1. Pozadina
Fiber Laser je laser koji koristi stakleno vlakno dopirano rijetkim zemnim elementima kao medij za pojačanje, koji ima omjer površine/volumena više od 1000 puta veći od tradicionalnog čvrstog blok lasera, s dobrim performansama rasipanja topline. Za sto vata vlaknastog lasera, prirodno rasipanje topline može zadovoljiti zahtjeve za rasipanje topline. Međutim, s brzim razvojem fiber lasera, njihova izlazna snaga raste iz godine u godinu, čak dostižući kilovatnu ljestvicu, zbog niza razloga, kao što je kvantni gubitak, vlakno će proizvesti ozbiljne toplinske učinke. Toplinska difuzija materijala matrice uzrokuje naprezanje i promjene indeksa loma, nizak indeks loma polimerizacijskog sloja sklon je toplinskom oštećenju, što može ozbiljno dovesti do pucanja toplinskog vlakna; s kontinuiranom akumulacijom topline, dopirana temperatura jezgre će se povećati, broj čestica u laserskoj podenergetskoj razini se povećava što dovodi do povećanja praga snage i učinkovitosti nagiba lasera se smanjuje, dok će smanjenje kvantne učinkovitosti uzrokovati promjene izlazne valne duljine . Kako bi se dodatno povećala izlazna snaga lasera, fiber laser će izdržati ubrizgavanje svjetla pumpe veće snage i gustoću energije izlaznog svjetla signala, rješavanje njegovih toplinskih učinaka ozbiljan je izazov s kojim se suočava sustav fiber lasera velike snage.
2. Izvor toplinskih učinaka u fiber laseru
2.1 Učinak kvantnog gubitka
Učinak kvantnog gubitka glavni je izvor topline u području jezgre vlakna također je izvor inherentne topline. Zbog inherentne razlike između valne duljine pumpe i valne duljine signala, svi sustavi fiber lasera popraćeni su određenim postotkom kvantnog gubitka. Uzimajući za primjer izlaznu valnu duljinu lasera od 1080 nm, udio kvantnog gubitka na valnoj duljini pumpe od 915 nm je oko 15,3 posto.
2.2 Višestruki gubici
Vlaknaste prevlake iznad kritične temperature od 80 stupnjeva proizvest će denaturaciju materijala ili oštećenje površine i druge pojave. U kontinuiranom radu lasera s vlaknima velike snage, vrlo je vjerojatno da će prevlake vlakana premašiti granicu toplinskih opterećenja koja se mogu tolerirati, što će rezultirati curenjem svjetla na plaštanju, i na kraju može uzrokovati sveukupno sagorijevanje lasera.
Točka spajanja vlakna ima ozbiljniji toplinski učinak, uglavnom iz dva aspekta: 1) materijal vlakna i materijal za ponovno premazivanje apsorpcijom svjetlosti će proizvesti toplinu, u kratkom rasponu duljine, gotovo potpuno proziran sloj ponovnog premaza na apsorpciju svjetlosti je vrlo malo, ali će njegova površina proizvesti neke mikro-šupljine, zrak je loš vodič topline, prisutnost šupljina čini da toplinski otpor postaje veći, tako da je lako proizvesti toplinsko taloženje na točki fuzije. Stoga, točka fuzije sklon je toplinskom taloženju, što rezultira znatno višim temperaturama; 2) parametri fuzije nisu prikladni ili se dva dijela strukturnih parametara optičkog vlakna ne podudaraju, što će dovesti do gubitka fuzije, prisutnost toplinskog otpora uzrokuje porast temperature na točki fuzije. Povećanje temperature uzrokuje toplinsko oštećenje optičkog vlakna, a ujedno ima veći utjecaj na numeričku aperturu optičkog vlakna, a promjena numeričke aperture značajno utječe na vođenje svjetla.
2.3 Spontani učinak zračenja
U MOPA strukturi, kada je svjetlosni signal slab, velika količina ubrizgane svjetlosti pumpe može dovesti do povećanja vjerojatnosti spontanog zračenja vlakana (ASE). Velika količina nasumičnog spontanog zračenja svjetlosti curi iz jezgre u staklenu oblogu kao i u omotač vlakana te pregrijava i spaljuje organski premaz. Uz to, stvaranje ASE također povećava kvantni gubitak, što dovodi do povećanog zagrijavanja u području jezgre vlakna.
