1. Позадина
Фибер Ласер је ласер који користи стаклено влакно допирано ретким елементима као медиј за појачање, који има однос површина/запремина више од 1000 пута већи од традиционалног ласера са чврстим блоковима, са добрим перформансама одвођења топлоте. За сто вати ласера са влакнима, природна дисипација топлоте може задовољити захтеве за расипање топлоте. Међутим, са брзим развојем ласера са влакнима, њихова излазна снага расте из године у годину, чак достижући скалу киловата, због разних разлога, као што је квантни губитак, влакно ће произвести озбиљне топлотне ефекте. Топлотна дифузија материјала матрикса изазива промене напрезања и индекса преламања, низак индекс преламања полимеризационог слоја је склон термичком оштећењу, што може озбиљно довести до топлотног издувавања влакана; уз континуирану акумулацију топлоте, допирана температура језгра ће се повећати, број честица на нивоу субенергије ласера се повећава што доводи до повећане граничне снаге и смањује се ефикасност нагиба ласера, док ће смањење квантне ефикасности изазвати промене излазне таласне дужине . Да би се додатно побољшала излазна снага ласера, ласер са влакнима ће издржати убризгавање светлости пумпе веће снаге и густину енергије излазне сигналне светлости, да би се решили његови топлотни ефекти је озбиљан изазов са којим се суочава систем ласерског влакна велике снаге.
2. Извор топлотних ефеката у фибер ласеру
2.1 Ефекат квантног губитка
Ефекат квантног губитка је главни извор топлоте у области језгра влакна, такође је извор инхерентне топлоте. Због инхерентне разлике између таласне дужине пумпе и таласне дужине сигнала, сви ласерски системи са влакнима су праћени одређеним процентом квантног губитка. Узимајући за пример излазну таласну дужину ласера од 1080 нм, удео квантног губитка на таласној дужини пумпе од 915 нм је око 15,3 одсто.
2.2 Вишеструки губици
Превлаке од влакана изнад критичне температуре од 80 степени ће изазвати денатурацију материјала или површинско хабање и друге појаве. У континуалном раду ласера са влакнима велике снаге, премази од влакана ће врло вероватно премашити границу топлотних оптерећења која се могу толерисати, што доводи до цурења светлости у омотачу и на крају може проузроковати укупно сагоревање ласера.
Тачка фузије влакна има озбиљнији топлотни ефекат, углавном са два аспекта: 1) материјал влакана и материјала за поновни премаз, апсорпција конверзије светлости ће произвести топлоту, у кратком опсегу дужине, скоро потпуно провидни слој за поновно премазивање на апсорпцију светлости је врло мало, али његова површина ће произвести неке микро шупљине, ваздух је лош проводник топлоте, присуство шупљина чини да топлотни отпор постаје већи, тако да је лако произвести термичко таложење на тачки фузије. Стога је тачка фузије склон је термичком таложењу, што резултира знатно вишим температурама; 2) параметри фузије нису прикладни или се два дела структурних параметара оптичких влакана не поклапају, што ће довести до губитка фузије, присуство топлотног отпора чини пораст температуре у тачки спајања. Повећање температуре изазива термичко оштећење оптичког влакна, а истовремено има већи утицај на нумерички отвор оптичког влакна, а промена нумеричког отвора значајно утиче на вођење светлости.
2.3 Спонтани ефекат зрачења
У МОПА структури, када је сигнална светлост слаба, велика количина убризгавања светлости пумпе може довести до повећања вероватноће спонтаног зрачења влакана (АСЕ). Велика количина насумичног спонтаног зрачења цури из језгра у стаклену облогу, као и премаз од влакана и прегрева и сагорева органски премаз. Поред тога, стварање АСЕ такође повећава квантни губитак, што доводи до повећаног загревања у области језгра влакна.
