1. Pozadie
Vláknový laser je laser, ktorý používa ako médium zosilnenia sklenené vlákno dopované prvkami vzácnych zemín, ktoré má pomer plochy/objemu viac ako 1000-krát väčší ako u tradičného laseru s pevným blokom, s dobrým výkonom pri odvádzaní tepla. Pre sto wattov vláknového lasera môže prirodzený rozptyl tepla spĺňať požiadavky na rozptyl tepla. S rýchlym vývojom vláknových laserov sa však ich výstupný výkon z roka na rok zvyšuje, dokonca aj v kilowattovej mierke, z rôznych dôvodov, ako je napríklad kvantová strata, vlákno spôsobí vážne tepelné účinky. Tepelná difúzia materiálu matrice spôsobuje napätie a zmeny indexu lomu, nízky index lomu polymerizačnej vrstvy je náchylný na tepelné poškodenie, ktoré môže vážne viesť k prasknutiu tepelných vlákien; s kontinuálnou akumuláciou tepla sa zvýši teplota dopovaného jadra, zvýši sa počet častíc v úrovni subenergie lasera, čo vedie k zvýšeniu prahového výkonu a sklonu účinnosti lasera sa zníži, zatiaľ čo zníženie kvantovej účinnosti spôsobí zmeny výstupnej vlnovej dĺžky . Aby sa ešte viac zvýšil výstupný výkon lasera, vláknový laser vydrží vstrekovanie svetla z pumpy s vyšším výkonom a hustotu energie výstupného signálneho svetla, riešenie jeho tepelných účinkov je vážnou výzvou, ktorej čelí vysokovýkonný vláknový laserový systém.
2. Zdroj tepelných účinkov vo vláknovom laseri
2.1 Kvantový stratový efekt
Kvantový stratový efekt je hlavným zdrojom tepla v oblasti jadra vlákna je tiež zdrojom vlastného tepla. Kvôli inherentnému rozdielu medzi vlnovou dĺžkou pumpy a vlnovou dĺžkou signálu sú všetky vláknové laserové systémy sprevádzané určitým percentom kvantovej straty. Ak vezmeme ako príklad 1080 nm výstupnú vlnovú dĺžku lasera, podiel kvantovej straty pri vlnovej dĺžke pumpy 915 nm je asi 15,3 percenta.
2.2 Viacnásobné straty
Vláknové povlaky nad kritickou teplotou 80 stupňov spôsobia denaturáciu materiálu alebo odieranie povrchu a iné javy. Pri vysokovýkonnej nepretržitej prevádzke vláknového lasera je veľmi pravdepodobné, že povlaky vlákien prekročia limit tepelného zaťaženia, ktoré možno tolerovať, čo vedie k úniku svetla z plášťa a v konečnom dôsledku môže spôsobiť celkové vyhorenie lasera.
Bod tavenia vlákna má vážnejší tepelný účinok, hlavne z dvoch hľadísk: 1) vláknitý materiál a materiál prekryvného materiálu absorpcia premeny svetla bude produkovať teplo, v rozsahu krátkych dĺžok, takmer úplne priehľadnú prekryvnú vrstvu na absorpciu svetla je veľmi malý, ale jeho povrch vytvorí nejaké mikrodutiny, vzduch je zlým vodičom tepla, prítomnosť dutín zvyšuje tepelný odpor, takže je ľahké vytvoriť tepelnú depozíciu v bode tavenia. Preto je bod tavenia je náchylný na tepelné usadzovanie, čo vedie k výrazne vyšším teplotám; 2) parametre fúzie nie sú vhodné alebo sa dve časti štrukturálnych parametrov optického vlákna nezhodujú, čo povedie k strate fúzie, prítomnosť tepelného odporu spôsobuje zvýšenie teploty v bode fúzie. Nárast teploty spôsobuje tepelné poškodenie optického vlákna a zároveň má väčší vplyv na numerickú apertúru optického vlákna a zmena numerickej apertúry výrazne ovplyvňuje vedenie svetla.
2.3 Spontánny účinok žiarenia
V štruktúre MOPA, keď je signálne svetlo slabé, môže veľké množstvo vstrekovania svetla pumpy viesť k zvýšeniu pravdepodobnosti spontánneho vyžarovania vlákna (ASE). Veľké množstvo náhodného spontánneho žiarenia uniká z jadra do skleneného plášťa, ako aj do povlaku vlákna a prehrieva a spáli organický povlak. Okrem toho generovanie ASE tiež zvyšuje kvantovú stratu, čo vedie k zvýšenému zahrievaniu v oblasti jadra vlákna.
