1. Tło
Fiber Laser to laser, który wykorzystuje włókno szklane domieszkowane pierwiastkiem ziem rzadkich jako medium wzmacniające, którego stosunek powierzchni do objętości jest ponad 1000 razy większy niż w przypadku tradycyjnego lasera blokowego, z dobrą wydajnością rozpraszania ciepła. Dla stu watów lasera światłowodowego naturalne rozpraszanie ciepła może spełnić wymagania dotyczące rozpraszania ciepła. Jednak wraz z szybkim rozwojem laserów światłowodowych ich moc wyjściowa rośnie z roku na rok, osiągając nawet skalę kilowatów, z różnych powodów, takich jak straty kwantowe, światłowód będzie generował poważne efekty termiczne. Dyfuzja termiczna materiału matrycy powoduje zmiany naprężeń i współczynnika załamania światła, niski współczynnik załamania warstwy polimeryzacyjnej jest podatny na uszkodzenia termiczne, które mogą poważnie doprowadzić do wydmuchania włókien termicznych; wraz z ciągłą akumulacją ciepła temperatura rdzenia domieszkowanego będzie rosła, liczba cząstek na poziomie podenergetycznym lasera będzie wzrastać, co prowadzi do wzrostu mocy progowej i spadku sprawności nachylenia lasera, natomiast spadek wydajności kwantowej spowoduje zmiany wyjściowej długości fali . Aby jeszcze bardziej zwiększyć moc wyjściową lasera, laser światłowodowy wytrzyma wtrysk światła pompy o większej mocy i gęstość energii wyjścia światła sygnalizacyjnego, rozwiązanie jego skutków termicznych jest poważnym wyzwaniem stojącym przed systemem lasera światłowodowego o dużej mocy.
2. Źródło efektów termicznych w laserze światłowodowym
2.1 Efekt utraty kwantowej
Efekt strat kwantowych jest głównym źródłem ciepła w obszarze rdzenia włókna, jest również źródłem ciepła nieodłącznego. Ze względu na nieodłączną różnicę między długością fali pompy a długością fali sygnału, wszystkim systemom laserów światłowodowych towarzyszy pewien procent strat kwantowych. Biorąc za przykład długość fali wyjściowej lasera 1080 nm, udział strat kwantowych przy długości fali pompy 915 nm wynosi około 15,3 procent.
2.2 Wiele strat
Powłoki włókniste powyżej temperatury krytycznej 80 stopni spowodują denaturację materiału lub otarcia powierzchni i inne zjawiska. W ciągłym działaniu lasera światłowodowego o dużej mocy, powłoki światłowodowe z dużym prawdopodobieństwem przekroczą dopuszczalne tolerowane obciążenia termiczne, co spowoduje wyciek światła okładziny i ostatecznie może spowodować całkowite wypalenie lasera.
Punkt topnienia włókna ma poważniejszy efekt termiczny, głównie z dwóch aspektów: 1) materiał włóknisty i absorpcja światła przez materiał powlekający będą wytwarzać ciepło, w krótkim zakresie długości, prawie całkowicie przezroczystą warstwę powlekającą na absorpcję światła jest bardzo mały, ale na jego powierzchni powstaną mikropustki, powietrze jest słabym przewodnikiem ciepła, obecność pustych przestrzeni powoduje, że opór cieplny staje się większy, więc łatwo jest wytworzyć osad termiczny w punkcie topnienia. Dlatego punkt topnienia jest podatny na osadzanie się termiczne, co skutkuje znacznie wyższymi temperaturami; 2) parametry stapiania nie są odpowiednie lub dwa sekcje parametrów strukturalnych światłowodu nie pasują do siebie, co doprowadzi do utraty fuzji, obecność oporu cieplnego powoduje wzrost temperatury w punkcie stapiania. Wzrost temperatury powoduje termiczne uszkodzenie światłowodu, a jednocześnie ma większy wpływ na aperturę numeryczną światłowodu, a zmiana apertury numerycznej znacząco wpływa na prowadzenie światła.
