高功率雷射測量冷卻方法
高功率雷射測量冷卻方法
本文解釋了為什麼在選擇適合您需求的雷射功率測量感測器時，選擇正確的熱控制方法是最重要的考慮因素之一。 它將回顧高功率雷射測量感測器中使用的不同冷卻技術。 它還將檢查隨著雷射功率水平的增加，冷卻系統的要求發生變化，並考慮如何透過風扇和水冷卻方法來滿足這些要求。 此外，本文還將比較脈衝雷射測量感測器和連續波 (CW) 雷射測量感測器的不同冷卻要求，並討論使使用非強製冷卻感測器（不帶風扇的感測器）成為可能的技術或水冷卻——測量高功率雷射。
Author:
Asher Izsak, R&D, Ophir
高功率雷射的測量需要功率計感測器的有效熱控制。 選擇正確的傳熱方法是配置可靠、準確的高功率雷射計的關鍵步驟。
對流和傳導
對流是熱量透過流體（即水或空氣）從一個地方傳遞到另一個地方的過程。 對流有兩種不同類型—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，因此流體僅透過重力自然移動。 例如，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——由於密度較小，熱水流向頂部，而冷水流向底部。 現在位於頂部的熱水將熱量傳遞給空氣並冷卻下來，而底部的冷水則升溫，產生的水流不斷地將熱量從杯子中帶走。
強制對流是指添加力以增加流體的運動，例如添加風扇或水泵。
透過傳導，熱量在固體材料內傳遞，其中傳熱速率幾乎恆定（取決於特定材料的導熱率和固體的幾何設計）。 另一方面，透過對流，有更多的機會來優化散熱率。 例如，這可以透過控制流體的速度（使用強制對流）、改變與流體接觸的區域的尺寸、控制流體的溫度等來完成。 這就是為什麼強制對流成為高功率感測器散熱最常用的傳熱方法的原因。
水冷卻與風扇冷卻
使用風扇，自然對流過程（將熱量從翅片傳遞到空氣）顯著升級為強制對流過程，這增加了感測器背面翅片上的氣流。 增加的氣流可以從散熱片上帶走更多的熱量。 透過使用每分鐘立方英尺 (CFM) 氣流速率更高的風扇，可以進一步增強此方法。 最終達到瓶頸，限制因素是熱傳導（感測器翅片內），它構成整個傳熱鏈過程的一部分。
使用風扇時的另一個限制是噪音，較高的 CFM 速率會在使用者工作站環境中產生較高的噪音水平以及較高的氣流速率。
上述混合傳熱鏈過程，從翅片內部的傳導開始（導致上述瓶頸），到強制對流結束，將熱量從翅片轉移到空氣中，說明了使用強制對流與傳導相比的散熱率的差異。
在較高的雷射功率等級下，水冷強制對流是高效散熱過程的首選方法。 與風扇的情況類似，透過增加水流量來提高散熱率，即讓更多的水流過感測器以排出更多的熱量。 然而，水冷系統具有風扇冷卻系統所缺乏的額外自由度：可以使用冷卻器控制水輸入溫度並將其設定為特定溫度。 使用這種冷卻方法，強制對流過程受到的限制較小，因為感測器內的傳導較少，當然也沒有噪音。
重要的是要意識到水冷系統有其自身的限制。 為了使感測器正常工作，許多參數必須保持在正確的範圍內，例如水流量和水溫度。 也許更重要的是水流量和溫度的穩定性。 水的類型同樣重要。 水中存在的離子和水的 pH 值之間的相互作用會影響感測器水通道的腐蝕風險。
短時間曝光與連續曝光雷射測量感知器的冷卻過程
如上所述，使用更高的功率將增加冷卻過程中強制對流的需求。 然而，一些考慮表明，這在使用連續雷射時最為相關，而功率在感測器中持續流動，功率速率沒有任何明顯的中斷。
控制高功率雷射的曝光時間，即功率計暴露在雷射下的時間，使得使用非強製冷卻感測器測量高功率雷射成為可能。
該概念基於控制進入感測器的熱量總量。 如果感測器吸收的熱量足以使感測器僅透過自然對流將其消散，則無需任何強制對流方法（即無需風扇或水冷卻）即可完成測量。
高功率雷射能量進入感測器，曝光間隔允許有足夠的時間讓熱量僅透過傳導和自然對流從感測器中排出。
那麼如何選擇呢？
要回答這個問題，有必要看看雷射工作站周圍的全貌。 需要考慮的面向包括：
1. Q：測量雷射時使用的功率範圍是多少？
答：風扇和水冷感測器之間的界限是 1kw 左右，CW。 超過這個功率，就需要水冷。
2. Q：測量是透過短時間暴露在雷射下完成的嗎？
答：如果透過短時間曝光進行測量，則可以擴展非水冷感測器的功率範圍，因為短時間曝光產生的熱量比連續暴露於雷射產生的熱量更低。 例如，Ophir 脈衝功率感測器和Helios（一種高功率工業雷射功率計，設計用於整合到自動化工廠環境中）可以測量12kw，無需任何強制對流冷卻，只需將暴露於雷射的時間限制在1 秒以內。 透過（自動）將測得的能量除以雷射照射的持續時間來測量功率。
3. Q：工作站環境溫度是多少？
答：如果太熱，風扇效率就會降低，水冷是首選。
一旦明確定義了感測器的熱控制技術，並且考慮了雷射和工作站環境所施加的任何限制，選擇感測器就會容易得多。
風扇冷卻感知器
優點：
方便 - 雷射工作站周圍沒有水管，這會限制功率計的方向（如果功率計經常移動，這會很有幫助）
可在無水環境下使用
維護更少（例如，無需擔心水類型或流量條件）
缺點：
與水冷感測器相比，功率水平更低
噪音（「FL1100」1.1KW感測器最大功率時風扇可達59dba）
冷卻能力取決於環境溫度
需要空氣流通的空間
水冷感測器
優點：
可以達到比風扇冷卻更高的功率
安靜的
冷卻能力不依賴環境溫度
缺點：
需要空間用於冷卻器或其他水源
塑膠水管 - 限制功率計在工作站中的方向
維護 – 有關冷水機組、水類型和流量條件的限制
脈衝功率感知器：非強製冷卻感知器
優點：
高倍率短時間曝光
方便 - 雷射工作站周圍沒有水管
維護更少（例如，無需擔心水類型或流量條件）
無噪音
缺點：
僅短時間曝光 - 不適合 CW
結論
由於進入功率計的大部分雷射光束功率都會轉化為熱量，因此熱量控制確實是選擇雷射功率計感測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點和限制將幫助您選擇最適合您的應用的功率計。