Lytron - Total Thermal Solutions
Quick NW Quick NE
 

Tools & Technische Hinweise

 
 

Flüssigkühlung für Laser zur Systemoptimierung

DPSS laser von  Photop Technologies

Abbildung 1: DPSS-Laser

Laserkristall von Photop Technologies

Abbildung 2: Laserkristall

Rückkühler (Innenansicht)

Abbildung 3: Rückkühler (Innenansicht)

Flüssig/Flüssig-Kühlsystem

Abbildung 4: Flüssig/Flüssig-Kühlsystem

Nach Kundenmaßgaben gefertigte Röhrenkühlplatten

Abbildung 5: Nach Kundenmaßgaben gefertigte Röhrenkühlplatte

Kupfer-Flachrohrkühlplatte mit Thermoelektrik

Abbildung 6: Kupfer-Flachrohrkühlplatte mit Thermoelektrik

Für optimale Leistung eines Hochleistungslasers ist effektive Kühlung nötig. Hochleistungslaser erzeugen ein beträchtliches Maß an Wärme, die aus dem Lasersystem abgeführt werden muss, um ein Überhitzen der entscheidenden Komponenten zu verhindern. Kohlendioxid- (CO2-)Laser, Excimer-Laser, Ionenlaser, Festkörperlaser und Farbstofflaser bedienen sich allesamt der Flüssigkühlung, um überschüssige Wärme abzuleiten. Mit der Flüssigkühlung lassen sich drei Ziele erreichen: Erhaltung einer präzisen Laserwellenlänge und durchgängig effizientere Ergebnisse, Erreichung der gewünschten Laserstrahlqualität sowie geringere Belastung des Lasersystems durch Wärmespannung. Rückkühler, Flüssig/Flüssig-Kühlsysteme, Umluftkühlsysteme, Kühlplatten und Wärmetauscher sind nur einige wenige der Kühltechnologien, die im Flüssigkühlkreislauf von Lasersystemen zur Anwendung kommen.

Für Niedrigleistungslaser wie beispielsweise kleine Helium-Neon-Laser oder Argon-Ionen-Laser ist möglicherweise keine Kühlung erforderlich oder sie werden schon mit eingebautem Kühlventilator geliefert, der in der Regel ausreichend ist. Einige kleinere Gaslaser und zahlreiche Festkörperlaser besitzen bereits ein eingebautes Kühlsystem. In der Regel handelt es sich um einen Wärmetauscher mit geschlossenem Kreislauf. Für größere Gaslaser oder sonstige Hochleistungslaser wie beispielsweise industrielle CO2-Laser, Argon- und Krypton-Ionen-Laser mit breitem Spektralbereich sowie Excimer-Laser ist hingegen in der Regel eine externe Quelle für Wasser nötig, das durch den Licht erzeugenden Bereich des Lasersystems fließt.   Der Laser- und Lasersystemhersteller Coherent, Inc1 gibt an, dass seine Ionenlaser als Nebenprodukt der Laseraktivität 5 kW bis 55 kW überschüssige Wärme erzeugen. Damit entscheidende Komponenten nicht überhitzt werden, ist es laut Coherent wichtig, diese überschüssige Wärme effizient aus dem Lasersystem abzuleiten. Der Hersteller empfiehlt darum die Verwendung von Kühlwasser. Andere Lasersysteme mögen mehr oder weniger überschüssige Wärme produzieren, aber der Kühlbedarf besteht in jedem Fall.

Präzise Wellenlänge, Wirkungsgrad für optische Umwandlung und Laserstrahlqualität

Ein Grund dafür, dass es so wichtig ist, überschüssige Wärme aus Lasersystemen abzuleiten, ist die Erhöhung der Wellenlänge als Folge der erhöhten Temperatur. Die höhere Wellenlänge kann die Leistung von Laserssytemen beeinträchtigen. Da sich die Wellenlänge von Diodenlasern durch Temperatursteigerungen erhöht, muss die Temperatur der gesamten Diodentafel gleichmäßig sein. Nur so kann beim Pumpen ein durchgehend hoher optischer Umwandlungswirkungsgrad erzielt werden.2 Beispielsweise verschiebt sich die Wellenlänge des von GaAs-Diodenlaserbarren ausgestrahlten Lichts um ca. 0,3 nm/°C infolge temperaturbedingter Veränderungen bei der Bandlückenenergie und beim Brechungsindex. Für einen insgesamt hohen Umwandlungswirkungsgrad von Licht aus GaAs-Diodenbarren beim Pumpen einiger Festkörperlaser ist es entscheidend, dass die Wellenlänge der Lichtenergie von jedem Emitter aus innerhalb eines sehr engen Wellenlängenbereichs liegt bzw. der Temperaturunterschied untereinander nicht mehr als 1 bis 2 °C beträgt. Durch Kühlung kann die Ausrichtung des Laserstrahls vor dem Emitter stabilisiert werden (± 5 Mikrometer).

