레이저를 작동할 때 레이저 드라이버가 제공하는 전력의 일부만 광 에너지로 변환됩니다. 나머지는 열 에너지로 변환되고 열 에너지의 축적은 레이저 시스템 전체와 특히 레이저에 여러 가지 문제를 일으킵니다.
레이저 설정에서 온도 제어 시스템은 레이저 작동으로 인해 발생하는 열을 관리하는 역할을 합니다. 온도 컨트롤러 외에도 견고한 레이저 시스템을 위해서는 애플리케이션에 적합한 레이저 마운트를 신중하게 선택하는 것이 중요합니다.
궁극적으로 온도 제어와 관련하여 가장 시급한 우려 사항은 온도 변화가 레이저 품질, 특히 파장에 영향을 미칠 수 있다는 것입니다. 제어하지 않으면 과열로 인해 레이저의 방출면이 손상되어 생성되는 빛의 품질과 양이 감소할 수도 있습니다.
레이저에서 생성된 열을 소산시키는 두 가지 기본 전략은 수동 냉각과 능동 냉각이라고 합니다. 또한 이 글에서는 고출력 애플리케이션과 가열된 레이저 마운트가 필요한 애플리케이션에 대한 비전통적인 열 관리 방법을 설명합니다.
수동 냉각
수동형 방열판은 레이저에서 열을 전도하여 주변 공기로 발산합니다(그림 1). 이 유형의 레이저 마운트는 단순히 큰 방열판이기 때문에 마운트 온도와 레이저의 온도는 필연적으로 증가합니다. 수동 냉각 레이저 마운트는 온도 상승이 점진적이고 예측 가능한 방식으로 발생하도록 설계되었습니다.
이러한 마운트의 열 성능은 "CN" 단위의 열 저항으로 평가됩니다. 이 등급은 레이저에서 생성된 폐열 1와트당 레이저 마운트의 온도 상승량을 섭씨 온도로 나타냅니다.
팬은 수동 냉각 레이저 마운트의 열 성능을 개선합니다. 일반적으로 제조업체는 보조 팬이 있는 레이저 마운트와 없는 레이저 마운트에 대한 등급을 제공합니다. 팬이 있어도 수동 방열판의 성능과 전력 범위는 저전력에서 중전력 애플리케이션 또는 더 높은 작동 온도가 허용되는 애플리케이션으로 제한됩니다.
액티브 쿨링
능동 냉각은 열 관리에 대한 보다 포괄적이고 복잡한 접근 방식입니다. 펠티어 쿨러라는 장치가 레이저 마운트 또는 레이저 패키지에 직접 내장되어 있습니다.
펠티에 소자는 열전 냉각기(TEC)라고도 하며, 작고 평평한 열 전도성 세라믹으로, 온도 조절기에서 공급하는 전력을 사용하여 한쪽 표면을 냉각하는 동시에 반대쪽 표면을 가열합니다. 레이저 마운트는 펠티에 소자의 한쪽에서 방열판 역할을 합니다. 펠티에 소자의 다른 쪽은 레이저 패키지 하우징과 접촉하는 알루미늄 또는 구리 냉각판에 적용됩니다.
제어 루프를 완성하기 위해 온도 센서는 온도 컨트롤러에 피드백 신호를 제공하고, 이는 펠티에 장치에 공급되는 전력을 조절합니다. 많은 경우 레이저 마운트에는 열 성능을 극대화하기 위한 팬도 장착됩니다.
능동적으로 냉각되는 레이저 마운트의 열 성능을 열 용량이라고 하며 와트로 평가됩니다. 이 등급은 레이저 마운트가 안정적인 온도를 유지하면서 흡수할 수 있는 열 전력량을 나타냅니다. 이 등급은 일반적으로 마운트의 차가운 플레이트 온도가 주변 온도와 일치할 때 적용됩니다. 원격 제조업체는 종종 플레이트 온도의 함수로 열 성능 곡선을 제공할 수 있습니다.
펠티에 장치가 장착된 레이저 마운트는 가열 및 냉각이 가능하다는 점에 유의해야 합니다. 이를 통해 더 빠른 안정화 및 응답 시간이 가능합니다. 또한 LED 또는 레이저 장치의 성능을 특성화하는 경우 이 기능을 통해 주변 온도 이상과 이하에서 모두 시스템을 안정적으로 유지할 수 있습니다. 출력 파장은 레이저 온도와 관련이 있으므로 레이저의 광학 성능을 정밀하게 제어하는 편리한 방법도 제공합니다.
마운트 선택을 위한 기능적 고려 사항
적절한 열 용량의 기본 문제 외에도 레이저 마운트의 유용성에 영향을 미치는 세 가지 기능 영역이 있습니다. 이는 열 전도도, 하네스 유연성 및 레이저의 기계적 장착입니다.