2.4 Ефекат стимулисаног Рамановог расејања
Са појавом ласера са влакнима ултра велике снаге, густина снаге ласера у региону језгра постепено се повећава, а ефекат стимулисаног Рамановог расејања (СРС) постепено постаје главни ограничавајући фактор за повећање снаге. Током рада велике снаге, када оптичка снага ласерског сигнала достигне гранично стање СРС-а, сигнални ласер побуђује и пумпа Раманову светлост нижом фреквенцијом, што резултира процесом појачања Раманове светлости. У исто време, заједно са квантним губитком, СРС ће погоршати проблем загревања у језгру влакна.
3. Решење топлотног ефекта
Топлотни ефекат фибер ласера има незанемарљив утицај на влакна и излазне карактеристике, тако да је од великог значаја смањење негативног утицаја топлотног ефекта. Сузбијање топлотног ефекта се углавном фокусира на следећа три аспекта:
1) Разуман избор параметара влакана према моделу из теорије температуре влакна;
2) Разуман избор пумпне структуре и режима пумпања погодује остваривању уједначене расподеле температуре и смањењу топлотног ефекта;
3) Избор ефикасне шеме екстерне дисипације топлоте може у великој мери смањити негативан утицај топлотних ефеката.
3.1 Оптимизација параметара влакана
Главни фактори који утичу на дистрибуцију температуре оптичког влакна су топлотна проводљивост језгра и унутрашње и спољашње облоге, радијална величина, коефицијент апсорпције и дужина оптичког влакна. Разуман избор параметара влакана може ефикасно контролисати дистрибуцију топлоте влакна како би се осигурао нормалан и стабилан рад влакна.
Већа величина језгра може смањити температуру језгра, али превелика ће утицати на квалитет зрака. Слој премаза као крајњи медиј за провођење топлоте влакана, његова дебљина има велики утицај на радну температуру влакна. Теоретски, температурна разлика између унутрашње и спољашње површине слоја премаза и дебљине је у позитивној корелацији, што је слој премаза тањи, мањи је отпор топлотној проводљивости, то је мања температурна разлика између унутрашње и спољашње површине целине. слој премаза, то је већа снага коју систем може да издржи. Међутим, због утицаја конвективног преноса топлоте на површину оптичког влакна, слој превлаке има улогу заштите оптичког влакна, те је стога потребно разумно одабрати дебљину слоја превлаке.
Када се влакно охлади на ваздуху, однос између отпора топлотне проводљивости Рцонд, отпора топлотне конвекције Рцонв и укупног топлотног отпора Ртот и дебљине слоја превлаке приказан је на слици 2(а). Дебљина слоја премаза има позитивну корелацију са Рцонд и негативну корелацију са Рцонв, тако да је неопходно разумно одабрати дебљину слоја премаза да би се обезбедио низак укупни топлотни отпор. Однос између дужине влакна и коефицијента апсорпције и температуре приказан је на слици 2(б), смањењем коефицијента апсорпције влакна, апсорпција снаге пумпања може се ефикасно смањити, смањење апсорпције снаге пумпања значи смањење топлотне енергије. таложење, што смањује температуру влакна, али да би се постигао исти излаз потребно је повећати дужину влакна, Ванг ет ал. проучавао је укупну снагу пумпања од 1000 В, снагу пумпе са два краја од 500 В, употреба 0,25 дпи се користи за постизање истог излаза. Ванг и др. показала је да је укупна снага пумпања 1000 В, а снага пумпе са два краја 500 В. Излазна снага је била 630 В са влакном дужине 60 м са коефицијентом апсорпције од 0,25 дБ и 725 В са влакном дужине 20 м од 1,0 дБ, али максимална температура потоњег влакна је била виша од оне првог влакна за око 200 степени. Максимална температура другог влакна била је виша од оне првог влакна. Како је крај пумпе снаге пумпања најјачи, иако смањење коефицијента апсорпције влакна може ефикасно смањити апсорпцију снаге пумпања, али под претпоставком узимања у обзир ефикасности апсорпције пумпања, ласер ако је потпуно низак -допирана, нискоапсорпциона влакна, потреба за повећањем дужине влакна, што заузврат доводи до појаве других проблема као што су нелинеарни ефекат као и пад излазне ефикасности итд.
