واحد خنک‌سازی لیزر
تعریف: دستگاه‌هایی که برای خنک‌سازی لیزرهای پرقدرت استفاده می‌شوند.
در لیزرهای پرتوان، به ویژه در محیط بهره لیزر، به دلیل اینکه توان پمپ به صورت ناقص به توان خروجی اپتیکی تبدیل می‌شود، مقدار بسیار زیادی گرما تولید می‌شود. در مورد لیزر دیودهای پمپ‌کننده یک سیستم لیزر، خود لیزر دیودهای مورد استفاده نیز گرما تولید می‌کنند. برای جلوگیری از دمای بیش از حد، که می‌تواند عملکرد را کاهش دهد یا حتی به لیزر آسیب برساند، باید گرما از دستگاه خارج شود. برای این منظور، دستگاه‌های ویژه خنک‌سازی لیزری برای سردکردن فعال در دسترس هستند.
برای لیزرهای پرقدرت مانند جوشکاری و برش لیزری، به خنک‌کننده‌های بسیار قوی نیاز است. این شامل لیزرهای حالت جامد و لیزرهای گازی مانند لیزرهای CO2 است. به‌طور کلی، ظرفیت خنک‌کننده مورد نیاز فقط به توان لیزر تولید شده بستگی ندارد بلکه به بازدهی توان الکتریکی به اپتیکی یا بهره وال-پلاگ[1] کل سیستم لیزری نیز بستگی دارد: هرچه سیستم از کارآیی کمتری برخوردار باشد، گرمای بیشتری تولید می‌شود.
برای لیزرهای کم‌توان، اغلب خنک‌کننده غیرفعال از طریق یک سینک حرارتی متصل به لیزر و یا همرفتی هوا کافی است. در بعضی موارد، خنک‌کننده توسط یک سردکننده الکتریکی (کولر Peltier) کمک می‌کند، که گرما را از لیزر به یک سینک حرارتی یا رادیاتور “پمپ” کند. دومی فقط برای دماهای بالا موثر است.
دستگاه سردسازی تفکیکی
برای مقابله با توان‌های حرارتی بالا، معمولاً از واحدهای خنک‌سازی لیزر تفکیکی استفاده می‌شود که در آن دستگاه لیزر موجود به جریان آب خنک‌کننده در دمای کم و بیش پایدار و نه دمای خیلی زیاد مجهز می‌شود، در حالی‌که بعد از خنک‌سازی، آب با دمای بالا را پس می‌گیرد. این دستگاه‌های خنک‌کننده اغلب بر روی چرخ‌هایی قرار دارند، به‌طوری که می‌توان آن‌ها را به راحتی در اتاق جابه‌جا کرد. آن‌ها باید با لوله‌های آب نسبتا انعطاف پذیر به لیزر متصل شوند، همچنین باید امکان اتصال به یک منبع آب خارجی و به شبکه داشته باشند. اغلب این دستگاه‌ها دارای کابل‌های ضخیم برق 3فاز AC هستند.
گرمای اضافی ممکن است به روش‌های مختلف حذف شود، به عنوان مثال با استفاده از جریان آب لوله کشی، که می‌تواند منجر به هزینه اجرایی بسیار زیادی شود. معمولاً استفاده از سیستم‌های گردش آب با حلقه بسته، شامل چیلر همراه با مبدل حرارتی و ونتیلاتور، گرما را در هوای خارج پراکنده می‌کند و یا برای خنک‌کننده‌های ضعیف در بعضی مواقع از هوای داخل اتاق استفاده می‌شود. چیلر وسیله ای است مشابه آنچه در یخچال خانگی (نوعی پمپ حرارتی) استفاده می‌شود، اما معمولاً بسیار قدرتمندتر است. علی‌رغم مصرف برق قابل توجه چیلر و پمپ‌های آب مورد نیاز، هزینه کارکرد سیستم‌های خنک‌کننده چرخشی معمولاً کمتر از سیستم‌هایی است که از آب شیر استفاده می‌کنند.
همچنین مواردی وجود دارد که یک واحد خنک‌سازی لیزر می‌تواند گرمای اضافی را در یک سیستم خنک‌کننده مرکزی ساختمان دفع کند. کار اصلی آن تأمین آب خنک‌کننده دارای جریان و دمای مورد نیاز لیزر، مستقل از نوسانات دمایی سیستم مرکزی است. دستگاه‌های خنک‌کننده از راه دور لیزر ممکن است دارای ظرفیت خنک‌کنندگی چندین کیلووات، ده‌ها کیلووات یا حتی بیشتر باشند. برای برخی از دستگاه‌ها، ترکیب چندین مورد از آن‌ها امکان‌پذیر است تا ظرفیت خنک‌کنندگی بیشتری نیز به دست آورند. با این حال، برای توزیع صحیح بار خنک‌کننده در چندین دستگاه، احتیاط زیادی لازم است.
در اصل، می‌توان با تغذیه گرمای تولید شده در سیستم گرمایشی ساختمان، به عنوان مثال، برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی، مجدداً از آن استفاده کرد. با این حال، به دلیل مشکلات اتصال دستگاه‌ها این شرایط به ندرت اتفاق می‌افتد.
در بعضی موارد، یک واحدخنک‌کننده لیزر فقط هوای خنک فیلترشده را برای لیزر و احتمالاً منبع تغذیه آن تأمین می‌کند.
