1. fundal
Fibre Laser este un laser care folosește ca mediu de câștig o fibră de sticlă dopată cu un element de pământ rar, care are un raport suprafață/volum de peste 1000 de ori mai mare decât cel al unui laser cu bloc solid tradițional, cu performanțe bune de disipare a căldurii. Pentru o sută de wați de laser cu fibră, disiparea naturală a căldurii poate îndeplini cerințele de disipare a căldurii. Cu toate acestea, odată cu dezvoltarea rapidă a laserelor cu fibră, puterea lor de ieșire crește de la an la an, ajungând chiar la scara kilowați, din cauza unei varietăți de motive, cum ar fi pierderea cuantică, fibra va produce efecte termice grave. Difuzia termică a materialului matricei provoacă stres și modificări ale indicelui de refracție, indicele de refracție scăzut al stratului de polimerizare este predispus la deteriorarea termică, ceea ce poate duce serios la explozia termică a fibrei; odată cu acumularea continuă de căldură, temperatura centrală dopată va crește, numărul de particule din nivelul subenergiei laser crește, ceea ce duce la creșterea puterii de prag și eficiența pantei laserului scade, în timp ce scăderea eficienței cuantice va determina modificări ale lungimii de undă de ieșire. . Pentru a îmbunătăți și mai mult puterea de ieșire a laserului, laserul cu fibră va rezista la injecția luminii pompei de putere mai mare și densitatea de energie a ieșirii luminii de semnal, pentru a rezolva efectele sale termice este o provocare serioasă cu care se confruntă sistemul laser cu fibră de mare putere.
2. Sursa efectelor termice în laser cu fibră
2.1 Efectul de pierdere cuantică
Efectul de pierdere cuantică este principala sursă de căldură în zona miezului fibrei este, de asemenea, sursa de căldură inerentă. Datorită diferenței inerente dintre lungimea de undă a pompei și lungimea de undă a semnalului, toate sistemele laser cu fibră sunt însoțite de un anumit procent de pierdere cuantică. Luând ca exemplu lungimea de undă de ieșire laser de 1080 nm, proporția pierderii cuantice la lungimea de undă a pompei de 915 nm este de aproximativ 15,3 la sută.
2.2 Pierderi multiple
Acoperirile cu fibre peste temperatura critică de 80 de grade vor produce denaturarea materialului sau uzura suprafeței și alte fenomene. În operarea cu laser cu fibră continuă de mare putere, este foarte probabil ca straturile de fibre să depășească limita sarcinilor termice care pot fi tolerate, ceea ce duce la scurgeri de lumină din placare și, în cele din urmă, pot provoca arderea generală a laserului.
Punctul de fuziune al fibrei are un efect termic mai grav, în principal din două aspecte: 1) materialul fibros și absorbția materialului de acoperire a conversiei luminii va produce căldură, în intervalul de lungime scurtă, stratul de acoperire aproape complet transparent asupra absorbției luminii este foarte mic, dar suprafața sa va produce unele micro-goluri, aerul este un slab conductor de căldură, prezența golurilor face ca rezistența termică să devină mai mare, astfel încât este ușor să se producă depuneri termice la punctul de fuziune. Prin urmare, punctul de fuziune este predispus la depuneri termice, rezultând temperaturi semnificativ mai ridicate; 2) parametrii de fuziune nu sunt potriviți sau două secțiuni ale parametrilor structurali ai fibrei optice nu se potrivesc, ceea ce va duce la pierderea prin fuziune, prezența rezistenței termice face ca temperatura să crească la punctul de fuziune. Creșterea temperaturii provoacă deteriorarea termică a fibrei optice și, în același timp, are un impact mai mare asupra deschiderii numerice a fibrei optice, iar modificarea deschiderii numerice afectează în mod semnificativ ghidarea luminii.
2.3 Efectul spontan al radiațiilor
În structura MOPA, atunci când semnalul luminos este slab, o cantitate mare de injectare a luminii pompei poate duce la o creștere a probabilității de radiație spontană a fibrei (ASE). O cantitate mare de radiație spontană aleatorie se scurge din miez în placarea de sticlă, precum și în stratul de fibre și supraîncălzi și arde stratul organic. În plus, generarea de ASE crește și pierderea cuantică, ceea ce duce la o încălzire crescută în regiunea centrală a fibrei.