3.2 Избор методе пумпања
Расподела је приказана на слици 3. Слика 3 (е) приказује неуједначени коефицијент средњих делова коефицијента апсорпције влакана већи од две стране, како би се осигурало да је расподела температуре у основи уједначена, излазна снага је исто као на слици 3 (д) када је потребно влакно скраћено за више од 20м; На слици 3 (ф) биће пумпана снага у седам сегмената, расподела температуре је уједначенија, а температура се може контролисати у веома идеалном опсегу. Метода пумпања је од великог значаја за фибер ласере. 2011. Универзитет Јена изградио је киловатни ласер са бочним пумпањем користећи дистрибуирано бочно пумпајуће влакно, 2014. СПИ је лансирао производе са ласерским влакнима за бочно пумпање киловата, 2015. године, Кина је известила да Национални универзитет за одбрамбену технологију и Двадесет трећи истраживачки институт из Цхина Елецтроницс Тецхнологи Гроуп-а су заједнички развили дистрибуирано бочно спојено пумпно влакно и изградили дистрибуирани ласер са бочним спојницама са влакном за пумпање омотача. облога пумпних влакана, и изградио потпуно локализован ласер са влакнима, постижући излазну снагу киловата. Употреба вишесегментне неуједначене пумпне структуре или дистрибуиране бочне пумпне структуре може осигурати да је температура влакна уједначена, смањити утицај топлотних ефеката и ефикасно скратити дужину влакна. Међутим, дистрибуирано бочно повлачење влакана за пумпање, смањење губитка споја фузије сваког дела влакна и побољшање ефикасности су кључ технологије. Са пробојом и развојем кључних технологија као што су дизајн влакана, повлачење и спајање фузије, више метода пумпања ће се примењивати у развоју ласера са влакнима велике снаге, који се могу комбиновати са ефикасном технологијом спољне дисипације топлоте како би се ефикасно спречило стварање термичке ефекте у влакну и постизање стабилног излаза ласера веће снаге.
3.3 Дизајн дисипације топлоте
Топлотна проводљивост, топлотна конвекција и топлотно зрачење су три главна начина преноса топлоте, пошто је коефицијент топлотног зрачења мали, његов утицај се уопштено може занемарити, провођење и конвекција су доминантне методе одвођења топлоте. За влакнасти ласер мање снаге, обично се узима у обзир само природна конвекцијска дисипација топлоте влакном, топлотно зрачење има мањи утицај, може се сматрати на одговарајући начин.
Конвекцијски пренос топлоте углавном укључује природни конвекцијски пренос топлоте и пренос топлоте принудном конвекцијом. Одлучујући фактор конвективне дисипације топлоте је величина коефицијента конвективног преноса топлоте. Коефицијент конвективног преноса топлоте х је повезан са особинама флуида, протоком и површином конвекције. Као што је приказано у табели 1, под истим условима, коефицијент преноса топлоте принудном конвекцијом је већи од коефицијента преноса топлоте природне конвекције, коефицијент преноса топлоте конвекцијом воде је неколико пута већи од коефицијента преноса топлоте конвекцијом ваздуха. Што је већи коефицијент конвективног преноса топлоте, то је боље одвођење топлоте влакна. Природна конвекцијска дисипација топлоте се углавном користи у ласерским влакнима мање снаге.
Када ласер са влакнима производи стотине вати или киловата снаге, тешко је испунити захтеве за расипање топлоте чистим конвекцијским хлађењем и потребно је изабрати специфичну методу провођења топлоте за превођење топлоте од влакна до одређеног хладњака. , а затим спровести ефикасну проводљивост топлоте или конвекцијску дифузију кроз хладњак. Контактни облик или површина за обраду оптичког влакна и хладњака не уклапају се савршено, као што је приказано на слици 4, а на контактној површини постоје празнине, које ће ометати проводљивост топлоте. Главни фактор који утиче на топлотну проводљивост између оптичког влакна и хладњака је топлотни отпор, који је мера нивоа топлотне проводљивости између интерфејса размене топлоте.
