冷卻液對CO2鐳射器功率的影響「水溫篇」

據研究表明，

CO2射頻鐳射器的

光電轉換效率約為10%~20%

，其餘的能量將轉換為廢熱。

如果

CO2射頻鐳射器的放電區無法進行有效的散熱，那麼放電區內的氣體溫度將會持續升高，將導致放電區內的分子熱運動隨著溫度的升高而加劇，引起上能級分子消耗，從而引發CO2分子譜線躍遷加寬，最終影響鐳射器輸出功率的穩定性或者使其輸出功率下降。

因此，透過外部輔助手段對鐳射器進行散熱顯得尤為重要。

目前，已有相關的資料顯示，CO2鐳射器的鐳射氣體溫度在400~500K之間時，光電轉換效率較高。

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鐳射器的常見散熱方式

在使用射頻鐳射器時，通常會採用的散熱方式分為兩種，風冷散熱和水冷散熱。

風冷散熱常用於低功率鐳射器上，其功率一般不超過100W。水冷散熱則覆蓋了CO2鐳射器所能達到的整個功率範圍。

以上兩種散熱方式有一個共同點，即均不直接對產生熱量的放電區進行冷卻，而是透過傳導方式，將放電區產生的廢熱傳導到冷卻液或者散熱板上。

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冷卻液溫度對鐳射器的影響

對於水冷散熱，我們通常採用純淨水、蒸餾水或者去離子水作為冷卻液（冬天也可用防凍液）來對鐳射器進行散熱。

根據牛頓冷卻定律：

其中，Φ為散熱的熱量；A為散熱器的面積，η為傳熱係數，Δt為溫差

可以得出，在

CO2鐳射器的結構和材料確定後，影響散熱的主要因素就是溫差（這裡的溫差是指

冷卻液溫度

與

鐳射器放電區溫度

的溫差）

以純淨水為例子，假設冷卻液的溫度上升，那麼它和放電區的溫差將會減小，散熱效果下降，最終影響鐳射功率。據部分實驗資料表明，

冷卻液（純淨水）溫度每升高約1℃，鐳射功率將降低約0.5%~1%。

因此，降低冷卻液的溫度，可以改善散熱，從而提升鐳射功率。

那麼，冷卻液溫度可以無限降低嗎？答案顯然是否定的。對於部分

CO2鐳射器，過低的冷卻溫度，則需要更長的熱機時間，降低了工作效率。

而最普遍的影響是，冷卻液的溫度過低，導致鐳射器表面結露，影響鐳射器的使用，甚至縮短其使用壽命。

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冷卻液與穩定的鐳射功率

顯然，我們為了使鐳射器的鐳射輸出功率更穩定，就需要

CO2鐳射氣體溫度相對穩定，

即穩定的散熱效果。

從牛頓冷卻定律（

Ф=Α*η*Δt）中可以看出，穩定的散熱效果的關鍵因素就是

恆定的溫差(Δt)

。所以，在實際生產作業的過程中，我們通常會採用恆溫冷水機，它將有助於鐳射器獲得穩定的輸出功率。

綜合鐳射器功率以及穩定性這兩大因素來考慮，小特建議將射頻

CO2鐳射器冷卻液的溫度設定為

25±2℃

。在炎熱的夏季，為了避免結露，也可以設定在

28±2℃

。

而在冬季，在條件允許的情況下，我們儘量保持冷水機的持續運作。同時為了節能，建議將低溫和常溫水溫度調整至

5 ~ 10℃

，保證冷卻液處於迴圈狀態且溫度不低於冰點。

必要時也可以使用專業品牌的防凍液（不能用乙醇代替，否則也可能會造成損壞）