1. Bakgrunn
Fiberlaser er en laser som bruker en sjeldne jordelement-dopet glassfiber som forsterkningsmedium, som har et overflateareal/volumforhold på mer enn 1000 ganger det for en tradisjonell solid blokklaser, med god varmeavledningsytelse. For hundre watt fiberlaser kan naturlig varmespredning oppfylle kravene til varmespredning. Med den raske utviklingen av fiberlasere øker imidlertid utgangseffekten år for år, til og med når kilowattskalaen, på grunn av en rekke årsaker, for eksempel kvantetap, vil fiberen gi alvorlige termiske effekter. Termisk diffusjon av matrisematerialet forårsaker spenning og brytningsindeksendringer, lav brytningsindeks av polymerisasjonslaget er utsatt for termisk skade, noe som alvorlig kan føre til termisk fiberutblåsning; med kontinuerlig akkumulering av varme vil den dopede kjernetemperaturen øke, antall partikler i lasersubenerginivået øker, noe som fører til økt terskelkraft og skråningseffektiviteten til laseren reduseres, mens reduksjonen i kvanteeffektiviteten vil forårsake endringer i utgangsbølgelengden . For ytterligere å forbedre laserutgangseffekten, vil fiberlaseren tåle høyere kraftpumpelysinjeksjon og energitetthet til signallysutgangen, for å løse dens termiske effekter er en alvorlig utfordring for høyeffektfiberlasersystemet.
2. Kilde til termiske effekter i fiberlaser
2.1 Kvantetapseffekt
Quantum tap effekt er den viktigste varmekilden i fiberkjernen området er også kilden til iboende varme. På grunn av den iboende forskjellen mellom pumpens bølgelengde og signalbølgelengden, er alle fiberlasersystemer ledsaget av en viss prosentandel av kvantetap. Tar vi 1080 nm laserutgangsbølgelengde som et eksempel, er andelen kvantetap ved 915 nm pumpebølgelengde omtrent 15,3 prosent.
2.2 Flere tap
Fiberbelegg over den kritiske temperaturen på 80 grader vil produsere materialdenaturering eller overflateavskaving og andre fenomener. Ved høyeffekts kontinuerlig fiberlaserdrift er det stor sannsynlighet for at fiberbelegg overskrider grensen for termiske belastninger som kan tolereres, noe som resulterer i lekkasje av kledningslys, og kan til slutt forårsake den totale utbrenningen av laseren.
Fusjonspunktet til fiberen har en mer alvorlig termisk effekt, hovedsakelig fra to aspekter: 1) fibermaterialet og overmalingsmaterialets absorpsjon av lyskonvertering vil produsere varme, i det korte lengdeområdet, nesten helt gjennomsiktig overmalingslag på absorpsjon av lys er svært lite, men overflaten vil produsere noen mikrohull, luft er en dårlig varmeleder, tilstedeværelsen av hulrom gjør at den termiske motstanden blir større, så det er lett å produsere termisk avsetning ved fusjonspunktet. Derfor er fusjonspunktet er utsatt for termisk avsetning, noe som resulterer i betydelig høyere temperaturer; 2) fusjonsparametere er ikke egnet eller to deler av strukturelle parametere for optisk fiber stemmer ikke, noe som vil føre til fusjonstap, tilstedeværelsen av termisk motstand får temperaturen til å stige ved fusjonspunktet. Økningen i temperatur forårsaker termisk skade på den optiske fiberen, og har samtidig større innvirkning på den numeriske blenderåpningen til den optiske fiberen, og endringen i den numeriske blenderåpningen påvirker lysføringen betydelig.
2.3 Spontan strålingseffekt
I MOPA-strukturen, når signallyset er svakt, kan en stor mengde pumpelysinjeksjon føre til en økning i sannsynligheten for fiberspontanstråling (ASE). En stor mengde tilfeldig spontant strålingslys lekker fra kjernen inn i glasskledningen samt fiberbelegget og overopphetes og brenner det organiske belegget. I tillegg øker genereringen av ASE også kvantetapet, noe som fører til økt oppvarming i kjerneområdet til fiberen.