2.4 Efect de împrăștiere Raman stimulat
Odată cu apariția laserelor cu fibră de ultra-înaltă putere, densitatea de putere a laserului în regiunea centrală crește treptat, iar efectul de împrăștiere Raman (SRS) stimulat devine treptat principalul factor limitator pentru îmbunătățirea puterii. În timpul funcționării cu putere mare, când puterea optică a semnalului laser atinge condiția de prag a SRS, laserul de semnal excită și pompează lumina Raman cu o frecvență mai mică, rezultând procesul de amplificare a luminii Raman. În același timp, împreună cu pierderea cuantică, SRS va agrava problema încălzirii în regiunea centrală a fibrei.
3. Soluție de efect termic
Efectul termic al laserului cu fibră are un impact neneglijabil asupra fibrei și a caracteristicilor de ieșire, deci este de mare importanță reducerea impactului negativ al efectului termic. Suprimarea efectului termic se concentrează în principal pe următoarele trei aspecte:
1) Selectarea rezonabilă a parametrilor fibrei în funcție de modelul teoriei temperaturii fibrei;
2) Selectarea rezonabilă a structurii de pompare și a modului de pompare este propice pentru realizarea unei distribuții uniforme a temperaturii și reducerea efectului termic;
3) Selectarea unei scheme eficiente de disipare a căldurii externe poate reduce foarte mult impactul negativ al efectelor termice.
3.1 Optimizarea parametrilor fibrei
Principalii factori care afectează distribuția temperaturii fibrei optice sunt conductivitatea termică a miezului și a învelișului interioară și exterioară, dimensiunea radială, coeficientul de absorbție și lungimea fibrei optice. Selecția rezonabilă a parametrilor fibrei poate controla eficient distribuția căldurii a fibrei pentru a asigura funcționarea normală și stabilă a fibrei.
Dimensiunea mai mare a miezului poate reduce temperatura miezului, dar prea mare va afecta calitatea fasciculului. Stratul de acoperire ca mediu exterior al conducției căldurii fibrei, grosimea sa are o mare influență asupra temperaturii de lucru a fibrei. Teoretic, diferența de temperatură dintre suprafețele interioare și exterioare ale stratului de acoperire și grosimea este corelată pozitiv, cu cât stratul de acoperire este mai subțire, cu atât rezistența la conducerea căldurii este mai mică, cu atât diferența de temperatură între suprafețele interioare și exterioare ale întregului este mai mică. stratul de acoperire, cu atât puterea pe care o poate rezista sistemul este mai mare. Cu toate acestea, datorită influenței transferului de căldură convectiv pe suprafața fibrei optice, iar stratul de acoperire are rolul de a proteja fibra optică și, prin urmare, trebuie să selectați în mod rezonabil grosimea stratului de acoperire.
Când fibra este răcită în aer, relația dintre rezistența la conducție termică Rcond, rezistența la convecție termică Rconv și rezistența termică totală Rtot și grosimea stratului de acoperire este prezentată în Figura 2(a). Grosimea stratului de acoperire este corelată pozitiv cu Rcond și corelată negativ cu Rconv, așa că este necesar să se selecteze în mod rezonabil grosimea stratului de acoperire pentru a asigura o rezistență termică totală scăzută. Relația dintre lungimea fibrei și coeficientul de absorbție și temperatură este prezentată în Fig. 2(b), prin reducerea coeficientului de absorbție al fibrei, absorbția puterii de pompare poate fi redusă efectiv, reducerea absorbției puterii de pompare înseamnă reducerea energiei termice. depunerea, care reduce temperatura fibrei, dar pentru a obține aceeași ieșire trebuie să mărească lungimea fibrei, Wang și colab. a studiat puterea totală de pompare de 1000 W, puterea de pompare duală de 500 W, utilizarea a 0,25 dpi este utilizată pentru a obține aceeași ieșire. Wang şi colab. a arătat că puterea totală de pompare a fost de 1000 W și puterea de pompare duală a fost de 500 W. Puterea de ieșire a fost de 630 W cu o fibră lungă de 60 m cu coeficient de absorbție de 0,25 dB și 725 W cu o fibră lungă de 1,0 dB 20 m, dar temperatura maximă a ultimei fibre a fost mai mare decât cea a primei fibre cu aproximativ 200 de grade. Temperatura maximă a ultimei fibre a fost mai mare decât cea a primei fibre. Deoarece capătul de pompare al puterii de pompare este cel mai puternic, deși reducerea coeficientului de absorbție al fibrei poate reduce efectiv absorbția puterii de pompare, dar sub premisa luării în considerare a eficienței absorbției de pompare, laserul dacă este complet scăzut -fibre dopate, cu absorbție scăzută, necesitatea creșterii lungimii fibrei, ceea ce duce la apariția altor probleme precum efectul neliniar precum și o scădere a eficienței de ieșire etc.
