1. Ozadje
Fiber Laser je laser, ki kot ojačitveni medij uporablja steklena vlakna, dopirana z redkimi zemeljskimi elementi, ki ima razmerje med površino in prostornino več kot 1000-krat večje kot pri tradicionalnem laserju s trdnimi bloki, z dobrim odvajanjem toplote. Za sto vatov laserja z vlakni lahko naravno odvajanje toplote zadosti zahtevam glede odvajanja toplote. Vendar pa se s hitrim razvojem optičnih laserjev njihova izhodna moč iz leta v leto povečuje in celo doseže kilovatno lestvico, zaradi različnih razlogov, kot je kvantna izguba, bo vlakno povzročilo resne toplotne učinke. Toplotna difuzija materiala matrike povzroča spremembe napetosti in lomnega količnika, nizek lomni količnik polimerizacijske plasti je nagnjen k toplotnim poškodbam, kar lahko resno privede do izbruha toplotnih vlaken; z nenehnim kopičenjem toplote se bo dopirana temperatura jedra povečala, število delcev na ravni podenergije laserja se poveča, kar vodi do povečane moči praga in učinkovitost naklona laserja se zmanjša, medtem ko bo zmanjšanje kvantne učinkovitosti povzročilo spremembe izhodne valovne dolžine . Da bi dodatno povečali izhodno moč laserja, bo laser z vlakni vzdržal vbrizgavanje svetlobe črpalke z večjo močjo in energijsko gostoto izhodne svetlobe signala, reševanje njegovih toplotnih učinkov pa je resen izziv, s katerim se sooča laserski sistem z vlakni visoke moči.
2. Vir toplotnih učinkov v vlaknenem laserju
2.1 Učinek kvantne izgube
Učinek kvantne izgube je glavni vir toplote v območju jedra vlakna in je tudi vir inherentne toplote. Zaradi inherentne razlike med valovno dolžino črpalke in valovno dolžino signala vse optične laserske sisteme spremlja določen odstotek kvantne izgube. Če za primer vzamemo valovno dolžino laserskega izhoda 1080 nm, je delež kvantne izgube pri valovni dolžini črpalke 915 nm približno 15,3 odstotka.
2.2 Večkratne izgube
Prevleke iz vlaken nad kritično temperaturo 80 stopinj bodo povzročile denaturacijo materiala ali površinsko drgnjenje in druge pojave. Pri neprekinjenem delovanju visokozmogljivega laserja z vlakni je zelo verjetno, da bodo prevleke vlaken presegle mejo toplotnih obremenitev, ki jih je mogoče tolerirati, kar bo povzročilo uhajanje svetlobe v ovoju in na koncu lahko povzročilo splošno izgorelost laserja.
Točka zlitja vlakna ima resnejši toplotni učinek, predvsem z dveh vidikov: 1) absorpcija pretvorbe svetlobe iz vlaknastega materiala in materiala za ponovno prevleko bo proizvedla toploto, v kratkem razponu dolžine, skoraj popolnoma prozorna plast za ponovni premaz pri absorpciji svetlobe je zelo malo, vendar bo na njegovi površini nastalo nekaj mikro praznin, zrak je slab prevodnik toplote, zaradi prisotnosti praznin se toplotni upor poveča, zato je enostavno ustvariti toplotno nanašanje na fuzijski točki. Zato je fuzijska točka je nagnjen k termičnemu nanašanju, kar povzroči znatno višje temperature; 2) fuzijski parametri niso primerni ali se dva odseka strukturnih parametrov optičnega vlakna ne ujemata, kar bo povzročilo fuzijske izgube, prisotnost toplotnega upora povzroči dvig temperature na fuzijski točki. Povišanje temperature povzroči toplotno poškodbo optičnega vlakna, hkrati pa ima večji vpliv na numerično odprtost optičnega vlakna, sprememba numerične aperture pa bistveno vpliva na vodenje svetlobe.
