레이저 액체 냉각 최적화

The performance of high-powered lasers depends on effective cooling. High-powered lasers generate a significant amount of heat that must be removed from the laser system to avoid overheating critical components.

액체 냉각 시스템을 개선하여 레이저 최적화

Carbon dioxide (CO2) lasers, excimer lasers, ion lasers, solid-state lasers, and dye lasers all use liquid cooling to remove excess heat. Laser liquid cooling helps accomplish three goals: maintaining a precise laser wavelength and higher output efficiency, achieving desired beam quality, and reducing thermal stress on a laser system. Recirculating chillers, liquid-to-liquid cooling systems, ambient cooling systems, cold plates, and heat exchangers are a few of the cooling technologies used in laser systems’ liquid cooling loops.

소형 헬륨-네온 또는 아르곤 이온 레이저와 같은 저전력 레이저는 냉각이 필요하지 않거나 일반적으로 충분한 자체 냉각 팬과 함께 제공될 수 있습니다. 일부 작은 가스 레이저와 많은 고체 상태 레이저는 자신의 내장 냉각 시스템을 포함, 일반적으로 폐쇄 루프 열 교환기. 대형 가스 레이저 또는 산업용 CO2, 대형 프레임 아르곤 및 크립톤 이온 레이저 및 엑시머 레이저와 같은 다른 고성능 레이저는 일반적으로 레이저 시스템의 광 생성 섹션을 통해 흐르는 물의 외부 공급원이 필요합니다.

According to Coherent, Inc, manufacturer of lasers and laser systems, their ion lasers produce between 5kW and 55kW of waste heat as a by-product of the laser action. In order to avoid overheating critical components, Coherent notes the importance of efficiently removing this heat from the laser system and recommends the use of cooling water. Other laser systems may have more or less heat to remove, but the need for cooling remains.

정확한 파장, 광학 변환 효율 및 빔 품질

레이저 시스템에서 과도한 열을 제거하는 것이 중요한 이유 중 하나는 온도가 증가하면 파장이 증가하기 때문입니다. 이 파장 증가는 레이저 시스템의 성능을 손상시킬 수 있습니다. 다이오드 레이저 파장이 온도 상승으로 증가하기 때문에 펌핑 응용 분야에서 전반적인 광학 변환 효율이 높기 위해서는 다이오드 어레이 전체의 온도가 균일해야 합니다. 예를 들어, GaAs 다이오드 레이저 바에서 방출되는 빛의 파장이 대반갭 에너지 및 굴절률의 온도 관련 변화로 인해 약 0.3nm/°C의 속도로 이동합니다. 일부 고체 레이저를 펌핑하는 GaAs 다이오드 바에서 빛의 높은 전체 광학 변환 효율을 가지고, 그것은 각 방출기에서 빛 에너지의 파장이 매우 좁은 파장 대역 내에 또는 서로의 1-2 ° C 내에서 하는 것이 중요합니다. 냉각은 빔을 방사체(±5 미크론) 앞에 정렬하는 데 도움이 될 수 있습니다.

일부 레이저 응용 분야에서는 빔 품질도 중요합니다. 예를 들어 레이저 재료 처리, 인쇄, 마킹, 절단 및 드릴링과 함께 강력한 빔 초점이 필요합니다. 고출력 레이저에서는 레이저 결정과 같은 게인 매체의 가열이 열 렌즈를 유발할 수 있다. 게인 매체의 이러한 열 효과는 레이저 파면및 따라서 빔 품질에 영향을 미칠 수 있습니다. 다이오드 펌핑 고체 상태(DPSS) 레이저를 사용하면 수정을 냉각해야 하며 온도를 0.5°C로 제어해야 합니다. (그림 1 및 2을 참조하십시오.)

