本文將解釋高功率激光測量傳感器中使用的不同冷卻技術(shù)。還將檢查冷卻系統(tǒng)隨著激光器功率水平的增加而變化的要求，并考慮如何通過風(fēng)扇和水冷卻方法滿足這些要求。

此外，本文將比較脈沖激光測量傳感器和連續(xù)波 (CW) 激光測量傳感器的不同冷卻要求，并討論使使用非強制冷卻傳感器成為可能的技術(shù)——一種沒有風(fēng)扇的傳感器或水冷——測量高功率激光器。

高功率激光器的測量需要對功率計傳感器進(jìn)行有效的熱控制。選擇正確的傳熱方法是配置可靠、準(zhǔn)確的高功率激光計的關(guān)鍵步驟。

一、對流和傳導(dǎo)

對流是熱量通過流體(即水或空氣)從一個地方傳遞到另一個地方的過程。有兩種不同類型的對流——自然對流和強制對流。

自然對流是指在沒有任何額外的力移動流體的情況下傳遞熱量，因此流體僅通過重力自然移動。示例包括從一杯熱茶中冒出的蒸汽的運動，以及杯子中冷水和熱水的運動——密度較低，熱水向頂部移動，而冷水向底部移動?，F(xiàn)在位于頂部的熱水將其熱量傳遞給空氣并冷卻下來，而底部的冷水則變熱，由此產(chǎn)生的水流不斷將熱量從杯子中移出。

強制對流是指施加力以增加流體的運動，例如增加風(fēng)扇或水泵。

使用 Conduction，熱量在固體材料內(nèi)傳遞，其中傳熱速率幾乎恒定(取決于特定材料的熱導(dǎo)率和固體的幾何設(shè)計)。另一方面，通過對流，優(yōu)化散熱率的機會要多得多。例如，這可以通過控制流體的速度(使用強制對流)、改變與流體接觸的區(qū)域的尺寸、控制流體的溫度等來實現(xiàn)。這就是為什么強制對流是從我們的大功率傳感器中去除熱量的最常用的傳熱方法。

二、水與風(fēng)扇冷卻

使用風(fēng)扇，自然對流過程(將熱量從散熱片傳遞到空氣)顯著升級為強制對流過程，從而增加傳感器背面散熱片上的氣流。增加的氣流從散熱片帶走更多的熱量。通過使用具有更高每分鐘立方英尺 (CFM) 氣流速率的風(fēng)扇，可以進(jìn)一步增強此方法。最終達(dá)到瓶頸，限制因素是構(gòu)成整個傳熱鏈過程一部分的熱傳導(dǎo)(在傳感器翅片內(nèi))。(圖1)

圖1

使用風(fēng)扇時的另一個限制是噪聲，較高的 CFM 速率會在用戶工作站環(huán)境中產(chǎn)生較高的噪聲水平以及較高的氣流速率。

上述混合傳熱鏈過程，從翅片內(nèi)部的傳導(dǎo)(導(dǎo)致上述瓶頸)開始，到強制對流將熱量從翅片散發(fā)到空氣中結(jié)束，說明了強制對流與傳導(dǎo)在散熱率方面的差異。

在更高的激光功率水平下，水冷強制對流是高效散熱過程的首選方法。與風(fēng)扇的情況類似，通過增加水流率來增加散熱率，即使更多的水流過傳感器以排出更多的熱量。然而，水冷系統(tǒng)具有風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)所缺乏的額外自由度：可以使用冷卻器控制進(jìn)水溫度并將其設(shè)置為特定溫度。使用這種冷卻方法，強制對流過程受到的限制較少，因為傳感器內(nèi)的傳導(dǎo)較少，當(dāng)然也沒有噪音。(圖2)

圖2

重要的是要意識到水冷系統(tǒng)有其自身的限制。為了使傳感器正常工作，許多參數(shù)必須保持在正確的范圍內(nèi)，例如水流量和水溫?；蛟S更重要的是水流量和溫度的穩(wěn)定性。水的類型同樣重要;水中存在的離子與水的 pH 值之間的相互作用會影響傳感器水道腐蝕的風(fēng)險。

三、短曝光與連續(xù)曝光激光測量傳感器的冷卻過程

如上所述，使用更高的功率將增加冷卻過程中對強制對流的需求。然而，一些考慮表明，這在使用 CW 激光器時最相關(guān)，因為功率在傳感器中不斷流動，功率率沒有任何明顯的中斷。

控制高功率激光器的曝光時間，即功率計暴露在激光下的時間，使得使用非強制冷卻傳感器測量高功率激光器成為可能。

該概念基于控制進(jìn)入傳感器的總熱量。如果傳感器吸收的熱量使得傳感器能夠僅使用自然對流將其消散，則無需任何強制對流方法即可完成測量，即無需風(fēng)扇或水冷。

高功率激光能量進(jìn)入傳感器，曝光間隔允許足夠的時間讓熱量僅通過傳導(dǎo)和自然對流從傳感器中排出。

四、如何選擇?

要回答這個問題，有必要看一下激光工作站周圍的全貌。需要考慮的方面包括：

1、測量激光時使用的功率范圍是多少?

風(fēng)扇和水冷傳感器之間的界限是在 1kw，CW 左右。高于此功率，水冷是必要的。

2、測量是通過短時間暴露在激光下完成的嗎?

如果測量是通過短時間曝光完成的，則可以擴展非水冷傳感器的功率范圍，因為與連續(xù)暴露在激光下產(chǎn)生的熱量相比，短時間曝光產(chǎn)生的熱量更少。

3、工作站環(huán)境的環(huán)境溫度是多少?

如果太熱，風(fēng)扇效率不高，水冷是首選。

一旦明確定義了傳感器的熱控制技術(shù)，并且考慮了激光器和工作站環(huán)境施加的任何限制，選擇傳感器就容易多了。

五、風(fēng)扇冷卻傳感器

1、優(yōu)點

● 方便 - 激光工作站周圍沒有水管，這會限制功率計的方向(如果經(jīng)常移動功率計，這很有用)

● 可在無水環(huán)境中使用

● 更少的維護(hù)(例如，無需擔(dān)心水的類型或流量條件)

2、缺點

● 與水冷傳感器相比，功率水平更低

● 噪音

● 冷卻能力取決于環(huán)境溫度

● 需要氣流空間

六、水冷傳感器

1、優(yōu)點

● 可以達(dá)到比風(fēng)扇冷卻更高的功率

● 安靜的

● 冷卻能力不依賴于環(huán)境溫度

2、缺點

● 需要空間放置冷卻器或其他水源

● 塑料水管 – 限制工作站中功率計的方向

● 冷卻器、水類型和流動條件的限制

七、脈沖功率傳感器：非強制冷卻傳感器

1、優(yōu)點

● 短曝光的高功率

● 方便

● 更少的維護(hù)(例如，無需擔(dān)心水的類型或流量條件)

● 無噪音

2、缺點

● 僅短曝光 - 不適用于 CW

由于進(jìn)入功率計的大部分激光束功率都轉(zhuǎn)化為熱量，因此熱量控制確實是選擇激光功率計傳感器時需要考慮的最重要方面之一。了解不同的冷卻過程及其優(yōu)勢和局限性將有助于為應(yīng)用選擇最合適的功率計。

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