冷却水温度对CO₂激光器功率的影响

冷却水温度对CO₂激光器功率的影响

据研究表明，CO₂射频激光器的光电转换效率约为10％～20％，其余的能量将转换为废热。

如果CO₂射频激光器的放电区无法进行有效的散热，那么放电区内的气体温度将会持续升高。这将导致放电区内的分子热运动随着温度的升高而加剧，引起上能级分子消耗，从而引发CO₂分子谱线跃迁加宽，最终影响激光器输出功率的稳定性或者使其输出功率下降。

因此，通过外部辅助手段对激光器进行散热显得尤为重要。

目前，已有相关的数据显示，CO₂激光器的激光气体温度在400～500K之间时，光电转换效率较高。

在使用射频激光器时，通常会采用的散热方式分为两种，风冷散热和水冷散热。风冷散热常用于低功率激光器上，其功率一般不超过100W。水冷散热则覆盖了CO₂激光器所能达到的整个功率范围。

风 冷 散 热 － 水 冷 散 热

以上两种散热方式有一个共同点，即均不直接对产生热量的放电区进行冷却，而是通过传导方式，将放电区产生的废热传导到冷却液或者散热板上。

对于水冷散热，我们通常采用纯净水、蒸馏水或者去离子水作为冷却液（冬天也可用防冻液）来对激光器进行散热。

根据牛顿冷却定律：

其中，Φ为散热的热量；A为散热器的面积，η为传热系数，Δt为温差。

可以得出，在CO₂激光器的结构和材料确定后，影响散热的主要因素就是温差（这里的温差是指冷却液温度与激光器放电区温度的温差）

以纯净水为例子，假设冷却液的温度上升，那么它和放电区的温差将会减小，散热效果下降，最终影响激光功率。据部分实验数据表明，冷却液（纯净水）温度每升高约1℃，激光功率将降低约0．5％～1％。

因此，降低冷却液的温度，可以改善散热，从而提升激光功率。

那么，冷却液温度可以无限降低吗？答案显然是否定的。对于部分CO₂激光器而言，过低的冷却温度，则需要更长的热机时间，降低了工作效率。

而最普遍的影响是，冷却液的温度过低，会导致激光器表面结露，影响激光器的使用，甚至缩短其使用寿命。

显然，我们为了使CO₂激光器获得稳定的激光功率，就需要相对稳定的CO₂激光气体温度。归根结底，也就是稳定的散热效果。

ZAMIA F8i 射频激光器 功率曲线图

从牛顿冷却定律（Ф=Α＊η＊Δt）中可以看出，获得稳定散热效果的关键因素，就是恒定的温差（Δt）。所以，在实际生产作业的过程中，我们通常会采用恒温冷水机，它将有助于激光器获得稳定的输出功率。

综合激光器功率以及稳定性这两大因素来考虑，小特建议将CO₂射频激光器冷却液的温度设定为25±2℃。在炎热的夏季，为了避免结露，也可以设置在28±2℃。

冷 水 机 温 度 设 定

而在冬季，在条件允许的情况下，我们尽量保持冷水机的持续运作。同时为了节能，建议将低温和常温水温度调整至5 ～ 10℃，保证冷却液处于循环状态且温度不低于冰点。

必要时也可以使用专业品牌的防冻液（不能用乙醇代替，否则也可能会造成损坏）