隨著光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，光纖激光器的可靠性越來(lái)越引起大家的重視，其中主要包括激光輸出性能的可靠性、電子元件的可靠性、光學(xué)器件的可靠性、系統(tǒng)的可靠性等等。這些大部分是和激光器本身的熱特性密切相關(guān)。此外，溫度對(duì)激光器的性能影響較大,尤其是對(duì)于激光的輸出功率和輸出穩(wěn)定性。
光纖激光器的熱量主要來(lái)源于泵浦源和增益腔。對(duì)于泵浦源，它的轉(zhuǎn)化效率大約在50%，這也意味著會(huì)有相當(dāng)于輸出光功率大小的能量以熱量的形式產(chǎn)生。若不能及時(shí)散熱，內(nèi)部芯片的溫度會(huì)迅速升高，隨之而來(lái)的就是激光器中心波長(zhǎng)將隨著溫度的升高而發(fā)生漂移。對(duì)于增益腔，泵浦光進(jìn)入有源增益光纖后只有一部分轉(zhuǎn)化為了激光輸出，其余的能量都轉(zhuǎn)化為熱能。熱能會(huì)使增益介質(zhì)的溫度升高，導(dǎo)致熒光譜線加寬、自發(fā)輻射壽命短，從而使能量轉(zhuǎn)化效率降低。因此，熱量管理對(duì)光纖激光器有著不可忽視的意義。
目前常用的熱管理技術(shù)主要有風(fēng)冷和水冷兩種方式，其中風(fēng)冷散熱技術(shù)主要應(yīng)用在低功率的脈沖激光器和低功率的連續(xù)激光器上，中高功率光纖激光器上大部分采用水冷散熱作為主要散熱措施。
兩種主要的散熱方式
01水冷散熱
水冷散熱顧名思義就是利用水,通過(guò)熱交換器（如：水冷板）帶走熱量。其工作原理也很簡(jiǎn)單，就是將冷水機(jī)里的冷水通過(guò)水管流進(jìn)熱交換器，然后再?gòu)臒峤粨Q器的另外一個(gè)口出來(lái)，再經(jīng)過(guò)水管流回冷水機(jī)，通過(guò)這樣的不斷循環(huán)，從而把熱量從激光器內(nèi)部帶走。
水冷散熱的方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于維護(hù)；散熱能力強(qiáng)且溫度均勻性好，可以通過(guò)使用更大制冷量的冷水機(jī)來(lái)提升激光器的冷卻性能。目前市面上集成并銷售手持激光焊接機(jī)的廠商大約有五百多家，普遍都采用水冷的方式。但是，水冷散熱的手持激光焊接機(jī)除了激光器本身外，還需要額外的冷水機(jī)和水，這就造成了設(shè)備整體的體積和重量大幅增加,使用環(huán)境受限。
02風(fēng)冷散熱
廣義上,風(fēng)冷散熱是指利用風(fēng)扇加強(qiáng)空氣對(duì)流,完成機(jī)器內(nèi)部的熱交換。隨著技術(shù)的提升，各大激光器的廠商紛紛開(kāi)始涉足風(fēng)冷散熱的領(lǐng)域。去年6月，全球光纖激光器巨頭I公司推出風(fēng)冷式的LightWELD 1500W手持激光焊接產(chǎn)品；8月，GW國(guó)內(nèi)首推風(fēng)冷式的A1500W智能激光焊機(jī)；10月，r公司也發(fā)布了FCA1500風(fēng)冷激光器。
▲ 風(fēng)冷光纖激光器：reci、IPG、GW
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這三款激光器主要面向手持激光焊接的細(xì)分市場(chǎng)，風(fēng)冷式激光器可以使工作更靈活、更便攜，這三款激光器它們都采用風(fēng)冷式散熱，無(wú)需額外的水冷設(shè)備，這樣在降低成本的同時(shí)也極大地降低了設(shè)備的體積和重量。
雖然都叫做風(fēng)冷式激光器，但采用的風(fēng)冷式散熱方案卻不同，分別為風(fēng)扇散熱、熱管散熱器散熱、壓縮機(jī)制冷散熱。
(1) 風(fēng)扇散熱
