01 Abstrak

Selama pengoperasian, ketika energi listrik atau bentuk energi lainnya diubah menjadi energi cahaya dalam laser, sejumlah besar panas pasti akan dihasilkan. Jika panas tersebut tidak dapat dihilangkan secara tepat waktu dan efektif, suhu laser akan meningkat, yang akan berdampak buruk pada daya keluaran, kualitas sinar, dan stabilitas panjang gelombang. Dalam kasus yang parah, chip laser dan komponen optik internal mungkin rusak. Oleh karena itu, pembuangan panas yang efisien dan andal adalah salah satu teknologi utama untuk memastikan kinerja yang stabil dan memperpanjang masa pakai laser. Dengan peningkatan daya laser yang berkelanjutan dan perluasan bidang aplikasi, teknologi pembuangan panas juga terus mengalami pengembangan dan inovasi. Makalah ini memperkenalkan metode pembuangan panas utama untuk laser dan karakteristiknya.

02 Latar Belakang Penelitian

Tahun 1960–1970

Pada tahap awal pengembangan laser, daya keluaran umumnya rendah (tingkat watt atau lebih rendah). Konveksi alami dan pembuangan panas radiasi sebagian besar diadopsi selama periode ini, karena memiliki struktur yang sederhana dan andal. Seiring dengan meningkatnya kekuatan laser gas gelombang kontinu (CW) (seperti laser CO₂) dan laser keadaan padat awal yang meningkat hingga puluhan watt, pendinginan udara paksa yang sederhana diterapkan secara bertahap. Kipas dipasang pada cangkang laser untuk menghilangkan panas melalui konveksi udara paksa, menandai langkah pertama teknologi pembuangan panas dari pendinginan pasif ke aktif.

Tahun 1980–1990

Sistem pendingin air yang bersirkulasi menjadi konfigurasi standar untuk-laser berdaya tinggi di era ini. Penelitian berfokus pada optimalisasi desain saluran aliran pelat dingin, meningkatkan kualitas air (misalnya, air deionisasi) untuk mencegah kerak dan korosi, dan mengembangkan penukar panas eksternal-dengan efisiensi tinggi (seperti menara pendingin dan pendingin kering). Sementara itu, sistem kontrol suhu presisi dengan pendinginan kompresor diterapkan pada sumber pompa semikonduktor yang sensitif terhadap suhu dan laser tingkat ilmiah yang memerlukan kebisingan rendah.

Tahun 2000 hingga Sekarang

Batasan penelitian telah beralih ke teknologi pendinginan perubahan fase{0}}yang lebih efisien:

Pendinginan semprot: Cairan pendingin diatomisasi dan disemprotkan ke permukaan sumber panas untuk menghilangkan panas besar melalui dampak tetesan dan panas laten perubahan fasa; kapasitas pembuangan panas melebihi 1000 W/cm² telah dicapai di laboratorium.

Pendinginan mendidih saluran mikro: Perubahan fase terkontrol (mendidih) cairan pendingin diinduksi di dalam saluran mikro, yang sangat meningkatkan batas pembuangan panas dengan memanfaatkan panas laten penguapan.

03 Metode Pembuangan Panas

lPendinginan Alami

Ini adalah metode pembuangan panas yang paling sederhana dan andal, mengandalkan konveksi alami dan radiasi termal antara cangkang laser dan udara sekitar. Tidak memerlukan perangkat daya eksternal, tidak menimbulkan kebisingan, dan memerlukan perawatan minimal. Namun, kapasitas pembuangan panasnya terbatas, dan hanya berlaku untuk laser-berkekuatan rendah dengan pembangkitan panas rendah.

lPendinginan Udara

Kipas memaksa udara mengalir melalui sirip pendingin atau heat sink laser untuk meningkatkan efisiensi pembuangan panas melalui konveksi paksa. Dengan struktur yang relatif sederhana dan biaya rendah, cocok untuk laser berdaya-sedang dan tinggi. Kerugiannya termasuk kebisingan kipas, penumpukan debu, dan masa pakai kipas yang terbatas.

