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冷却液对CO2激光器功率的影响[水温篇]

阅读量: 412次 2022-06-08

据研究表明,CO2射频激光器的光电转换效率约为10%~20%,其余的能量将转换为废热。

如果CO2射频激光器的放电区无法进行有效的散热,那么放电区内的气体温度将会持续升高。

将导致放电区内的分子热运动随着温度的升高而加剧,引起上能级分子消耗,从而引发CO2分子谱线跃迁加宽,最终影响激光器输出功率的稳定性或者使其输出功率下降。

因此,通过外部辅助手段对激光器进行散热显得尤为重要。



目前,已有相关的数据显示,CO2激光器的激光气体温度在400~500K之间时,光电转换效率较高。


1 激光器的常见散热方式


在使用射频激光器时,通常会采用的散热方式分为两种,风冷散热和水冷散热。


风冷散热常用于低功率激光器上,其功率一般不超过100W。水冷散热则覆盖了CO2激光器所能达到的整个功率范围。


/ 风 冷 散 热  - 水 冷 散 热 /


以上两种散热方式有一个共同点,即均不直接对产生热量的放电区进行冷却,而是通过传导方式,将放电区产生的废热传导到冷却液或者散热板上。


2 冷却液温度对激光器的影响

对于水冷散热,我们通常采用纯净水、蒸馏水或者去离子水作为冷却液(冬天也可用防冻液)来对激光器进行散热。


根据牛顿冷却定律:

其中,Φ为散热的热量;A为散热器的面积,η为传热系数,Δt为温差。


可以得出,在CO2激光器的结构和材料确定后,影响散热的主要因素就是温差(这里的温差是指冷却液温度激光器放电区温度的温差)


以纯净水为例子,假设冷却液的温度上升,那么它和放电区的温差将会减小,散热效果下降,最终影响激光功率。据部分实验数据表明,冷却液(纯净水)温度每升高约1℃,激光功率将降低约0.5%~1%。



因此,降低冷却液的温度,可以改善散热,从而提升激光功率。


那么,冷却液温度可以无限降低吗?答案显然是否定的。对于部分CO2激光器而言,过低的冷却温度,则需要更长的热机时间,降低了工作效率。


而最普遍的影响是,冷却液的温度过低,导致激光器表面结露,影响激光器的使用,甚至缩短其使用寿命。


3 冷却液与稳定的激光功率

显然,我们为了使CO2激光器获得稳定的激光功率,就需要相对稳定的CO2激光气体温度。归根结底,也就是稳定的散热效果。


/ ZAMIA F8i 射频激光器 功率曲线图 /


从牛顿冷却定律(Ф=Α*η*Δt)中可以看出,获得稳定的散热效果的关键因素,就是恒定的温差(Δt)。所以,在实际生产作业的过程中,我们通常会采用恒温冷水机,它将有助于激光器获得稳定的输出功率。


综合激光器功率以及稳定性这两大因素来考虑,小特建议将射频CO2激光器冷却液的温度设定为25±2℃。在炎热的夏季,为了避免结露,也可以设置在28±2℃


点击了解更多预防激光器结露的知识


/ 冷 水 机 温 度 设 定 /


而在冬季,在条件允许的情况下,我们尽量保持冷水机的持续运作。同时为了节能,建议将低温和常温水温度调整至5 ~ 10℃,保证冷却液处于循环状态且温度不低于冰点。


点击了解更多激光器防冻知识


必要时也可以使用专业品牌的防冻液(不能用乙醇代替,否则也可能会造成损坏)



来源: | 阅读量: 412次 | 2022-06-08

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