Die Laserstrahlqualität ist bei bestimmten Laseranwendungen ebenfalls wichtig. Beispielsweise ist jeweils ein starker Laserstrahlfokus erforderlich für die Materialverarbeitung, zum Drucken, Markieren, Schneiden und Bohren mit Lasertechnik. Bei Hochleistungslasern kann die Erhitzung des Verstärkungsmediums, beispielsweise des Laserkristalls, Thermal Lensing verursachen3. Solche Auswirkungen von Wärme im Verstärkungsmedium können die Wellenfront und damit letztendlich die Laserstrahlqualität beeinträchtigen. Bei diodengepumpten Festkörperlasern (DPSS-Lasern) muss der Kristall gekühlt werden und die Temperatur sollte eine maximale Abweichung von 0,5 °C aufweisen. (Siehe Abbildungen 1 und 2.)

Durch Kühlung des Lasers und genaue Temperaturregelung kann gewährleistet werden, dass das Lasersystem mit der optimalen Wellenlänge funktioniert. Durch Flüssigkühlung von Lasersystemen verringern sich Energieschwankungen und die Zielgenauigkeit und Laserstrahlqualität wird verbessert.

Verringerte Wärmespannung

Geringere Betriebstemperaturen können außerdem die Lebensdauer der Komponenten eines Lasersystems erhöhen und den Wartungsbedarf verringern. Dies gilt insbesondere für DPSS-Laser, denn das Intervall zwischen Ausfällen wird durch überschüssige Wärme erheblich verkürzt. Darum ist es sinnvoll, beim Laserdesign und bei der Laserherstellung von vornherein ein Kühlsystem mit einzubauen. So kann gewährleistet werden, dass das Ausfallintervall verlängert und Ausfallzeiten reduziert werden, was Betriebs- und Wartungskosten spart. Durch die Integration eines Kühlsystems kann der Laserhersteller zudem optimale Leistung des Lasersystems gewährleisten.

Rückkühler

Im Handel erhältliche Rückkühler  sorgen für die praktische Kühlung von Lasersystemen. Die Kühlmitteltemperatur eines kompressorbasierten Rückkühlers kann mit einer Temperaturstabilität von ±0,1 °C auf -5,0 °C bis +35,0 °C eingestellt werden, damit das Lasersystem bei optimaler Wellenlänge und so effizient wie möglich läuft.

Rückkühler sind zudem umweltfreundlicher und kosteneffizienter als Leitungswasser. Die Kühler sind Systeme mit geschlossenem Kreislauf, die mit aktiver Kühlung funktionieren. Sie werden für die Kühlung von Lasersystemen eingesetzt, wenn ein hoher Wärmefluss oder eine hohe Umgebungstemperatur gegeben ist oder wenn das Lasersystem eine gekühlte Umgebung benötigt. Letzteres ist beispielsweise bei den Excimer-Lasern der Fall. Diese haben normalerweise eine Kühlkapazität von 800 W bis 6 kW, einen PID-Regler, einen Tank mit großer thermisch wirksamer Masse und fortschrittliche Kühlsteuerkreise, damit sie die präzise Temperaturstabilität beibehalten können, die für die Zeigegenauigkeit und Strahlqualität von Lasersystemen erforderlich ist. (Siehe Abbildung 3.)

Rückkühler können zudem für einen gleichmäßigen Fluss und Druck im System sorgen und zugleich die Qualität des Kühlmittels steuern. Es ist wichtig sicherzustellen, dass im Kühlsystem der richtige Druck beibehalten wird, weil übermäßiger Wasserdruck Vibrationen im Laserkopf auslösen kann.

Ein weiterer Vorteil der Rückkühler besteht darin, dass die meisten von ihnen mit diversen Kühlflüssigkeiten kompatibel sind. Beispielsweise sind zahlreiche Rückkühler mit Ethylenglykol- (EGW-) oder Propylenglykol- (PGW-)Lösungen verträglich, die sich durch Korrosions- und Frostschutz auszeichnen. Rückkühler können auch so umgerüstet werden, dass sie mit deionisiertem Wasser (DI-Wasser) verträglich sind. So kann der nötige Flüssigkeitswiderstand im System mithilfe einer Deionisierungspatrone gewährleistet werden. (Deionisiertes Wasser ist elektrisch inert.)

