レーザーを操作すると、レーザー ドライバーによって供給される電力の一部のみが光エネルギーに変換されます。残りは熱エネルギーに変換され、熱エネルギーの蓄積により、レーザー システム全般、特にレーザーにさまざまな問題が発生します。
レーザー セットアップでは、温度制御システムがレーザーの動作によって発生する熱を管理する役割を果たします。温度コントローラに加えて、アプリケーションに適したレーザー マウントを慎重に選択することが、堅牢なレーザー システムにとって重要です。
結局のところ、温度制御に関する最も差し迫った懸念は、温度変化がレーザーの品質、特に波長に影響を及ぼす可能性があることです。制御されていない場合、過熱によってレーザーの発光面が損傷し、生成される光の品質と量が低下する可能性があります。
レーザーによって発生する熱を放散するための 2 つの基本的な戦略は、パッシブ冷却とアクティブ冷却と呼ばれます。さらに、この記事では、高出力アプリケーションや加熱されたレーザー マウントを必要とするアプリケーション向けの非伝統的な熱管理方法についても説明します。
パッシブ冷却
パッシブ ヒートシンクはレーザーから熱を伝導し、周囲の空気中に放散します (図 1)。このタイプのレーザー マウントは単に大きなヒートシンクであるため、マウントの温度とレーザーの温度は必然的に上昇します。パッシブ冷却レーザー マウントは、温度上昇が徐々に予測可能な方法で発生するように設計されています。
このようなマウントの熱性能は、熱抵抗として「CN」で評価されます。この評価は、レーザーによって生成される廃熱のワットごとにレーザー マウント内で上昇する温度の量を摂氏で示します。
ファンは、受動冷却レーザー マウントの熱性能を向上させます。通常、メーカーは、補助ファンの有無にかかわらずレーザー マウントの定格を提供します。ファンがあっても、受動ヒートシンクの性能と電力範囲は、低電力から中電力のアプリケーション、またはより高い動作温度が許容されるアプリケーションに限定されます。
アクティブ冷却
アクティブ冷却は、熱管理に対するより包括的で複雑なアプローチです。ペルチェクーラーと呼ばれるデバイスがレーザーマウントまたはレーザーパッケージに直接組み込まれています。
ペルチェ素子は熱電冷却器 (TEC) とも呼ばれ、小型で平らな熱伝導性セラミックで、温度コントローラから供給される電力を使用して片面を冷却し、反対側の面を加熱します。レーザー マウントは、ペルチェ素子の片面のヒートシンクとして機能します。ペルチェ素子のもう一方の面は、レーザー パッケージ ハウジングに接触するアルミニウムまたは銅のコールド プレートに取り付けられます。
制御ループを完了するために、温度センサーは温度コントローラーにフィードバック信号を提供し、ペルチェ素子に供給される電力を調整します。多くの場合、レーザー マウントには熱性能を最大化するためのファンも装備されます。
アクティブ冷却レーザー マウントの熱性能は熱容量と呼ばれ、ワットで評価されます。この評価は、安定した温度を維持しながらレーザー マウントが吸収できる熱出力の量を示します。この評価は通常、マウントのコールド プレート温度が周囲温度と一致する場合に適用されます。リモートの場合、メーカーはプレート温度の関数として熱性能曲線を提供できることがよくあります。
ペルチェ素子を搭載したレーザー マウントは、加熱と冷却が可能であることに注目してください。これにより、安定化と応答時間が速くなります。さらに、LED またはレーザー デバイスのパフォーマンスを評価する場合、この機能により、周囲温度の上下両方でシステムを安定させることもできます。出力波長はレーザー温度に関連しているため、レーザーの光学性能を正確に制御する便利な方法にもなります。
マウント選択における機能上の考慮事項
適切な熱容量という基本的な問題以外にも、レーザー マウントの有用性に影響を与える機能領域が 3 つあります。それは、熱伝導性、ハーネスの柔軟性、レーザーの機械的マウントです。
レーザー マウント、特にコールド プレートの熱伝導率は、設計上の重要な側面です。アルミニウムは一部の用途には適していますが、コールド プレートの推奨材料は銅です。銅は他の材料よりも熱特性が優れており、コールド プレート全体の温度をより均一にします。
最適な汎用性を得るには、ホルダーに組み込まれた配線ハーネス、さらにはレーザー ドライバーと温度コントローラーに組み込まれた配線ハーネスの柔軟性を考慮してください。理想的には、メーカーは機器からレーザー ホルダーまでの標準の既成ケーブルを提供する必要があります。レーザー同士を接続する場合は、ワイヤー ターミナルまたはその他の簡単な方法を使用して、接続を簡単に作成および変更できる必要があります。はんだ付け接続や、セットアップに長い時間を要するコネクタは望ましくありません。
同じ原則が、レーザーとホルダー間の機械的接続にも当てはまります。言うまでもなく、この接続は良好な熱インターフェースを提供する必要があります。さらに、簡単に取り外し可能な接続と、さまざまなレーザー パッケージに対応する汎用性を提供する必要があります。一部のメーカーは、必要な取り付け穴パターンを指定できるカスタマイズ可能なコールド プレートを提供しています。
高出力システム
ファンとペルチェ冷却器を内蔵したレーザー ホルダーを超えると、より高いレベルの熱出力を管理することがより困難になります。空冷マウントが不十分な場合は、次のオプションは水冷マウントです (図 3)。水は、複雑さと応答性を犠牲にして熱容量を大幅に増加させます。
水冷プレートは大量の熱を伝達するのに効果的ですが、欠点がいくつかあります。まず、温度設定点は水の沸点と凝固点の間になければなりません。次に、水システムにはチラー、ポンプ、カスタム レーザー マウント、配管が必要で、セットアップ時間とコストが増加します。3 つ目に、一部の水システムでは、10 分の 1 度の誤差が生じる可能性があり、温度変化に迅速に反応しません。これは、高精度のアプリケーションには適さない可能性があります。
水冷システムの精度を向上させるには、TEC と水冷式レーザー マウントを組み合わせたハイブリッド システムが最適です。このシステムは、TEC を利用して微細な温度制御を行い、水冷システムを使用して熱を素早く放散します。このアプローチは、優れた温度安定性が求められる高出力レーザー アプリケーションでよく使用されます。
高温システム
この記事の前半で述べたように、ペルチェ デバイスの加熱機能は、さまざまな温度範囲でデバイスのパフォーマンスを特性評価する場合や、LED などの高温を必要とするアプリケーションを扱う場合に役立ちます。マウント温度が高いほど、高温動作に適したさまざまなタイプの温度センサーと TEC が必要になるため、レーザー マウントの製造元にアプリケーションについて相談してください。一部のレーザー マウントには抵抗ヒーターも含まれていますが、この配置は明らかに加熱のみのアプリケーションにのみ適しています。この場合、温度コントローラーが抵抗ヒーターに電力を供給できる限り、熱管理システムの残りの部分は変更せずに済みます。
結論
レーザー システムに適したブラケットを選択すると、時間と労力を節約できるだけでなく、全体的なパフォーマンスも向上します。パッシブ冷却とアクティブ冷却のどちらを使用するかを決めるだけでなく、レーザー ブラケットのその他の機能にも特に注意してください。取り付けのしやすさ、電気接続の柔軟性、適切な材料の選択は、考慮すべき重要な要素です。最終的には、メーカーに直接電話して、特定の用途でのマウントのパフォーマンスについて質問するのが最善策かもしれません。
転載元: Photon Bit
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