2.4 Stimulert Raman-spredningseffekt
Med fremveksten av fiberlasere med ultrahøy effekt, øker laserkrafttettheten i kjerneregionen gradvis, og den stimulerte Raman-spredningseffekten (SRS) blir gradvis den viktigste begrensende faktoren for kraftforbedring. Under høyeffektdrift, når lasersignalets optiske effekt når terskeltilstanden til SRS, eksiterer og pumper signallaseren Raman-lys med en lavere frekvens, noe som resulterer i Raman-lysforsterkningsprosessen. Samtidig, sammen med kvantetap, vil SRS forverre oppvarmingsproblemet i fiberens kjerneområde.
3. Løsning av termisk effekt
Den termiske effekten av fiberlaser har en ikke ubetydelig innvirkning på fiberen og utgangsegenskaper, så det er av stor betydning å redusere den negative effekten av den termiske effekten. Undertrykkelsen av termisk effekt fokuserer hovedsakelig på følgende tre aspekter:
1) Rimelig utvalg av fiberparametere i henhold til temperaturteorimodellen til fiberen;
2) Rimelig valg av pumpestruktur og pumpemodus bidrar til realisering av jevn temperaturfordeling og reduksjon av termisk effekt;
3) Valg av effektiv ekstern varmespredning kan i stor grad redusere den negative effekten av termiske effekter.
3.1 Optimalisering av fiberparametere
Hovedfaktorene som påvirker temperaturfordelingen til den optiske fiberen er den termiske ledningsevnen til kjernen og den indre og ytre kledningen, den radielle størrelsen, absorpsjonskoeffisienten og lengden på den optiske fiberen. Rimelig utvalg av fiberparametere kan effektivt kontrollere varmefordelingen til fiberen for å sikre normal og stabil drift av fiberen.
Større kjernestørrelse kan redusere kjernetemperaturen, men for stor vil påvirke strålekvaliteten. Belegglaget som det ytterste mediet for fibervarmeledning, dets tykkelse har stor innflytelse på arbeidstemperaturen til fiberen. Teoretisk sett er temperaturforskjellen mellom de indre og ytre overflatene av belegglaget og tykkelsen positivt korrelert, jo tynnere belegglaget, jo mindre motstanden mot varmeledning, jo mindre er temperaturforskjellen mellom den indre og ytre overflaten av hele overflaten. belegglag, jo høyere kraft tåler systemet. Men på grunn av påvirkningen av konvektiv varmeoverføring på overflaten av den optiske fiberen, og belegglaget har rollen som å beskytte den optiske fiberen, og må derfor rimelig velge tykkelsen på belegglaget.
Når fiberen avkjøles i luften, er forholdet mellom varmeledningsmotstanden Rcond, termisk konveksjonsmotstand Rconv og total termisk motstand Rtot og belegglagets tykkelse vist i figur 2(a). Belegglagets tykkelse er positivt korrelert med Rcond og negativt korrelert med Rconv, så det er nødvendig å velge tykkelsen på belegglaget med rimelighet for å sikre en lav total termisk motstand. Forholdet mellom fiberlengde og absorpsjonskoeffisient og temperatur er vist i fig. 2(b), ved å redusere absorpsjonskoeffisienten til fiberen kan absorpsjonen av pumpekraft effektivt reduseres, reduksjonen av pumpekraftabsorpsjonen betyr reduksjon av termisk avsetning, noe som reduserer temperaturen på fiberen, men for å oppnå samme effekt må lengden på fiberen økes, Wang et al. studerte den totale pumpeeffekten på 1000 W, dual-end pumpeeffekten på 500 W, bruken av 0,25 dpi brukes for å oppnå samme effekt. Wang et al. viste at den totale pumpeeffekten var 1000 W og dual-end pumpeeffekten var 500 W. Utgangseffekten var 630 W med en 60 m lang fiber med 0,25 dB absorpsjonskoeffisient, og 725 W med en 1,0 dB 20 m lang fiber, men maksimumstemperaturen til sistnevnte fiber var omtrent 200 grader høyere enn den tidligere fiberen. Den maksimale temperaturen til sistnevnte fiber var høyere enn den for førstnevnte fiber. Siden pumpeenden av pumpekraften er den sterkeste, selv om reduksjon av absorpsjonskoeffisienten til fiberen effektivt kan redusere absorpsjonen av pumpekraften, men under forutsetningen om å ta hensyn til effektiviteten til pumpeabsorpsjonen, er laseren helt lav -dopete, lavabsorpsjonsfibre, behovet for å øke lengden på fiberen, noe som igjen fører til fremveksten av andre problemer som den ikke-lineære effekten samt en nedgang i utgangseffektiviteten, og så videre.
