前言
隨著光纖激光器的應用領域日益廣泛，光纖激光器的可靠性越來越引起大家的重視，其中主要包括激光輸出性能的可靠性、電子元件的可靠性、光學器件的可靠性、系統的可靠性等等。這些大部分是和激光器本身的熱特性密切相關。此外，溫度對激光器的性能影響較大,尤其是對于激光的輸出功率和輸出穩定性。
光纖激光器的熱量主要來源于泵浦源和增益腔。對于泵浦源，它的轉化效率大約在50%，這也意味著會有相當于輸出光功率大小的能量以熱量的形式產生。若不能及時散熱，內部芯片的溫度會迅速升高，隨之而來的就是激光器中心波長將隨著溫度的升高而發生漂移。對于增益腔，泵浦光進入有源增益光纖后只有一部分轉化為了激光輸出，其余的能量都轉化為熱能。熱能會使增益介質的溫度升高，導致熒光譜線加寬、自發輻射壽命短，從而使能量轉化效率降低。因此，熱量管理對光纖激光器有著不可忽視的意義。
目前常用的熱管理技術主要有風冷和水冷兩種方式，其中風冷散熱技術主要應用在低功率的脈沖激光器和低功率的連續激光器上，中高功率光纖激光器上大部分采用水冷散熱作為主要散熱措施。
兩種主要的散熱方式
1.水冷散熱
水冷散熱顧名思義就是利用水,通過熱交換器（如：水冷板）帶走熱量。其工作原理也很簡單，就是將冷水機里的冷水通過水管流進熱交換器，然后再從熱交換器的另外一個口出來，再經過水管流回冷水機，通過這樣的不斷循環，從而把熱量從激光器內部帶走。
水冷散熱的方式結構簡單且易于維護；散熱能力強且溫度均勻性好，可以通過使用更大制冷量的冷水機來提升激光器的冷卻性能。目前市面上集成并銷售手持激光焊接機的廠商大約有五百多家，普遍都采用水冷的方式。但是，水冷散熱的手持激光焊接機除了激光器本身外，還需要額外的冷水機和水，這就造成了設備整體的體積和重量大幅增加,使用環境受限。
2.風冷散熱
廣義上,風冷散熱是指利用風扇加強空氣對流,完成機器內部的熱交換。隨著技術的提升，各大激光器的廠商紛紛開始涉足風冷散熱的領域。去年6月，全球光纖激光器巨頭I公司推出風冷式的LightWELD 1500W手持激光焊接產品；8月，GW國內首推風冷式的A1500W智能激光焊機；10月，r公司也發布了FCA1500風冷激光器。
▲ 風冷光纖激光器：reci、IPG、GW
(圖片源自網絡，如有侵權請聯系我方刪除)
這三款激光器主要面向手持激光焊接的細分市場，風冷式激光器可以使工作更靈活、更便攜，這三款激光器它們都采用風冷式散熱，無需額外的水冷設備，這樣在降低成本的同時也極大地降低了設備的體積和重量。
雖然都叫做風冷式激光器，但采用的風冷式散熱方案卻不同，分別為風扇散熱、熱管散熱器散熱、壓縮機制冷散熱。
(1) 風扇散熱
在激光器中，使用熱導性好的基底（如銅、氮化鋁等）把泵浦源和增益腔內部產生的熱量導出，之后再通過對流的方式把熱量散發掉，這種方式稱為對流散熱。根據流體流動驅動力的不同，又可以將對流換熱分為自然對流及強制對流散熱。在沒有外部力作用下，僅僅靠流體的溫度差，可以使流體自發流動從而進行傳熱，我們稱之為自然對流；在有外部驅動力時，即流體在風機、風扇等部件驅動下，快速流動，從而帶走熱量，我們稱之為強制對流。
由于自然對流的方式散熱速度極為緩慢、效果也很差勁，還不能完全滿足激光器的散熱需求。因此，需要在整個散熱系統中加入風扇，加快空氣的流動，將自然對流變成強制對流。
▲ 風扇散熱原理
(2) 熱管散熱器散熱
熱管散熱器散熱是指熱管依靠自身內部的工作液體相變來實現傳熱，這種液體沸點低，容易揮發。熱管一端為蒸發端，連接激光器內部的熱沉；另外一端為冷凝端，連接外部的散熱片與風扇。管壁有吸液芯，由毛細多孔材料構成。當激光器發熱時，蒸發端受熱，工作液體迅速蒸發，蒸汽在壓力差下流向冷凝端，并且釋放出熱量，通過風扇排出；同時，蒸汽重新凝結成液體，液體通過吸液芯再流回蒸發段（若是重力熱管，則沒有吸液芯，液體附著在管壁上依靠重力流回底部蒸發段）。如此循環不止，便實現了熱量從激光器內部轉移到外部。
▲ 熱管散熱器散熱原理