2.3 Spontaniczny efekt promieniowania
W strukturze MOPA, gdy światło sygnałowe jest słabe, duża ilość wtrysku światła pompy może prowadzić do zwiększenia prawdopodobieństwa spontanicznego promieniowania włókna (ASE). Duża ilość losowego promieniowania spontanicznego przedostaje się z rdzenia do okładziny szklanej, jak również do powłoki włóknistej, przegrzewając i spalając powłokę organiczną. Ponadto generowanie ASE zwiększa również straty kwantowe, prowadząc do zwiększonego nagrzewania w obszarze rdzenia światłowodu.
2.4 Stymulowany efekt rozpraszania Ramana
Wraz z pojawieniem się laserów światłowodowych o bardzo dużej mocy gęstość mocy lasera w obszarze rdzenia stopniowo wzrasta, a efekt stymulowanego rozpraszania ramanowskiego (SRS) stopniowo staje się głównym czynnikiem ograniczającym zwiększenie mocy. Podczas pracy z dużą mocą, gdy moc optyczna sygnału laserowego osiąga stan progowy SRS, laser sygnałowy wzbudza i pompuje światło Ramana o niższej częstotliwości, co skutkuje procesem wzmocnienia światła Ramana. Jednocześnie, wraz ze stratami kwantowymi, SRS zaostrzy problem ogrzewania w obszarze rdzenia światłowodu.
3. Rozwiązanie efektu termicznego
Efekt termiczny lasera światłowodowego ma niebagatelny wpływ na charakterystykę włókna i moc wyjściową, dlatego bardzo ważne jest ograniczenie negatywnego wpływu efektu termicznego. Tłumienie efektu termicznego koncentruje się głównie na następujących trzech aspektach:
1) Rozsądny dobór parametrów światłowodu zgodnie z modelem teorii temperatury światłowodu;
2) Rozsądny dobór konstrukcji pompowania i trybu pompowania sprzyja realizacji równomiernego rozkładu temperatury i redukcji efektu termicznego;
3) Wybór efektywnego zewnętrznego schematu odprowadzania ciepła może znacznie zmniejszyć negatywny wpływ efektów termicznych.
3.1 Optymalizacja parametrów światłowodu
Głównymi czynnikami wpływającymi na rozkład temperatury światłowodu są przewodność cieplna rdzenia oraz płaszcza wewnętrznego i zewnętrznego, rozmiar promienia, współczynnik absorpcji i długość światłowodu. Rozsądny dobór parametrów włókna może skutecznie kontrolować rozkład ciepła włókna, aby zapewnić normalną i stabilną pracę włókna.
Większy rozmiar rdzenia może obniżyć temperaturę rdzenia, ale zbyt duży wpłynie na jakość wiązki. Warstwa otuliny jako najbardziej zewnętrzny ośrodek przewodzenia ciepła włókna, jej grubość ma duży wpływ na temperaturę pracy włókna. Teoretycznie różnica temperatur między wewnętrzną i zewnętrzną powierzchnią warstwy powłoki a jej grubością jest dodatnio skorelowana, im cieńsza warstwa powłoki, tym mniejszy opór przewodzenia ciepła, tym mniejsza różnica temperatur między wewnętrzną i zewnętrzną powierzchnią całej powłoki. warstwa powłoki, tym wyższa moc, którą system może wytrzymać. Jednak ze względu na wpływ konwekcyjnego przenoszenia ciepła na powierzchnię światłowodu, a warstwa powlekająca ma za zadanie chronić światłowód, w związku z czym należy rozsądnie dobrać grubość warstwy powlekającej.
