1. Pozadina
Fiber Laser je laser koji koristi stakleno vlakno dopirano rijetkim zemnim elementima kao medij za pojačanje, koji ima omjer površine/zapremine više od 1000 puta veći od tradicionalnog lasera sa čvrstim blokovima, s dobrim performansama odvođenja topline. Za sto vati lasera s vlaknima, prirodno odvođenje topline može zadovoljiti zahtjeve za rasipanje topline. Međutim, sa brzim razvojem fiber lasera, njihova izlazna snaga raste iz godine u godinu, čak dostižući skalu kilovata, zbog niza razloga, kao što je kvantni gubitak, vlakno će proizvesti ozbiljne termičke efekte. Toplotna difuzija materijala matriksa uzrokuje promjene naprezanja i indeksa prelamanja, nizak indeks loma polimerizacionog sloja je sklon termičkom oštećenju, što može ozbiljno dovesti do termičkog ispuhivanja vlakana; uz kontinuiranu akumulaciju topline, dopirana temperatura jezgre će se povećati, broj čestica na nivou laserske subenergije se povećava što dovodi do povećanja snage praga i smanjuje se efikasnost nagiba lasera, dok će smanjenje kvantne efikasnosti uzrokovati promjene izlazne valne dužine . Kako bi se dodatno poboljšala izlazna snaga lasera, laser sa vlaknima će izdržati ubrizgavanje svjetlosti pumpe veće snage i gustinu energije izlazne signalne svjetlosti, a rješavanje njegovih termičkih efekata predstavlja ozbiljan izazov sa kojim se suočava sistem laserskog lasera velike snage.
2. Izvor toplotnih efekata u fiber laseru
2.1 Efekat kvantnog gubitka
Efekat kvantnog gubitka je glavni izvor toplote u području jezgre vlakna, a takođe je izvor inherentne toplote. Zbog inherentne razlike između talasne dužine pumpe i talasne dužine signala, svi laserski sistemi sa vlaknima su praćeni određenim procentom kvantnog gubitka. Uzimajući za primjer talasnu dužinu laserskog izlaza od 1080 nm, udio kvantnog gubitka na talasnoj dužini pumpe od 915 nm je oko 15,3 posto.
2.2 Višestruki gubici
Prevlake od vlakana iznad kritične temperature od 80 stepeni će izazvati denaturaciju materijala ili površinsko habanje i druge pojave. U kontinualnom radu lasera s vlaknima velike snage, premazi vlakana će vrlo vjerovatno premašiti granicu toplinskih opterećenja koja se mogu tolerirati, što rezultira curenjem svjetla obloge i na kraju može uzrokovati cjelokupno izgaranje lasera.
Tačka fuzije vlakna ima ozbiljniji termički učinak, uglavnom s dva aspekta: 1) materijal vlakana i materijala za ponovno premazivanje apsorpcijom svjetlosne konverzije će proizvesti toplinu, u kratkom rasponu dužine, gotovo potpuno prozirni sloj ponovnog premaza na apsorpciju svjetlosti je vrlo malo, ali njegova površina će proizvesti neke mikro šupljine, zrak je loš provodnik topline, prisutnost šupljina čini da toplinski otpor postaje veći, tako da je lako proizvesti toplinsko taloženje na tački spajanja. Stoga je tačka fuzije sklon je termičkom taloženju, što rezultira znatno višim temperaturama; 2) parametri fuzije nisu prikladni ili se dva dijela strukturnih parametara optičkog vlakna ne poklapaju, što će dovesti do gubitka fuzije, prisustvo toplinskog otpora uzrokuje porast temperature na tački spajanja. Povećanje temperature uzrokuje termičko oštećenje optičkog vlakna, a istovremeno ima i veći utjecaj na numerički otvor optičkog vlakna, a promjena numeričkog otvora značajno utiče na vođenje svjetlosti.
2.3. Spontani efekat zračenja
U MOPA strukturi, kada je signalno svjetlo slabo, velika količina ubrizgavanja svjetlosti pumpe može dovesti do povećanja vjerovatnoće spontanog zračenja vlakana (ASE). Velika količina nasumične spontane radijacijske svjetlosti curi iz jezgre u staklenu oblogu kao i premaz od vlakana i pregrijava i sagorijeva organski premaz. Osim toga, generiranje ASE također povećava kvantni gubitak, što dovodi do povećanog zagrijavanja u području jezgre vlakna.