2.4 Stimulovaný efekt Ramanovho rozptylu
So vznikom ultra-vysokovýkonných vláknových laserov sa hustota výkonu lasera v oblasti jadra postupne zvyšuje a stimulovaný efekt Ramanovho rozptylu (SRS) sa postupne stáva hlavným limitujúcim faktorom pre zvýšenie výkonu. Počas vysokovýkonnej prevádzky, keď optická sila laserového signálu dosiahne prahovú podmienku SRS, signálny laser excituje a pumpuje Ramanovo svetlo s nižšou frekvenciou, čo vedie k procesu zosilnenia Ramanovho svetla. Súčasne, spolu s kvantovou stratou, SRS zhorší problém zahrievania v jadrovej oblasti vlákna.
3. Riešenie tepelného efektu
Tepelný efekt vláknového lasera má nezanedbateľný vplyv na vlákno a výstupné charakteristiky, preto je veľmi dôležité znížiť negatívny vplyv tepelného efektu. Potlačenie tepelného efektu sa zameriava najmä na tieto tri aspekty:
1) Rozumný výber parametrov vlákna podľa teplotného teoretického modelu vlákna;
2) Rozumný výber čerpacej štruktúry a režimu čerpania prispieva k realizácii rovnomerného rozloženia teploty a zníženiu tepelného účinku;
3) Výber efektívnej schémy externého odvodu tepla môže výrazne znížiť negatívny vplyv tepelných účinkov.
3.1 Optimalizácia parametrov vlákna
Hlavnými faktormi ovplyvňujúcimi rozloženie teploty optického vlákna sú tepelná vodivosť jadra a vnútorného a vonkajšieho plášťa, radiálna veľkosť, koeficient absorpcie a dĺžka optického vlákna. Rozumným výberom parametrov vlákna možno efektívne riadiť rozloženie tepla vlákna, aby sa zabezpečila normálna a stabilná prevádzka vlákna.
Väčšia veľkosť jadra môže znížiť teplotu jadra, ale príliš veľká ovplyvní kvalitu lúča. Poťahová vrstva ako vonkajšie médium vedenia tepla vlákna, jej hrúbka má veľký vplyv na pracovnú teplotu vlákna. Teoreticky je teplotný rozdiel medzi vnútorným a vonkajším povrchom náterovej vrstvy a hrúbkou pozitívne korelovaný, čím tenšia je náterová vrstva, tým menší je odpor voči vedeniu tepla, tým menší je teplotný rozdiel medzi vnútorným a vonkajším povrchom celku. poťahovej vrstvy, tým vyšší výkon systém znesie. Avšak vzhľadom na vplyv konvekčného prenosu tepla na povrch optického vlákna a poťahová vrstva má za úlohu chrániť optické vlákno, a preto je potrebné rozumne zvoliť hrúbku poťahovej vrstvy.
Keď sa vlákno ochladí na vzduchu, vzťah medzi odporom tepelnej vodivosti Rcond, odporom tepelnej konvekcie Rconv a celkovým tepelným odporom Rtot a hrúbkou poťahovej vrstvy je znázornený na obrázku 2(a). Hrúbka poťahovej vrstvy pozitívne koreluje s Rcond a negatívne koreluje s Rconv, preto je potrebné rozumne zvoliť hrúbku poťahovej vrstvy, aby sa zabezpečil nízky celkový tepelný odpor. Vzťah medzi dĺžkou vlákna a koeficientom absorpcie a teplotou je znázornený na obr. 2(b), znížením koeficientu absorpcie vlákna možno efektívne znížiť absorpciu čerpacieho výkonu, zníženie absorpcie čerpacieho výkonu znamená zníženie tepelného nanášanie, čo znižuje teplotu vlákna, ale na dosiahnutie rovnakého výkonu je potrebné zväčšiť dĺžku vlákna, Wang et al. študovali celkový čerpací výkon 1000 W, na dosiahnutie rovnakého výkonu sa používa duálny čerpací výkon 500 W, použitie 0,25 dpi. Wang a kol. ukázali, že celkový čerpací výkon bol 1000 W a dvojkoncový čerpací výkon bol 500 W. Výstupný výkon bol 630 W pri 60 m dlhom vlákne s absorpčným koeficientom 0,25 dB a 725 W pri 1,0 dB 20 m dlhom vlákne, ale maximálna teplota druhého vlákna bola vyššia ako teplota prvého vlákna asi o 200 stupňov. Maximálna teplota druhého vlákna bola vyššia ako teplota prvého vlákna. Keďže čerpací koniec čerpacieho výkonu je najsilnejší, zníženie koeficientu absorpcie vlákna môže účinne znížiť absorpciu čerpacieho výkonu, ale za predpokladu, že sa zohľadní účinnosť absorpcie čerpania, laser je úplne nízky -dopované vlákna s nízkou absorpciou, potreba zväčšiť dĺžku vlákna, čo následne vedie k vzniku ďalších problémov, ako je nelineárny efekt, ako aj pokles výstupnej účinnosti a pod.