在激光器中，使用熱導(dǎo)性好的基底（如銅、氮化鋁等）把泵浦源和增益腔內(nèi)部產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出，之后再通過(guò)對(duì)流的方式把熱量散發(fā)掉，這種方式稱為對(duì)流散熱。根據(jù)流體流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的不同，又可以將對(duì)流換熱分為自然對(duì)流及強(qiáng)制對(duì)流散熱。在沒(méi)有外部力作用下，僅僅靠流體的溫度差，可以使流體自發(fā)流動(dòng)從而進(jìn)行傳熱，我們稱之為自然對(duì)流；在有外部驅(qū)動(dòng)力時(shí)，即流體在風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇等部件驅(qū)動(dòng)下，快速流動(dòng)，從而帶走熱量，我們稱之為強(qiáng)制對(duì)流。
由于自然對(duì)流的方式散熱速度極為緩慢、效果也很差勁，還不能完全滿足激光器的散熱需求。因此，需要在整個(gè)散熱系統(tǒng)中加入風(fēng)扇，加快空氣的流動(dòng)，將自然對(duì)流變成強(qiáng)制對(duì)流。
▲ 風(fēng)扇散熱原理
(2) 熱管散熱器散熱
熱管散熱器散熱是指熱管依靠自身內(nèi)部的工作液體相變來(lái)實(shí)現(xiàn)傳熱，這種液體沸點(diǎn)低，容易揮發(fā)。熱管一端為蒸發(fā)端，連接激光器內(nèi)部的熱沉；另外一端為冷凝端，連接外部的散熱片與風(fēng)扇。管壁有吸液芯，由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成。當(dāng)激光器發(fā)熱時(shí)，蒸發(fā)端受熱，工作液體迅速蒸發(fā)，蒸汽在壓力差下流向冷凝端，并且釋放出熱量，通過(guò)風(fēng)扇排出；同時(shí)，蒸汽重新凝結(jié)成液體，液體通過(guò)吸液芯再流回蒸發(fā)段（若是重力熱管，則沒(méi)有吸液芯，液體附著在管壁上依靠重力流回底部蒸發(fā)段）。如此循環(huán)不止，便實(shí)現(xiàn)了熱量從激光器內(nèi)部轉(zhuǎn)移到外部。
▲ 熱管散熱器散熱原理
I公司的LightWELD 1500手持激光焊接系統(tǒng)采用的便是熱管散熱器散熱方案。LightWELD的設(shè)計(jì)制造以體積小、重量輕為特色，引領(lǐng)了當(dāng)前手持式激光焊接機(jī)的新一代變革，除了可以焊接外，還實(shí)現(xiàn)了手持激光焊接、清洗二合一的功能。LightWELD手持激光焊機(jī)采用風(fēng)冷的方式，無(wú)額外冷水設(shè)備所需的耗電，除去了冷水機(jī)組管道、組件、控制和維護(hù)環(huán)節(jié)，降低成本的同時(shí)更增加了便攜性，提升系統(tǒng)整體可靠性。
▲ LightWELD 1500 手持激光焊接系統(tǒng)
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(3) 壓縮機(jī)制冷散熱
壓縮機(jī)制冷散熱原理：壓縮機(jī)壓縮冷媒，使冷媒變成高溫高壓的氣體，并流向外部冷凝器。高溫高壓氣體冷凝成低溫高壓的液體，液化產(chǎn)生的熱量隨風(fēng)扇排出機(jī)器外。低溫高壓的液體冷媒通過(guò)膨脹閥降壓后變成低溫低壓易蒸發(fā)的狀態(tài)，并流向內(nèi)部蒸發(fā)器。蒸發(fā)器吸收熱量，使激光器內(nèi)部溫度降低，達(dá)到降溫的效果，然后冷媒汽化成高溫低壓的氣體。經(jīng)蒸發(fā)器蒸發(fā)后的氣體冷媒再次被壓縮機(jī)壓縮，往復(fù)循環(huán)，便實(shí)現(xiàn)了機(jī)器內(nèi)部的散熱。
▲ 壓縮機(jī)制冷散熱原理
光惠激光推出的A1500W智能風(fēng)冷式手持焊機(jī)使用的便是壓縮機(jī)制冷散熱的方案。光惠激光專注于976nm技術(shù)的不斷探索與創(chuàng)新，結(jié)合976nm的高光電轉(zhuǎn)化效率創(chuàng)造性的解決了風(fēng)冷制冷量的問(wèn)題，在行業(yè)內(nèi)首次推出基于風(fēng)冷的976nm技術(shù)，解決了功耗與便攜性問(wèn)題，再一次引領(lǐng)光纖激光器的技術(shù)發(fā)展方向。此款機(jī)型目前已實(shí)現(xiàn)焊接、切割、清洗功能三合一。
▲ 光惠激光 A1500W 智能風(fēng)冷手持焊機(jī)
幾種散熱方式的比較