2.4 Učinak stimuliranog Ramanovog raspršenja
S pojavom vlaknastih lasera ultra-visoke snage, gustoća snage lasera u području jezgre postupno raste, a stimulirani Ramanov efekt raspršenja (SRS) postupno postaje glavni ograničavajući faktor za povećanje snage. Tijekom rada velike snage, kada optička snaga laserskog signala dosegne stanje praga SRS-a, signalni laser pobuđuje i pumpa Raman svjetlo s nižom frekvencijom, što rezultira procesom pojačanja Raman svjetla. U isto vrijeme, zajedno s kvantnim gubitkom, SRS će pogoršati problem zagrijavanja u području jezgre vlakna.
3. Rješenje toplinskog učinka
Toplinski učinak fiber lasera ima nezanemariv utjecaj na vlakno i izlazne karakteristike, stoga je od velike važnosti smanjiti negativan utjecaj toplinskog učinka. Suzbijanje toplinskog učinka uglavnom se usredotočuje na sljedeća tri aspekta:
1) Razuman odabir parametara vlakana prema modelu teorije temperature vlakna;
2) Razuman odabir strukture crpljenja i načina crpljenja doprinosi ostvarenju ravnomjerne raspodjele temperature i smanjenju toplinskog učinka;
3) Odabir učinkovite sheme vanjske disipacije topline može uvelike smanjiti negativan utjecaj toplinskih učinaka.
3.1 Optimizacija parametara vlakana
Glavni čimbenici koji utječu na raspodjelu temperature optičkog vlakna su toplinska vodljivost jezgre te unutarnje i vanjske obloge, radijalna veličina, koeficijent apsorpcije i duljina optičkog vlakna. Razuman odabir parametara vlakana može učinkovito kontrolirati raspodjelu topline vlakana kako bi se osigurao normalan i stabilan rad vlakana.
Veća veličina jezgre može smanjiti temperaturu jezgre, ali prevelika će utjecati na kvalitetu snopa. Sloj premaza kao najudaljeniji medij za provođenje topline vlakana, njegova debljina ima veliki utjecaj na radnu temperaturu vlakana. Teoretski, temperaturna razlika između unutarnje i vanjske površine sloja prevlake i debljine su u pozitivnoj korelaciji, što je tanji sloj prevlake, manji je otpor provođenju topline, manja je temperaturna razlika između unutarnje i vanjske površine cijelog sloja premaza, veća je snaga koju sustav može izdržati. Međutim, zbog utjecaja konvektivnog prijenosa topline na površini optičkog vlakna, i sloj prevlake ima ulogu zaštite optičkog vlakna, te je stoga potrebno razumno odabrati debljinu sloja prevlake.
Kada se vlakno ohladi na zraku, odnos između otpora toplinske vodljivosti Rcond, otpora toplinske konvekcije Rconv i ukupnog toplinskog otpora Rtot i debljine sloja premaza prikazan je na slici 2(a). Debljina sloja prevlake je u pozitivnoj korelaciji s Rcond i u negativnoj korelaciji s Rconv, stoga je potrebno razumno odabrati debljinu sloja prevlake kako bi se osigurala niska ukupna toplinska otpornost. Odnos između duljine vlakna i koeficijenta apsorpcije i temperature prikazan je na slici 2(b), smanjenjem koeficijenta apsorpcije vlakna može se učinkovito smanjiti apsorpcija snage pumpanja, smanjenje apsorpcije snage pumpanja znači smanjenje toplinske energije. taloženje, koje smanjuje temperaturu vlakna, ali da bi se postigao isti izlaz potrebno je povećati duljinu vlakna, Wang et al. proučavao ukupnu snagu pumpanja od 1000 W, dvostruku snagu pumpanja od 500 W, korištenje 0,25 dpi koristi se za postizanje istog rezultata. Wang i sur. pokazalo je da je ukupna snaga pumpanja bila 1000 W, a snaga pumpanja s dva kraja bila je 500 W. Izlazna snaga bila je 630 W s vlaknom duljine 60 m s koeficijentom apsorpcije od 0,25 dB i 725 W s vlaknom duljine 20 m od 1,0 dB, ali maksimalna temperatura potonjeg vlakna bila je viša od one prethodnog vlakna za oko 200 stupnjeva. Maksimalna temperatura potonjeg vlakna bila je viša od one prethodnog vlakna. Budući da je kraj pumpanja snage pumpanja najjači, iako smanjenje koeficijenta apsorpcije vlakna može učinkovito smanjiti apsorpciju snage pumpanja, ali pod pretpostavkom uzimanja u obzir učinkovitosti apsorpcije pumpanja, laser ako je potpuno nizak -dopirana vlakna niske apsorpcije, potreba za povećanjem duljine vlakna, što zauzvrat dovodi do pojave drugih problema kao što je nelinearni učinak kao i pad izlazne učinkovitosti i tako dalje.
