随着光纤激光器的应用领域日益广泛,光纤激光器的可靠性越来越引起大家的重视,其中主要包括激光输出性能的可靠性、电子元件的可靠性、光学器件的可靠性、系统的可靠性。这些大部分是和激光器本身的热特性密切相关。此外,温度对激光器的性能影响较大,尤其是对于激光的输出功率和输出稳定性。
光纤激光器的热量主要来源于泵浦源和增益腔。对于泵浦源,它的转化效率大约在50%,这也意味着会有相当于输出光功率大小的能量以热量的形式产生。若不能及时散热,内部芯片的温度会迅速升高,随之而来的就是激光器中心波长将随着温度的升高而发生漂移。对于增益腔,泵浦光进入有源增益光纤后只有一部分转化为激光输出,其余的能量都转化为热能。热能会使增益介质的温度升高,导致荧光谱线加宽、自发辐射寿命短,从而使能量转化效率降低。因此,热量管理对光纤激光器有着不可忽视的意义。
目前常用的热管理技术主要有风冷和水冷两种方式,其中风冷散热技术主要应用在低功率的脉冲激光器和低功率的连续激光器上,中高功率光纤激光器上大部分采用水冷散热作为主要散热措施。
水冷散热
水冷散热顾名思义就是利用水,通过热交换器带走热量。其工作原理也很简单,就是将冷水机里的冷水通过水管流进热交换器,然后再从热交换器的另外一个口出来,再经过水管流回冷水机,通过这样的不断循环,从而把热量从激光器内部带走。
冷水散热的方式结构简单且易于维护;散热能力强且温度均匀性好,可以通过使用更大制冷量的冷水机来提升激光器的冷却性能。目前市面上集成并销售手持激光焊接机的厂商大约有500多家,普遍都采用水冷的方式。但是,水冷散热的手持激光焊接机除了激光器本身外,还需要额外的冷水机和水,这就造成了设备整体的体积和重量大幅增加,使用环境受限。
风冷散热
在激光器中,使用热导性好的基底(如铜、氮化铝等)把泵浦源和增益腔内部产生的热量导出,之后再通过对流的方式把热量散发掉,这种方式称为对流散热。根据流体流动驱动力的不同,又可以将对流换热分为自然对流及强制对流散热。在没有外部力作用下,仅仅靠流体的温度差,可以使流体自发流动从而进行传热,我们称之为自然对流;在有外部驱动力时,即流体在风机、风扇等部件驱动下,快速流动,从而带走热量,我们称之为强制对流。
由于自然对流的方式散热速度极为缓慢、效果也很差劲,还不能完全满足激光器的散热需求。因此,需要在整个散热系统中加入风扇,加快空气的流动,将自然对流变成强制对流。
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