Gdy włókno jest chłodzone w powietrzu, zależność między oporem przewodzenia ciepła Rcond, oporem konwekcji cieplnej Rconv i całkowitym oporem cieplnym Rtot a grubością warstwy powłoki przedstawiono na rysunku 2(a). Grubość warstwy powłoki jest dodatnio skorelowana z Rcond i ujemna z Rconv, dlatego konieczne jest rozsądne dobranie grubości warstwy powłoki, aby zapewnić niski całkowity opór cieplny. Zależność między długością włókna a współczynnikiem absorpcji i temperaturą pokazano na ryc. 2 (b), zmniejszając współczynnik absorpcji włókna, można skutecznie zmniejszyć absorpcję mocy pompowania, zmniejszenie absorpcji mocy pompowania oznacza zmniejszenie ciepła osadzanie, które obniża temperaturę włókna, ale aby osiągnąć tę samą wydajność, konieczne jest zwiększenie długości włókna, Wang i in. zbadał całkowitą moc pompowania 1000 W, moc pompowania dwustronnego 500 W, użycie 0,25 dpi jest używane do osiągnięcia tej samej wydajności. Wang i in. wykazały, że całkowita moc pompowania wyniosła 1000 W, a moc pompowania dwustronnego 500 W. Moc wyjściowa wyniosła 630 W przy włóknie o długości 60 m i współczynniku pochłaniania 0,25 dB oraz 725 W przy włóknie o długości 1,0 dB i długości 20 m, ale maksymalna temperatura tego ostatniego włókna była wyższa niż pierwszego włókna o około 200 stopni. Maksymalna temperatura tego ostatniego włókna była wyższa niż pierwszego włókna. Ponieważ pompujący koniec mocy pompowania jest najsilniejszy, chociaż zmniejszenie współczynnika absorpcji włókna może skutecznie zmniejszyć absorpcję mocy pompowania, ale przy założeniu uwzględnienia wydajności absorpcji pompowania, laser, jeśli jest całkowicie niski -domieszkowanych, niskoabsorpcyjnych włókien, konieczność zwiększania długości światłowodu, co z kolei prowadzi do pojawienia się innych problemów, takich jak efekt nieliniowości, spadek wydajności wyjściowej itp.
3.2 Wybór metody pompowania
Rozkład pokazano na ryc. 3. Rysunek 3 (e) pokazuje, że nierównomierny współczynnik środkowych odcinków współczynnika absorpcji włókien jest wyższy niż po obu stronach, aby zapewnić, że rozkład temperatury jest zasadniczo równomierny, moc wyjściowa jest tak samo jak na rysunku 3 (d), gdy wymagane włókno zostanie skrócone o więcej niż 20 m; Rysunek 3 (f) będzie pompować moc do siedmiu segmentów, rozkład temperatury jest bardziej równomierny, a temperaturę można kontrolować w bardzo idealnym zakresie. W przypadku laserów światłowodowych duże znaczenie ma metoda pompowania. 2011 Uniwersytet Jena zbudował laser światłowodowy z pompowaniem bocznym o mocy kilowata przy użyciu światłowodu z rozproszonym pompowaniem bocznym, 2014 SPI wprowadził na rynek produkty laserowe z pompowaniem bocznym o mocy kilowata, w 2015 r. Chiny poinformowały, że Narodowy Uniwersytet Technologii Obronnych i dwudziesty trzeci Instytut Badawczy z China Electronics Technology Group wspólnie opracowała rozproszone włókno pompujące z okładziną boczną i zbudowała rozproszony laser światłowodowy ze sprzężeniem bocznym z włóknem pompującym okładzinę. okładziny pompujące włókno i zbudował w pełni zlokalizowany laser światłowodowy, osiągając moc wyjściową w skali kilowatów. Zastosowanie wielosegmentowej niejednorodnej struktury pompowania lub rozproszonej struktury pompowania bocznego może zapewnić jednolitą temperaturę włókna, zmniejszyć wpływ efektów termicznych i skutecznie skrócić długość włókna. Kluczem do tej technologii jest jednak rozproszone ciągnięcie włókien po stronie pompowania, zmniejszanie strat sprzężenia fuzyjnego w każdej sekcji włókna i poprawa wydajności. Wraz z przełomem i rozwojem kluczowych technologii, takich jak projektowanie włókien, wyciąganie i łączenie fuzyjne, w rozwoju laserów światłowodowych dużej mocy zostanie zastosowanych więcej metod pompowania, które można łączyć z technologią skutecznego zewnętrznego rozpraszania ciepła, aby skutecznie hamować generowanie efekty termiczne we włóknie i osiągnąć stabilną moc wyjściową laserów o większej mocy.