風(fēng)扇散熱的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，只是單純地將熱沉中的熱量擴(kuò)散到散熱片上、再利用散熱片與環(huán)境空氣的溫差通過(guò)風(fēng)扇的強(qiáng)制對(duì)流進(jìn)行散熱。當(dāng)夏天環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，散熱片與空氣的溫差過(guò)小，散熱能力將大大降低。它只能被動(dòng)散熱，受環(huán)境影響大，不能準(zhǔn)確地控制溫度。其優(yōu)點(diǎn)是整體的設(shè)備與控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單。
熱管散熱器散熱方式相比單純的風(fēng)扇散熱方式多了熱管的存在，因此其結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜。它是靠工作物質(zhì)的蒸發(fā)與冷凝來(lái)實(shí)現(xiàn)將熱量從熱沉快速的傳遞到散熱片再通過(guò)風(fēng)扇將熱量散失在空氣中。也屬于被動(dòng)式散熱，不能準(zhǔn)確地控制溫度，受周圍溫度干擾較大。
壓縮機(jī)制冷散熱方案屬于主動(dòng)散熱，由于存在壓縮機(jī)和膨脹閥，因此可以通過(guò)調(diào)整冷媒的流量和壓力大小來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制，同時(shí)冷凝器中冷媒的溫度高于熱沉，有利于熱量快速的傳遞給空氣。它的控制系統(tǒng)要更加復(fù)雜；同時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)要比上述兩種方案復(fù)雜很多，設(shè)備的體積和重量也相應(yīng)有所增大。
傳統(tǒng)的光纖激光器大多采用水冷散熱的方式，先通過(guò)壓縮機(jī)制冷將水冷卻，再通過(guò)水來(lái)冷卻激光器。光惠激光的風(fēng)冷散熱方案直接用壓縮機(jī)制冷來(lái)冷卻激光器，摒棄了水的存在，少了中間的傳熱環(huán)節(jié)，因此散熱效率更高、體積和重量可以做得更小。
在實(shí)驗(yàn)室中，我們采用恒溫恒濕的試驗(yàn)箱設(shè)定35℃來(lái)模擬夏季的高溫使用環(huán)境，在開(kāi)滿1500W功率的情況下，測(cè)試采用不同風(fēng)冷方案的激光器內(nèi)部增益光纖溫度隨時(shí)間的變化。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以明顯看出：光纖溫度在開(kāi)始的幾分鐘內(nèi)呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)，在10分鐘左右趨于穩(wěn)定。由于壓縮機(jī)的制冷作用，可以對(duì)激光器進(jìn)行主動(dòng)降溫，故溫度可以控制在60℃以下，溫度變化相對(duì)平穩(wěn)；而另外兩種只能依靠被動(dòng)散熱，故內(nèi)部溫度要略高于壓縮機(jī)制冷方案；其中，由于熱管的傳熱效率高，能很好地將熱量從激光器內(nèi)部導(dǎo)出，因此它內(nèi)部的溫度要比純風(fēng)扇的低一點(diǎn)，溫度上升也更趨于平緩。
▲ 不同風(fēng)冷方案激光器輸出1.5kW激光時(shí)溫度隨時(shí)間的變化
（實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)使用可能存在偏差）
結(jié) 語(yǔ)
在光纖激光器的領(lǐng)域，光惠激光一直以全球激光巨頭IPG為目標(biāo)，用軍工品質(zhì)來(lái)打造產(chǎn)品是光惠獨(dú)有的品牌優(yōu)勢(shì)。多年前光惠激光就開(kāi)始就組織科研力量在風(fēng)冷散熱方面進(jìn)行不斷探索，未來(lái)我們還將在這方面持續(xù)提升，不斷提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和技術(shù)的迭代升級(jí)，滿足更多行業(yè)的加工需求。
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