع تغيرات درجة الحرارة. قد لا يكون هذا مناسبًا للتطبيقات عالية الدقة.
لتحسين دقة أنظمة المياه، تعمل الأنظمة الهجينة التي تجمع بين TECs وحوامل الليزر المبردة بالماء بشكل جيد. يعتمد هذا النظام على TEC للتحكم الدقيق في درجة الحرارة ويستخدم نظام تبريد بالماء لتبديد الحرارة بسرعة. هذا النهج شائع في تطبيقات الليزر عالية الطاقة التي تتطلب استقرارًا جيدًا في درجة الحرارة.
أنظمة درجات الحرارة العالية
كما ذكرنا سابقًا في هذه المقالة، قد تكون قدرات التسخين لجهاز Peltier مفيدة إذا كنت تقوم بتوصيف أداء جهاز على مدى مجموعة من درجات الحرارة، أو تعمل مع تطبيقات تتطلب درجات حرارة أعلى، مثل مصابيح LED. تتطلب درجات الحرارة الأعلى أنواعًا مختلفة من أجهزة استشعار درجة الحرارة وأجهزة التحكم الحراري الحراري المناسبة للعمل في درجات حرارة عالية، لذا ناقش تطبيقك مع الشركة المصنعة لحامل الليزر. تحتوي بعض حوامل الليزر أيضًا على سخانات مقاومة، على الرغم من أن هذا الترتيب مناسب بشكل واضح فقط لتطبيقات التسخين فقط. في هذه الحالة، طالما أن وحدة التحكم في درجة الحرارة يمكنها تشغيل السخان المقاوم، يمكن أن يظل باقي نظام إدارة الحرارة دون تغيير.
خاتمة
إن اختيار الحامل المناسب لنظام الليزر الخاص بك سيوفر لك الوقت والجهد مع تحسين الأداء العام. بالإضافة إلى اتخاذ قرار باستخدام التبريد السلبي أو النشط، انتبه بشكل خاص إلى الميزات الأخرى لحامل الليزر. تعد سهولة التركيب، والتوصيلات الكهربائية المرنة، واختيار المواد الجيدة عوامل مهمة يجب مراعاتها. في النهاية، قد يكون أفضل مسار للعمل هو الاتصال بالشركة المصنعة مباشرة وطرح أسئلة حول أداء الحامل لتطبيقها المحدد.
أعيد طبعه من: Photon Bit
ملحوظة: حقوق الطبع والنشر للمقالة تعود إلى المؤلف الأصلي. هذه المقالة لأغراض التواصل والتعلم فقط. إذا كانت هناك أي مشكلات تتعلق بحقوق الطبع والنشر، فيرجى إبلاغنا وسنتعامل معها في الوقت المناسب.
