激光液体冷却优化

高功率激光器的性能取决于有效的冷却。高功率激光器会产生大量热量，必须从激光系统中去除这些热量，以避免关键组件过热。

通过改进液体冷却系统优化激光

二氧化碳 （CO2） 激光器、准分子激光器、离子激光器、固态激光器和染料激光器都使用液体冷却来去除多余的热量。激光液体冷却有助于实现三个目标：保持精确的激光波长和更高的输出效率，实现所需的光束质量，以及减少激光系统上的热应力。循环冷却器、液-液冷却系统、环境冷却系统、冷板和热交换器是激光系统液体冷却回路中使用的一些冷却技术。

低功率激光器（如小型氦霓虹灯或气态激光器）可能不需要冷却，或者可能随自带冷却风扇，这通常就足够了。一些较小的气体激光器和许多固态激光器包含自己的内置冷却系统，通常是闭环热交换器。较大的气体激光器或其他大功率激光器，如工业CO2、大框架气态和金刚石-电器激光器，以及兴奋激光器，通常需要外部的水源流经激光系统的发光部分。

据激光器和激光系统制造商 Coherent， Inc 称，作为激光作用的副产品，他们的离子激光器会产生 5kW 到 55kW 的废热。为了避免关键组件过热，Coherent 指出了有效去除激光系统中热量的重要性，并建议使用冷却水。其他激光系统可能需要去除或多或少的热量，但仍然需要冷却。

精确的波长、光学转换效率和光束质量

从激光系统去除多余的热量的一个重要原因是温度升高会导致波长的增加。这种波长的增加会损害激光系统的性能。由于二极管激光波长随温度升高而增加，因此在整个二极管阵列中的温度必须均匀，以便在泵送应用中具有较高的整体光学转换效率。例如，GaAs 二极管激光棒发射的光波长在大约 0.3nm/°C 的速率下移动，原因是带隙能量和折射率与温度相关的变化。为了在泵送一些固态激光器时，GaAs 二极管棒的光的整体光转换效率很高，因此每个发射体的光能波长在非常窄的波长范围内或彼此的 1-2°C 之间至关重要。冷却有助于使光束在发射器前面保持对齐（± 5 微米）。

光束质量在某些激光应用中也很重要。例如，对于激光材料加工、印刷、标记、切割和钻孔，需要强光束对焦。在高功率激光器中，增益介质（如激光晶体）的加热会导致热透镜。增益介质中的这些热效应会影响激光波面，从而影响光束质量。使用二极管泵送的固态 （DPSS） 激光器，必须冷却晶体，温度应控制在 0.5°C。（参见图 1 和 2。

降低热应力

较低的工作温度还可以延长激光系统组件的使用寿命并减少维护。DPSS 激光器尤其如此，因为故障之间的平均时间 （MTBF） 受过热影响很大。因此，激光设计师和制造商将冷却系统集成到其激光中是有意义的。这有助于确保 MTBF 的扩展和停机时间的减少，从而节省操作和维护。通过集成冷却系统，它还帮助激光制造商确保最佳的激光系统性能。

对于低热负荷，循环冷却装置通常是最简单的解决方案，因为安装简便。当热负荷高时，液-液冷却系统则更节约成本。但是，它们的使用局限于存在可用冷却设施用水的情况。它们必须与设施用水连接，这一点可能影响其使用位置和设备的便携性。

如果您的热负荷高且需要将热量排入设施用水，选择LCS还是装配水冷冷凝器的循环冷却装置取决于您的设定点温度。如果您的设定点温度高于您的最高设施用水温度，LCS是更节约成本的选择。不过，如果您需要冷却至接近或低于设施用水温度，则需要装配水冷冷凝器的制冷剂冷却装置。

循环冷却装置

商用循环冷水机组为激光冷却提供方便的冷却。基于压缩机的再循环冷水机组冷却剂温度可设置为 -5.0°C 至 35.0°C，并保持 ±0.1°C 的温度稳定性，确保激光系统以最佳波长和尽可能高效的速度运行。

循环式冷水机组也比使用自来水更环保、更经济。冷机是使用主动制冷的闭环系统。当热通量高、环境温度高或激光系统需要冰冷的环境（如使用兴奋激光器）时，它们用于冷却激光系统。通常，它们具有 800W-6kW、PID 控制器、大热质量储罐和高级制冷控制电路的冷却能力，可确保它们保持激光系统指向稳定性和光束质量所需的紧密温度稳定性。此外，循环式冷水机组可以为系统提供一致的流量和压力，同时保持对冷却液质量的控制。确保保持适当的冷却系统压力非常重要，因为过高的水压会在激光头中产生振动。

循环冷水机组的另一个好处是，它们大多与各种流体兼容。例如，许多循环式冷水机组与乙二醇 （EGW） 或丙二醇 （PGW） 解决方案兼容，后者提供腐蚀和防冻保护。循环式冷水机组也可以安装，以便与去离子化 （DI） 水兼容，包括用于保持系统所需电阻率的 DI 墨盒。（DI 水是电惰性的。

液体到液体冷却系统

与循环式冷水机组一样，液体到液体冷却系统 （LCS） 可提供过程水（液温至 ±0.5°C）的精确温度控制。然而，它通过液体到液体的热交换器将热量转移到设施水中。LCS 是高热负荷或高环境温度应用的解决方案，其中有冷却设施水可用，因为 LCS 的冷却能力通常高达 20kW。对于具有多个大型激光器的实验室，一个经济的选择可能是在设施屋顶安装冷却塔，为建筑物内的所有系统提供共同的冷却水源。冷却塔将耗尽建筑物外的热量，帮助维护舒适的工作环境。使用 LCS，设施水永远不会与激光系统水接触。热量通过液到液体热交换器从冷却系统流体转移到设施水。这一点很重要，因为从设施冷却塔循环的水通常用杀菌剂、藻类和/或防冻剂处理，对于某些激光部件来说，这些可能太苛刻。

环境冷却系统

环境冷却系统的冷却能力高达3.5 kW，是制冷制冷机和LCS的可靠替代品，适用于不需要精确温度控制和温度低于环境温度的激光应用。环境冷却系统由高性能换热器、风扇、泵和储液罐组成。热量通过激光系统循环的水通过液体对空气的热交换器和风扇进入环境空气，因此称为"环境冷却系统"。环境冷却系统不提供温度稳定性，但它们是一种经济高效的散热方法。

冷板 + 热交换器

冷板和热交换器是液体冷却回路中激光冷却的关键部件。冷板通常与循环式冷水机组结合使用。许多激光器使用带管的冷板。然而，有液体流过通道的铝真空制冷板是越来越多的激光制造商选择的冷板。制造商和最终用户也使用平管冷板技术。冷板可安装在需要冷却的部件上，如热电，并将冷液从冷水机组接收，并将热流体传回冷水机组。（参见图 3。冷板也可以设计为激光系统的电极。

热交换器通常位于冷却系统（如冷水机组、LCS 和环境冷却系统）中。一些激光制造商喜欢单独购买热交换器并自行集成，将其连接到自己的泵和储液罐。

带液体的冷却激光器

大功率激光系统需要冷却，以实现最佳性能和使用寿命。如果保持精确的激光波长、光束质量、高输出效率和上升时间是重要的，液体冷却可能是答案。循环冷水机组、LCS、环境冷却系统、冷板和热交换器正在成为激光系统的关键部件。

引用

确定出气温度，我们使用带参数250 CFM和2400 W的气流图表。

相干®，"激光冷却水指南，用于新星®Ion激光系统"第1页。

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Paschotta， R.， “热透镜”， 激光物理与技术百科全书 2007.