2.3 Učinek spontanega sevanja
V strukturi MOPA, ko je signalna svetloba šibka, lahko velika količina vbrizga svetlobe črpalke povzroči povečanje verjetnosti spontanega sevanja vlaken (ASE). Velika količina naključne svetlobe spontanega sevanja uhaja iz jedra v stekleno oblogo kot tudi v prevleko iz vlaken ter pregreje in zažge organsko prevleko. Poleg tega ustvarjanje ASE poveča tudi kvantno izgubo, kar vodi do povečanega segrevanja v območju jedra vlakna.
2.4 Učinek stimuliranega Ramanovega sipanja
S pojavom laserjev z ultrazmogljivimi vlakni se gostota moči laserja v območju jedra postopoma povečuje in učinek stimuliranega Ramanovega sipanja (SRS) postopoma postane glavni omejevalni dejavnik za povečanje moči. Med delovanjem z visoko močjo, ko optična moč laserskega signala doseže prag SRS, signalni laser vzbuja in črpa Ramanovo svetlobo z nižjo frekvenco, kar ima za posledico postopek ojačanja Ramanove svetlobe. Hkrati bo SRS skupaj s kvantno izgubo poslabšal problem segrevanja v območju jedra vlakna.
3. Rešitev toplotnega učinka
Toplotni učinek fiber laserja ima nezanemarljiv vpliv na vlakno in izhodne karakteristike, zato je zelo pomembno zmanjšati negativni vpliv toplotnega učinka. Zatiranje toplotnega učinka se v glavnem osredotoča na naslednje tri vidike:
1) razumna izbira parametrov vlaken glede na model temperaturne teorije vlakna;
2) Razumna izbira strukture črpanja in načina črpanja prispeva k doseganju enakomerne porazdelitve temperature in zmanjšanju toplotnega učinka;
3) Izbira učinkovite sheme zunanjega odvajanja toplote lahko močno zmanjša negativni vpliv toplotnih učinkov.
3.1 Optimizacija parametrov vlaken
Glavni dejavniki, ki vplivajo na porazdelitev temperature optičnega vlakna, so toplotna prevodnost jedra ter notranje in zunanje obloge, radialna velikost, absorpcijski koeficient in dolžina optičnega vlakna. Razumna izbira parametrov vlaken lahko učinkovito nadzoruje porazdelitev toplote vlaken, da se zagotovi normalno in stabilno delovanje vlaken.
Večja velikost jedra lahko zmanjša temperaturo jedra, prevelika pa bo vplivala na kakovost žarka. Prevlečna plast kot najbolj zunanji medij za prevajanje toplote vlaken ima njegova debelina velik vpliv na delovno temperaturo vlaken. Teoretično je temperaturna razlika med notranjo in zunanjo površino prevleke in debelina pozitivno povezana, tanjša kot je prevleka, manjši je upor proti toplotni prevodnosti, manjša je temperaturna razlika med notranjo in zunanjo površino celotnega sloja. sloja prevleke, večja je moč, ki jo lahko sistem prenese. Vendar pa zaradi vpliva konvektivnega prenosa toplote na površini optičnega vlakna in prevleke ima vlogo zaščite optičnih vlaken, zato je treba ustrezno izbrati debelino prevleke.
Ko je vlakno ohlajeno na zraku, je razmerje med uporom toplotne prevodnosti Rcond, uporom toplotne konvekcije Rconv in skupnim toplotnim uporom Rtot ter debelino prevlečne plasti prikazano na sliki 2(a). Debelina prevleke je v pozitivni korelaciji z Rcond in v negativni korelaciji z Rconv, zato je treba ustrezno izbrati debelino prevleke, da se zagotovi nizka skupna toplotna upornost. Razmerje med dolžino vlakna in absorpcijskim koeficientom ter temperaturo je prikazano na sliki 2(b), z zmanjšanjem absorpcijskega koeficienta vlakna se lahko učinkovito zmanjša absorpcija moči črpanja, zmanjšanje absorpcije moči črpanja pomeni zmanjšanje toplotne nanašanje, ki zmanjša temperaturo vlakna, vendar je treba za dosego enakega učinka povečati dolžino vlakna, Wang et al. preučevali skupno moč črpanja 1000 W, moč črpanja na dvojnem koncu 500 W, za doseganje enakega rezultata se uporablja uporaba 0,25 dpi. Wang et al. je pokazala, da je bila skupna moč črpanja 1000 W in moč črpanja na dvojnem koncu 500 W. Izhodna moč je bila 630 W pri 60 m dolgem vlaknu z absorpcijskim koeficientom 0,25 dB in 725 W pri 1,0 dB 20 m dolgem vlaknu, vendar je bila najvišja temperatura slednjega vlakna višja od temperature prejšnjega za približno 200 stopinj. Najvišja temperatura slednjega vlakna je bila višja od temperature prejšnjega vlakna. Ker je črpalni konec moči črpanja najmočnejši, čeprav lahko zmanjšanje absorpcijskega koeficienta vlakna učinkovito zmanjša absorpcijo moči črpanja, vendar pod predpostavko upoštevanja učinkovitosti absorpcije črpanja laser, če je popolnoma nizek - dopirana vlakna z nizko absorpcijo, potreba po povečanju dolžine vlakna, kar posledično vodi v nastanek drugih težav, kot je nelinearni učinek, pa tudi upad izhodne učinkovitosti itd.