3.3 Projekt rozpraszania ciepła
Przewodnictwo cieplne, konwekcja cieplna i promieniowanie cieplne to trzy główne sposoby wymiany ciepła, ponieważ współczynnik promieniowania cieplnego jest mały, jego wpływ można ogólnie zignorować, przewodnictwo i konwekcja są dominującymi metodami rozpraszania ciepła. W przypadku lasera światłowodowego o mniejszej mocy, zwykle bierze się pod uwagę tylko naturalne rozpraszanie ciepła konwekcyjne włókna, promieniowanie cieplne ma mniejszy wpływ, można je odpowiednio rozważyć.
Konwekcyjne przenoszenie ciepła obejmuje głównie naturalną konwekcję wymiany ciepła i wymuszoną konwekcję wymiany ciepła. Czynnikiem decydującym o konwekcyjnym rozpraszaniu ciepła jest wielkość współczynnika konwekcyjnego przejmowania ciepła. Współczynnik konwekcyjnego przejmowania ciepła h jest związany z właściwościami płynu, natężeniem przepływu i powierzchnią konwekcji. Jak pokazano w tabeli 1, w tych samych warunkach współczynnik przenikania ciepła konwekcji wymuszonej jest wyższy niż współczynnik przenikania ciepła konwekcji naturalnej, współczynnik przenikania ciepła konwekcji wody jest kilkakrotnie większy niż współczynnik przenikania ciepła konwekcji powietrza. Im większy współczynnik konwekcyjnego przejmowania ciepła, tym lepsze odprowadzanie ciepła przez włókno. Naturalne rozpraszanie ciepła przez konwekcję powietrza jest zwykle stosowane w laserach światłowodowych o niższej mocy.
Kiedy laser światłowodowy generuje setki watów lub kilowatów mocy, trudno jest spełnić wymagania dotyczące rozpraszania ciepła przez czyste chłodzenie konwekcyjne i konieczne jest wybranie określonej metody przewodzenia ciepła, aby przewodzić ciepło z włókna do określonego radiatora , a następnie przeprowadzić wydajne przewodzenie ciepła lub dyfuzję konwekcyjną przez radiator. Kształt styku lub powierzchnia przetwarzania światłowodu i radiatora nie pasują idealnie, jak pokazano na rysunku 4, a na styku znajdują się puste przestrzenie, które utrudniają przewodzenie ciepła. Głównym czynnikiem wpływającym na przewodnictwo cieplne pomiędzy światłowodem a radiatorem jest opór cieplny, który jest miarą poziomu przewodnictwa cieplnego pomiędzy interfejsami wymiany ciepła.
Teoretyczny model oporu cieplnego między światłowodem a radiatorem można uprościć jako
gdzie Ts to temperatura powierzchni włókna, T∞ to temperatura radiatora, q″ to strumień ciepła (W/m2), który jest stosunkiem obciążenia cieplnego q′ (W/m) do obwodu, Rcontact to opór cieplny kontaktu, Rcond to opór cieplny warstwy szczeliny, L to grubość warstwy szczeliny, k to przewodność cieplna materiału wypełniającego w szczelinie, a A to pole powierzchni strumienia ciepła przechodzącego przez . Przyjmując powyższy model widać, że zapewnienie mniejszej rezystancji termicznej może obniżyć temperaturę światłowodu. Ponieważ powietrze na dwóch stykach ma bardzo niską przewodność cieplną (kair=0,026 W/mK), opór cieplny można skutecznie zmniejszyć, wypełniając materiał termoprzewodzący (TIM) o wysokiej przewodności cieplnej, przy czym grubość warstwy szczelinowej L jest możliwie mała.
