تطوير وتطبيق وحدة التبريد الكهروحرارية، ووحدة التبريد الكهروحرارية، ومبرد بلتييه في مجال الإلكترونيات الضوئية

تطوير وتطبيق وحدة التبريد الكهروحرارية، ووحدة التبريد الكهروحرارية، ومبرد بلتييه في مجال الإلكترونيات الضوئية

يلعب المبرد الكهروحراري، أو وحدة التبريد الكهروحراري، أو وحدة بلتييه (TEC) دورًا لا غنى عنه في مجال المنتجات الكهروضوئية لما يتمتع به من مزايا فريدة. فيما يلي تحليل لتطبيقاته الواسعة في المنتجات الكهروضوئية:

أولاً: مجالات التطبيق الأساسية وآلية العمل

1. التحكم الدقيق في درجة حرارة الليزر

• المتطلبات الأساسية: جميع ليزرات أشباه الموصلات (LDS)، ومصادر ضخ ليزر الألياف، وبلورات ليزر الحالة الصلبة حساسة للغاية لدرجة الحرارة. يمكن أن تؤدي تغيرات درجة الحرارة إلى:

• انحراف الطول الموجي: يؤثر على دقة الطول الموجي للاتصالات (كما هو الحال في أنظمة DWDM) أو استقرار معالجة المواد.

• تقلبات طاقة الخرج: تقلل من اتساق خرج النظام.

• تغير تيار العتبة: يقلل من الكفاءة ويزيد من استهلاك الطاقة.

• قصر العمر الافتراضي: تعمل درجات الحرارة المرتفعة على تسريع شيخوخة الأجهزة.

• وظيفة وحدة التبريد الكهروحراري: من خلال نظام تحكم حراري مغلق (مستشعر حرارة + وحدة تحكم + وحدة تبريد كهروحراري)، يتم تثبيت درجة حرارة تشغيل شريحة أو وحدة الليزر عند النقطة المثلى (عادةً 25 درجة مئوية ± 0.1 درجة مئوية أو بدقة أعلى)، مما يضمن استقرار الطول الموجي، وثبات خرج الطاقة، وأقصى كفاءة، وعمرًا أطول. وهذا هو الضمان الأساسي لمجالات مثل الاتصالات الضوئية، ومعالجة الليزر، والليزر الطبي.

2. تبريد أجهزة الكشف الضوئي/أجهزة الكشف بالأشعة تحت الحمراء

• المتطلبات الأساسية:

• تقليل التيار المظلم: تتميز مصفوفات المستوى البؤري للأشعة تحت الحمراء (IRFPA) مثل الثنائيات الضوئية (خاصة كاشفات InGaAs المستخدمة في الاتصالات القريبة من الأشعة تحت الحمراء)، والثنائيات الضوئية الانهيارية (APD)، وتيلوريد الزئبق والكادميوم (HgCdTe) بتيارات مظلمة كبيرة نسبيًا في درجة حرارة الغرفة، مما يقلل بشكل كبير من نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) وحساسية الكشف.

• قمع الضوضاء الحرارية: الضوضاء الحرارية للكاشف نفسه هي العامل الرئيسي الذي يحد من حد الكشف (مثل إشارات الضوء الضعيفة والتصوير عن بعد).

• وحدة التبريد الكهروحراري، وحدة بلتييه (عنصر بلتييه): تعمل على تبريد شريحة الكاشف أو العبوة بأكملها إلى درجات حرارة أقل من درجة حرارة المحيط (مثل -40 درجة مئوية أو حتى أقل). يقلل ذلك بشكل كبير من التيار المظلم والضوضاء الحرارية، ويحسن بشكل ملحوظ حساسية الجهاز ومعدل الكشف وجودة التصوير. يُعد هذا الأمر بالغ الأهمية لأجهزة التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء عالية الأداء، وأجهزة الرؤية الليلية، وأجهزة قياس الطيف، وكواشف الفوتونات المفردة في الاتصالات الكمومية.

3. التحكم في درجة حرارة الأنظمة والمكونات البصرية الدقيقة

• المتطلبات الأساسية: تتأثر المكونات الرئيسية في المنصة البصرية (مثل محززات براغ الليفية، والمرشحات، ومقاييس التداخل، ومجموعات العدسات، ومستشعرات CCD/CMOS) بالتمدد الحراري ومعاملات درجة حرارة معامل الانكسار. يمكن أن تؤدي التغيرات في درجة الحرارة إلى تغييرات في طول المسار البصري، وانحراف البعد البؤري، وانزياح الطول الموجي في مركز المرشح، مما يؤدي إلى تدهور أداء النظام (مثل تشويش الصورة، وعدم دقة المسار البصري، وأخطاء القياس).