3.2 Izbira metode črpanja
Porazdelitev je prikazana na sliki 3. Slika 3 (e) prikazuje neenoten koeficient srednjih odsekov koeficienta absorpcije vlaken, ki je višji od obeh strani, da se zagotovi, da je porazdelitev temperature v bistvu enakomerna, izhodna moč je enako kot na sliki 3 (d), ko je zahtevano vlakno skrajšano za več kot 20 m; Slika 3 (f) bo moč črpala v sedem segmentov, porazdelitev temperature je bolj enakomerna in temperaturo je mogoče nadzorovati v zelo idealnem območju. Metoda črpanja je zelo pomembna za laserje z vlakni. Leta 2011 je Univerza Jena zgradila laser s stranskimi črpalnimi vlakni v kilovatnem merilu z uporabo vlaken s porazdeljenim stranskim črpanjem, leta 2014 je SPI lansiral laserske izdelke z laserskimi vlakni s stranskim črpanjem v kilovatnem merilu, leta 2015 pa je Kitajska poročala, da sta Nacionalna univerza za obrambno tehnologijo in Triindvajseti raziskovalni inštitut iz China Electronics Technology Group so skupaj razvili črpalna vlakna s porazdeljeno stransko sklopljeno oplaščenjem in izdelali distribuirani laser s stranskimi sklopkami s črpalnimi vlakni. oplaščenje črpalnih vlaken, in zgradil popolnoma lokaliziran vlakenski laser, ki je dosegel izhodno moč v kilovatnem merilu. Uporaba večsegmentnega neenakomernega črpanja ali porazdeljene stranske črpalne strukture lahko zagotovi, da je temperatura vlakna enakomerna, zmanjša vpliv toplotnih učinkov in učinkovito skrajša dolžino vlakna. Vendar pa so vlečenje vlaken s porazdeljenim stranskim črpanjem, zmanjšanje izgube zaradi fuzijske sklopke vsakega odseka vlakna in izboljšanje učinkovitosti ključ do tehnologije. S prebojem in razvojem ključnih tehnologij, kot so načrtovanje vlaken, vlečenje in fuzijsko spajanje, bo pri razvoju visoko zmogljivih vlaknenih laserjev uporabljenih več metod črpanja, ki jih je mogoče kombinirati z učinkovito zunanjo tehnologijo odvajanja toplote za učinkovito zaviranje ustvarjanja toplotne učinke v vlaknu in doseganje stabilnega izhoda laserjev večje moči.
3.3 Zasnova odvajanja toplote
Toplotna prevodnost, toplotna konvekcija in toplotno sevanje so trije glavni načini prenosa toplote, saj je koeficient toplotnega sevanja majhen, njegov vpliv pa lahko na splošno zanemarimo, prevodnost in konvekcija pa sta prevladujoči metodi odvajanja toplote. Pri manjšem močnem optičnem laserju običajno upoštevamo le naravno konvekcijsko odvajanje toplote iz vlaken, toplotno sevanje ima manjši vpliv, se lahko šteje za ustrezno.
