激光操作：温度控制和安装选择

当您操作激光器时，激光驱动器提供的电力中只有一部分转化为光能。其余部分转化为热能，热能的积聚给整个激光系统，特别是激光器带来了许多问题。

在您的激光器设置中，温度控制系统负责管理激光器运行产生的热量。除了温度控制器之外，仔细选择适合应用的激光支架对于坚固的激光系统至关重要。

最终，关于温度控制最紧迫的问题是温度变化会影响激光质量，特别是波长。如果不加以控制，过热也可能损坏激光器的发光面，降低产生的光的质量和数量。

耗散激光产生的热量的两种基本策略称为被动冷却和主动冷却。此外，本文将介绍用于高功率应用和需要加热激光器安装的应用的非传统热管理方法。

图1 被动冷却激光支架的剖面和热流

被动冷却

被动散热器将热量从激光器中传导出去，并将其消散到环境空气中（图1）。因为这种类型的激光器支架只是一个大的散热片，所以支架温度和激光器的温度不可避免地会升高。被动冷却激光器支架的设计使温度升高以渐进和可预测的方式发生。

这种支架的热性能被额定为热阻，单位为°C/W。该额定值表示激光支架在激光产生的每瓦废热的热平衡下温度升高的量，单位为摄氏度。

风扇将提高被动冷却激光器支架的热性能。通常，制造商会提供带和不带辅助风扇的激光器支架的额定值。即使有风扇，无源散热器的性能和功率范围也仅限于中低功率应用，或可接受更高工作温度的应用。

主动冷却

主动冷却是一种更全面、也更复杂的热管理方法。一种称为珀尔帖冷却器的装置，内置于激光器支架或直接内置于激光器封装中，用于冷却激光器（图2）。

图2:主动冷却激光器支架中的温度控制回路响应

珀尔帖装置，也称为热电冷却器（TEC），是一种小型、扁平、导热的陶瓷，它使用温度控制器提供的电力来冷却其一个表面，同时加热相对的表面。激光器支架负责充当珀尔帖装置一侧的散热器。珀尔帖装置的另一侧应用于与激光器封装外壳接触的铝或铜冷板。

为了完成控制回路，温度传感器向温度控制器提供反馈信号，温度控制器调节提供给珀尔帖装置的功率。在许多情况下，激光器支架还将配备风扇，以最大限度地提高热性能。

主动冷却激光器支架的热性能称为热容量，额定功率为瓦。该额定值表示激光器支架在保持稳定温度的同时可以吸收的热功率量。当底座的冷板温度与环境温度相匹配时，通常适用此额定值。对于远离环境的安装温度，制造商通常可以提供作为板温度函数的热性能曲线。

值得注意的是，配备珀尔帖装置的激光支架将能够加热和冷却。这允许更快的稳定和响应时间。此外，如果您正在表征LED或激光设备的性能，此功能还可以使系统在环境温度以上和以下保持稳定。由于输出波长与激光器温度相关，这也为精确控制激光器的光学性能提供了一种方便的方法。

安装选择的功能考虑因素

除了足够的热容量这一基本问题外，还有三个功能领域会影响激光支架的实用性。这些是热导率、线束的灵活性和激光器的机械安装。

激光器支架，特别是冷板的导热性是一个重要的设计方面。虽然铝对于某些应用来说已经足够了，但冷板的优选材料是铜。铜的热性能优于其他材料，并将在整个冷板上提供更均匀的温度。

为了获得最佳的多功能性，请考虑内置在支架中的线束的灵活性，并进一步扩展到激光驱动器和温度控制器中。理想情况下，制造商应提供从仪器到激光器支架的标准预制电缆。激光器与激光器对接时，连接应易于建立和更改，使用螺丝端子或其他一些简单的方法。焊接连接或需要大量设置时间的连接器不太可取。

同样的原理也适用于激光器和支架之间的机械连接。这种连接应该提供良好的热接口，这是不言而喻的。此外，它应该为各种激光封装提供易于断开的连接和一定程度的通用性。一些制造商将提供可定制的冷板，允许您指定所需的安装孔图案。

大功率系统

除了带有集成风扇和珀尔帖冷却器的激光支架外，管理更高的热输出水平变得更加具有挑战性。如果风冷安装被证明是不够的，那么下一个选择是水冷安装（图3）。水以复杂性和响应性为代价，大大提高了热容量。

图3 水冷式高功率激光器支架的布局

虽然水冷板在传递大量热量方面是有效的，但存在几个缺点。首先，你的温度设定点必须在水的沸点和冰点之间。其次，水系统需要冷却器、泵、定制的激光支架和管道，这将增加设置时间和成本。第三，一些水系统的误差范围可能为十分之几度，对温度变化反应不快。这可能不适合高精度应用。

为了提高水系统的精度，将TEC与水冷激光支架相结合的混合系统效果良好。该系统依靠TEC进行精细的温度控制，并使用水冷系统快速散热。这种方法在需要良好温度稳定性的高功率激光器应用中很常见。

高温系统

正如本文前面提到的，如果你正在表征一个设备在不同温度范围内的性能，或者处理需要更高温度的应用程序，如LED，珀尔帖设备的加热能力可能会很有用。更高的安装温度需要不同类型的温度传感器和适用于高温操作的TEC，因此请与激光安装制造商讨论您的应用。一些激光器支架还包含电阻加热器，尽管这种布置显然只适用于仅加热的应用。在这种情况下，只要温度控制器能够为电阻加热器供电，热管理系统的其余部分就可以保持不变。

结束语

为您的激光系统选择合适的支架将节省时间和精力，同时提高整体性能。除了决定使用被动或主动冷却外，还要特别注意激光支架的其他功能。易于安装、灵活的电气连接和良好的材料选择是需要考虑的重要因素。最后，最好的做法可能是直接致电制造商，询问有关其特定应用的安装性能的问题。