激光器液冷优化

通过改进液冷系统优化激光器性能

二氧化碳 (CO₂) 激光器、准分子激光器、离子激光器、固体激光器以及染料激光器均采用液体冷却排出多余热量。激光器液体冷却可实现三项目标：维持精确的激光波长和较高的输出效率、获得理想的光束质量、降低激光器系统承受的热应力。循环冷水机、液‑液冷却系统、环境散热系统、冷板和热交换器，是激光器液冷回路中常用的部分冷却技术。

小功率激光器（如小型氦氖激光器或氩离子激光器）可能不需要冷却，或通常自带冷却风扇，即可满足散热需求。部分小型气体激光器以及大量固体激光器都会内置冷却系统，一般为闭环热交换器。但大型气体激光器以及其他大功率激光器（如工业 CO2 激光器、大型氩/氪离子激光器以及准分子激光器）通常需要外接水源，让水流经激光器系统的发光工作段。

激光器及激光器系统制造商相干公司 (Coherent, Inc) 表示，其离子激光器在激光工作过程中会产生 5kW 至 55kW 的废热副产物。为避免关键元件过热，相干公司强调必须高效导出激光器系统产生的热量，并建议使用冷却水进行散热。其他激光器系统需要导出的热量大小各不相同，但冷却需求始终存在。

精确波长、光转换效率和光束质量

废热造成激光器系统温度升高，会使激光波长增加，损害系统性能。由于二极管激光器的波长会随温度升高而增加，因此在泵浦应用中，必须让整个二极管阵列的各处温度保持一致，才能获得较高的总体光转换效率。例如，受带隙能量和折射率随温度变化的影响，砷化镓 (GaAs) 二极管激光巴条发光波长漂移约 0.3nm/℃。固体激光器中每一支 GaAs 激光巴条的发光波长必须维持在较窄的区间内，才能保证较高的整体光转换效率，对应各巴条之间的温差必须控制在 1-2°C 以内。冷却有助于让光束在发射器前方保持对准（± 5 微米）。

在某些激光应用中，光束质量也很重要。例如，激光材料加工、印刷、打标、切割、钻孔场景，都要求光束具备良好的聚焦能力。在大功率激光器中，激光晶体等增益介质受热会产生热透镜效应。增益介质产生的这类热效应会改变激光波前，进而影响光束质量。对于二极管泵浦固体 (DPSS) 激光器，必须对晶体进行冷却，并将温控精度保持在 0.5°C（见图 1 和图 2）。

降低热应力

降低工作温度还可延长激光器系统部件的使用寿命，并减少维护工作量。这对 DPSS 激光器尤为重要，因为过多的热量会显著影响设备平均无故障时间 (MTBF)。因此，激光设计和制造厂商在其激光器内集成冷却系统是合理的。这有助于延长 MTBF，减少停机时间，从而节省运维成本。通过集成冷却系统，也有助于激光器制造商确保激光器系统实现最优性能。

热负载较低时，循环冷水机安装简便，通常是最简单的方案。热负载较高时，液‑液冷却系统更具成本效益。不过，该系统的使用仅限于现场具备冷冻设施用水的场景。需要接入设施用水管路，所以会限制设备的使用场地与便携性。

如果热负载较高，并且需要向设施用水排热，那么选择液冷系统 (LCS) 还是带水冷冷凝器的循环冷水机，取决于设定温度。如果设定温度高于设施用水最高温度，选用 LCS 更具成本效益。但是，如果需要将温度降至接近或低于设施用水温度，则需要使用带水冷冷凝器的冷媒式冷水机组。

循环冷水机

市售循环冷水机可为激光器提供便捷的冷却。压缩机式循环冷水机冷却液设定温度范围是 -5.0°C 至 35.0°C，温度稳定度可达 ±0.1°C，可保障激光器系统在合适的波长下运行，实现最高工作效率。

而且，相比直接使用自来水冷却，循环冷水机更加环保，综合成本更低。冷水机为采用主动制冷的闭环系统。当热流密度高、环境温度高，或激光器系统需要低温环境（例如准分子激光器）时，会使用冷水机为激光器系统降温。其典型冷却容量范围为 800W‑6kW，配备 PID 控制器、大热容储液罐以及先进制冷控制电路，实现激光器系统指向稳定性与光束质量所需的高精度温度稳定性。此外，循环冷水机在控制冷却液品质的同时，还可为系统提供稳定的流量和压力。必须确保维持合适的冷却系统压力，因为水压过大会造成激光头产生振动。

循环冷水机的另一项优势是大多数机型兼容多种冷却液。例如，很多循环冷水机支持乙二醇水溶液 (EGW)、丙二醇水溶液 (PGW)，可提供防腐和防冻保护。循环冷水机也可配置兼容去离子 (DI) 水，并配备去离子滤芯，以保持系统所需的电阻率。（去离子水不导电。）

液-液冷却系统

与循环冷水机类似，液-液冷却系统可对工艺用水进行精确温度控制（流体温度精度可控制在 ±0.5°C 以内）。但该系统通过液-液交换器将热量传递给设施用水。LCS 冷却容量最高可达 20kW，适用于热负载高或环境温度高，且具备冷冻设施用水的应用。对于配备多台大型激光器的实验室，在设施屋顶安装冷却塔，为楼内所有系统统一供给冷却水，是一种较为经济的散热方案。冷却塔会将热量排到建筑外部，有助于保持舒适的工作环境。使用 LCS 时，设施用水不会与激光器系统用水接触。热量通过液-液交换器，由冷却系统流体传递到设施用水。这一点很重要，因为设施冷却塔循环水通常会加入杀菌剂、除藻剂和/或防冻液，部分激光器元件无法耐受这类介质。

环境冷却系统

环境冷却系统的冷却容量最高可达 3.5 kW，对于不需要精确温度控制、也不需要将温度降到环境温度以下的激光应用，可作为冷媒式冷水机和 LCS 的可靠替代方案。环境冷却系统由高性能热交换器、风扇、泵和储液罐组成。液-气交换器配合风扇，将激光器系统循环水中的热量转移到环境空气中，因此称为“环境冷却系统”。环境冷却系统无法实现温度稳定控制，但属于高性价比的散热方式。

冷板和热交换器

冷板和热交换器是激光器液冷系统的核心部件。冷板通常与循环冷水机配合使用。许多激光器使用管式冷板。不过，流道内置的铝真空钎焊冷板正被越来越多激光器制造商选用。制造商和终端用户也会采用扁管冷板技术。冷板可安装在热电器件等需要冷却的部件上，从冷水机接入低温流体，并将升温后的流体送回冷水机。（参见图 3） 冷板也可设计为激光器系统的电极。

液冷激光器

大功率激光器系统必须配备冷却方案，才能实现最优性能并延长使用寿命。如果需要保持精确的激光波长、光束质量、高输出效率和正常运行时间，液体冷却会是合适的解决方案。循环冷水机、LCS、环境冷却系统、冷板和热交换器已经成为激光器系统的关键部件。