Laser-Flüssigkeitskühlung-Optimierung

Die Leistung von Hochleistungslasern hängt von einer effektiven Kühlung ab. Hochleistungslaser erzeugen eine erhebliche Wärmemenge, die aus dem Lasersystem entfernt werden muss, um eine Überhitzung kritischer Komponenten zu vermeiden.

Optimierung eines Lasers durch Verbesserung des Flüssigkeitskühlsystems

Kohlendioxid-Laser (CO2), Excimerlaser, Ionenlaser, Festkörperlaser und Farbstofflaser verwenden Flüssigkeitskühlung, um überschüssige Wärme zu entfernen. Die Laserflüssigkeitskühlung trägt dazu bei, drei Ziele zu erreichen: Die Aufrechterhaltung einer präzisen Laserwellenlänge und einer höheren Ausgangseffizienz, die Erreichung der gewünschten Strahlqualität und die Verringerung der thermischen Belastung eines Lasersystems. Umwälzkühler, Flüssigkeits-Zu-Flüssig-Kühlsysteme, Umgebungskühlsysteme, Kaltplatten und Wärmetauscher sind nur einige der Kühltechnologien, die in flüssigkeitsgekühlten Kühlkreisen von Lasersystemen zum Einsatz kommen.

Low-Power-Laser, wie kleine Helium-Neon- oder Argon-Ionen-Laser, benötigen möglicherweise keine Kühlung oder können mit einem eigenen Lüfter kommen, was in der Regel ausreichend ist. Einige kleinere Gaslaser und viele Festkörperlaser enthalten ein eigenes integriertes Kühlsystem, in der Regel einen geschlossenen Wärmetauscher. Größere Gaslaser oder andere Hochleistungslaser, wie z. B. industrielles CO2, Großformat-Argon- und Krypton-Ionen-Laser und Excimerlaser erfordern jedoch in der Regel eine externe Wasserquelle, die durch den lichterzeugenden Abschnitt des Lasersystems fließt.

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. Um eine Überhitzung kritischer Komponenten zu vermeiden, weist Coherent darauf hin, wie wichtig es ist, diese Wärme effizient aus dem Lasersystem zu entfernen, und empfiehlt die Verwendung von Kühlwasser. Andere Lasersysteme haben möglicherweise mehr oder weniger Wärme zu entfernen, aber die Notwendigkeit der Kühlung bleibt.

Präzise Wellenlänge, optische Umwandlungeffizienz & Strahlqualität

Ein Grund, warum es wichtig ist, überschüssige Wärme von einem Lasersystem zu entfernen, ist, dass ein Temperaturanstieg zu einer Erhöhung der Wellenlänge führt. Diese Wellenlängenerhöhung kann die Leistung eines Lasersystems beeinträchtigen. Da die Wellenlänge des Diodenlasers mit einer Temperaturerhöhung zunimmt, muss die Temperatur in den Dioden-Arrays gleichmäßig sein, um eine hohe optische Gesamtumwandlungseffizienz in einer Pumpanwendung zu erreichen. Beispielsweise verschiebt sich die Wellenlänge des von GaAs-Diodenlaserstäben emittierten Lichts aufgrund temperaturbedingter Veränderungen der Bandgapenergie und des Brechungsindex mit einer Geschwindigkeit von ca. 0,3 nm/°C. Um eine hohe optische Gesamtumwandlungseffizienz von Licht aus GaAs-Diodenstäben beim Pumpen einiger Festkörperlaser zu haben, ist es entscheidend, dass die Wellenlänge der Lichtenergie von jedem Emitter innerhalb eines sehr engen Wellenlängenbandes oder innerhalb von 1-2°C voneinander liegt. Die Kühlung kann dazu beitragen, den Strahl vor dem Emitter auszurichten (ca. 5 Mikrometer).

Strahlqualität ist auch in einigen Laseranwendungen wichtig. Bei der Verarbeitung von Lasermaterialien, dem Drucken, Markieren, Schneiden und Bohren ist beispielsweise ein starker Strahlfokus erforderlich. Bei Hochleistungslasern kann die Erwärmung des Gain-Mediums, wie z. B. des Laserkristalls, zu thermischen Linsen führen. Diese thermischen Effekte im Gain-Medium können Laserwellenfronten und damit die Strahlqualität beeinflussen. Bei Dioden-gepumpten Festkörperlasern (DPSS) muss der Kristall gekühlt und die Temperatur auf 0,5°C gesteuert werden. (Siehe Abbildungen 1 und 2.)

