01 خلاصة

أثناء التشغيل، عندما يتم تحويل الطاقة الكهربائية أو أشكال الطاقة الأخرى إلى طاقة ضوئية في الليزر، تتولد حتما كمية كبيرة من الحرارة. إذا لم يكن من الممكن تبديد هذه الحرارة في الوقت المناسب وبفعالية، فسترتفع درجة حرارة الليزر، مما سيؤثر سلبًا على طاقة الخرج وجودة الشعاع واستقرار الطول الموجي. وفي الحالات الشديدة، قد تتعرض شريحة الليزر والمكونات البصرية الداخلية للتلف. لذلك، يعد تبديد الحرارة الفعال والموثوق أحد التقنيات الرئيسية لضمان الأداء المستقر وإطالة عمر خدمة الليزر. مع الزيادة المستمرة في قوة الليزر وتوسيع مجالات التطبيق، تشهد تقنيات تبديد الحرارة أيضًا تطويرًا وابتكارًا مستمرًا. يقدم هذا البحث طرق تبديد الحرارة الرئيسية لليزر وخصائصها.

02 الخلفية البحثية

سنة 1960-1970

في المرحلة المبكرة من تطوير الليزر، كانت طاقة الخرج منخفضة بشكل عام (مستوى واط أو أقل). تم اعتماد الحمل الحراري الطبيعي وتبديد الحرارة الإشعاعي بشكل أساسي خلال هذه الفترة، ويتميز ببنية بسيطة وموثوقة. مع زيادة قوة ليزر الغاز ذو الموجة المستمرة - (CW) (مثل ليزر ثاني أكسيد الكربون) وأشعة الليزر ذات الحالة الصلبة - المبكرة إلى عشرات الواط، تم تطبيق تبريد الهواء القسري البسيط تدريجيًا. تم تركيب مراوح على غلاف الليزر لإزالة الحرارة من خلال الحمل الحراري للهواء القسري، مما يمثل الخطوة الأولى لتقنية تبديد الحرارة من التبريد السلبي إلى التبريد النشط.

سنة 1980-1990

أصبحت أنظمة التبريد بالمياه المتداولة هي التكوين القياسي لأجهزة الليزر عالية الطاقة-في هذا العصر. ركزت الأبحاث على تحسين تصميم قناة التدفق للألواح الباردة، وتحسين جودة المياه (على سبيل المثال، الماء منزوع الأيونات) لمنع التقشر والتآكل، وتطوير-مبادلات حرارية خارجية ذات كفاءة عالية (مثل أبراج التبريد والمبردات الجافة). وفي الوقت نفسه، تم تطبيق أنظمة التحكم الدقيقة في درجة الحرارة مع تبريد الضاغط على مصادر مضخات أشباه الموصلات الحساسة لدرجة الحرارة- وأشعة الليزر ذات الدرجة العلمية- التي تتطلب ضوضاء منخفضة.

سنة 2000 إلى الوقت الحاضر

لقد تحولت حدود البحث إلى مرحلة أكثر كفاءة-تغيير تقنيات التبريد:

التبريد بالرش: يتم ذر سائل التبريد ورشه على سطح مصدر الحرارة لإزالة الحرارة الهائلة من خلال تأثير القطرات والحرارة الكامنة لتغير الطور؛ تم تحقيق قدرة تبديد حرارة تتجاوز 1000 واط/سم² في المختبرات.

التبريد بالغليان عبر القنوات الدقيقة: يتم إحداث تغيير في الطور (الغليان) لسائل التبريد داخل القنوات الدقيقة، مما يحسن بشكل كبير حد تبديد الحرارة من خلال الاستفادة من الحرارة الكامنة للتبخير.

03 طرق تبديد الحرارة

lالتبريد الطبيعي

إنها الطريقة الأبسط والأكثر موثوقية لتبديد الحرارة، حيث تعتمد على الحمل الحراري الطبيعي والإشعاع الحراري بين غلاف الليزر والهواء المحيط. لا يتطلب أي جهاز طاقة خارجي، ولا يصدر أي ضوضاء ويحتاج إلى الحد الأدنى من الصيانة. ومع ذلك، فإن قدرتها على تبديد الحرارة محدودة، ولا تنطبق إلا على أجهزة الليزر ذات الطاقة المنخفضة- ذات توليد حرارة منخفض.

lتبريد الهواء

تجبر المراوح الهواء على التدفق عبر زعانف التبريد أو المشتتات الحرارية لليزر لتحسين كفاءة تبديد الحرارة بشكل كبير عبر الحمل الحراري القسري. بفضل هيكله البسيط نسبيًا والتكلفة المنخفضة، فهو مناسب لأجهزة الليزر ذات الطاقة المتوسطة والعالية-. تشمل عيوبه ضوضاء المروحة وتراكم الغبار وعمر خدمة المروحة المحدود.