열 응력 감소

작동 온도가 낮을수록 레이저 시스템의 구성 요소의 수명을 높이고 유지 보수를 줄일 수 있습니다. 이것은 DPSS 레이저에 대 한 특히 사실이다, 실패 사이 평균 시간 때문에 (MTBF) 초과 열에 의해 크게 영향을 받습니다. 따라서 레이저 설계자와 제조업체가 레이저 내에서 냉각 시스템을 통합하는 것이 합리적입니다. 이를 통해 MTBF가 연장되고 가동 중지 시간이 단축되어 운영 및 유지 관리를 절약할 수 있습니다. 냉각 시스템을 통합함으로써 레이저 제조업체가 최적의 레이저 시스템 성능을 보장하는 데도 도움이 됩니다.

낮은 열 부하의 경우 설치가 간편한 재순환 냉각기가 일반적으로 가장 간단한 솔루션입니다. 높은 열 부하의 경우에는 액체 대 액체 냉각 시스템이 가장 비용 효과적입니다. 그러나 이 시스템은 냉각된 시설 용수가 제공되는 상황에만 가능합니다. 시설 용수에 배관을 연결해야 하므로, 사용 가능한 위치와 장비 이동성이 영향을 받습니다.

열 부하가 높으며 열을 시설 용수에 배출해야 하는 경우 LCS와 수냉식 콘덴서를 탑재한 재순환 냉각기 사이의 선택은 설정점 온도에 따라 달라집니다. 설정점 온도가 시설 용수의 최고 온도보다 높은 경우 LCS가 더 비용 효과적입니다. 그러나, 시설 용수 온도 또는 그 이하로 냉각해야 하는 경우에는 수냉식 콘덴서를 탑재한 냉매 기반 냉각기가 필요합니다.

재순환 냉각기

시판되는 순환 냉각기 레이저 냉각을 위한 편리한 냉각을 제공합니다. 압축기 기반 재순환 냉각수 냉각수 온도는 -5.0°C와 35.0°C 사이로 설정하고 ±0.1°C 온도 안정성을 유지하여 레이저 시스템이 최적의 파장에서 가능한 한 효율적으로 작동하도록 보장합니다.

재순환 냉각기는 수돗물을 사용하는 것보다 환경 친화적이고 비용 효율적입니다. 냉각기는 활성 냉장을 사용하는 폐쇄 루프 시스템입니다. 그들은 높은 열 플럭스, 높은 주변 온도가있을 때 또는 레이저 시스템이 엑시머 레이저와 같은 차가운 환경을 필요로 할 때 냉각 레이저 시스템에 사용됩니다. 일반적으로 800W-6kW, PID 컨트롤러, 대형 열 질량 탱크 및 고급 냉동 제어 회로에 이르는 냉각 용량을 통해 안정성과 빔 품질을 가리키는 레이저 시스템에 필요한 엄격한 온도 안정성을 유지할 수 있습니다. 또한, 재순환 냉각기는 냉각수의 품질을 유지하면서 시스템에 일관된 흐름과 압력을 제공할 수 있습니다. 과도한 수압이 레이저 헤드에 진동을 일으킬 수 있으므로 적절한 냉각 시스템 압력이 유지되도록 하는 것이 중요합니다.

냉각기를 재순환하는 또 다른 장점은 대부분의 액체와 호환된다는 것입니다. 예를 들어, 많은 재순환 냉각기는 부식 및 동결 보호를 제공하는 에틸렌 글리콜(EGW) 또는 프로필렌 글리콜(PGW) 솔루션과 호환됩니다. 재순환 냉각기는 시스템의 필요한 저항성을 유지하기 위해 DI 카트리지를 포함하여 DE(DE) 물과의 호환성을 위해 장착할 수도 있습니다. (DI 물은 전기적으로 불활성입니다.)