Reduzierung des thermischen Stresses

Niedrigere Betriebstemperaturen können auch die Lebensdauer der Komponenten eines Lasersystems erhöhen und die Wartung reduzieren. Dies gilt insbesondere für DPSS-Laser, da die mittlere Zeit zwischen Ausfällen (MTBF) durch überschüssige Wärme erheblich beeinflusst wird. Daher ist es für Laserdesigner und Hersteller sinnvoll, ein Kühlsystem in ihren Laser zu integrieren. Dadurch wird sichergestellt, dass der MTBF verlängert und Ausfallzeiten reduziert werden, wodurch Betrieb und Wartung eingespart werden. Durch die Integration eines Kühlsystems hilft es auch dem Laserhersteller, eine optimale Lasersystemleistung zu gewährleisten.

Für niedrige Wärmelasten sind Umlaufkühler in der Regel die einfachste Lösung, da die Installation so einfach ist. Bei hohen Wärmelasten sind Flüssig-Flüssig-Kühlsysteme kostengünstiger. Allerdings ist ihre Verwendung auf Situationen beschränkt, in denen gekühltes Anlagenwasser zur Verfügung steht. Die Notwendigkeit, sie mit dem Anlagenwasser zu verbinden, kann sich auf die Standorte, an denen sie eingesetzt werden können, und auf die Tragbarkeit der Geräte auswirken.

Wenn Sie hohe Wärmelasten haben und die Wärme an das Anlagenwasser abführen müssen, hängt die Wahl zwischen einem LCS und einem Umlaufkühler mit wassergekühltem Kondensator von Ihrer Solltemperatur ab. Wenn Ihre Solltemperatur höher ist als die maximale Anlagenwassertemperatur, ist ein LCS kostengünstiger. Wenn Sie jedoch nahe an oder unterhalb der Anlagenwassertemperatur kühlen müssen, benötigen Sie einen Kühler auf Kühlmittelbasis mit einem wassergekühlten Kondensator.

Umlaufkühler

Handelsübliche Rekrekulierende Kaltwassersätze eine komfortable Kühlung für eine Laserkühlung bieten. Die Kühlmitteltemperatur auf Kompressorbasis kann auf -5,0°C bis 35,0 °C eingestellt werden und die Temperaturstabilität von 0,1 °C beibehalten, um sicherzustellen, dass das Lasersystem mit der optimalen Wellenlänge und so effizient wie möglich arbeitet.

Umwälzkühler sind auch umweltfreundlicher und kostengünstiger als die Verwendung von Leitungswasser. Kühler sind Closed-Loop-Systeme, die aktive Kühlung verwenden. Sie werden zur Kühlung von Lasersystemen verwendet, wenn ein hoher Wärmefluss, hohe Umgebungstemperaturen oder wenn ein Lasersystem eine gekühlte Umgebung erfordert, z. B. bei Excimerlasern. Typischerweise verfügen sie über Kühlleistungen von 800W-6kW, einen PID-Controller, einen großen thermischen Massentank und fortschrittliche Kälteregelkreise, um sicherzustellen, dass sie die enge Temperaturstabilität gewährleisten, die für die Stabilität des Lasersystems und die Strahlqualität erforderlich ist. Darüber hinaus können Umwälzkühler einen gleichmäßigen Durchfluss und Druck auf das System bieten und gleichzeitig die Kontrolle über die Qualität des Kühlmittels behalten. Es ist wichtig, dass der entsprechende Kühlsystemdruck aufrechterhalten wird, da übermäßiger Wasserdruck Vibrationen im Laserkopf erzeugen kann.

Ein weiterer Vorteil von Umwälzkühlern ist, dass die meisten von ihnen mit einer Vielzahl von Flüssigkeiten kompatibel sind. So sind beispielsweise viele Umwälzkühler mit Ethylenglykol (EGW) oder Propylenglykol (PGW)-Lösungen kompatibel, die Korrosions- und Gefrierschutz bieten. Ein Umwälzkühler kann auch für die Kompatibilität mit deionisiertem (DI) Wasser ausgestattet werden, einschließlich einer DI-Patrone, um den erforderlichen Widerstand eines Systems aufrechtzuerhalten. (DI-Wasser ist elektrisch inert.)