جنبه‌های مختلف مهم
پایداری دما
هنگام استفاده از دیود لیزرها، اغلب حفظ درجه حرارت پایدار خنک‌کننده مهم است، زیرا این امر می‌تواند بر طول موج انتشار تأثیر بگذارد. غالباً، دیود لیزرها دارای ضریب دمایی به میزان nm/K 0.3 هستند، بنابراین تغییر دما چندین کلوینd ممکن است طول موج‌های انتشار را بیش از 1 نانومتر تغییر دهد. پهنای باند جذبی پمپ‌شده کوچک برخی از بلورهای لیزر، می‌تواند منجر به کاهش جذب پمپ و در نتیجه تخریب جدی توان لیزر شود. در چنین مواردی، ممکن است لازم باشد دمای آب خنک‌کننده با دقت بهینه شود تا قدرت خروجی لیزر مطلوب باشد. لیزرهای فیبری به دلیل پهنای باند جذبی پمپ‌شده بزرگ، از این لحاظ احتیاج به دقت کمتری دارند.
هنگامی که مشخص شد جریان آب خنک‌کننده و یا درجه حرارت آن مناسب نیست، می‌توان از یک سیستم قفل داخلی برای خاموش کردن خودکار لیزر استفاده کرد.
ارتعاشات
واحدهای خنک‌کننده لیزری اغلب ارتعاشات قابل توجهی ایجاد می‌کنند که ممکن است عملکرد سیستم لیزر یا سایر دستگاه‌ها را در محیط اطراف آن‌ها مختل کند. گاهی اوقات، چنین دستگاه‌های خنک‌کننده‌ای در یک اتاق جداگانه کار می‌کنند، که باعث می‌شود تمیز نگه داشتن اتاق لیزر هنگام تعمیر و نگهداری سیستم خنک‌کننده آسان‌تر باشد. ممکن است برخی از ارتعاشات از طریق لوله‌های آب بین لیزر و واحد خنک‌کننده منتقل شود، اما چنین اثراتی را می‌توان به حداقل رساند.
خواص شیمیایی آب خنک کننده برای جلوگیری از خوردگی و گرفتگی
برای عملکرد طولانی مدت لیزر، فقط به یک منبع قابل اطمینان از آب خنک‌کننده با جریان مناسب و درجه حرارت پایدار نیاز است. به طورخاص، لازم است که آب را مطبوع نگه داریم تا کل سیستم خنک‌کننده بتواند در عملیات باقی بماند. به عنوان مثال، در صورت نامناسب بودن ترکیب شیمیایی آب، فرآیندهای خوردگی باعث تخریب مواد مختلف در سیستم می‌شود. در نتیجه، ذرات کوچک ممکن است با جریان آب همراه شده و در نهایت در ساختارهای ریز سیستم خنک‌کننده رسوب کنند، و تماس حرارتی قطعات خنک‌شونده با آب خنک‌کننده تخریب فزاینده را داشته باشند. به خصوص از این نظر خنک‌کننده‌های میکروکانال حساس هستند، زیرا کانال‌های بسیار کوچک آن‌ها ممکن است به راحتی توسط مقدار متوسطی از ذرات مسدود شوند. توجه داشته باشید که اگر بعضی از دیود لیزرها از بقیه گرم‌تر شوند، می‌تواند مشکل‌ساز شود، چرا که در اثر این اتفاق طیف انتشار کلی گسترده‌تر می‌شود و جذب کامل پمپ دیگر برای هر دمای آب خنک‌کننده امکان پذیر نیست.
دانستن اینکه برخی از فرآیندهای خوردگی الکتروشیمیایی در صورت استفاده از ترکیبات نامناسب فلزات مختلف در سیستم ممکن است رخ دهد، مهم است. بنابراین، یک واحد خنک‌کننده لیزری خاص ممکن است برای یک لیزر خاص کاملاً مناسب باشد، در حالی که منجر به تخریب تدریجی لیزر دیگر شود. برای جلوگیری از چنین مشکلاتی، مهم است که اطمینان حاصل کنید که یک سیستم خنک‌کننده لیزری کاملاً مشخصات تولیدکننده را برآورده می‌کند، در غیر این صورت ممکن است نقص را نپذیرد. (برای جلوگیری از مشکلات مسئولیت، دستگاه خنک‌کننده در حالت ایده‌آل باید توسط همان سازنده لیزر تأمین شود.) مشخصات آب خنک‌کننده ممکن است جنبه‌هایی مانند دامنه فشارهای مجاز، جریان و دمای آب مورد نیاز ، مقدار pH و مقدار نمک موجود در آب را داشته باشد.
خنک‌کننده برودتی
برای لیزرهای برودتی[2]، به ویژه برای کار در دمای پایین، به دستگاه‌های خنک‌کننده لیزری خاصی نیاز است. یک چیلر معمولی معمولاً کافی نخواهد بود. ممکن است از سردکننده‌های مخصوص استرلینگ برای رسیدن به دمای زیر 100 کلوین استفاده شود. از طرف دیگر، معمولا قدرت خنک‌کنندگی اینگونه دستگاه ها به نسبت کم است.
[1] wall-plug efficiency
[2]cryogenic lasers: لیزرهایی که محیط بهره آن‌ها در دمای برودتی و سرد کار می‌کند.