lPendinginan Air

Cairan pendingin yang bersirkulasi (biasanya air deionisasi atau campuran air dan etilen glikol) mengalir melalui saluran air atau pelat dingin yang bersentuhan dekat dengan sumber panas untuk membawa panas. Sistem pendingin air memiliki kapasitas pembuangan panas yang sangat-tinggi dan akurasi kontrol suhu tinggi, yang secara efektif dapat menjaga kestabilan suhu komponen laser inti. Mereka banyak digunakan dalam sistem laser-berkekuatan tinggi dan-energi tinggi. Kelemahannya adalah komposisi sistem yang kompleks (memerlukan pompa air, tangki air, jaringan pipa dan peralatan pendingin eksternal seperti pendingin kering atau menara pendingin), biaya pemeliharaan yang tinggi dan potensi risiko kebocoran air.

lPendinginan Kompresor

Mengadopsi prinsip kerja yang sama seperti AC dan lemari es rumah tangga, kompresor menggerakkan sirkulasi zat pendingin untuk menyerap panas dari sirkuit pendingin laser di evaporator dan mewujudkan pendinginan aktif. Metode ini dapat menurunkan suhu pengoperasian laser di bawah suhu sekitar dan menyediakan lingkungan pendinginan-suhu rendah yang sangat stabil. Ini sangat cocok untuk laser semikonduktor yang sensitif terhadap suhu dan skenario aplikasi dengan persyaratan stabilitas yang sangat tinggi. Ia memiliki struktur paling kompleks, volume besar, konsumsi energi tinggi, dan biaya tertinggi.

Teknologi Pembuangan Panas Tingkat Lanjut

Untuk memenuhi tantangan pembuangan panas akibat kepadatan fluks panas yang lebih tinggi (seperti batang laser semikonduktor berdaya tinggi), industri ini terus mengeksplorasi teknologi pendinginan yang lebih efisien:

· Pendinginan Saluran Mikro: Saluran cairan dengan ukuran puluhan hingga ratusan mikron dibuat di dalam unit pendingin. Cairan pendingin mengalir di saluran kecil ini, sehingga menghasilkan efisiensi pertukaran panas yang sangat-tinggi karena luas permukaan spesifiknya yang sangat besar.

· Semprotan Pendinginan: Cairan pendingin diatomisasi menjadi tetesan kecil dan disemprotkan langsung ke permukaan sumber panas. Panas dalam jumlah besar dihilangkan melalui dampak tetesan, penyebaran, dan perubahan fase evaporasi, dengan kinerja pembuangan panas yang jauh melebihi pendinginan konveksi tradisional.

· Pendinginan Termoelektrik (Pendinginan Semikonduktor): Berdasarkan efek Peltier, arus searah membuat satu sisi termopile semikonduktor menyerap panas dan sisi lainnya melepaskan panas, mewujudkan kontrol suhu aktif lokal yang tepat. Biasanya digunakan untuk kontrol suhu titik pada-perangkat berdaya kecil.

· Fase-perubahan Pendinginan: Panas dihilangkan dengan memanfaatkan karakteristik bahwa bahan (logam atau cairan tertentu) menyerap sejumlah besar panas laten selama transisi fasa.

Teknologi canggih ini memberikan kinerja pembuangan panas yang lebih tinggi dan struktur yang lebih kompak, namun memiliki pengerjaan yang rumit dan biaya yang relatif tinggi.

Kesimpulan

Singkatnya, laser mengadopsi beragam solusi pembuangan panas, membentuk sistem teknis lengkap mulai dari pendinginan alami sederhana hingga pendinginan kompresor canggih dan berbagai teknologi pendinginan{0}}efisiensi tinggi yang canggih. Dalam aplikasi praktis, solusi optimal harus dipilih berdasarkan pertimbangan komprehensif terhadap peringkat daya laser, bentuk struktural, persyaratan kinerja, lingkungan pengoperasian, dan anggaran. Seiring berkembangnya teknologi laser menuju daya yang lebih tinggi, kecerahan yang lebih tinggi, dan ukuran yang lebih kecil, pengembangan solusi pembuangan panas yang lebih efisien, ringkas, dan andal akan tetap menjadi topik penelitian penting dalam industri laser, dan merupakan jaminan inti untuk mempromosikan penerapan laser secara luas di berbagai bidang.