2.4 Efekat stimulisanog Ramanovog rasejanja
Sa pojavom lasera sa vlaknima ultra velike snage, gustina snage lasera u području jezgre postepeno se povećava, a stimulisani efekat Ramanovog rasejanja (SRS) postepeno postaje glavni ograničavajući faktor za povećanje snage. Tokom rada velike snage, kada optička snaga laserskog signala dostigne granično stanje SRS, signalni laser pobuđuje i pumpa Ramanovu svjetlost nižom frekvencijom, što rezultira procesom pojačanja Ramanovog svjetla. Istovremeno, zajedno sa kvantnim gubitkom, SRS će pogoršati problem zagrevanja u oblasti jezgra vlakna.
3. Rješenje termičkog efekta
Toplotni efekat fiber lasera ima nezanemarljiv uticaj na vlakno i izlazne karakteristike, pa je od velikog značaja smanjenje negativnog uticaja toplotnog efekta. Suzbijanje termičkog efekta uglavnom se fokusira na sljedeća tri aspekta:
1) Razuman izbor parametara vlakana prema modelu temperaturne teorije vlakna;
2) Razuman izbor pumpne strukture i režima pumpanja pogoduje ostvarivanju ujednačene raspodele temperature i smanjenju toplotnog efekta;
3) Odabir efikasne sheme eksterne disipacije topline može u velikoj mjeri smanjiti negativan uticaj toplotnih efekata.
3.1 Optimizacija parametara vlakana
Glavni faktori koji utiču na raspodelu temperature optičkog vlakna su toplotna provodljivost jezgre i unutrašnje i spoljašnje obloge, radijalna veličina, koeficijent apsorpcije i dužina optičkog vlakna. Razuman izbor parametara vlakana može efikasno kontrolisati distribuciju toplote vlakna kako bi se osigurao normalan i stabilan rad vlakana.
Veća veličina jezgre može smanjiti temperaturu jezgre, ali prevelika će utjecati na kvalitetu zraka. Sloj premaza kao krajnji medij za provođenje topline vlakana, njegova debljina ima veliki utjecaj na radnu temperaturu vlakna. Teoretski, temperaturna razlika između unutrašnje i vanjske površine sloja premaza i debljine je u pozitivnoj korelaciji, što je sloj premaza tanji, manji je otpor vodljivosti topline, to je manja temperaturna razlika između unutrašnje i vanjske površine cijelog sloja. sloj premaza, to je veća snaga koju sistem može izdržati. Međutim, zbog utjecaja konvektivnog prijenosa topline na površinu optičkog vlakna, i sloj premaza ima ulogu zaštite optičkog vlakna, te je stoga potrebno razumno odabrati debljinu sloja premaza.
Kada se vlakno hladi na zraku, odnos između otpora toplinske provodljivosti Rcond, otpora toplinske konvekcije Rconv i ukupnog toplinskog otpora Rtot i debljine sloja premaza prikazan je na slici 2(a). Debljina sloja premaza je u pozitivnoj korelaciji sa Rcond i negativnom sa Rconv, tako da je potrebno razumno odabrati debljinu sloja premaza kako bi se osigurala niska ukupna toplinska otpornost. Odnos između dužine vlakna i koeficijenta apsorpcije i temperature prikazan je na slici 2(b), smanjenjem koeficijenta apsorpcije vlakna, apsorpcija snage pumpanja može se efikasno smanjiti, smanjenje apsorpcije snage pumpanja znači smanjenje toplotne taloženje, što smanjuje temperaturu vlakna, ali da bi se postigao isti učinak potrebno je povećati dužinu vlakna, Wang et al. proučavao je ukupnu snagu pumpanja od 1000 W, snagu pumpe sa dva kraja od 500 W, upotreba 0,25 dpi se koristi za postizanje istog izlaza. Wang et al. pokazala je da je ukupna snaga pumpe 1000 W, a snaga pumpe na dva kraja 500 W. Izlazna snaga je bila 630 W sa vlaknom dužine 60 m sa koeficijentom apsorpcije 0,25 dB i 725 W sa vlaknom dužine 20 m od 1,0 dB, ali maksimalna temperatura potonjeg vlakna bila je viša od one prvog vlakna za oko 200 stepeni. Maksimalna temperatura potonjeg vlakna bila je viša od one prvog vlakna. Kako je kraj pumpe snage pumpanja najjači, iako smanjenje koeficijenta apsorpcije vlakna može učinkovito smanjiti apsorpciju snage pumpanja, ali pod pretpostavkom uzimanja u obzir efikasnosti apsorpcije pumpanja, laser ako je potpuno nizak -dopirana, niskoapsorpciona vlakna, potreba za povećanjem dužine vlakna, što zauzvrat dovodi do pojave drugih problema kao što su nelinearni efekat kao i pad izlazne efikasnosti itd.