I公司的LightWELD 1500手持激光焊接系統采用的便是熱管散熱器散熱方案。LightWELD的設計制造以體積小、重量輕為特色，引領了當前手持式激光焊接機的新一代變革，除了可以焊接外，還實現了手持激光焊接、清洗二合一的功能。LightWELD手持激光焊機采用風冷的方式，無額外冷水設備所需的耗電，除去了冷水機組管道、組件、控制和維護環節，降低成本的同時更增加了便攜性，提升系統整體可靠性。
▲ LightWELD 1500 手持激光焊接系統
(圖片源自網絡，如有侵權請聯系我方刪除)
(3) 壓縮機制冷散熱
壓縮機制冷散熱原理：壓縮機壓縮冷媒，使冷媒變成高溫高壓的氣體，并流向外部冷凝器。高溫高壓氣體冷凝成低溫高壓的液體，液化產生的熱量隨風扇排出機器外。低溫高壓的液體冷媒通過膨脹閥降壓后變成低溫低壓易蒸發的狀態，并流向內部蒸發器。蒸發器吸收熱量，使激光器內部溫度降低，達到降溫的效果，然后冷媒汽化成高溫低壓的氣體。經蒸發器蒸發后的氣體冷媒再次被壓縮機壓縮，往復循環，便實現了機器內部的散熱。
▲ 壓縮機制冷散熱原理
光惠激光推出的A1500W智能風冷式手持焊機使用的便是壓縮機制冷散熱的方案。光惠激光專注于976nm技術的不斷探索與創新，結合976nm的高光電轉化效率創造性的解決了風冷制冷量的問題，在行業內首次推出基于風冷的976nm技術，解決了功耗與便攜性問題，再一次引領光纖激光器的技術發展方向。此款機型目前已實現焊接、切割、清洗功能三合一。
▲ 光惠激光 A1500W 智能風冷手持焊機
幾種散熱方式的比較
風扇散熱的結構相對比較簡單，只是單純地將熱沉中的熱量擴散到散熱片上、再利用散熱片與環境空氣的溫差通過風扇的強制對流進行散熱。當夏天環境溫度過高時，散熱片與空氣的溫差過小，散熱能力將大大降低。它只能被動散熱，受環境影響大，不能準確地控制溫度。其優點是整體的設備與控制系統簡單。
熱管散熱器散熱方式相比單純的風扇散熱方式多了熱管的存在，因此其結構相對較為復雜。它是靠工作物質的蒸發與冷凝來實現將熱量從熱沉快速的傳遞到散熱片再通過風扇將熱量散失在空氣中。也屬于被動式散熱，不能準確地控制溫度，受周圍溫度干擾較大。
壓縮機制冷散熱方案屬于主動散熱，由于存在壓縮機和膨脹閥，因此可以通過調整冷媒的流量和壓力大小來實現溫度的精確控制，同時冷凝器中冷媒的溫度高于熱沉，有利于熱量快速的傳遞給空氣。它的控制系統要更加復雜；同時，由于其結構要比上述兩種方案復雜很多，設備的體積和重量也相應有所增大。
傳統的光纖激光器大多采用水冷散熱的方式，先通過壓縮機制冷將水冷卻，再通過水來冷卻激光器。光惠激光的風冷散熱方案直接用壓縮機制冷來冷卻激光器，摒棄了水的存在，少了中間的傳熱環節，因此散熱效率更高、體積和重量可以做得更小。
在實驗室中，我們采用恒溫恒濕的試驗箱設定35℃來模擬夏季的高溫使用環境，在開滿1500W功率的情況下，測試采用不同風冷方案的激光器內部增益光纖溫度隨時間的變化。從實驗數據，可以明顯看出：光纖溫度在開始的幾分鐘內呈現指數增長，在10分鐘左右趨于穩定。由于壓縮機的制冷作用，可以對激光器進行主動降溫，故溫度可以控制在60℃以下，溫度變化相對平穩；而另外兩種只能依靠被動散熱，故內部溫度要略高于壓縮機制冷方案；其中，由于熱管的傳熱效率高，能很好地將熱量從激光器內部導出，因此它內部的溫度要比純風扇的低一點，溫度上升也更趨于平緩。
▲ 不同風冷方案激光器輸出1.5kW激光時溫度隨時間的變化
（實驗室數據，與實際現場使用可能存在偏差）
結語
在光纖激光器的領域，光惠激光一直以全球激光巨頭IPG為目標，用軍工品質來打造產品是光惠獨有的品牌優勢。多年前光惠激光就開始就組織科研力量在風冷散熱方面進行不斷探索，未來我們還將在這方面持續提升，不斷提高產品的穩定性，實現產品和技術的迭代升級，滿足更多行業的加工需求。
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