액체-액체 냉각 시스템

재순환 냉각기와 마찬가지로 액체-액체 냉각 시스템(LCS)은 공정 수(액체 온도에서 ±0.5°C 이내)의 정확한 온도 제어를 제공합니다. 그러나 액체-액체 열교환기를 통해 시설용 물로 열을 전달합니다. LCS는 LCS가 종종 최대 20kW의 냉각 용량을 가지고 있기 때문에 냉각 된 시설 물을 사용할 수있는 고열 부하 또는 높은 주변 온도 응용 프로그램을위한 솔루션입니다. 여러 개의 대형 레이저가 있는 실험실의 경우, 건물 내의 모든 시스템에 냉각된 물의 공통 소스를 제공하기 위해 시설 지붕에 냉각탑을 설치하는 것이 경제적인 선택일 수 있다. 냉각탑은 건물 밖에서 열을 배출하여 쾌적한 작업 환경을 유지하는 데 도움이 됩니다. LCS를 사용하면 시설 물이 레이저 시스템 물과 접촉하지 않습니다. 열은 냉각 시스템 유체에서 액체-액체 열교환기를 통해 시설물로 전달됩니다. 시설 냉각 탑에서 순환하는 물은 종종 살균제, 조류 및 / 또는 부동액으로 취급되기 때문에 이는 중요하며, 이는 일부 레이저 구성 요소에 너무 가혹할 수 있습니다.

주변 냉각 시스템

최대 3.5kW의 냉각 용량을 가진 주변 냉각 시스템은 주변 온도 이하의 정밀한 온도 제어 및 냉각이 필요하지 않은 레이저 애플리케이션을 위한 냉장 냉각기 및 LCS에 대한 신뢰할 수 있는 대안입니다. 주변 냉각 시스템은 고성능 열교환기, 팬, 펌프 및 저수지로 구성됩니다. 열은 액체 대 공기 열 교환기 및 팬에 의해 주변 공기로 레이저 시스템을 통해 순환 물에서 이동, 따라서 용어 "주변 냉각 시스템". 주변 냉각 시스템은 온도 안정성을 제공하지 않지만 열 방출을 위한 비용 효율적인 수단입니다.

콜드 플레이트 및 열 교환기

콜드 플레이트 열교환기는 레이저 냉각을 위한 액체 냉각 루프의 핵심 구성 요소입니다. 콜드 플레이트는 종종 재순환 냉각기와 함께 사용됩니다. 많은 레이저는 튜브 콜드 플레이트를 사용합니다. 그러나 채널을 통해 액체 흐름이 있는 알루미늄 진공 마모 콜드 플레이트는 한 가지 유형의 콜드 플레이트이며 점점 더 많은 레이저 제조업체가 선택하고 있습니다. 제조업체와 최종 사용자도 플랫 튜브 콜드 플레이트 기술을 사용합니다. 냉판은 열전과 같은 냉각을 요구하는 성분에 장착될 수 있으며, 냉각기로부터 차가운 유체를 수신하고 뜨거운 유체를 냉각기로 다시 이송한다. (그림 3을 참조하십시오.) 콜드 플레이트는 레이저 시스템의 전극으로 설계할 수도 있습니다.

열 교환기 냉각기, LCS 및 주변 냉각 시스템과 같은 냉각 시스템 내에서 종종 발견됩니다. 일부 레이저 제조업체는 열 교환기를 별도로 구입하고 자체 통합하여 자체 펌프및 저수지에 연결하는 것을 선호합니다.

액체가 있는 냉각 레이저

고성능 레이저 시스템은 최적의 성능과 수명을 위해 냉각이 필요합니다. 정밀한 레이저 파장을 유지하는 경우, 빔 품질, 높은 출력 효율 및 가동 시간이 중요하다면 액체 냉각이 해답이 될 수 있습니다. 냉각기, LCS, 주변 냉각 시스템, 콜드 플레이트 및 열 교환기를 재순환하는 것은 레이저 시스템에서 중요한 구성 요소가 되고 있습니다.

참조

유출되는 공기 온도를 결정하기 위해 우리는 매개 변수 250CFM 및 2400W를 사용하는 '공기 흐름' 차트를 사용합니다.

코헤런트®, "혁신을 위한 레이저 냉각수 가이드라인® 이온 레이저 시스템" p. 1.

Huddle, J.J., Chow, L.C., Lei, S., Marcos, A., Rini, D.P., Lindauer, S.J., II, Bass, M., and Delfyett, P.J., “Thermal Management of Diode Laser Arrays”, Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium, Sixteenth Annual IEEE, pp. 154-160, 2000.

Paschotta, R., “Thermal Lensing“, Encyclopedia of Laser Physics & Technology 2007.