Flüssig-zu-Flüssig-Kühlsysteme

Wie ein Umwälzkühler bietet ein Flüssigkeits-Flüssig-Kühlsystem (LCS) eine präzise Temperaturregelung von Prozesswasser (Flüssigkeitstemperatur bis zu 0,5 °C). Über einen flüssigkeits-flüssigen Wärmetauscher wird jedoch Wärme an das Anlagenwasser übertragen. Ein LCS ist eine Lösung für Anwendungen mit hoher Wärmelast oder hoher Umgebungstemperatur, bei denen gekühltes Anlagenwasser verfügbar ist, da ein LCS oft Kühlleistungen von bis zu 20 kW hat. Für Laboratorien mit mehreren großen Lasern kann die Installation eines Kühlturms auf dem Dach der Anlage eine wirtschaftliche Option sein, um allen Systemen innerhalb des Gebäudes eine gemeinsame Quelle für gekühltes Wasser zur Verfügung zu stellen. Der Kühlturm wird die Wärme außerhalb des Gebäudes abkühlen und so dazu beitragen, eine komfortable Arbeitsumgebung zu erhalten. Mit einem LCS kommt das Anlagewasser nie mit Lasersystemwasser in Berührung. Die Wärme wird über den Flüssigkeits- und Flüssigkeitswärmetauscher vom Kühlsystemfluid in das Anlagenwasser übertragen. Dies ist wichtig, da das Wasser, das aus Kühltürmen zirkuliert, oft mit Fungiziden, Algenziden und/oder Frostschutzmitteln behandelt wird, was für einige Laserkomponenten zu hart sein kann.

Umgebungskühlsysteme

Umgebungskühlsysteme mit Kühlleistungen von bis zu 3,5 kW, sind eine zuverlässige Alternative zu Kühlkühlern und LCS für Laseranwendungen, bei denen keine präzise Temperaturregelung und Kühlung unter Umgebungstemperatur erforderlich ist. Ein Umgebungskühlsystem besteht aus einem Hochleistungswärmetauscher, einem Lüfter, einer Pumpe und einem Reservoir. Die Wärme wird von Wasser, das durch das Lasersystem zirkuliert, durch einen Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher und -Lüfter in die Umgebungsluft geleitet, daher der Begriff "Umgebungskühlsystem". Umgebungskühlsysteme bieten keine Temperaturstabilität, sind aber ein kostengünstiges Mittel zur Wärmeableitung.

Kaltplatten & Wärmetauscher

Kaltplatten und Wärmetauscher sind Schlüsselkomponenten in Flüssigkeitskühlschlaufen für die Laserkühlung. Kalte Platten werden oft in Verbindung mit einem Umwälzkühler verwendet. Viele Laser verwenden röhrenförmige Kaltplatten. Aluminium-Vakuum-gelötekälte Platten, die Flüssigfluss durch Kanäle haben, sind jedoch eine Art von Kaltplatte, die immer mehr Laserhersteller auswählen. Hersteller und Endanwender verwenden auch Flachrohr-Kaltplattentechnologien. Eine Kühlplatte kann an dem zu kühlenden Bauteil montiert werden, z. B. eine thermoelektrische, und erhält kalte Flüssigkeit vom Kühler und überträgt heiße Flüssigkeit zurück zum Kühler. (Siehe Abbildung 3.) Kaltplatten können auch als Elektroden des Lasersystems konstruiert werden.

Wärmetauscher sind häufig in Kühlsystemen wie Kältemaschinen, LCS und Umgebungskühlsystemen zu finden. Einige Laserhersteller ziehen es vor, einen Wärmetauscher separat zu kaufen und selbst zu integrieren und an ihre eigene Pumpe und ihren eigenen Behälter anzuschließen.

Kühllaser mit Flüssigkeit

Leistungsstarke Lasersysteme erfordern Kühlung für optimale Leistung und Langlebigkeit. Wenn die Aufrechterhaltung einer präzisen Laserwellenlänge, Strahlqualität, hohe Ausgangseffizienz und Betriebszeit wichtig sind, kann die Flüssigkeitskühlung die Antwort sein. Umwälzkühler, LCS, Umgebungskühlsysteme, Kaltplatten und Wärmetauscher werden zu kritischen Komponenten in Lasersystemen.

Verweise

Um die Austrittstemperatur der Luft zu bestimmen, verwenden wir das Diagramm „Air Flow“ (Luftströmung) mit den Parametern 250 CFM und 2400 W.

Coherent®, "Laser Cooling Water Guidelines for Innova® Ion Laser Systems" S. 1.

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

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