3.2 Valg av pumpemetode
Fordelingen er vist i fig. 3. Figur 3 (e) viser den uensartede koeffisienten til midtseksjonene av fiberabsorpsjonskoeffisienten er høyere enn de to sidene, for å sikre at temperaturfordelingen er i utgangspunktet jevn, utgangseffekten er det samme som i figur 3 (d) når den nødvendige fiberen er forkortet med mer enn 20 m; Figur 3 (f) vil pumpes kraft inn i syv segmenter, temperaturfordelingen er mer jevn, og temperaturen kan kontrolleres i et veldig ideelt område. Pumpemetoden har stor betydning for fiberlasere. 2011 Jena University bygde en kilowatt-skala sidepumpende fiberlaser ved bruk av distribuert sidepumpende fiber, 2014 SPI lanserte en kilowatt-skala sidepumpende fiberlaserprodukter, i 2015 rapporterte Kina at National University of Defense Technology og Twenty-third Research Institute fra China Electronics Technology Group utviklet i fellesskap en distribuert sidekoblet kledningspumpefiber, og bygget en distribuert sidekoblingsfiberlaser med en kledningspumpefiber. kledning pumpefiber, og bygget en fullt lokalisert fiberlaser, som oppnår kraftutgang i kilowattskala. Bruken av multi-segment ujevn pumping eller distribuert sidepumpestruktur kan sikre at temperaturen på fiberen er jevn, redusere virkningen av termiske effekter og effektivt forkorte lengden på fiberen. Imidlertid er distribuert sidepumpende fibertrekking, redusering av fusjonskoblingstapet for hver seksjon av fiberen og forbedret effektivitet nøkkelen til teknologien. Med gjennombruddet og utviklingen av nøkkelteknologier som fiberdesign, trekking og fusjonsspleising, vil flere pumpemetoder bli brukt i utviklingen av høyeffektfiberlasere, som kan kombineres med effektiv ekstern varmespredningsteknologi for effektivt å hemme generering av termiske effekter i fiberen og oppnå stabil utgang av lasere med høyere effekt.
3.3 Varmespredningsdesign
Termisk ledning, termisk konveksjon og termisk stråling er de tre hovedmåtene for varmeoverføring, da koeffisienten for termisk stråling er liten, kan dens påvirkning generelt ignoreres, ledning og konveksjon er de dominerende varmespredningsmetodene. For mindre kraft fiber laser, vanligvis bare vurdere fiber naturlig konveksjon varmespredning, termisk stråling har mindre innvirkning, kan vurderes hensiktsmessig.
Konveksjonsvarmeoverføring omfatter hovedsakelig naturlig konveksjonsvarmeoverføring og tvungen konveksjonsvarmeoverføring. Den avgjørende faktoren for konvektiv varmespredning er størrelsen på den konvektive varmeoverføringskoeffisienten. Den konvektive varmeoverføringskoeffisienten h er relatert til væskeegenskapene, strømningshastigheten og konveksjonsarealet. Som vist i tabell 1, under de samme forholdene, er varmeoverføringskoeffisienten for tvungen konveksjon høyere enn den naturlige varmeoverføringskoeffisienten for konveksjon, og varmeoverføringskoeffisienten for vannkonveksjon er flere ganger varmeoverføringskoeffisienten for luftkonveksjon. Jo større konvektiv varmeoverføringskoeffisient, jo bedre varmespredning av fiberen. Naturlig luftkonveksjon varmespredning brukes vanligvis i fiberlaser med lavere effekt.
Når fiberlaseren gir ut hundrevis av watt eller kilowatt kraft, er det vanskelig å oppfylle kravene til varmeavledning ved ren konveksjonskjøling, og det er nødvendig å velge en spesifikk varmeledningsmetode for å lede varmen fra fiberen til en spesifikk kjøleribbe. , og deretter utføre effektiv varmeledning eller konveksjonsdiffusjon gjennom kjøleribben. Kontaktformen eller prosessoverflaten til den optiske fiberen og kjøleribben passer ikke perfekt, som vist i figur 4, og det er hulrom ved kontaktgrensesnittet som vil hindre varmeledning. Hovedfaktoren som påvirker den termiske ledningen mellom den optiske fiberen og kjøleribben er den termiske motstanden, som er et mål på nivået av varmeledning mellom varmevekslingsgrensesnittene.