3.2 Výber spôsobu čerpania
Distribúcia je znázornená na obrázku 3. Obrázok 3 (e) ukazuje nerovnomerný koeficient stredných častí koeficientu absorpcie vlákna je vyšší ako na oboch stranách, aby sa zabezpečilo, že rozdelenie teploty je v podstate rovnomerné, výstupný výkon je rovnaké ako na obrázku 3 (d), keď je požadované vlákno skrátené o viac ako 20 m; Obrázok 3 (f) bude čerpať energiu do siedmich segmentov, rozloženie teploty je rovnomernejšie a teplota sa dá regulovať vo veľmi ideálnom rozsahu. Pre vláknové lasery má veľký význam čerpacia metóda. 2011 Jena University postavila kilowattový bočný čerpací vláknový laser pomocou distribuovaného bočného čerpacieho vlákna, 2014 SPI uviedla na trh kilowattové bočné čerpacie vláknové laserové produkty, v roku 2015 Čína oznámila, že Národná univerzita obrannej technológie a Dvadsiaty tretí výskumný inštitút z China Electronics Technology Group spoločne vyvinuli distribuované bočne viazané plášťové čerpacie vlákno a postavili distribuovaný bočný vláknový laser s plášťovým čerpacím vláknom. opláštenie čerpacieho vlákna a postavili plne lokalizovaný vláknový laser dosahujúci výkon v kilowattovom meradle. Použitie viacsegmentového nerovnomerného čerpania alebo distribuovanej bočnej čerpacej štruktúry môže zabezpečiť rovnomernú teplotu vlákna, znížiť vplyv tepelných účinkov a efektívne skrátiť dĺžku vlákna. Kľúčom k technológii je však distribuované ťahanie vlákna na strane čerpania, zníženie straty fúznej väzby každej časti vlákna a zlepšenie účinnosti. S prelomom a vývojom kľúčových technológií, ako je dizajn vlákien, ťahanie a fúzne spájanie, sa pri vývoji vysokovýkonných vláknových laserov bude uplatňovať viac metód čerpania, ktoré možno kombinovať s účinnou technológiou externého rozptylu tepla, aby sa účinne zabránilo tvorbe tepelné efekty vo vlákne a dosiahnuť stabilný výkon výkonnejších laserov.
3.3 Návrh odvodu tepla
Vedenie tepla, tepelná konvekcia a tepelné žiarenie sú tri hlavné spôsoby prenosu tepla, keďže koeficient tepelného žiarenia je malý, jeho vplyv možno vo všeobecnosti ignorovať, vedenie a konvekcia sú dominantnými spôsobmi prenosu tepla. Pre laser s menším výkonom sa zvyčajne zohľadňuje iba prirodzený rozptyl tepla vlákna, tepelné žiarenie má menší vplyv, možno ho primerane zvážiť.
Prenos tepla konvekciou zahŕňa hlavne prenos tepla prirodzenou konvekciou a prenos tepla nútenou konvekciou. Určujúcim faktorom odvodu tepla konvekciou je veľkosť súčiniteľa prestupu tepla konvekciou. Súčiniteľ prestupu tepla konvekciou h súvisí s vlastnosťami tekutiny, prietokom a konvekčnou plochou. Ako je uvedené v tabuľke 1, za rovnakých podmienok je koeficient prestupu tepla nútenou konvekciou vyšší ako koeficient prestupu tepla prirodzenou konvekciou, koeficient prestupu tepla konvekciou vody je niekoľkonásobkom koeficientu prestupu tepla konvekciou vzduchu. Čím väčší je koeficient prestupu tepla konvekciou, tým lepšie je odvádzanie tepla vláknom. Prirodzený odvod tepla prúdením vzduchu sa všeobecne používa v laseroch s nižším výkonom.
Keď vláknový laser vydáva stovky wattov alebo kilowattov výkonu, je ťažké splniť požiadavky na rozptyl tepla čistým konvekčným chladením a je potrebné zvoliť špecifickú metódu vedenia tepla na vedenie tepla z vlákna do špecifického chladiča. a potom vykonať účinné vedenie tepla alebo konvekčnú difúziu cez chladič. Tvar kontaktu alebo povrch spracovania optického vlákna a chladiča nepasujú dokonale, ako je znázornené na obrázku 4, a na kontaktnom rozhraní sú dutiny, ktoré bránia vedeniu tepla. Hlavným faktorom ovplyvňujúcim tepelnú vodivosť medzi optickým vláknom a chladičom je tepelný odpor, ktorý je mierou úrovne tepelnej vodivosti medzi rozhraniami výmeny tepla.