3.2 Izbor metode pumpanja
Raspodjela je prikazana na slici 3. Slika 3 (e) prikazuje neujednačeni koeficijent srednjih dijelova koeficijenta apsorpcije vlakana veći od dvije strane, kako bi se osiguralo da je raspodjela temperature u osnovi ujednačena, izlazna snaga je isto kao na slici 3 (d) kada je potrebno vlakno skraćeno za više od 20m; Slika 3 (f) će pumpati snagu u sedam segmenata, distribucija temperature je ujednačenija, a temperatura se može kontrolisati u vrlo idealnom rasponu. Metoda pumpanja je od velikog značaja za fiber lasere. 2011. Univerzitet Jena izgradio je kilovatni laser sa bočnim pumpanjem koristeći distribuirano bočno pumpanje vlakana, 2014. SPI je lansirao proizvode laserskog lasera s bočnim pumpanjem kilovata, 2015., Kina je izvijestila da Nacionalni univerzitet za odbrambenu tehnologiju i Dvadeset treći istraživački institut iz China Electronics Technology Group zajednički su razvili distribuirano bočno spojeno pumpno vlakno i izgradili distribuirani laser sa bočnim spojevima sa vlaknom za pumpanje omotača. obloga pumpa vlakana, i izgradio potpuno lokalizirani laser s vlaknima, postižući izlaznu snagu kilovata. Upotreba višesegmentne neujednačene pumpne strukture ili raspoređene bočne pumpne strukture može osigurati da je temperatura vlakna ujednačena, smanjiti utjecaj toplinskih efekata i efektivno skratiti dužinu vlakna. Međutim, distribuirano bočno povlačenje vlakana za pumpanje, smanjenje gubitka fuzionog spoja svakog dijela vlakna i poboljšanje efikasnosti su ključ tehnologije. Sa probojom i razvojem ključnih tehnologija kao što su dizajn vlakana, povlačenje i spajanje fuzije, više metoda pumpanja će se primjenjivati u razvoju vlaknastih lasera velike snage, koji se mogu kombinirati s učinkovitom tehnologijom vanjske disipacije topline kako bi se učinkovito spriječilo stvaranje termičke efekte u vlaknu i postizanje stabilnog izlaza lasera veće snage.
3.3 Dizajn disipacije topline
Toplotna provodljivost, toplotna konvekcija i toplotno zračenje su tri glavna načina prenosa toplote, pošto je koeficijent toplotnog zračenja mali, njegov uticaj se generalno može zanemariti, kondukcija i konvekcija su dominantne metode odvođenja toplote. Za vlaknasti laser manje snage, obično se uzima u obzir samo prirodna konvekcijska disipacija vlakana, toplinsko zračenje ima manji utjecaj, može se smatrati na odgovarajući način.
Konvekcijski prijenos topline uglavnom uključuje prirodni konvekcijski prijenos topline i prijenos topline prisilnom konvekcijom. Odlučujući faktor konvektivne disipacije topline je veličina koeficijenta konvektivnog prijenosa topline. Koeficijent konvektivnog prijenosa topline h povezan je sa svojstvima fluida, brzinom protoka i površinom konvekcije. Kao što je prikazano u tablici 1, pod istim uvjetima, koeficijent prijenosa topline prisilne konvekcije veći je od koeficijenta prijenosa topline prirodne konvekcije, koeficijent prijenosa topline konvekcijom vode je nekoliko puta veći od koeficijenta prijenosa topline konvekcijom zraka. Što je veći koeficijent konvektivnog prijenosa topline, to je bolje odvođenje topline vlakna. Prirodna konvekcijska disipacija topline općenito se koristi u laserima s vlaknima manje snage.
Kada laser sa vlaknima proizvodi stotine vati ili kilovata snage, teško je ispuniti zahtjeve za disipacijom topline čistim konvekcijskim hlađenjem i potrebno je odabrati specifičnu metodu provođenja topline za prevođenje topline od vlakna do određenog hladnjaka. , a zatim izvršiti efikasnu provodljivost toplote ili konvekcijsku difuziju kroz hladnjak. Kontaktni oblik ili površina za obradu optičkog vlakna i hladnjaka ne uklapaju se savršeno, kao što je prikazano na slici 4, a na kontaktnoj sučelji postoje šupljine koje će ometati provodljivost topline. Glavni faktor koji utiče na toplotnu provodljivost između optičkog vlakna i hladnjaka je toplotni otpor, koji je mera nivoa toplotne provodljivosti između interfejsa razmene toplote.
