01 Tóm tắt

Trong quá trình hoạt động, khi năng lượng điện hoặc các dạng năng lượng khác được chuyển hóa thành năng lượng ánh sáng trong tia laser thì chắc chắn sẽ sinh ra một lượng nhiệt lớn. Nếu nhiệt lượng như vậy không thể được tiêu tán kịp thời và hiệu quả, nhiệt độ của tia laser sẽ tăng lên, điều này sẽ ảnh hưởng xấu đến công suất đầu ra, chất lượng chùm tia và độ ổn định bước sóng. Trong trường hợp nghiêm trọng, chip laser và các bộ phận quang học bên trong thậm chí có thể bị hỏng. Do đó, tản nhiệt hiệu quả và đáng tin cậy là một trong những công nghệ then chốt để đảm bảo hiệu suất ổn định và kéo dài tuổi thọ của tia laser. Với sự gia tăng liên tục của công suất laser và sự mở rộng của các lĩnh vực ứng dụng, các công nghệ tản nhiệt cũng đang trải qua quá trình phát triển và đổi mới không ngừng. Bài báo này giới thiệu các phương pháp tản nhiệt chính của laser và đặc tính của chúng.

02 Bối cảnh nghiên cứu

Năm 1960–1970

Trong giai đoạn đầu phát triển laser, công suất đầu ra thường thấp (mức watt hoặc thấp hơn). Sự tản nhiệt bức xạ và đối lưu tự nhiên chủ yếu được áp dụng trong thời kỳ này, có cấu trúc đơn giản và đáng tin cậy. Khi công suất của laser khí-sóng (CW) liên tục (chẳng hạn như laser CO₂) và laser trạng thái rắn-thời kỳ đầu tăng lên hàng chục watt, việc làm mát không khí cưỡng bức đơn giản dần dần được áp dụng. Quạt được lắp đặt trên lớp vỏ laser để loại bỏ nhiệt thông qua đối lưu không khí cưỡng bức, đánh dấu bước đầu tiên của công nghệ tản nhiệt từ làm mát thụ động sang làm mát chủ động.

Năm 1980–1990

Hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn đã trở thành cấu hình tiêu chuẩn cho tia laser công suất-cao trong thời đại này. Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế kênh dòng chảy của tấm lạnh, cải thiện chất lượng nước (ví dụ: nước khử ion) để ngăn chặn sự đóng cặn và ăn mòn, đồng thời phát triển-các bộ trao đổi nhiệt bên ngoài hiệu quả cao (chẳng hạn như tháp giải nhiệt và bộ làm mát khô). Trong khi đó, hệ thống kiểm soát nhiệt độ chính xác với khả năng làm lạnh bằng máy nén đã được áp dụng cho các nguồn bơm bán dẫn nhạy cảm với nhiệt độ-và laser cấp khoa học-yêu cầu độ ồn thấp.

Năm 2000 đến nay

Lĩnh vực nghiên cứu đã chuyển sang các công nghệ làm mát thay đổi pha hiệu quả hơn:

Làm mát bằng phun: Chất lỏng làm mát được nguyên tử hóa và phun lên bề mặt nguồn nhiệt để loại bỏ lượng nhiệt lớn thông qua tác động của giọt nước và nhiệt ẩn của sự thay đổi pha; công suất tản nhiệt vượt quá 1000 W/cm2 đã đạt được trong các phòng thí nghiệm.

Làm mát sôi vi kênh: Sự thay đổi pha có kiểm soát (sôi) của chất lỏng làm mát được tạo ra bên trong vi kênh, giúp cải thiện đáng kể giới hạn tản nhiệt bằng cách tận dụng nhiệt ẩn của quá trình bay hơi.

03 Phương Pháp Tản Nhiệt

lLàm mát tự nhiên

Đây là phương pháp tản nhiệt đơn giản và đáng tin cậy nhất, dựa vào sự đối lưu tự nhiên và bức xạ nhiệt giữa vỏ laser và không khí xung quanh. Nó không yêu cầu thiết bị nguồn bên ngoài, không tạo ra tiếng ồn và cần bảo trì tối thiểu. Tuy nhiên, khả năng tản nhiệt của nó bị hạn chế và chỉ áp dụng được cho các tia laser công suất thấp{2}}có khả năng sinh nhiệt thấp.

lLàm mát không khí

Quạt buộc không khí đi qua các cánh tản nhiệt hoặc tản nhiệt của tia laser để cải thiện đáng kể hiệu quả tản nhiệt thông qua đối lưu cưỡng bức. Với cấu trúc tương đối đơn giản và chi phí thấp, nó phù hợp với các tia laser công suất trung bình và{1}}cao. Nhược điểm của nó bao gồm tiếng ồn của quạt, tích tụ bụi và tuổi thọ quạt hạn chế.