3.2 Odabir metode crpljenja
Distribucija je prikazana na slici 3. Slika 3 (e) prikazuje nejednolik koeficijent srednjih dijelova koeficijenta apsorpcije vlakana veći od dviju strana, kako bi se osiguralo da je raspodjela temperature u osnovi jednolika, izlazna snaga je isto kao na slici 3 (d) kada je potrebno vlakno skraćeno za više od 20 m; Na slici 3 (f) snaga će se pumpati u sedam segmenata, raspodjela temperature je jednoličnija, a temperatura se može kontrolirati u vrlo idealnom rasponu. Metoda pumpanja je od velike važnosti za fiber lasere. 2011. Sveučilište Jena izgradilo je vlaknasti laser s bočnim pumpanjem u kilovatnoj mjeri koristeći vlakna s distribuiranim bočnim pumpanjem, 2014. SPI je lansirao laserske proizvode s vlaknastim laserom s bočnim pumpanjem u razmjeru kilovata, 2015. Kina je izvijestila da su Nacionalno sveučilište za obrambenu tehnologiju i Dvadeset treći istraživački institut iz China Electronics Technology Group zajednički su razvili distribuirano bočno spregnuto vlakno za pumpanje omotača i izgradili distribuirani bočno spojeni vlaknasti laser s pumpnim vlaknom omotača. oblažući pumpna vlakna, i izgradili potpuno lokalizirani fiber laser, postižući izlaznu snagu kilovata. Korištenje višesegmentnog nejednolikog pumpanja ili distribuirane bočne strukture pumpanja može osigurati da je temperatura vlakna jednolika, smanjiti utjecaj toplinskih učinaka i učinkovito skratiti duljinu vlakna. Međutim, izvlačenje vlakana s raspodijeljenom bočnom pumpom, smanjenje gubitka fuzijske sprege svakog dijela vlakna i poboljšanje učinkovitosti ključni su za tehnologiju. S prodorom i razvojem ključnih tehnologija kao što su dizajn vlakana, izvlačenje i spajanje fuzijom, više metoda pumpanja primjenjivat će se u razvoju vlaknastih lasera velike snage, koji se mogu kombinirati s učinkovitom tehnologijom vanjske disipacije topline kako bi se učinkovito spriječilo stvaranje toplinske učinke u vlaknu i postići stabilan izlaz lasera veće snage.
3.3 Dizajn disipacije topline
Toplinska kondukcija, toplinska konvekcija i toplinsko zračenje tri su glavna načina prijenosa topline, budući da je koeficijent toplinskog zračenja mali, njegov se utjecaj općenito može zanemariti, kondukcija i konvekcija su dominantne metode disipacije topline. Za vlaknasti laser manje snage obično se uzima u obzir rasipanje topline prirodnom konvekcijom vlakana, toplinsko zračenje ima manji utjecaj, može se smatrati prikladnim.
Prijenos topline konvekcijom uglavnom uključuje prijenos topline prirodnom konvekcijom i prijenos topline prisilnom konvekcijom. Odlučujući čimbenik konvektivne disipacije topline je veličina koeficijenta konvektivnog prijenosa topline. Koeficijent konvektivnog protoka topline h povezan je sa svojstvima fluida, brzinom protoka i konvekcijskim područjem. 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 konvekcije vode je nekoliko puta veći od koeficijenta prijenosa topline konvekcije zraka. Što je veći koeficijent konvektivnog prijenosa topline, to je bolja disipacija topline vlakna. Disipacija topline prirodnom konvekcijom zraka općenito se koristi u vlaknastim laserima manje snage.
Kada vlaknasti laser daje stotine vata ili kilovata snage, teško je ispuniti zahtjeve za rasipanje topline čistim konvekcijskim hlađenjem, pa je potrebno odabrati specifičnu metodu provođenja topline za odvođenje topline od vlakana do određenog hladnjaka. , a zatim provesti učinkovito provođenje topline ili konvekcijsku difuziju kroz hladnjak. Kontaktni oblik ili površina za obradu optičkog vlakna i hladnjaka ne pristaju savršeno, kao što je prikazano na slici 4, a na kontaktnom sučelju postoje praznine koje će ometati provođenje topline. Glavni faktor koji utječe na toplinsku vodljivost između optičkog vlakna i hladnjaka je toplinski otpor, koji je mjera razine toplinske vodljivosti između sučelja za izmjenu topline.
