Оптоэлектроника саласында термоэлектрлік салқындату модулін, TEC модулін, Пельтиер салқындатқышын әзірлеу және қолдану
Термоэлектрлік салқындатқыш, термоэлектрлік модуль, пельтье модулі (TEC) өзінің ерекше артықшылықтарымен оптоэлектрондық өнімдер саласында маңызды рөл атқарады. Төменде оның оптоэлектрондық өнімдерде кеңінен қолданылуының талдауы берілген:
I. Негізгі қолдану салалары және әрекет ету механизмі
1. Лазердің дәл температурасын бақылау
• Негізгі талаптар: Барлық жартылай өткізгіш лазерлер (LDS), талшықты лазерлік сорғы көздері және қатты денелі лазерлік кристалдар температураға өте сезімтал. Температураның өзгеруі мыналарға әкелуі мүмкін:
• Толқын ұзындығының дрейфі: Байланыстың толқын ұзындығының дәлдігіне (мысалы, DWDM жүйелерінде) немесе материалды өңдеудің тұрақтылығына әсер етеді.
• Шығыс қуатының ауытқуы: Жүйе шығысының тұрақтылығын төмендетеді.
• Шекті токтың өзгеруі: тиімділікті төмендетеді және қуат тұтынуды арттырады.
• Қызмет ету мерзімінің қысқаруы: Жоғары температура құрылғылардың қартаюын тездетеді.
• TEC модулі, термоэлектрлік модуль функциясы: Тұйықталған циклді температураны басқару жүйесі (температура сенсоры + контроллер + TEC модулі, TE салқындатқышы) арқылы лазерлік чиптің немесе модульдің жұмыс температурасы оңтайлы нүктеде (әдетте 25°C±0,1°C немесе одан да жоғары дәлдікте) тұрақтандырылады, бұл толқын ұзындығының тұрақтылығын, тұрақты қуат шығысын, максималды тиімділікті және қызмет ету мерзімін ұзартуды қамтамасыз етеді. Бұл оптикалық байланыс, лазерлік өңдеу және медициналық лазерлер сияқты салалар үшін негізгі кепілдік болып табылады.
2. Фотодетекторларды/инфрақызыл детекторларды салқындату
• Негізгі талаптар:
• Қараңғы токты азайтыңыз: Фотодиодтар (әсіресе жақын инфрақызыл байланыста қолданылатын InGaAs детекторлары), көшкін фотодиодтары (APD) және сынап кадмий теллуриді (HgCdTe) сияқты инфрақызыл фокалды жазықтық массивтері (IRFPA) бөлме температурасында салыстырмалы түрде үлкен қараңғы токтарға ие, бұл сигнал-шу қатынасын (SNR) және анықтау сезімталдығын айтарлықтай төмендетеді.
• Жылулық шуды басу: Детектордың өзінің жылулық шуы анықтау шегін шектейтін негізгі фактор болып табылады (мысалы, әлсіз жарық сигналдары және алыс қашықтықтан бейнелеу).
• Термоэлектрлік салқындату модулі, Пельтье модулі (Пелтьье элементі) функциясы: Детектор чипін немесе бүкіл қаптаманы қоршаған орта температурасынан төмен температураға дейін (мысалы, -40°C немесе одан да төмен) салқындатыңыз. Қараңғы ток пен жылулық шуды айтарлықтай азайтады және құрылғының сезімталдығын, анықтау жылдамдығын және бейнелеу сапасын айтарлықтай жақсартады. Бұл әсіресе жоғары өнімді инфрақызыл жылу бейнелеу құрылғылары, түнгі көру құрылғылары, спектрометрлер және кванттық байланыс бір фотонды детекторлары үшін өте маңызды.
3. Дәл оптикалық жүйелер мен компоненттердің температурасын бақылау
• Негізгі талаптар: Оптикалық платформадағы негізгі компоненттер (мысалы, талшықты Брэгг торлары, сүзгілер, интерферометрлер, линза топтары, CCD/CMOS сенсорлары) жылулық кеңеюге және сыну көрсеткішінің температуралық коэффициенттеріне сезімтал. Температураның өзгеруі сүзгінің ортасындағы оптикалық жол ұзындығының, фокустық қашықтықтың дрейфінің және толқын ұзындығының ығысуының өзгеруіне әкелуі мүмкін, бұл жүйенің жұмысының нашарлауына әкеледі (мысалы, бұлыңғыр кескіндеу, оптикалық жолдың дәлсіздігі және өлшеу қателіктері).