Den teoretiske modellen for termisk motstand mellom den optiske fiberen og kjøleribben kan forenkles som
Der Ts er overflatetemperaturen til fiberen, T∞ er varmeavledertemperaturen, q″ er varmefluksen (W/m2), som er forholdet mellom den termiske belastningen q′ (W/m) og omkretsen, Rcontact er den termiske kontaktmotstanden, Rcond er den termiske motstanden til spaltelaget, L er tykkelsen av spaltelaget, k er termisk ledningsevne til fyllmaterialet i spalten, og A er overflatearealet til varmefluksen som passerer gjennom. . Ved å ta modellen ovenfor, kan det sees at å sikre en mindre termisk motstand kan redusere temperaturen på den optiske fiberen. Siden luften ved de to kontaktgrensesnittene har en svært lav termisk ledningsevne (kair=0.026 W/mK), kan den termiske motstanden effektivt reduseres ved å fylle det termiske grensesnittmaterialet (TIM) med høy varmeledningsevne, mens tykkelsen på spaltelaget L er så liten som mulig.
I tillegg til å redusere gaptykkelsen og øke den termiske ledningsevnen, kan fiberoverflatetemperaturen reduseres ved å kontrollere formen på kjøleribben. Vanlige rektangulære, V-formede og U-formede kjøleribbestrukturer er vist i fig. 5. Den termiske motstanden til tre forskjellige sporstrukturer for smeltepunktet til den overbelagte fiberen ble evaluert, og med andre parametere konsistente, den U-formede sporet med den korteste omkretsen har den minste termiske motstanden og bedre kjøleeffekt, mens det V-formede sporet med den lengste omkretsen har den største termiske motstanden og dårligere kjøleeffekt, og forskjellen er ikke åpenbar i praktiske applikasjoner, og U-typen og V-type strukturer brukes oftere, og varmeavledningseffekten er åpenbart overlegen i forhold til rent plane varmeavledere.
Når fiberlaseren drives med lav effekt, kan den luftkjøles av halvlederkjølemodulen (TEC) og kjøleribben, og når fiberlaseren drives med høyere effekt, kan den vannkjøles for å sikre stabil drift temperatur. Li et al. påførte TEC på den eksterne kjølingen av EYDFL, og brukte den dobbelte pumpestrukturen til å påføre TEC på den perifere aluminiumskjøleribben for den første 10,2 cm fiberen under høyeffektdrift, og det U-formede sporet er vist i fig. 12(a). Det U-formede sporet er vist i fig. 12(a). Den blå kurven i fig. 6(b) indikerer temperaturfordelingen til fiberen i kontakt med kjøleribben, og den røde kurven er den teoretiske temperaturfordelingen til fiberen, og bruk av TEC og kjøleribbe reduserer effektivt temperaturen på fiberen.
For fiberlaser med høy effekt har et stort antall undersøkelser tatt i bruk målrettet varmeavledningsbehandling for å oppnå høy utgangseffekt over kilowattnivå uten ikke-lineær effekt og termisk skadefenomen, og god termisk styringsteknologi sikrer stabil drift av fiberlaser. I studien utføres fibervarmeavledningen hovedsakelig ved planvikling og sylindervikling, ved bruk av metallkjøleribben med U- eller V-type spor gravert, og kontaktgapet mellom fiberen og sporene er fylt med termisk ledende silikon fett (varmeledningsevne er generelt større enn 2 W/mK) for å ta bort varmen ved hjelp av vannkjøling, og strukturen er vist i fig. 7.
Med utviklingen av høyeffekts fiberlaser termisk styringsteknologi, halvlederpumping, fiberkobling og kledning optisk filtrering og andre nøkkelteknologier, vil den termiske effekten som en av flaskehalsene i kraftforbedring være godt kontrollert, og kraften til fiberlaseren vil fortsette å forbedre seg. Samtidig kan effektiv termisk styringsteknologi også fremme utviklingen av fiberlaserintegrert emballasjeteknologi, slik at fiberlaser med høy effekt kan brukes i et bredere spekter av miljøer.
