Lorsque vous utilisez un laser, seule une partie de l'énergie électrique fournie par le pilote laser est convertie en énergie lumineuse. Le reste est converti en énergie thermique, et l'accumulation d'énergie thermique présente un certain nombre de problèmes pour le système laser en général et le laser en particulier.
Dans votre configuration laser, le système de contrôle de la température est responsable de la gestion de la chaleur générée par le fonctionnement du laser. En plus du contrôleur de température, une sélection minutieuse d'un support laser adapté à l'application est essentielle pour un système laser robuste.
En fin de compte, le problème le plus urgent concernant le contrôle de la température est que les variations de température peuvent affecter la qualité du laser, en particulier la longueur d'onde. Si elle n'est pas contrôlée, la surchauffe peut également endommager la face émettrice du laser, réduisant ainsi la qualité et la quantité de lumière produite.
Les deux stratégies de base pour dissiper la chaleur générée par les lasers sont appelées refroidissement passif et refroidissement actif. De plus, cet article décrit des méthodes de gestion thermique non traditionnelles pour les applications à haute puissance et les applications qui nécessitent des supports laser chauffants.
Refroidissement passif
Les dissipateurs thermiques passifs évacuent la chaleur du laser et la dissipent dans l'air ambiant (Figure 1). Comme ce type de support laser n'est qu'un grand dissipateur thermique, la température du support et celle du laser augmentent inévitablement. Les supports laser refroidis passivement sont conçus pour que l'augmentation de température se produise de manière progressive et prévisible.
La performance thermique d'un tel support est évaluée en termes de résistance thermique, en « CN ». Cette évaluation indique la quantité d'augmentation de température dans le support laser pour chaque watt de chaleur perdue générée par le laser, en degrés Celsius.
Un ventilateur améliorera les performances thermiques d'un support laser refroidi passivement. En règle générale, les fabricants fournissent des valeurs nominales pour les supports laser avec et sans ventilateurs auxiliaires. Même avec des ventilateurs, la plage de performances et de puissance des dissipateurs thermiques passifs est limitée aux applications de faible à moyenne puissance, ou aux applications où des températures de fonctionnement plus élevées sont acceptables.
Refroidissement actif
Le refroidissement actif est une approche plus complète et plus complexe de la gestion thermique. Un dispositif appelé refroidisseur Peltier est intégré au support laser ou directement dans le boîtier laser,
Un dispositif Peltier, également connu sous le nom de refroidisseur thermoélectrique (TEC), est une petite céramique plate et thermoconductrice qui utilise l'énergie fournie par un contrôleur de température pour refroidir l'une de ses surfaces tout en chauffant la surface opposée. Le support laser est chargé d'agir comme un dissipateur thermique sur un côté du dispositif Peltier. L'autre côté du dispositif Peltier est appliqué sur une plaque froide en aluminium ou en cuivre qui entre en contact avec le boîtier du laser.
Pour compléter la boucle de contrôle, un capteur de température fournit un signal de retour au contrôleur de température, qui régule la puissance fournie au dispositif Peltier. Dans de nombreux cas, le support laser sera également équipé d'un ventilateur pour maximiser les performances thermiques.
Les performances thermiques d'une monture laser refroidie activement sont appelées capacité thermique et sont exprimées en watts. Cette valeur indique la quantité d'énergie thermique que la monture laser peut absorber tout en maintenant une température stable. Cette valeur s'applique généralement lorsque la température de la plaque froide de la monture correspond à la température ambiante. Pour les applications à distance, les fabricants peuvent souvent fournir des courbes de performances thermiques en fonction de la température de la plaque.
Il convient de noter que les supports laser équipés de dispositifs Peltier pourront être chauffés et refroidis. Cela permet des temps de stabilisation et de réponse plus rapides. De plus, si vous caractérisez les performances d'un dispositif LED ou laser, cette fonctionnalité peut également permettre au système d'être stable au-dessus et en dessous de la température ambiante. Étant donné que la longueur d'onde de sortie est liée à la température du laser, cela offre également un moyen pratique de contrôler avec précision les performances optiques du laser.