• TEC модулі, термоэлектрлік салқындату модулі Функциясы:
• Белсенді температураны басқару: Негізгі оптикалық компоненттер жоғары жылу өткізгіштік негізіне орнатылған, ал TEC модулі (пелтиер салқындатқышы, пелтиер құрылғысы), термоэлектрлік құрылғы температураны дәл басқарады (тұрақты температураны немесе белгілі бір температура қисығын ұстап тұру).
• Температураны гомогендеу: Жүйенің термиялық тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін жабдық ішіндегі немесе компоненттер арасындағы температура айырмашылығының градиентін жою.
• Қоршаған ортаның ауытқуларына қарсы тұру: Сыртқы орта температурасының өзгеруінің ішкі дәлдіктегі оптикалық жолға әсерін өтейді. Ол жоғары дәлдіктегі спектрометрлерде, астрономиялық телескоптарда, фотолитографиялық машиналарда, жоғары деңгейлі микроскоптарда, оптикалық талшықты сенсорлық жүйелерде және т.б. кеңінен қолданылады.
4. Жарықдиодтардың өнімділігін оңтайландыру және қызмет ету мерзімін ұзарту
• Негізгі талаптар: Жоғары қуатты жарықдиодтар (әсіресе проекциялау, жарықтандыру және ультракүлгін сәулелену кезінде) жұмыс кезінде айтарлықтай жылу шығарады. Қосылу температурасының жоғарылауы мыналарға әкеледі:
• Жарық тиімділігінің төмендеуі: Электроптикалық түрлендіру тиімділігі төмендейді.
• Толқын ұзындығының ығысуы: Түс консистенциясына әсер етеді (мысалы, RGB проекциясы).
• Қызмет ету мерзімінің күрт қысқаруы: Жарықдиодтардың қызмет ету мерзіміне әсер ететін ең маңызды фактор - түйіспе температурасы (Аррениус моделіне сәйкес).
• TEC модульдері, термоэлектрлік салқындатқыштар, термоэлектрлік модульдер Функциясы: Өте жоғары қуатты немесе қатаң температураны бақылау талаптары бар (мысалы, белгілі бір проекциялық жарық көздері және ғылыми дәрежелі жарық көздері) жарықдиодты қолданбалар үшін термоэлектрлік модуль, термоэлектрлік салқындату модулі, пельтье құрылғысы, пельтье элементі дәстүрлі жылу раковиналарына қарағанда қуатты және дәл белсенді салқындату мүмкіндіктерін қамтамасыз ете алады, жарықдиодты түйіспе температурасын қауіпсіз және тиімді диапазонда ұстап, жоғары жарықтық шығысын, тұрақты спектрді және өте ұзақ қызмет ету мерзімін сақтайды.
II. Оптоэлектрондық қолданбалардағы TEC модульдерінің термоэлектрлік модульдерінің (пелтиер салқындатқыштары) алмастырылмайтын артықшылықтарының егжей-тегжейлі түсіндірмесі
1. Дәл температураны басқару мүмкіндігі: Ол ±0,01°C немесе одан да жоғары дәлдікпен тұрақты температураны басқаруға қол жеткізе алады, бұл ауамен салқындату және сұйықтықпен салқындату сияқты пассивті немесе белсенді жылу тарату әдістерінен әлдеқайда асып түседі, оптоэлектрондық құрылғылардың қатаң температураны бақылау талаптарына сәйкес келеді.
2. Қозғалмалы бөлшектер мен салқындатқыш жоқ: Қатты күйде жұмыс істейді, компрессордың немесе желдеткіштің дірілінің кедергісі жоқ, салқындатқыштың ағып кету қаупі жоқ, өте жоғары сенімділік, техникалық қызмет көрсетуді қажет етпейді, вакуум және кеңістік сияқты арнайы орталарға жарамды.
3. Жылдам жауап беру және қайтымдылық: Ток бағытын өзгерту арқылы салқындату/жылыту режимін жылдам жауап беру жылдамдығымен (миллисекундпен) бірден ауыстыруға болады. Бұл әсіресе өтпелі термиялық жүктемелермен немесе дәл температура циклін қажет ететін қолданбалармен (мысалы, құрылғыны сынау) жұмыс істеу үшін өте қолайлы.
4. Миниатюризация және икемділік: Ықшам құрылым (миллиметр деңгейіндегі қалыңдық), жоғары қуат тығыздығы және әртүрлі кеңістікті шектейтін оптоэлектрондық өнімдердің дизайнына бейімделіп, чип деңгейіндегі, модуль деңгейіндегі немесе жүйелік деңгейдегі қаптамаға икемді түрде біріктірілуі мүмкін.
