Cuando se utiliza un láser, solo una parte de la energía eléctrica proporcionada por el controlador del láser se convierte en energía luminosa. El resto se convierte en energía térmica, y la acumulación de energía térmica presenta una serie de problemas para el sistema láser en general y para el láser en particular.
En la configuración del láser, el sistema de control de temperatura es responsable de gestionar el calor generado por el funcionamiento del láser. Además del controlador de temperatura, la selección cuidadosa de un soporte para láser que sea adecuado para la aplicación es fundamental para un sistema láser robusto.
En definitiva, la preocupación más acuciante en relación con el control de la temperatura es que las variaciones de temperatura pueden afectar a la calidad del láser, en particular a la longitud de onda. Si no se controla, el sobrecalentamiento también puede dañar la cara emisora del láser, lo que reduce la calidad y la cantidad de luz producida.
Las dos estrategias básicas para disipar el calor generado por los láseres se denominan refrigeración pasiva y refrigeración activa. Además, en este artículo se describirán métodos de gestión térmica no tradicionales para aplicaciones de alta potencia y aplicaciones que requieren soportes para láseres calentados.
Refrigeración pasiva
Los disipadores de calor pasivos alejan el calor del láser y lo disipan en el aire ambiente (Figura 1). Debido a que este tipo de soporte para láser es simplemente un gran disipador de calor, la temperatura del soporte y la temperatura del láser aumentarán inevitablemente. Los soportes para láser con refrigeración pasiva están diseñados para que el aumento de temperatura se produzca de forma gradual y predecible.
El rendimiento térmico de dicho soporte se clasifica como resistencia térmica, en "CN". Esta clasificación indica la cantidad de aumento de temperatura en el soporte del láser por cada vatio de calor residual generado por el láser, en grados Celsius.
Un ventilador mejorará el rendimiento térmico de un soporte láser refrigerado pasivamente. Normalmente, los fabricantes proporcionan clasificaciones para soportes láser con y sin ventiladores auxiliares. Incluso con ventiladores, el rendimiento y el rango de potencia de los disipadores de calor pasivos se limitan a aplicaciones de potencia baja a media, o aplicaciones en las que se aceptan temperaturas de funcionamiento más altas.
Enfriamiento activo
El enfriamiento activo es un enfoque más integral y complejo para la gestión térmica. Un dispositivo llamado enfriador Peltier está integrado en el soporte del láser o directamente en el paquete del láser.
Un dispositivo Peltier, también conocido como refrigerador termoeléctrico (TEC), es un elemento cerámico pequeño, plano y conductor de calor que utiliza la energía suministrada por un controlador de temperatura para enfriar una de sus superficies mientras calienta la superficie opuesta. El soporte del láser es el encargado de actuar como disipador de calor en un lado del dispositivo Peltier. El otro lado del dispositivo Peltier se aplica a una placa fría de aluminio o cobre que entra en contacto con la carcasa del paquete láser.
Para completar el circuito de control, un sensor de temperatura proporciona una señal de retroalimentación al controlador de temperatura, que regula la potencia suministrada al dispositivo Peltier. En muchos casos, el soporte del láser también estará equipado con un ventilador para maximizar el rendimiento térmico.
El rendimiento térmico de un soporte láser enfriado activamente se denomina capacidad térmica y se mide en vatios. Esta clasificación indica la cantidad de energía térmica que el soporte láser puede absorber mientras mantiene una temperatura estable. Esta clasificación generalmente se aplica cuando la temperatura de la placa fría del soporte coincide con la temperatura ambiente. Para los fabricantes remotos, a menudo pueden proporcionar curvas de rendimiento térmico en función de la temperatura de la placa.
Cabe señalar que los soportes láser equipados con dispositivos Peltier podrán calentarse y enfriarse, lo que permite una estabilización y tiempos de respuesta más rápidos. Además, si está caracterizando el rendimiento de un LED o un dispositivo láser, esta característica también puede permitir que el sistema sea estable tanto por encima como por debajo de la temperatura ambiente. Dado que la longitud de onda de salida está relacionada con la temperatura del láser, esto también proporciona una forma conveniente de controlar con precisión el rendimiento óptico del láser.
Consideraciones funcionales para la selección de la montura
Más allá de la cuestión básica de la capacidad térmica adecuada, hay tres áreas funcionales que afectan la utilidad de un soporte láser: la conductividad térmica, la flexibilidad del arnés y el montaje mecánico del láser.