3.2 Selectarea metodei de pompare
Distribuția este prezentată în Fig. 3. Figura 3 (e) arată că coeficientul neuniform al secțiunilor mijlocii ale coeficientului de absorbție a fibrei este mai mare decât cele două părți, pentru a se asigura că distribuția temperaturii este practic uniformă, puterea de ieșire este la fel ca în figura 3 (d) când fibra necesară este scurtată cu mai mult de 20 m; Figura 3 (f) va fi pompată putere în șapte segmente, distribuția temperaturii este mai uniformă, iar temperatura poate fi controlată într-un interval foarte ideal. Metoda de pompare este de mare importanță pentru laserele cu fibră. 2011 Universitatea Jena a construit un laser cu fibră de pompare laterală la scară de kilowați folosind fibră de pompare laterală distribuită, 2014 SPI a lansat un produs laser cu fibră de pompare laterală la scară de kilowați, în 2015, China a raportat că Universitatea Națională de Tehnologie de Apărare și Institutul de Cercetare al Douăzeci și treilea al Grupului de Tehnologie Electronică din China a dezvoltat în comun o fibră de pompare a placajului cuplat lateral distribuit și a construit un laser cu fibră de cuplare laterală distribuită cu o fibră de pompare a placajului. placarea fibrei de pompare și a construit un laser cu fibră complet localizat, obținând puterea de ieșire la scară de kilowați. Utilizarea pompei neuniforme cu mai multe segmente sau a structurii de pompare laterală distribuită poate asigura că temperatura fibrei este uniformă, poate reduce impactul efectelor termice și poate scurta în mod eficient lungimea fibrei. Cu toate acestea, tragerea fibrelor cu pompare laterală distribuită, reducerea pierderii de cuplare prin fuziune a fiecărei secțiuni a fibrei și îmbunătățirea eficienței sunt cheia tehnologiei. Odată cu descoperirea și dezvoltarea tehnologiilor cheie, cum ar fi proiectarea fibrelor, tragerea și îmbinarea prin fuziune, mai multe metode de pompare vor fi aplicate în dezvoltarea laserelor cu fibră de mare putere, care pot fi combinate cu tehnologia eficientă de disipare a căldurii externe pentru a inhiba eficient generarea de efectele termice în fibră și obținerea unei ieșiri stabile a laserelor de putere mai mare.
3.3 Proiectarea disipării căldurii
Conducția termică, convecția termică și radiația termică sunt cele trei modalități principale de transfer de căldură, deoarece coeficientul de radiație termică este mic, influența sa poate fi ignorată în general, conducția și convecția sunt metodele dominante de disipare a căldurii. Pentru laser cu fibră de putere mai mică, de obicei ia în considerare numai disiparea căldurii prin convecție naturală a fibrei, radiația termică are un impact mai mic, poate fi considerată în mod corespunzător.
Transferul de căldură prin convecție include în principal transferul de căldură prin convecție naturală și transferul de căldură prin convecție forțată. Factorul determinant al disipării de căldură convectivă este mărimea coeficientului de transfer de căldură convectiv. Coeficientul de transfer de căldură convectiv h este legat de proprietățile fluidului, debitul și aria de convecție. După cum se arată în tabelul 1, în aceleași condiții, coeficientul de transfer de căldură prin convecție forțată este mai mare decât coeficientul de transfer de căldură prin convecție naturală, coeficientul de transfer de căldură prin convecția apei este de câteva ori mai mare decât coeficientul de transfer de căldură prin convecție. Cu cât coeficientul de transfer de căldură convectiv este mai mare, cu atât mai bună este disiparea căldurii a fibrei. Disiparea căldurii prin convecție naturală a aerului este utilizată în general în laserul cu fibră de putere mai mică.
Când laserul cu fibră emite sute de wați sau kilowați de putere, este dificil să se îndeplinească cerințele de disipare a căldurii prin răcire prin convecție pură și este necesar să se aleagă o metodă specifică de conducție a căldurii pentru a conduce căldura de la fibră la un anumit radiator. , și apoi efectuați o conducere eficientă a căldurii sau o difuzie prin convecție prin radiatorul. Forma de contact sau suprafața de procesare a fibrei optice și a radiatorului nu se potrivește perfect, așa cum se arată în Figura 4, și există goluri la interfața de contact, care vor împiedica conducerea căldurii. Principalul factor care afectează conducția termică dintre fibra optică și radiatorul este rezistența termică, care este o măsură a nivelului de conducție termică între interfețele de schimb de căldură.