lLàm mát bằng nước

Chất lỏng làm mát tuần hoàn (thường là nước khử ion hoặc hỗn hợp nước và ethylene glycol) chảy qua các kênh nước hoặc tấm lạnh tiếp xúc gần với nguồn nhiệt để mang nhiệt đi. Hệ thống làm mát bằng nước có khả năng tản nhiệt cực cao và độ chính xác kiểm soát nhiệt độ cao, có thể duy trì nhiệt độ ổn định của các bộ phận laser lõi một cách hiệu quả. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống laser-công suất cao và{4}}năng lượng cao. Hạn chế là thành phần hệ thống phức tạp (yêu cầu máy bơm nước, bể chứa nước, đường ống và thiết bị làm mát bên ngoài như máy làm mát khô hoặc tháp giải nhiệt), chi phí bảo trì cao và nguy cơ rò rỉ nước tiềm ẩn.

lMáy nén lạnh

Áp dụng nguyên lý làm việc tương tự như máy điều hòa không khí và tủ lạnh gia đình, máy nén thúc đẩy quá trình tuần hoàn chất làm lạnh để hấp thụ nhiệt từ mạch làm mát bằng laser trong thiết bị bay hơi và thực hiện làm lạnh chủ động. Phương pháp này có thể hạ nhiệt độ hoạt động của tia laser xuống dưới nhiệt độ môi trường xung quanh và cung cấp môi trường làm mát ở nhiệt độ thấp{1}}cực kỳ ổn định. Nó đặc biệt thích hợp cho các tia laser bán dẫn nhạy cảm với nhiệt độ-và các tình huống ứng dụng có yêu cầu về độ ổn định cực cao. Nó có cấu trúc phức tạp nhất, khối lượng lớn, tiêu thụ năng lượng cao và chi phí cao nhất.

Công nghệ tản nhiệt tiên tiến

Để đáp ứng những thách thức về tản nhiệt do mật độ dòng nhiệt cao hơn (chẳng hạn như các thanh laze bán dẫn công suất cao), ngành này không ngừng khám phá các công nghệ làm mát hiệu quả hơn:

· Làm mát vi kênh: Các kênh chất lỏng có kích thước từ hàng chục đến hàng trăm micron được chế tạo bên trong các tản nhiệt. Chất lỏng làm mát chảy trong các kênh nhỏ này, đạt được hiệu suất trao đổi nhiệt cực cao nhờ diện tích bề mặt riêng rất lớn.

· Làm mát dạng phun: Chất lỏng làm mát được nguyên tử hóa thành những giọt nhỏ và phun trực tiếp lên bề mặt nguồn nhiệt. Lượng nhiệt lớn được loại bỏ thông qua tác động của giọt nước, sự lan tỏa và thay đổi pha bay hơi, với hiệu suất tản nhiệt vượt xa khả năng làm mát đối lưu truyền thống.

· Làm mát nhiệt điện (Làm lạnh bán dẫn): Dựa trên hiệu ứng Peltier, dòng điện một chiều làm cho một mặt của nhiệt điện bán dẫn hấp thụ nhiệt và mặt còn lại giải phóng nhiệt, thực hiện kiểm soát nhiệt độ hoạt động cục bộ chính xác. Nó thường được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ điểm của các thiết bị điện nhỏ.

· Làm mát-thay đổi pha: Nhiệt được tiêu tán bằng cách sử dụng đặc tính mà vật liệu (một số kim loại hoặc chất lỏng nhất định) hấp thụ một lượng lớn nhiệt ẩn trong quá trình chuyển pha.

Những công nghệ tiên tiến này mang lại hiệu suất tản nhiệt cao hơn và cấu trúc nhỏ gọn hơn, tuy nhiên chúng có tính năng thủ công phức tạp và chi phí tương đối cao.

Phần kết luận

Tóm lại, tia laser áp dụng nhiều giải pháp tản nhiệt, tạo thành một hệ thống kỹ thuật hoàn chỉnh từ làm mát tự nhiên đơn giản đến làm lạnh máy nén phức tạp và nhiều công nghệ làm mát-hiệu suất cao tiên tiến khác nhau. Trong các ứng dụng thực tế, giải pháp tối ưu sẽ được lựa chọn dựa trên việc xem xét toàn diện về mức công suất, hình thức cấu trúc, yêu cầu về hiệu suất, môi trường vận hành và ngân sách của laser. Khi công nghệ laser phát triển theo hướng công suất cao hơn, độ sáng cao hơn và kích thước nhỏ hơn, việc phát triển các giải pháp tản nhiệt hiệu quả, nhỏ gọn và đáng tin cậy hơn sẽ vẫn là chủ đề nghiên cứu quan trọng trong ngành công nghiệp laser và là sự đảm bảo cốt lõi để thúc đẩy ứng dụng rộng rãi của laser trong nhiều lĩnh vực khác nhau.