레이저 마운트, 특히 콜드 플레이트의 열 전도도는 중요한 설계 측면입니다. 알루미늄은 일부 응용 분야에 적합하지만 콜드 플레이트에 선호되는 재료는 구리입니다. 구리는 다른 재료보다 열적 특성이 뛰어나 콜드 플레이트 전체에 더 균일한 온도를 제공합니다.
최적의 다재다능함을 위해 홀더에 내장된 배선 하네스의 유연성과 확장하여 레이저 드라이버와 온도 컨트롤러의 유연성을 고려하십시오. 이상적으로 제조업체는 계측기에서 레이저 홀더까지 표준 사전 제작 케이블을 제공해야 합니다. 레이저와 레이저를 인터페이싱할 때 와이어 단자나 다른 간단한 방법을 사용하여 연결을 쉽게 만들고 변경할 수 있어야 합니다. 긴 설정 시간이 필요한 납땜 연결이나 커넥터는 덜 바람직합니다.
동일한 원리가 레이저와 홀더 사이의 기계적 연결에도 적용됩니다. 말할 것도 없이 이 연결은 우수한 열 인터페이스를 제공해야 합니다. 또한 쉽게 분리할 수 있는 연결과 다양한 레이저 패키지에 대한 다양성을 제공해야 합니다. 일부 제조업체는 원하는 장착 구멍 패턴을 지정할 수 있는 사용자 정의 가능한 콜드 플레이트를 제공합니다.
고출력 시스템
통합 팬과 펠티에 쿨러가 있는 레이저 홀더를 넘어 더 높은 수준의 열 출력을 관리하는 것은 더욱 어려워집니다. 공랭식 마운트가 충분하지 않은 경우 다음 옵션은 수냉식 마운트입니다(그림 3). 물은 복잡성과 반응성을 희생하고 열 용량을 크게 증가시킵니다.
수냉식 플레이트는 대량의 열을 전달하는 데 효과적이지만 몇 가지 단점이 있습니다. 첫째, 온도 설정점은 물의 비등점과 빙점 사이여야 합니다. 둘째, 수 시스템에는 냉각기, 펌프, 맞춤형 레이저 마운트 및 배관이 필요하여 설정 시간과 비용이 증가합니다. 셋째, 일부 수 시스템은 오차 한계가 수십 분의 1도에 불과할 수 있으며 온도 변화에 빠르게 반응하지 않습니다. 이는 고정밀 응용 분야에 적합하지 않을 수 있습니다.
수중 시스템의 정확도를 개선하기 위해 TEC와 수냉 레이저 마운트를 결합한 하이브리드 시스템이 효과적입니다. 이 시스템은 TEC를 사용하여 미세한 온도 제어를 하고 수냉 시스템을 사용하여 열을 빠르게 소산합니다. 이 접근 방식은 우수한 온도 안정성이 필요한 고출력 레이저 애플리케이션에서 일반적입니다.
고온 시스템
이 기사의 앞부분에서 언급했듯이, 펠티에 장치의 가열 기능은 다양한 온도 범위에서 장치의 성능을 특성화하거나 LED와 같이 더 높은 온도가 필요한 애플리케이션을 사용하는 경우 유용할 수 있습니다. 더 높은 마운트 온도에는 고온 작동에 적합한 다양한 유형의 온도 센서와 TEC가 필요하므로 레이저 마운트 제조업체와 애플리케이션에 대해 논의하세요. 일부 레이저 마운트에는 저항 히터도 포함되어 있지만 이 배열은 분명히 가열 전용 애플리케이션에만 적합합니다. 이 경우 온도 컨트롤러가 저항 히터에 전원을 공급할 수 있는 한 나머지 열 관리 시스템은 변경되지 않을 수 있습니다.
결론
레이저 시스템에 적합한 브라켓을 선택하면 시간과 노력을 절약하고 전반적인 성능을 개선할 수 있습니다. 수동 또는 능동 냉각을 사용하기로 결정하는 것 외에도 레이저 브라켓의 다른 기능에도 특별히 주의하세요. 설치 용이성, 유연한 전기 연결 및 우수한 재료 선택은 고려해야 할 중요한 요소입니다. 결국 가장 좋은 조치는 제조업체에 직접 전화하여 특정 애플리케이션에 대한 마운트 성능에 대해 질문하는 것입니다.
출처: Photon Bit
참고: 기사의 저작권은 원저자에게 있습니다. 이 기사는 소통 및 학습 목적으로만 사용됩니다. 저작권 문제가 있는 경우 알려주시면 적시에 처리해 드리겠습니다.