• وحدة التبريد الكهروحرارية (TEC) الوظيفة:

• التحكم النشط في درجة الحرارة: يتم تثبيت المكونات البصرية الرئيسية على ركيزة ذات موصلية حرارية عالية، ووحدة TEC (مبرد بلتيير، جهاز بلتيير)، يقوم الجهاز الكهروحراري بالتحكم بدقة في درجة الحرارة (الحفاظ على درجة حرارة ثابتة أو منحنى درجة حرارة محدد).

• تجانس درجة الحرارة: القضاء على تدرج فرق درجة الحرارة داخل المعدات أو بين المكونات لضمان الاستقرار الحراري للنظام.

• مقاومة التقلبات البيئية: تعويض تأثير تغيرات درجة الحرارة الخارجية على المسار البصري الداخلي الدقيق. يُستخدم على نطاق واسع في أجهزة قياس الطيف عالية الدقة، والتلسكوبات الفلكية، وآلات الطباعة الضوئية، والمجاهر المتطورة، وأنظمة استشعار الألياف الضوئية، وغيرها.

4. تحسين أداء مصابيح LED وإطالة عمرها الافتراضي

• المتطلبات الأساسية: تُولّد مصابيح LED عالية الطاقة (خاصةً المستخدمة في العرض الضوئي والإضاءة ومعالجة الأشعة فوق البنفسجية) حرارةً كبيرةً أثناء التشغيل. وستؤدي زيادة درجة حرارة الوصلة إلى ما يلي:

• انخفاض كفاءة الإضاءة: انخفضت كفاءة التحويل الكهروضوئي.

• انزياح الطول الموجي: يؤثر على اتساق اللون (مثل إسقاط RGB).

• انخفاض حاد في العمر الافتراضي: درجة حرارة الوصلة هي العامل الأكثر أهمية الذي يؤثر على العمر الافتراضي لمصابيح LED (وفقًا لنموذج أرهينيوس).

• وحدات التبريد الكهروحرارية (TEC): بالنسبة لتطبيقات LED ذات الطاقة العالية للغاية أو متطلبات التحكم الصارمة في درجة الحرارة (مثل بعض مصادر ضوء الإسقاط ومصادر الضوء ذات الدرجة العلمية)، يمكن لوحدة التبريد الكهروحرارية، أو جهاز بلتييه، أو عنصر بلتييه، توفير قدرات تبريد نشطة أكثر قوة ودقة من المشتتات الحرارية التقليدية، مما يحافظ على درجة حرارة وصلة LED ضمن نطاق آمن وفعال، ويحافظ على إخراج سطوع عالٍ، وطيف مستقر، وعمر افتراضي طويل للغاية.

ثانيًا: شرح مفصل للمزايا التي لا غنى عنها لوحدات التبريد الكهروحرارية (وحدات التبريد الكهروحرارية) في تطبيقات الإلكترونيات الضوئية

1. القدرة على التحكم الدقيق في درجة الحرارة: يمكنها تحقيق تحكم مستقر في درجة الحرارة بدقة ±0.01 درجة مئوية أو حتى أعلى من ذلك، مما يتجاوز بكثير طرق تبديد الحرارة السلبية أو النشطة مثل التبريد بالهواء والتبريد السائل، ويلبي متطلبات التحكم الصارمة في درجة الحرارة للأجهزة الإلكترونية الضوئية.

2. لا أجزاء متحركة ولا مادة تبريد: تشغيل الحالة الصلبة، لا يوجد تداخل اهتزاز الضاغط أو المروحة، لا يوجد خطر تسرب مادة التبريد، موثوقية عالية للغاية، لا يحتاج إلى صيانة، مناسب للبيئات الخاصة مثل الفراغ والفضاء.

3. استجابة سريعة وقابلية عكسية: بتغيير اتجاه التيار، يمكن التبديل بين وضع التبريد والتدفئة فورًا، بسرعة استجابة فائقة (بالمللي ثانية). وهو مناسب بشكل خاص للتعامل مع الأحمال الحرارية العابرة أو التطبيقات التي تتطلب دورات حرارية دقيقة (مثل اختبار الأجهزة).

4. التصغير والمرونة: هيكل مضغوط (سمك بمستوى المليمتر)، وكثافة طاقة عالية، ويمكن دمجه بمرونة في تغليف على مستوى الشريحة أو مستوى الوحدة أو مستوى النظام، مما يجعله يتكيف مع تصميم مختلف المنتجات الكهروضوئية ذات المساحة المحدودة.