Modelul teoretic al rezistenței termice dintre fibra optică și radiatorul poate fi simplificat ca
Unde Ts este temperatura suprafeței fibrei, T∞ este temperatura radiatorului, q″ este fluxul de căldură (W/m2), care este raportul dintre sarcina termică q′ (W/m) și perimetrul, Rcontact este rezistența de contact termic, Rcond este rezistența termică a stratului gol, L este grosimea stratului gol, k este conductivitatea termică a materialului de umplutură în spațiu și A este aria suprafeței fluxului de căldură care trece prin . Luând modelul de mai sus, se poate observa că asigurarea unei rezistențe termice mai mici poate reduce temperatura fibrei optice. Deoarece aerul de la cele două interfețe de contact are o conductivitate termică foarte scăzută (kair=0.026 W/mK), rezistența termică poate fi redusă eficient prin umplerea materialului de interfață termică (TIM) cu o conductivitate termică ridicată, în timp ce grosimea stratului intercalat L este cât se poate de mică.
Pe lângă reducerea grosimii golului și creșterea conductibilității termice, temperatura suprafeței fibrei poate fi redusă prin controlul formei radiatorului. Structurile de radiator cu crestături dreptunghiulare comune, în formă de V și în formă de U sunt prezentate în Fig. 5. Rezistența termică a trei structuri diferite de caneluri pentru punctul de topire al fibrei acoperite a fost evaluată și, cu alți parametri consistenti, în formă de U. canelura cu cel mai scurt perimetru are cea mai mică rezistență termică și un efect de răcire mai bun, în timp ce canelura în formă de V cu cel mai lung perimetru are cea mai mare rezistență termică și un efect de răcire mai rău, iar diferența nu este evidentă în aplicațiile practice, iar tipul U și structurile de tip V sunt folosite mai des, iar efectul de disipare a căldurii este evident superior celui al radiatoarelor pur plane.
Când laserul cu fibră funcționează la putere scăzută, acesta poate fi răcit cu aer de către modulul de răcire cu semiconductor (TEC) și radiatorul, iar atunci când laserul cu fibră este operat la o putere mai mare, poate fi răcit cu apă pentru a asigura funcționarea stabilă. temperatura.Li et al. a aplicat TEC la răcirea externă a EYDFL și a folosit structura de pompare cu două extremități pentru a aplica TEC la radiatorul periferic din aluminiu pentru prima fibră de 10,2 cm sub funcționare de mare putere, iar canelura în formă de U este prezentată în fig. 12(a). Canelura în formă de U este prezentată în Fig. 12(a). Curba albastră din Fig. 6(b) indică distribuția temperaturii fibrei în contact cu radiatorul, iar curba roșie este distribuția teoretică a temperaturii fibrei, iar utilizarea TEC și a radiatorului reduce efectiv temperatura fibra.
Pentru laserul cu fibră de mare putere, un număr mare de cercetări au adoptat un tratament de disipare a căldurii țintit pentru a obține o putere mare de ieșire peste nivelul de kilowați, fără efect neliniar și fenomen de deteriorare termică, iar tehnologia bună de management termic asigură funcționarea stabilă a laserului cu fibră. În studiu, disiparea căldurii fibrei este realizată în principal prin înfășurare plană și înfășurare cilindrului, folosind radiatoare metalice cu caneluri de tip U sau V gravate, iar spațiul de contact dintre fibră și caneluri este umplut cu silicon conductiv termic. grăsime (conductivitatea termică este în general mai mare de 2 W/mK) pentru a elimina căldura prin răcire cu apă, iar structura sa este prezentată în Fig. 7.
Odată cu dezvoltarea tehnologiei de management termic cu laser cu fibră de mare putere, pomparea semiconductoarelor, cuplarea fibrelor și filtrarea optică de placare și alte tehnologii cheie, efectul termic ca unul dintre blocajele în creșterea puterii va fi bine controlat, iar puterea laserului cu fibră va continua să se îmbunătățească. În același timp, tehnologia eficientă de management termic poate promova și dezvoltarea tehnologiei de ambalare integrată cu laser cu fibră, astfel încât laserul cu fibră de mare putere să poată fi aplicat într-o gamă mai largă de medii.