5. Жергілікті дәл температураны бақылау: Ол бүкіл жүйені салқындатпай-ақ белгілі бір ыстық нүктелерді дәл салқындата немесе жылыта алады, бұл энергия тиімділігінің жоғары коэффициентіне және жүйенің дизайнының жеңілдетілгендігіне әкеледі.
III. Қолдану жағдайлары және даму үрдістері
• Оптикалық модульдер: Микро TEC модулі (микро термоэлектрлік салқындату модулі, термоэлектрлік салқындату модулін салқындататын DFB/EML лазерлері 10G/25G/100G/400G және одан жоғары жылдамдықты оптикалық модульдерде (SFP+, QSFP-DD, OSFP) көз үлгісінің сапасын және ұзақ қашықтыққа беру кезінде бит қателіктерінің деңгейін қамтамасыз ету үшін жиі қолданылады.
• LiDAR: Автомобиль және өнеркәсіптік LiDAR құрылғыларындағы жиек сәулеленуші немесе VCSEL лазерлік жарық көздері, әсіресе алыс қашықтықты және жоғары ажыратымдылықты анықтауды қажет ететін жағдайларда, импульстің тұрақтылығын және қашықтық дәлдігін қамтамасыз ету үшін TEC модульдерінің термоэлектрлік салқындату модульдерін, термоэлектрлік салқындатқыштарды, пельтье модульдерін қажет етеді.
• Инфрақызыл термиялық бейнелеу құрылғысы: Жоғары деңгейлі салқындатылмаған микрорадиометрдің фокальды жазықтық массиві (UFPA) жұмыс температурасында (әдетте ~32°C) бір немесе бірнеше TEC модулінің термоэлектрлік салқындату модулінің сатылары арқылы тұрақтандырылады, бұл температураның ауытқу шуын азайтады; Тоңазытқыштағы орташа толқынды/ұзын толқынды инфрақызыл детекторлар (MCT, InSb) терең салқындатуды қажет етеді (-196°C температураға Stirling тоңазытқыштары арқылы қол жеткізіледі, бірақ миниатюралық қолданбаларда TEC модулінің термоэлектрлік модулі, пельтье модулі алдын ала салқындату немесе екінші реттік температураны басқару үшін пайдаланылуы мүмкін).
• Биологиялық флуоресценцияны анықтау/Раман спектрометрі: CCD/CMOS камерасын немесе фотокөбейткіш түтікті (PMT) салқындату әлсіз флуоресценция/Раман сигналдарының анықтау шегін және бейнелеу сапасын айтарлықтай жақсартады.
• Кванттық оптикалық тәжірибелер: Бір фотонды детекторлар (мысалы, өте төмен температураны қажет ететін аса өткізгіш наносым SNSPD сияқты, бірақ Si/InGaAs APD әдетте TEC модулімен, термоэлектрлік салқындату модулімен, термоэлектрлік модульмен, TE салқындатқышымен салқындатылады) және белгілі бір кванттық жарық көздері үшін төмен температуралы ортаны қамтамасыз ету.
• Даму үрдісі: Термоэлектрлік салқындату модулін, термоэлектрлік құрылғыны, тиімділігі жоғары (ZT мәні жоғары), құны төмен, өлшемі кішірек және салқындату қабілеті күштірек TEC модулін зерттеу және әзірлеу; озық қаптама технологияларымен (мысалы, 3D интегралдық схема, бірлескен қаптамадағы оптика) тығыз интеграцияланған; интеллектуалды температураны басқару алгоритмдері энергия тиімділігін оңтайландырады.
Термоэлектрлік салқындату модульдері, термоэлектрлік салқындатқыштар, термоэлектрлік модульдер, пельтье элементтері, пельтье құрылғылары заманауи жоғары өнімді оптоэлектрондық өнімдердің негізгі жылу басқару компоненттеріне айналды. Оның дәл температураны бақылауы, қатты денелі сенімділігі, жылдам жауап беруі, шағын өлшемі мен икемділігі лазерлік толқын ұзындығының тұрақтылығы, детектор сезімталдығын жақсарту, оптикалық жүйелердегі жылу дрейфін басу және жоғары қуатты жарықдиодты өнімділікті сақтау сияқты негізгі мәселелерді тиімді шешеді. Оптоэлектрондық технология жоғары өнімділікке, кішірек өлшемге және кеңірек қолдануға қарай дамып келе жатқандықтан, TEC модулі, пельтье салқындатқышы, пельтье модулі алмастырылмайтын рөл атқара береді, ал оның технологиясының өзі де барған сайын талап етілетін талаптарды қанағаттандыру үшін үнемі жаңарып отырады.
Жарияланған уақыты: 03.06.2025