Теоријски модел топлотног отпора између оптичког влакна и хладњака може се поједноставити као
Где је Тс температура површине влакна, Т∞ је температура хладњака, к″ је топлотни ток (В/м2), што је однос топлотног оптерећења к′ (В/м) и периметра, Рцонтацт је отпор топлотног контакта, Рцонд је топлотни отпор слоја зазора, Л је дебљина слоја зазора, к је топлотна проводљивост материјала за пуњење у зазору, а А је површина топлотног флукса који пролази кроз . Узимајући горњи модел, може се видети да обезбеђивање мањег топлотног отпора може смањити температуру оптичког влакна. Пошто ваздух на два контактна интерфејса има веома ниску топлотну проводљивост (каир=0.026 В/мК), топлотни отпор се може ефикасно смањити пуњењем материјала термичког интерфејса (ТИМ) са високом топлотном проводљивошћу, док је дебљина слоја зазора Л што мања.
Поред смањења дебљине зазора и повећања топлотне проводљивости, температура површине влакана се може смањити контролом облика хладњака. Уобичајене правоугаоне, у облику слова В и у облику слова У зарезне структуре хладњака су приказане на слици 5. Процењена је топлотна отпорност три различите структуре жлебова за тачку топљења поново премазаног влакна, а уз остале параметре конзистентне, У-облика жлеб са најкраћим ободом има најмањи топлотни отпор и бољи ефекат хлађења, док жлеб у облику слова В са најдужим периметром има највећи топлотни отпор и лошији ефекат хлађења, а разлика није очигледна у практичним применама, а У-тип и структуре В-типа се чешће користе, а ефекат дисипације топлоте је очигледно супериорнији од чисто планарних хладњака.
Када ласер са влакнима ради при малој снази, може се хладити ваздухом помоћу полупроводничког модула за хлађење (ТЕЦ) и хладњака, а када ласер са влакнима ради на већој снази, може се хладити водом како би се осигурао стабилан рад температура.Ли и др. применио ТЕЦ на спољашње хлађење ЕИДФЛ-а и користио двоструку пумпну структуру да примени ТЕЦ на периферни алуминијумски хладњак за првих 10,2 цм влакна под радњом велике снаге, а жлеб у облику слова У је приказан на сл. 12(а). Жлеб у облику слова У приказан је на слици 12(а). Плава крива на слици 6(б) указује на дистрибуцију температуре влакана у контакту са хладњаком, а црвена крива је теоретску расподелу температуре влакна, а употреба ТЕЦ-а и хладњака ефективно смањује температуру влакно.
За ласер са влакнима велике снаге, велики број истраживања је усвојио циљани третман дисипације топлоте како би се добила висока излазна снага изнад нивоа киловата без нелинеарног ефекта и феномена термичког оштећења, а добра технологија управљања топлотом осигурава стабилан рад ласера са влакнима. У студији, одвођење топлоте влакнима се углавном врши равним намотајем и намотајем цилиндра, користећи металне хладњаке са угравираним жлебовима типа У или В, а контактни јаз између влакна и жлебова је испуњен топлотно проводљивим силиконом. маст (топлотна проводљивост је углавном већа од 2 В/мК) за одвођење топлоте помоћу воденог хлађења, а њена структура је приказана на слици 7.
Са развојем технологије управљања топлотом ласера са влакнима велике снаге, полупроводничког пумпања, спајања влакана и оптичког филтрирања облоге и других кључних технологија, топлотни ефекат као једно од уских грла у повећању снаге биће добро контролисан, а снага ласера са влакнима наставиће да се побољшава. Истовремено, ефикасна технологија управљања топлотом такође може промовисати развој интегрисане технологије паковања са ласерским влакнима, тако да се ласер са влакнима велике снаге може применити на шири спектар окружења.