Teorijski model toplinskog otpora između optičkog vlakna i hladnjaka može se pojednostaviti na sljedeći način
Gdje je Ts površinska temperatura vlakna, T∞ temperatura hladnjaka, q″ je toplinski tok (W/m2), što je omjer toplinskog opterećenja q′ (W/m) prema obodu, Rcontact je toplinski kontaktni otpor, Rcond je toplinski otpor sloja razmaka, L je debljina sloja razmaka, k je toplinska vodljivost materijala za punjenje u procjepu, a A je površina toplinskog toka koji prolazi kroz . Uzimajući gornji model, može se vidjeti da osiguravanje manjeg toplinskog otpora može smanjiti temperaturu optičkog vlakna. Budući da zrak na dva kontaktna sučelja ima vrlo nisku toplinsku vodljivost (kair=0.026 W/mK), toplinski otpor može se učinkovito smanjiti punjenjem materijala toplinskog sučelja (TIM) s visokom toplinskom vodljivošću, dok je debljina sloja raspora L što manja.
Osim smanjenja debljine razmaka i povećanja toplinske vodljivosti, površinska temperatura vlakana može se smanjiti kontrolom oblika hladnjaka. Uobičajene pravokutne, V-oblike i U-oblikovane strukture s urezima hladnjaka prikazane su na slici 5. Procijenjena je toplinska otpornost triju različitih žljebnih struktura za točku taljenja ponovno presvučenog vlakna, a s ostalim parametrima koji su dosljedni, U-oblik utor s najkraćim opsegom ima najmanji toplinski otpor i bolji učinak hlađenja, dok utor u obliku slova V s najdužim opsegom ima najveći toplinski otpor i lošiji učinak hlađenja, a razlika nije očita u praktičnim primjenama, a U-tip i strukture V-tipa koriste se češće, a učinak rasipanja topline očito je bolji u odnosu na čisto planarne hladnjake.
Kada vlaknasti laser radi pri maloj snazi, može se hladiti zrakom pomoću modula za hlađenje poluvodiča (TEC) i hladnjaka, a kada vlaknasti laser radi pri većoj snazi, može se hladiti vodom kako bi se osigurao stabilan rad temperatura.Li i sur. primijenio je TEC na vanjsko hlađenje EYDFL-a i upotrijebio pumpnu strukturu s dvostrukim krajem za primjenu TEC-a na periferni aluminijski hladnjak za prvo vlakno od 10,2 cm pri radu velike snage, a utor u obliku slova U prikazan je na slici 12(a). Utor u obliku slova U prikazan je na slici 12(a). Plava krivulja na slici 6(b) označava raspodjelu temperature vlakna u kontaktu s hladnjakom, a crvena krivulja je teorijska raspodjela temperature vlakna, a upotreba TEC-a i hladnjaka učinkovito smanjuje temperaturu vlakno.
Za vlaknasti laser velike snage veliki broj istraživanja usvojio je ciljani tretman rasipanja topline kako bi se dobila visoka izlazna snaga iznad razine kilovata bez nelinearnog učinka i fenomena toplinskog oštećenja, a dobra tehnologija upravljanja toplinom osigurava stabilan rad optičkog lasera. U studiji se raspršivanje topline vlakana uglavnom provodi ravnim namotavanjem i cilindričnim namotavanjem, pomoću metalnih hladnjaka s ugraviranim utorima tipa U ili V, a kontaktni razmak između vlakana i utora ispunjen je toplinski provodljivim silikonom mast (toplinska vodljivost je općenito veća od 2 W/mK) za odvođenje topline vodenim hlađenjem, a njena struktura je prikazana na sl. 7.
S razvojem tehnologije upravljanja toplinom optičkog lasera velike snage, pumpanja poluvodiča, spajanja vlakana i optičkog filtriranja obloge i drugih ključnih tehnologija, toplinski učinak kao jedno od uskih grla u poboljšanju snage bit će dobro kontroliran, a snaga optičkog lasera nastavit će se poboljšavati. U isto vrijeme, učinkovita tehnologija upravljanja toplinom također može promicati razvoj integrirane tehnologije pakiranja s fiber laserom, tako da se fiber laser velike snage može primijeniti u širem rasponu okruženja.