Considérations fonctionnelles pour la sélection du support
Au-delà de la question fondamentale de la capacité thermique adéquate, trois domaines fonctionnels influent sur l'utilité d'un support laser. Il s'agit de la conductivité thermique, de la flexibilité du harnais et du montage mécanique du laser.
La conductivité thermique du support laser, en particulier de la plaque froide, est un aspect de conception important. Bien que l'aluminium soit adapté à certaines applications, le matériau privilégié pour la plaque froide est le cuivre. Le cuivre a de meilleures propriétés thermiques que les autres matériaux et fournira une température plus uniforme sur toute la plaque froide.
Pour une polyvalence optimale, tenez compte de la flexibilité du faisceau de câbles intégré au support et, par extension, au pilote laser et au contrôleur de température. Idéalement, le fabricant devrait fournir des câbles préfabriqués standard reliant l'instrument au support laser. Lors de l'interfaçage d'un laser à un autre, la connexion doit être facile à réaliser et à modifier, à l'aide de bornes à fil ou d'une autre méthode simple. Les connexions soudées ou les connecteurs qui nécessitent un temps de configuration important sont moins souhaitables.
Le même principe s'applique à la connexion mécanique entre le laser et le support. Il va sans dire que cette connexion doit fournir une bonne interface thermique. De plus, elle doit permettre une connexion facilement déconnectable et un certain degré de polyvalence pour une variété de packages laser. Certains fabricants proposent des plaques froides personnalisables qui vous permettent de spécifier le modèle de trou de montage souhaité.
Systèmes à haute puissance
Au-delà des supports laser avec ventilateurs intégrés et refroidisseurs Peltier, la gestion de niveaux de production thermique plus élevés devient plus difficile. Si un support refroidi par air s'avère insuffisant, l'option suivante est un support refroidi par eau (Figure 3). L'eau augmente considérablement la capacité thermique au détriment de la complexité et de la réactivité.
Bien que les plaques refroidies par eau soient efficaces pour transférer de grandes quantités de chaleur, elles présentent plusieurs inconvénients. Tout d’abord, votre point de consigne de température doit se situer entre les points d’ébullition et de congélation de l’eau. Ensuite, les systèmes d’eau nécessitent des refroidisseurs, des pompes, des supports laser personnalisés et de la plomberie, ce qui augmente le temps et le coût d’installation. Troisièmement, certains systèmes d’eau peuvent avoir une marge d’erreur de quelques dixièmes de degré et ne réagissent pas rapidement aux changements de température. Cela peut ne pas convenir aux applications de haute précision.
Pour améliorer la précision des systèmes à eau, les systèmes hybrides qui combinent des TEC avec des supports laser refroidis par eau fonctionnent bien. Ce système s'appuie sur le TEC pour un contrôle précis de la température et utilise un système de refroidissement par eau pour dissiper rapidement la chaleur. Cette approche est courante dans les applications laser haute puissance qui nécessitent une bonne stabilité de la température.
Systèmes à haute température
Comme mentionné précédemment dans cet article, les capacités de chauffage d'un dispositif Peltier peuvent être utiles si vous caractérisez les performances d'un dispositif sur une plage de températures ou si vous travaillez avec des applications qui nécessitent des températures plus élevées, telles que les LED. Des températures de montage plus élevées nécessitent différents types de capteurs de température et de TEC adaptés au fonctionnement à haute température. Discutez donc de votre application avec le fabricant du support laser. Certains supports laser contiennent également des éléments chauffants résistifs, bien que cet agencement ne soit évidemment adapté qu'aux applications de chauffage uniquement. Dans ce cas, tant que le contrôleur de température peut alimenter l'élément chauffant résistif, le reste du système de gestion thermique peut rester inchangé.
Conclusion
Choisir le support adapté à votre système laser vous fera gagner du temps et des efforts tout en améliorant les performances globales. En plus de décider d'utiliser un refroidissement passif ou actif, accordez une attention particulière aux autres caractéristiques du support laser. La facilité d'installation, la flexibilité des connexions électriques et le bon choix des matériaux sont des facteurs importants à prendre en compte. En fin de compte, la meilleure solution consiste peut-être à appeler directement le fabricant et à lui poser des questions sur les performances du support pour son application spécifique.
Réimprimé à partir de : Photon Bit
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