本文将解释高功率激光测量传感器中使用的不同冷却技术。还将检查冷却系统随着激光器功率水平的增加而变化的要求，并考虑如何通过风扇和水冷却方法满足这些要求。
此外，本文将比较脉冲激光测量传感器和连续波 (CW) 激光测量传感器的不同冷却要求，并讨论使使用非强制冷却传感器成为可能的技术——一种没有风扇的传感器或水冷——测量高功率激光器。
高功率激光器的测量需要对功率计传感器进行有效的热控制。选择正确的传热方法是配置可靠、准确的高功率激光计的关键步骤。
一、对流和传导
对流是热量通过流体(即水或空气)从一个地方传递到另一个地方的过程。有两种不同类型的对流——自然对流和强制对流。
自然对流是指在没有任何额外的力移动流体的情况下传递热量，因此流体仅通过重力自然移动。示例包括从一杯热茶中冒出的蒸汽的运动，以及杯子中冷水和热水的运动——密度较低，热水向顶部移动，而冷水向底部移动。现在位于顶部的热水将其热量传递给空气并冷却下来，而底部的冷水则变热，由此产生的水流不断将热量从杯子中移出。
强制对流是指施加力以增加流体的运动，例如增加风扇或水泵。
使用 Conduction，热量在固体材料内传递，其中传热速率几乎恒定(取决于特定材料的热导率和固体的几何设计)。另一方面，通过对流，优化散热率的机会要多得多。例如，这可以通过控制流体的速度(使用强制对流)、改变与流体接触的区域的尺寸、控制流体的温度等来实现。这就是为什么强制对流是从我们的大功率传感器中去除热量的最常用的传热方法。
二、水与风扇冷却
使用风扇，自然对流过程(将热量从散热片传递到空气)显着升级为强制对流过程，从而增加传感器背面散热片上的气流。增加的气流从散热片带走更多的热量。通过使用具有更高每分钟立方英尺 (CFM) 气流速率的风扇，可以进一步增强此方法。最终达到瓶颈，限制因素是构成整个传热链过程一部分的热传导(在传感器翅片内)。(图1)
图1
使用风扇时的另一个限制是噪声，较高的 CFM 速率会在用户工作站环境中产生较高的噪声水平以及较高的气流速率。
上述混合传热链过程，从翅片内部的传导(导致上述瓶颈)开始，到强制对流将热量从翅片散发到空气中结束，说明了强制对流与传导在散热率方面的差异。
在更高的激光功率水平下，水冷强制对流是高效散热过程的首选方法。与风扇的情况类似，通过增加水流率来增加散热率，即使更多的水流过传感器以排出更多的热量。然而，水冷系统具有风扇冷却系统所缺乏的额外自由度：可以使用冷却器控制进水温度并将其设置为特定温度。使用这种冷却方法，强制对流过程受到的限制较少，因为传感器内的传导较少，当然也没有噪音。(图2)
图2
重要的是要意识到水冷系统有其自身的限制。为了使传感器正常工作，许多参数必须保持在正确的范围内，例如水流量和水温。或许更重要的是水流量和温度的稳定性。水的类型同样重要;水中存在的离子与水的 pH 值之间的相互作用会影响传感器水道腐蚀的风险。
三、短曝光与连续曝光激光测量传感器的冷却过程
如上所述，使用更高的功率将增加冷却过程中对强制对流的需求。然而，一些考虑表明，这在使用 CW 激光器时最相关，因为功率在传感器中不断流动，功率率没有任何明显的中断。
控制高功率激光器的曝光时间，即功率计暴露在激光下的时间，使得使用非强制冷却传感器测量高功率激光器成为可能。
该概念基于控制进入传感器的总热量。如果传感器吸收的热量使得传感器能够仅使用自然对流将其消散，则无需任何强制对流方法即可完成测量，即无需风扇或水冷。
高功率激光能量进入传感器，曝光间隔允许足够的时间让热量仅通过传导和自然对流从传感器中排出。
四、如何选择?
要回答这个问题，有必要看一下激光工作站周围的全貌。需要考虑的方面包括：
1、测量激光时使用的功率范围是多少?
风扇和水冷传感器之间的界限是在 1kw，CW 左右。高于此功率，水冷是必要的。
2、测量是通过短时间暴露在激光下完成的吗?
如果测量是通过短时间曝光完成的，则可以扩展非水冷传感器的功率范围，因为与连续暴露在激光下产生的热量相比，短时间曝光产生的热量更少。
3、工作站环境的环境温度是多少?
如果太热，风扇效率不高，水冷是首选。
一旦明确定义了传感器的热控制技术，并且考虑了激光器和工作站环境施加的任何限制，选择传感器就容易多了。
五、风扇冷却传感器
1、优点
● 方便 - 激光工作站周围没有水管，这会限制功率计的方向(如果经常移动功率计，这很有用)
● 可在无水环境中使用
● 更少的维护(例如，无需担心水的类型或流量条件)
2、缺点
● 与水冷传感器相比，功率水平更低
● 噪音
● 冷却能力取决于环境温度
● 需要气流空间
六、水冷传感器
1、优点
● 可以达到比风扇冷却更高的功率
● 安静的
● 冷却能力不依赖于环境温度
2、缺点
● 需要空间放置冷却器或其他水源
● 塑料水管 – 限制工作站中功率计的方向
● 冷却器、水类型和流动条件的限制
七、脉冲功率传感器：非强制冷却传感器
1、优点
● 短曝光的高功率
● 方便
● 更少的维护(例如，无需担心水的类型或流量条件)
● 无噪音
2、缺点
● 仅短曝光 - 不适用于 CW
由于进入功率计的大部分激光束功率都转化为热量，因此热量控制确实是选择激光功率计传感器时需要考虑的最重要方面之一。了解不同的冷却过程及其优势和局限性将有助于为应用选择最合适的功率计。
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