Flüssig/Flüssig-Kühlsysteme

Wie die Rückkühler können auch Flüssig/Flüssig-Kühlsysteme (LCS) eine präzise Temperaturregelung des Prozesswassers gewährleisten (Stabilität der Kühlflüssigkeitstemperatur ±0,5 °C). (Siehe Abbildung 4.) Allerdings wird bei diesen Systemen Wärme über einen Plattenwärmetauscher an das Betriebswasser abgegeben. Flüssig/Flüssig-Kühlsysteme sind eine gute Lösung bei Anwendungen mit hoher Wärmebelastung oder hohen Umgebungstemperaturen, wenn kühles Betriebswasser verfügbar ist, denn viele Flüssig/Flüssig-Kühlsysteme haben eine Kühlkapazität von bis zu 20 kW. Für Labore mit mehreren großen Lasern kann die Installation eines Kühlturms auf dem Gebäudedach eine günstige Möglichkeit sein, eine gemeinsame Quelle gekühlten Wassers für alle Systeme innerhalb des Gebäudes bereitzustellen. Der Kühlturm gibt die Wärme an die Außenluft um das Gebäude herum ab und trägt so zu einer angenehmen Arbeitsumgebung bei. Bei Flüssig/Flüssig-Kühlsystemen kommt das Betriebssystem niemals in Berührung mit dem Wasser des Lasersystems. Die Wärme wird von der Kühlflüssigkeit des Kühlsystems über den Plattenwärmetauscher an das Betriebswasser abgegeben. Dies ist wichtig, denn das Wasser im Kreislauf eines Gebäudekühlturms wird oft mit Fungiziden, Algiziden und/oder Frostschutzmittel behandelt, d. h. mit Chemikalien, die für einige Laserkomponenten zu aggressiv wären.

Umluftkühlsysteme

Umluftkühlsystememit  einer Kühlkapazität von bis zu 3,5 kW sind eine zuverlässige Alternative zu Kühlern und Flüssig/Flüssig-Kühlsystemen bei Laseranwendungen, bei denen eine präzise Temperaturregelung und Kühlung unterhalb der Umgebungstemperatur nicht nötig sind. Umluftkühlsysteme bestehen aus einem Hochleistungswärmetauscher, einem Lüfter, einer Pumpe und einem Kühlmitteltank. Die Wärme wird von dem durch das Lasersystem fließenden Wasser über den Flüssig/Luft-Wärmetauscher und Lüfter in die Umgebungsluft abgeleitet, daher die Bezeichnung "Umluftkühlsystem". Umluftkühlsysteme bieten keine Temperaturstabilität, aber sie sind eine kostengünstige Technologie für die Wärmeableitung.

Kühlplatten und Wärmetauscher

Kühlplatten und Wärmetauscher sind wesentliche Komponenten in Flüssigkühlkreisläufen für die Laserkühlung. Kühlplattenwerden  oft in Verbindung mit einem Rückkühler eingesetzt. Viele Laser verwenden Röhrenkühlplatten. (Siehe Abbildung 5.) Allerdings sind die vakuumgelöteten Aluminium-Kühlplatten, bei denen die Flüssigkeit durch Kanäle fließt, eine Art von Kühlplatte, die zunehmend von Laserherstellern bevorzugt wird. Hersteller und Endverbraucher verwenden auch Flachrohrkühlplattentechnologien. Eine Kühlplatte kann auf die Komponente montiert werden, die gekühlt werden soll, beispielsweise ein thermoelektrisches Modul. Aus dem Kühler fließt dann kalte Flüssigkeit zur Kühlplatte und heiße Flüssigkeit fließt zurück zum Kühler. (Siehe Abbildung 6.) Kühlplatten können auch als Elektroden des Lasersystems gebaut werden.

Wärmetauscher  kommen oft in Kühlsystemen wie Kühlern, Flüssig/Flüssig-Kühlsystemen und Umluftkühlsystemen vor. Einige Laserhersteller kaufen den Wärmetauscher lieber separat und integrieren ihn selbst, indem sie ihn an ihre eigene Pumpe und ihren Tank anschließen.

Laserkühlung mit Kühlflüssigkeit

Hochleistungslasersysteme müssen so gekühlt werden, dass eine optimale Leistung und Langlebigkeit der Systeme gewährleistet ist. Wenn die Stabilisierung einer genauen Laserwellenlänge, Laserstrahlqualität, hohe Ausgabeeffizienz und geringe Ausfallzeiten wichtig sind, kann die Flüssigkühlung die richtige Lösung sein. Rückkühler, Flüssig/Flüssig-Kühlsysteme, Umluftkühlsysteme, Kühlplatten und Wärmetauscher werden zu entscheidenden Komponenten in Lasersystemen.

Verfasserin: Tracey Barber, Communications Manager

Literaturhinweise

1Coherent®, "Laser Cooling Water Guidelines for Innova® Ion Laser Systems" (http://www.cohr.com/Downloads/ACF97.pdf), S. 1.

2Huddle, J.J., Chow, L.C., Lei, S., Marcos, A., Rini, D.P., Lindauer, S.J., II, Bass, M., und Delfyett, P.J., "Thermal Management of Diode Laser Arrays", Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium, Sixteenth Annual IEEE, S. 154-160, 2000.

3Paschotta, R., "Thermal Lensing", Encyclopedia of Laser Physics & Technology (http://www.rp-photonics.com/thermal_lensing.html), 2007.