當您操作激光器時，激光驅動器提供的電力中只有一部分轉化為光能。其余部分轉化為熱能，熱能的積聚給整個激光系統，特別是激光器帶來了許多問題。

在您的激光器設置中，溫度控制系統負責管理激光器運行產生的熱量。除了溫度控制器之外，仔細選擇適合應用的激光支架對于堅固的激光系統至關重要。

最終，關于溫度控制最緊迫的問題是溫度變化會影響激光質量，特別是波長。如果不加以控制，過熱也可能損壞激光器的發光面，降低產生的光的質量和數量。

耗散激光產生的熱量的兩種基本策略稱為被動冷卻和主動冷卻。此外，本文將介紹用于高功率應用和需要加熱激光器安裝的應用的非傳統熱管理方法。

圖1 被動冷卻激光支架的剖面和熱流

被動冷卻

被動散熱器將熱量從激光器中傳導出去，并將其消散到環境空氣中（圖1）。因為這種類型的激光器支架只是一個大的散熱片，所以支架溫度和激光器的溫度不可避免地會升高。被動冷卻激光器支架的設計使溫度升高以漸進和可預測的方式發生。

這種支架的熱性能被額定為熱阻，單位為°C/W。該額定值表示激光支架在激光產生的每瓦廢熱的熱平衡下溫度升高的量，單位為攝氏度。

風扇將提高被動冷卻激光器支架的熱性能。通常，制造商會提供帶和不帶輔助風扇的激光器支架的額定值。即使有風扇，無源散熱器的性能和功率范圍也僅限于中低功率應用，或可接受更高工作溫度的應用。

主動冷卻

主動冷卻是一種更全面、也更復雜的熱管理方法。一種稱為珀爾帖冷卻器的裝置，內置于激光器支架或直接內置于激光器封裝中，用于冷卻激光器（圖2）。

圖2:主動冷卻激光器支架中的溫度控制回路響應

珀爾帖裝置，也稱為熱電冷卻器（TEC），是一種小型、扁平、導熱的陶瓷，它使用溫度控制器提供的電力來冷卻其一個表面，同時加熱相對的表面。激光器支架負責充當珀爾帖裝置一側的散熱器。珀爾帖裝置的另一側應用于與激光器封裝外殼接觸的鋁或銅冷板。

為了完成控制回路，溫度傳感器向溫度控制器提供反饋信號，溫度控制器調節提供給珀爾帖裝置的功率。在許多情況下，激光器支架還將配備風扇，以最大限度地提高熱性能。

主動冷卻激光器支架的熱性能稱為熱容量，額定功率為瓦。該額定值表示激光器支架在保持穩定溫度的同時可以吸收的熱功率量。當底座的冷板溫度與環境溫度相匹配時，通常適用此額定值。對于遠離環境的安裝溫度，制造商通常可以提供作為板溫度函數的熱性能曲線。

值得注意的是，配備珀爾帖裝置的激光支架將能夠加熱和冷卻。這允許更快的穩定和響應時間。此外，如果您正在表征LED或激光設備的性能，此功能還可以使系統在環境溫度以上和以下保持穩定。由于輸出波長與激光器溫度相關，這也為精確控制激光器的光學性能提供了一種方便的方法。

安裝選擇的功能考慮因素

除了足夠的熱容量這一基本問題外，還有三個功能領域會影響激光支架的實用性。這些是熱導率、線束的靈活性和激光器的機械安裝。

激光器支架，特別是冷板的導熱性是一個重要的設計方面。雖然鋁對于某些應用來說已經足夠了，但冷板的優選材料是銅。銅的熱性能優于其他材料，并將在整個冷板上提供更均勻的溫度。

為了獲得最佳的多功能性，請考慮內置在支架中的線束的靈活性，并進一步擴展到激光驅動器和溫度控制器中。理想情況下，制造商應提供從儀器到激光器支架的標準預制電纜。激光器與激光器對接時，連接應易于建立和更改，使用螺絲端子或其他一些簡單的方法。焊接連接或需要大量設置時間的連接器不太可取。

同樣的原理也適用于激光器和支架之間的機械連接。這種連接應該提供良好的熱接口，這是不言而喻的。此外，它應該為各種激光封裝提供易于斷開的連接和一定程度的通用性。一些制造商將提供可定制的冷板，允許您指定所需的安裝孔圖案。

大功率系統

除了帶有集成風扇和珀爾帖冷卻器的激光支架外，管理更高的熱輸出水平變得更加具有挑戰性。如果風冷安裝被證明是不夠的，那么下一個選擇是水冷安裝（圖3）。水以復雜性和響應性為代價，大大提高了熱容量。

圖3 水冷式高功率激光器支架的布局

雖然水冷板在傳遞大量熱量方面是有效的，但存在幾個缺點。首先，你的溫度設定點必須在水的沸點和冰點之間。其次，水系統需要冷卻器、泵、定制的激光支架和管道，這將增加設置時間和成本。第三，一些水系統的誤差范圍可能為十分之幾度，對溫度變化反應不快。這可能不適合高精度應用。

為了提高水系統的精度，將TEC與水冷激光支架相結合的混合系統效果良好。該系統依靠TEC進行精細的溫度控制，并使用水冷系統快速散熱。這種方法在需要良好溫度穩定性的高功率激光器應用中很常見。

高溫系統

正如本文前面提到的，如果你正在表征一個設備在不同溫度范圍內的性能，或者處理需要更高溫度的應用程序，如LED，珀爾帖設備的加熱能力可能會很有用。更高的安裝溫度需要不同類型的溫度傳感器和適用于高溫操作的TEC，因此請與激光安裝制造商討論您的應用。一些激光器支架還包含電阻加熱器，盡管這種布置顯然只適用于僅加熱的應用。在這種情況下，只要溫度控制器能夠為電阻加熱器供電，熱管理系統的其余部分就可以保持不變。

結束語

為您的激光系統選擇合適的支架將節省時間和精力，同時提高整體性能。除了決定使用被動或主動冷卻外，還要特別注意激光支架的其他功能。易于安裝、靈活的電氣連接和良好的材料選擇是需要考慮的重要因素。最后，最好的做法可能是直接致電制造商，詢問有關其特定應用的安裝性能的問題。