Teoretický model tepelného odporu medzi optickým vláknom a chladičom možno zjednodušiť ako
Kde Ts je povrchová teplota vlákna, T∞ je teplota chladiča, q″ je tepelný tok (W/m2), čo je pomer tepelného zaťaženia q′ (W/m) k obvodu, Rkontakt je tepelný kontaktný odpor, Rcond je tepelný odpor vrstvy s medzerou, L je hrúbka vrstvy s medzerou, k je tepelná vodivosť výplňového materiálu v medzere a A je plocha povrchu prechádzajúceho tepelného toku. . Z vyššie uvedeného modelu je zrejmé, že zabezpečenie menšieho tepelného odporu môže znížiť teplotu optického vlákna. Keďže vzduch na dvoch kontaktných rozhraniach má veľmi nízku tepelnú vodivosť (kair=0,026 W/mK), tepelný odpor možno účinne znížiť vyplnením materiálu tepelného rozhrania (TIM) s vysokou tepelnou vodivosťou, pričom hrúbka štrbinovej vrstvy L je čo najmenšia.
Okrem zníženia hrúbky medzery a zvýšenia tepelnej vodivosti je možné znížiť povrchovú teplotu vlákna riadením tvaru chladiča. Bežné obdĺžnikové, vrubové a U vrubové zárezové štruktúry chladiča sú znázornené na obr. 5. Bol vyhodnotený tepelný odpor troch rôznych drážkových štruktúr pre bod tavenia opätovne potiahnutého vlákna a s ostatnými parametrami konzistentné, tvar U drážka s najkratším obvodom má najmenší tepelný odpor a lepší chladiaci účinok, zatiaľ čo drážka v tvare V s najdlhším obvodom má najväčší tepelný odpor a horší chladiaci účinok a rozdiel nie je zrejmý v praktických aplikáciách a typ U Častejšie sa používajú konštrukcie typu V a efekt rozptylu tepla je zjavne lepší ako u čisto rovinných chladičov.
Keď je vláknový laser prevádzkovaný pri nízkom výkone, môže byť chladený vzduchom pomocou polovodičového chladiaceho modulu (TEC) a chladiča, a keď je vláknový laser prevádzkovaný pri vyššom výkone, môže byť chladený vodou, aby sa zabezpečila stabilná prevádzka. teplota.Li a spol. aplikoval TEC na vonkajšie chladenie EYDFL a použil obojstrannú čerpaciu štruktúru na aplikáciu TEC na periférny hliníkový chladič pre prvé 10,2 cm vlákno pri vysokovýkonnej prevádzke a drážka v tvare U je znázornená na obr. 12(a). Drážka v tvare U je znázornená na obr. 12(a). Modrá krivka na obr. 6(b) ukazuje distribúciu teploty vlákna v kontakte s chladičom a červená krivka je teoretická distribúcia teploty vlákna a použitie TEC a chladiča účinne znižuje teplotu vlákno.
Pre vysokovýkonný vláknový laser veľké množstvo výskumov prijalo cielené spracovanie rozptylu tepla na získanie vysokého výstupného výkonu nad úrovňou kilowattov bez nelineárneho efektu a javu tepelného poškodenia a dobrá technológia tepelného manažmentu zaisťuje stabilnú prevádzku vláknového lasera. V štúdii sa odvod tepla vlákna uskutočňuje hlavne rovinným vinutím a vinutím valca pomocou kovových chladičov s vyrytými drážkami typu U alebo V a kontaktná medzera medzi vláknom a drážkami je vyplnená tepelne vodivým silikónom. mazivo (tepelná vodivosť je spravidla väčšia ako 2 W/mK) na odvádzanie tepla pomocou vodného chladenia a jeho štruktúra je znázornená na obr.
S vývojom technológie tepelného manažmentu vysokovýkonného vláknového lasera, čerpania polovodičov, spájania vlákien a optického filtrovania plášťa a ďalších kľúčových technológií bude tepelný efekt ako jedna z prekážok pri zvyšovaní výkonu dobre kontrolovaný a výkon vláknového lasera. sa bude naďalej zlepšovať. Efektívna technológia tepelného manažmentu môže zároveň podporiť vývoj integrovanej baliacej technológie s vláknovým laserom, takže vysokovýkonný vláknový laser možno použiť v širšom spektre prostredí.