La conductividad térmica del soporte del láser, especialmente de la placa fría, es un aspecto importante del diseño. Si bien el aluminio es adecuado para algunas aplicaciones, el material preferido para la placa fría es el cobre. El cobre tiene mejores propiedades térmicas que otros materiales y proporcionará una temperatura más uniforme en toda la placa fría.
Para lograr una versatilidad óptima, considere la flexibilidad del mazo de cables integrado en el soporte y, por extensión, en el controlador láser y el controlador de temperatura. Lo ideal es que el fabricante proporcione cables prefabricados estándar desde el instrumento hasta el soporte láser. Al interconectar láseres, la conexión debe ser fácil de hacer y cambiar, utilizando terminales de cable o algún otro método simple. Las conexiones soldadas o los conectores que requieren un tiempo de configuración extenso son menos recomendables.
El mismo principio se aplica a la conexión mecánica entre el láser y el soporte. No hace falta decir que esta conexión debe proporcionar una buena interfaz térmica. Además, debe proporcionar una conexión fácilmente desconectable y un grado de versatilidad para una variedad de paquetes láser. Algunos fabricantes ofrecerán placas frías personalizables que le permitirán especificar el patrón de orificios de montaje deseado.
Sistemas de alta potencia
Más allá de los soportes para láser con ventiladores integrados y refrigeradores Peltier, gestionar niveles más elevados de salida térmica se vuelve más complicado. Si un soporte refrigerado por aire resulta insuficiente, la siguiente opción es un soporte refrigerado por agua (Figura 3). El agua aumenta considerablemente la capacidad térmica a expensas de la complejidad y la capacidad de respuesta.
Si bien las placas refrigeradas por agua son eficaces para transferir grandes cantidades de calor, tienen varias desventajas. En primer lugar, el punto de ajuste de la temperatura debe estar entre los puntos de ebullición y congelación del agua. En segundo lugar, los sistemas de agua requieren enfriadores, bombas, soportes láser personalizados y tuberías, lo que aumentará el tiempo y el costo de configuración. En tercer lugar, algunos sistemas de agua pueden tener un margen de error de unas pocas décimas de grado y no reaccionan rápidamente a los cambios de temperatura. Esto puede no ser adecuado para aplicaciones de alta precisión.
Para mejorar la precisión de los sistemas de agua, funcionan bien los sistemas híbridos que combinan TEC con soportes láser refrigerados por agua. Este sistema se basa en el TEC para un control preciso de la temperatura y utiliza un sistema de refrigeración por agua para disipar rápidamente el calor. Este enfoque es común en aplicaciones láser de alta potencia que requieren una buena estabilidad de la temperatura.
Sistemas de alta temperatura
Como se mencionó anteriormente en este artículo, las capacidades de calentamiento de un dispositivo Peltier pueden ser útiles si está caracterizando el rendimiento de un dispositivo en un rango de temperaturas o trabajando con aplicaciones que requieren temperaturas más altas, como los LED. Las temperaturas de montaje más altas requieren diferentes tipos de sensores de temperatura y TEC adecuados para el funcionamiento a alta temperatura, por lo que debe analizar su aplicación con el fabricante del soporte láser. Algunos soportes láser también contienen calentadores resistivos, aunque esta disposición obviamente solo es adecuada para aplicaciones de solo calentamiento. En este caso, siempre que el controlador de temperatura pueda alimentar el calentador resistivo, el resto del sistema de gestión térmica puede permanecer sin cambios.
Conclusión
Elegir el soporte adecuado para su sistema láser le permitirá ahorrar tiempo y esfuerzo, además de mejorar el rendimiento general. Además de decidir si utilizar refrigeración pasiva o activa, preste especial atención a otras características del soporte del láser. La facilidad de instalación, las conexiones eléctricas flexibles y la buena selección de materiales son factores importantes a tener en cuenta. Al final, la mejor opción puede ser llamar directamente al fabricante y preguntarle sobre el rendimiento del soporte para su aplicación específica.
Reimpreso de: Photon Bit
Nota: Los derechos de autor del artículo pertenecen al autor original. Este artículo es solo para fines de comunicación y aprendizaje. Si hay algún problema de derechos de autor, infórmenos y lo solucionaremos de manera oportuna.