Teorijski model toplotnog otpora između optičkog vlakna i hladnjaka može se pojednostaviti kao
Gdje je Ts temperatura površine vlakna, T∞ je temperatura hladnjaka, q″ je toplinski tok (W/m2), što je omjer toplinskog opterećenja q′ (W/m) i perimetra, Rcontact je otpor toplotnog kontakta, Rcond je toplotni otpor sloja zazora, L je debljina sloja zazora, k je toplotna provodljivost materijala za punjenje u zazoru, a A je površina toplotnog fluksa koji prolazi kroz . Uzimajući gornji model, može se vidjeti da osiguravanje manjeg toplinskog otpora može smanjiti temperaturu optičkog vlakna. Pošto vazduh na dva kontaktna interfejsa ima veoma nisku toplotnu provodljivost (kair=0.026 W/mK), toplotni otpor se može efikasno smanjiti punjenjem materijala termičkog interfejsa (TIM) sa visokom toplotnom provodljivošću, dok je debljina sloja zazora L što manja.
Pored smanjenja debljine otvora i povećanja toplotne provodljivosti, temperatura površine vlakana može se smanjiti kontrolom oblika hladnjaka. Uobičajene pravougaone, V-oblike i U-oblike zarezne strukture hladnjaka prikazane su na Sl. 5. Procijenjena je toplinska otpornost tri različite strukture žljebova za tačku topljenja prevučenog vlakna, a uz ostale konzistentne parametre, U-oblika žljeb s najkraćim obodom ima najmanji termički otpor i bolji učinak hlađenja, dok žljeb u obliku slova V sa najdužim perimetrom ima najveći toplinski otpor i lošiji učinak hlađenja, a razlika nije očigledna u praktičnim primjenama, a U-tip i V-tip strukture se češće koriste, a efekat disipacije toplote je očigledno superiorniji od čisto planarnih hladnjaka.
Kada laser sa vlaknima radi pri maloj snazi, može se hladiti zrakom pomoću poluvodičkog modula za hlađenje (TEC) i hladnjaka, a kada laser s vlaknima radi pri većoj snazi, može se hladiti vodom kako bi se osigurao stabilan rad temperatura.Li et al. primijenio TEC na vanjsko hlađenje EYDFL-a i koristio dvostruku pumpnu strukturu za primjenu TEC-a na periferni aluminijski hladnjak za prvih 10,2 cm vlakna pod velikom snagom, a žljeb u obliku slova U je prikazan na sl. 12(a). Utor u obliku slova U prikazan je na slici 12(a). Plava kriva na slici 6(b) ukazuje na raspodjelu temperature vlakana u kontaktu sa hladnjakom, a crvena kriva je teoretska raspodjela temperature vlakna, a korištenje TEC-a i hladnjaka efektivno smanjuje temperaturu vlakno.
Za laser s vlaknima velike snage, veliki broj istraživanja usvojio je ciljani tretman rasipanje topline kako bi se dobila visoka izlazna snaga iznad nivoa kilovata bez nelinearnog efekta i fenomena termičkog oštećenja, a dobra tehnologija upravljanja toplinom osigurava stabilan rad fiber lasera. U istraživanju se odvođenje topline vlakana uglavnom vrši ravnim namotajem i namotajem cilindra, korištenjem metalnih hladnjaka s ugraviranim žljebovima tipa U ili V, a kontaktni razmak između vlakna i žljebova je ispunjen toplinski vodljivim silikonom. mast (toplotna provodljivost je uglavnom veća od 2 W/mK) za odvođenje toplote vodenim hlađenjem, a njena struktura je prikazana na slici 7.
S razvojem tehnologije upravljanja toplinom lasera s vlaknima velike snage, poluvodičkog pumpanja, spajanja vlakana i optičkog filtriranja obloge i drugih ključnih tehnologija, toplinski učinak kao jedno od uskih grla u povećanju snage bit će dobro kontroliran, a snaga lasera s vlaknima nastaviće da se poboljšava. U isto vrijeme, efikasna tehnologija upravljanja toplinom također može promovirati razvoj tehnologije integriranog pakiranja sa laserskim vlaknima, tako da se laser s vlaknima velike snage može primijeniti u širem rasponu okruženja.