5. التحكم الدقيق في درجة الحرارة محليًا: يمكنه تبريد أو تسخين النقاط الساخنة المحددة بدقة دون تبريد النظام بأكمله، مما يؤدي إلى نسبة كفاءة طاقة أعلى وتصميم نظام أكثر بساطة.

ثالثاً: حالات التطبيق واتجاهات التطوير

• الوحدات البصرية: وحدة التبريد الكهروحرارية الدقيقة (وحدة التبريد الكهروحرارية الدقيقة، وحدة التبريد الكهروحرارية) تُستخدم بشكل شائع في وحدات بصرية قابلة للطي ذات معدل 10G/25G/100G/400G ومعدلات أعلى (SFP+، QSFP-DD، OSFP) لضمان جودة نمط العين ومعدل خطأ البت أثناء الإرسال لمسافات طويلة.

• LiDAR: تتطلب مصادر ضوء الليزر ذات الانبعاث الحافي أو VCSEL في LiDAR للسيارات والصناعة وحدات التبريد الكهروحرارية، والمبردات الكهروحرارية، ووحدات بلتيير لضمان استقرار النبض ودقة تحديد المدى، خاصة في السيناريوهات التي تتطلب الكشف عن مسافات طويلة وبدقة عالية.

• جهاز التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء: يتم تثبيت مصفوفة المستوى البؤري للميكروراديومي غير المبرد عالي الجودة (UFPA) عند درجة حرارة التشغيل (عادةً ~32 درجة مئوية) من خلال مرحلة واحدة أو عدة مراحل من وحدة التبريد الكهروحرارية TEC، مما يقلل من ضوضاء انحراف درجة الحرارة؛ تتطلب كاشفات الأشعة تحت الحمراء متوسطة الموجة/طويلة الموجة المبردة (MCT، InSb) تبريدًا عميقًا (يتم تحقيق -196 درجة مئوية بواسطة ثلاجات ستيرلينغ، ولكن في التطبيقات المصغرة، يمكن استخدام وحدة التبريد الكهروحرارية TEC أو وحدة بلتييه للتبريد المسبق أو التحكم الثانوي في درجة الحرارة).

• الكشف عن التألق البيولوجي / مطياف رامان: يعمل تبريد كاميرا CCD / CMOS أو أنبوب المضاعف الضوئي (PMT) على تحسين حد الكشف وجودة التصوير لإشارات التألق / رامان الضعيفة بشكل كبير.

• التجارب البصرية الكمومية: توفير بيئة منخفضة الحرارة لكاشفات الفوتون الواحد (مثل كاشف الفوتون الواحد فائق التوصيل النانوي SNSPD، الذي يتطلب درجات حرارة منخفضة للغاية، ولكن يتم تبريد كاشف الفوتون الواحد Si/InGaAs APD بشكل شائع بواسطة وحدة التبريد الكهروحرارية، ووحدة التبريد الكهروحرارية، ووحدة التبريد الكهروحرارية) وبعض مصادر الضوء الكمومي.

• اتجاه التطوير: البحث والتطوير لوحدة التبريد الكهروحرارية، والجهاز الكهروحراري، ووحدة التبريد الكهروحرارية ذات الكفاءة العالية (زيادة قيمة ZT)، والتكلفة المنخفضة، والحجم الأصغر، وقدرة التبريد الأقوى؛ التكامل بشكل أوثق مع تقنيات التغليف المتقدمة (مثل الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد، والبصريات المعبأة بشكل مشترك)؛ تعمل خوارزميات التحكم الذكية في درجة الحرارة على تحسين كفاءة الطاقة.

أصبحت وحدات التبريد الكهروحرارية، أو المبردات الكهروحرارية، أو الوحدات الكهروحرارية، أو عناصر بلتييه، أو أجهزة بلتييه، مكونات أساسية لإدارة الحرارة في المنتجات الإلكترونية الضوئية الحديثة عالية الأداء. يساهم التحكم الدقيق في درجة الحرارة، والموثوقية العالية، والاستجابة السريعة، وصغر الحجم والمرونة، في معالجة التحديات الرئيسية بفعالية، مثل استقرار أطوال موجات الليزر، وتحسين حساسية الكاشف، وكبح الانحراف الحراري في الأنظمة البصرية، والحفاظ على أداء مصابيح LED عالية الطاقة. ومع تطور تكنولوجيا الإلكترونيات الضوئية نحو أداء أعلى، وحجم أصغر، وتطبيقات أوسع، ستستمر وحدات التبريد الكهروحرارية، أو مبردات بلتييه، أو وحدات بلتييه، في لعب دور لا غنى عنه، كما أن تقنيتها نفسها تشهد ابتكارات مستمرة لتلبية المتطلبات المتزايدة.