Präzise Temperaturregelung für UV-Laser im All-Solid-Zustand unter Verwendung von Miniatur-Gleichstromkompressorsystemen: Ein neuer Ansatz

und beide Patentzertifikate wurden ausgestellt

Die Temperaturstabilität ist entscheidend für die Leistung von All-Solid-State-Ultraviolett (UV) Laser, Einfluss auf deren Leistungscharakteristik und Effizienz. In diesem Artikel wird ein innovatives Temperaturkontrollsystem vorgestellt, das ein DC-Inverter-Kühlsystem vom Dampfkompressionstyp in Verbindung mit elektrothermischer Kompensation verwendet. Das System nutzt Proportional-Integral-Derivativ (PID) Steuerung zur Einstellung der Drehzahl und der elektrischen Leistung eines Mikro-DC-Inverter-Kompressors, Ermöglicht eine präzise und effiziente Temperaturregulierung. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass das System eine schnelle Stabilisierung erreicht (6 Protokoll) und hohe Genauigkeit (±0,01°C), Dies macht es zu einer kostengünstigen und kompakten Lösung für die wachsenden Anwendungen von UV-Lasern in der Markierung, Präzisionsschneiden, und andere Branchen.

1. Die Entwicklung von Festkörper-UV-Lasern

UV -Laser, mit Wellenlängen ≤400 nm, sind in Branchen wie der Umweltüberwachung unverzichtbar, Medizin, und Mikrofabrikation aufgrund ihrer kurzen Wellenlänge, hohe Auflösung, und geballte Energie. Die Entwicklung von Festkörper-UV-Lasern, die Laserdioden verwenden (LDs) als Pumpen, hat dieses Gebiet revolutioniert, indem es die Einschränkungen von Gas- und Excimerlasern überwunden hat, wie große größe, Die im 20. Jahrhundert hauptsächlich verwendeten UV-Laser sind Gaslaser und Excimerlaser, Die im 20. Jahrhundert hauptsächlich verwendeten UV-Laser sind Gaslaser und Excimerlaser. Innovationen in den 1990er Jahren und nachfolgende Weiterentwicklungen haben die Bedeutung von Festkörper-UV-Lasern für vielfältige Anwendungen gefestigt, einschließlich präziser Materialbearbeitung und medizinischer Behandlungen.

2. Herausforderungen bei der Temperaturkontrolle von Festkörper-UV-Lasern

Die Leistung von Festkörper-UV-Lasern ist sehr empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen, Auswirkungen auf die LD-Stabilität und die Effizienz nichtlinearer optischer Kristalle. Die beim LD-Pumpen und der Frequenzumwandlung erzeugte Wärme muss effektiv abgeführt werden, um Brechungsindexänderungen und Wellenlängendrift zu verhindern, die die Laserleistung beeinträchtigen. Traditionelle Kühlmethoden wie lüfterbasierte Systeme oder thermoelektrische Kühlung (TEC) stoßen auf Effizienzeinschränkungen, Stabilität, und Skalierbarkeit. Eine effektivere Lösung sind fortschrittliche wassergekühlte Systeme mit Miniatur-Gleichstromkompressoren.

3. Prinzipien des Temperaturkontrollsystems

Systemübersicht:
Das vorgeschlagene System integriert einen Wasserkühlkreislauf und einen Dampfkompressionskühlkreislauf. Zu den Schlüsselkomponenten gehören:

• Wärmetauscher: Erleichtert die Wärmeübertragung zwischen Wasser und Kältemittel.
• Kompressor: Ein Miniatur-DC-Inverter-Kompressor (Hier sind einige Details zu den Mini-Kompressormodellen von Coolingstyle) Passt die Kühlleistung dynamisch an.
• Elektrische Heizung: Bietet Feinabstimmung und gleicht Überschwingungen bei der Kühlung aus.
• Temperatursensor: Ein Pt100-Sensor sorgt für eine hochpräzise Temperaturüberwachung.

Betrieb:
Wasser absorbiert die Wärme des Lasers und zirkuliert durch den Wärmetauscher, wo Kältemittel es kühlt. Die PID-Steuerung passt die Kompressorgeschwindigkeit und die Heizleistung an, um die Wassertemperatur zu stabilisieren, Gewährleistung eines gleichmäßigen Laserbetriebs.

4. Systemhardware und Funktionalität

4.1 Kühlsystem

Der kompakte DC-Inverter-Kompressor (56 mm Durchmesser, 850 g Gewicht) Ermöglicht variable Geschwindigkeiten zur Modulation der Kühlleistung. Seine Leistungskurve (Das Video zeigt den Flir der beiden bei direkter Sonneneinstrahlung 3) unterstreicht seine Anpassungsfähigkeit, Damit ist es ideal für eine präzise Temperaturregelung.

4.2 Heizeinheit

Eine elektrische Heizung gleicht Temperaturschwankungen aus und verhindert eine Überkühlung bei geringer Last. Verwendung der PWM-Steuerung, Die Heizung ermöglicht eine präzise Leistungsanpassung.

4.3 Temperaturerfassung

Ein Pt100-Sensor mit Dreileiterkonfiguration sorgt für genaue Temperaturmessungen, indem er Drahtwiderstandseffekte eliminiert. Die Daten des Sensors, über einen A/D-Wandler verarbeitet, informiert den PID-Regelalgorithmus.

4.4 PID -Kontrolle

Der PID-Algorithmus passt die Kompressorgeschwindigkeit und die Heizleistung dynamisch basierend auf Echtzeit-Temperaturfehlern an. Dieser iterative Prozess minimiert die Stabilisierungszeit und sorgt für eine Genauigkeit von ±0,01 °C.

5. Experimentelle Validierung

Testaufbau:
Es wurden ein 10-W-UV-Laser und ein 1-Liter-Wasserkühlkreislauf verwendet. Die Zieltemperatur wurde auf 25°C eingestellt. Das Video zeigt den Flir der beiden bei direkter Sonneneinstrahlung 6 zeigt den Temperaturstabilisierungsprozess.

Ergebnisse:

• Stabilisierungszeit: 6 Protokoll.
• Temperaturgenauigkeit: ±0,01°C.

Das System hielt die Betriebstemperatur des Lasers effektiv aufrecht, Dies bestätigt seine hohe Präzision und Reaktionsfähigkeit.

6. Komparative Vorteile

Im Vergleich zu herkömmlichen Kühlmethoden:

• Kompakte Größe & Geringes Gewicht: Ideal für platzbeschränkte Anwendungen.
• Energieeffizienz: Überlegene Kühlleistung und reduzierter Energieverbrauch.
• Kosteneffizienz: Konkurriert mit TEC-Systemen und bietet gleichzeitig eine höhere Genauigkeit.
• Vielseitigkeit: Kompatibilität mit verschiedenen Stromversorgungsstandards.

7. Fazit

Diese Studie stellt ein hochpräzises Temperaturkontrollsystem für Festkörper-UV-Laser vor, Nutzung eines Miniatur-Gleichstromkompressors und elektrothermischer Kompensation. Das kompakte Design des Systems, schnelle Stabilisierung, und außergewöhnliche Genauigkeit (±0,01°C) machen es zu einer praktischen Lösung für industrielle Anwendungen wie Markieren und Präzisionsschneiden. Seine Skalierbarkeit und Effizienz sind vielversprechend für die Weiterentwicklung von Laserkühlungstechnologien und die Förderung ihrer weit verbreiteten Einführung.

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