lتبريد المياه

يتدفق سائل التبريد المتداول (عادةً الماء منزوع الأيونات أو خليط من الماء وجلايكول الإيثيلين) عبر قنوات مائية أو ألواح باردة على اتصال وثيق بمصادر الحرارة لنقل الحرارة بعيدًا. تتميز أنظمة التبريد بالمياه بقدرة فائقة- على تبديد الحرارة ودقة عالية في التحكم في درجة الحرارة، الأمر الذي يمكنه الحفاظ بشكل فعال على درجة حرارة ثابتة لمكونات الليزر الأساسية. يتم استخدامها على نطاق واسع في أنظمة الليزر ذات الطاقة العالية-والطاقة العالية-. وتتمثل العيوب في تكوين النظام المعقد (الذي يتطلب مضخات المياه وخزانات المياه وخطوط الأنابيب ومعدات التبريد الخارجية مثل المبردات الجافة أو أبراج التبريد)، وتكاليف الصيانة المرتفعة والمخاطر المحتملة لتسرب المياه.

lتبريد الضاغط

من خلال اعتماد نفس مبدأ العمل مثل مكيفات الهواء والثلاجات المنزلية، تعمل الضواغط على تشغيل دورة التبريد لامتصاص الحرارة من دائرة التبريد بالليزر في المبخرات وتحقيق التبريد النشط. يمكن لهذه الطريقة خفض درجة حرارة تشغيل الليزر إلى أقل من درجة الحرارة المحيطة وتوفير بيئة تبريد مستقرة للغاية بدرجة حرارة منخفضة-. وهو مناسب بشكل خاص لأشعة الليزر شبه الموصلة الحساسة للحرارة- وسيناريوهات التطبيق ذات متطلبات الثبات العالية جدًا-. إنه يتميز بالهيكل الأكثر تعقيدًا والحجم الكبير والاستهلاك العالي للطاقة والتكلفة الأعلى.

تقنيات تبديد الحرارة المتقدمة

لمواجهة تحديات تبديد الحرارة الناتجة عن ارتفاع كثافة تدفق الحرارة (مثل أشرطة الليزر شبه الموصلة عالية الطاقة-)، تواصل الصناعة استكشاف تقنيات تبريد أكثر كفاءة:

· التبريد Microchannel: يتم تصنيع قنوات الموائع التي يتراوح حجمها بين عشرات ومئات الميكرونات داخل المشتتات الحرارية. يتدفق سائل التبريد في هذه القنوات الصغيرة، مما يحقق كفاءة عالية جدًا-في تبادل الحرارة نظرًا لمساحة السطح المحددة الضخمة.

· رذاذ التبريد: يتم تفتيت سائل التبريد إلى قطرات صغيرة ويتم رشه مباشرة على سطح مصدر الحرارة. تتم إزالة الحرارة الهائلة من خلال تأثير القطرات، والانتشار، وتغيير طور التبخر، مع أداء تبديد للحرارة يفوق بكثير التبريد الحراري التقليدي.

· التبريد الحراري (تبريد أشباه الموصلات): استنادًا إلى تأثير بلتيير، يجعل التيار المباشر أحد جانبي النوافير الحرارية شبه الموصلة يمتص الحرارة بينما يطلق الجانب الآخر الحرارة، مما يحقق تحكمًا دقيقًا في درجة الحرارة المحلية النشطة. يُستخدم بشكل شائع للتحكم في درجة حرارة النقطة لأجهزة الطاقة-الصغيرة.

· مرحلة-تغيير التبريد: يتم تبديد الحرارة من خلال الاستفادة من خاصية امتصاص المواد (معادن أو سوائل معينة) لكمية كبيرة من الحرارة الكامنة أثناء انتقال الطور.

توفر هذه التقنيات المتقدمة أداءً أعلى في تبديد الحرارة وبنية أكثر إحكاما، ومع ذلك فهي تتميز بمهارة حرفية معقدة وتكاليف مرتفعة نسبيًا.

خاتمة

باختصار، يستخدم الليزر مجموعة واسعة من حلول تبديد الحرارة، مما يشكل نظامًا تقنيًا كاملاً بدءًا من التبريد الطبيعي البسيط وحتى التبريد بالضاغط المتطور والعديد من تقنيات التبريد المتقدمة-ذات الكفاءة العالية. في التطبيقات العملية، يجب اختيار الحل الأمثل بناءً على دراسة شاملة لتصنيف طاقة الليزر والشكل الهيكلي ومتطلبات الأداء وبيئة التشغيل والميزانية. مع تطور تكنولوجيا الليزر نحو طاقة أعلى وسطوع أعلى وحجم أصغر، سيظل تطوير حلول تبديد الحرارة الأكثر كفاءة وصغرًا وموثوقية موضوعًا بحثيًا مهمًا في صناعة الليزر، وضمانًا أساسيًا لتعزيز التطبيق الواسع النطاق لليزر في مختلف المجالات.