Oprócz zmniejszenia grubości szczeliny i zwiększenia przewodności cieplnej, temperaturę powierzchni włókna można zmniejszyć, kontrolując kształt radiatora. Typowe prostokątne struktury radiatora z wycięciem w kształcie litery V i litery U pokazano na ryc. 5. Oceniono opór cieplny trzech różnych struktur rowków dla temperatury topnienia ponownie powlekanego włókna, a przy innych parametrach zgodnych, w kształcie litery U rowek o najkrótszym obwodzie ma najmniejszy opór cieplny i lepszy efekt chłodzenia, podczas gdy rowek w kształcie litery V o najdłuższym obwodzie ma największy opór cieplny i gorszy efekt chłodzenia, a różnica nie jest oczywista w praktycznych zastosowaniach, a typ U częściej stosowane są konstrukcje typu V, a efekt rozpraszania ciepła jest oczywiście lepszy niż w przypadku czysto płaskich radiatorów.
Gdy laser światłowodowy pracuje przy małej mocy, może być chłodzony powietrzem przez półprzewodnikowy moduł chłodzący (TEC) i radiator, a gdy laser światłowodowy pracuje przy większej mocy, może być chłodzony wodą, aby zapewnić stabilną pracę temperatura. Li i in. zastosował TEC do zewnętrznego chłodzenia EYDFL i wykorzystał dwustronną konstrukcję pompującą do zastosowania TEC do obwodowego aluminiowego radiatora dla pierwszego włókna 10,2 cm w trybie pracy z dużą mocą, a rowek w kształcie litery U pokazano na ryc. 12(a). Rowek w kształcie litery U pokazano na ryc. 12(a). Niebieska krzywa na ryc. 6 (b) wskazuje rozkład temperatury włókna w kontakcie z radiatorem, a czerwona krzywa to teoretyczny rozkład temperatury włókna, a zastosowanie TEC i radiatora skutecznie obniża temperaturę włókno.
W przypadku lasera światłowodowego dużej mocy wiele badań przyjęło ukierunkowaną obróbkę rozpraszania ciepła, aby uzyskać wysoką moc wyjściową powyżej poziomu kilowatów bez efektu nieliniowego i zjawiska uszkodzeń termicznych, a dobra technologia zarządzania termicznego zapewnia stabilną pracę lasera światłowodowego. W badaniu rozpraszanie ciepła włókna odbywa się głównie przez uzwojenie płaskie i cylindryczne, przy użyciu metalowych radiatorów z wygrawerowanymi rowkami typu U lub V, a szczelina kontaktowa między włóknem a rowkami jest wypełniona silikonem przewodzącym ciepło smar (przewodność cieplna jest na ogół większa niż 2 W/mK) do odprowadzania ciepła za pomocą chłodzenia wodą, a jego budowę pokazano na ryc. 7.
Wraz z rozwojem technologii zarządzania termicznego laserem światłowodowym dużej mocy, pompowania półprzewodników, sprzęgania włókien i filtrowania optycznego okładzin oraz innych kluczowych technologii, efekt termiczny jako jedno z wąskich gardeł w zwiększaniu mocy będzie dobrze kontrolowany, a moc lasera światłowodowego będzie się nadal poprawiać. Jednocześnie skuteczna technologia zarządzania termicznego może również promować rozwój zintegrowanej technologii pakowania z laserem światłowodowym, dzięki czemu laser światłowodowy o dużej mocy może być stosowany w szerszym zakresie środowisk.