Prenos toplote s konvekcijo vključuje predvsem prenos toplote z naravno konvekcijo in prenos toplote s prisilno konvekcijo. Odločilni dejavnik konvektivnega odvajanja toplote je velikost koeficienta konvektivnega prenosa toplote. Konvekcijski koeficient toplotnega prehoda h je povezan z lastnostmi tekočine, pretokom in konvekcijskim območjem. Kot je prikazano v tabeli 1, je pod enakimi pogoji koeficient prenosa toplote s prisilno konvekcijo višji od koeficienta prenosa toplote z naravno konvekcijo, koeficient prenosa toplote s konvekcijo vode je večkrat večji od koeficienta prenosa toplote s konvekcijo zraka. Večji ko je koeficient konvekcijskega prenosa toplote, boljše je odvajanje toplote vlakna. Naravno odvajanje toplote s konvekcijo zraka se na splošno uporablja pri vlakenskem laserju z manjšo močjo.
Ko laser z vlakni proizvede na stotine vatov ali kilovatov moči, je težko izpolniti zahteve glede odvajanja toplote s čistim konvekcijskim hlajenjem, zato je treba izbrati posebno metodo toplotnega prevoda za prevajanje toplote od vlaken do določenega hladilnega telesa. , nato pa izvedite učinkovito toplotno prevodnost ali konvekcijsko difuzijo skozi hladilno telo. Kontaktna oblika ali obdelovalna površina optičnega vlakna in hladilnega telesa se ne prilega popolnoma, kot je prikazano na sliki 4, na kontaktnem vmesniku pa so praznine, ki bodo ovirale prevajanje toplote. Glavni dejavnik, ki vpliva na toplotno prevodnost med optičnim vlaknom in hladilnikom, je toplotni upor, ki je merilo stopnje toplotne prevodnosti med vmesniki za izmenjavo toplote.
Teoretični model toplotne upornosti med optičnim vlaknom in hladilnikom je mogoče poenostaviti kot
Kjer je Ts površinska temperatura vlakna, T∞ temperatura odvoda toplote, q″ je toplotni tok (W/m2), ki je razmerje med toplotno obremenitvijo q′ (W/m) in obodom, Rcontact je toplotni kontaktni upor, Rcond je toplotni upor sloja reže, L je debelina sloja reže, k je toplotna prevodnost polnilnega materiala v reži, A je površina toplotnega toka, ki prehaja skozi . Če vzamemo zgornji model, je razvidno, da lahko zagotovitev manjšega toplotnega upora zmanjša temperaturo optičnega vlakna. Ker ima zrak na obeh kontaktnih vmesnikih zelo nizko toplotno prevodnost (kair=0.026 W/mK), je mogoče toplotni upor učinkovito zmanjšati s polnjenjem materiala toplotnega vmesnika (TIM) z visoko toplotno prevodnostjo, medtem ko je debelina sloja reže L čim manjša.
Poleg zmanjšanja debeline reže in povečanja toplotne prevodnosti je mogoče površinsko temperaturo vlaken zmanjšati z nadzorom oblike hladilnega telesa. Običajne pravokotne, V-oblike in U-oblike zarezne strukture toplotnega odvoda so prikazane na sliki 5. Ocenjena je bila toplotna upornost treh različnih utornih struktur za tališče ponovno prevlečenega vlakna in z drugimi parametri, ki so skladni, U-oblika utor z najkrajšim obodom ima najmanjši toplotni upor in boljši hladilni učinek, medtem ko ima utor v obliki črke V z najdaljšim obodom največji toplotni upor in slabši hladilni učinek, razlika pa ni očitna v praktičnih aplikacijah in U-tip in strukture tipa V se uporabljajo pogosteje, učinek odvajanja toplote pa je očitno boljši od učinka čisto ravnih toplotnih odvodov.
Ko vlakneni laser deluje pri nizki moči, ga je mogoče zračno hladiti s polprevodniškim hladilnim modulom (TEC) in hladilnim odvodom, ko pa vlakneni laser deluje pri višji moči, ga je mogoče vodno hlaiti, da se zagotovi stabilno delovanje temperatura.Li et al. nanesel TEC na zunanje hlajenje EYDFL in uporabil črpalno strukturo z dvojnim koncem za nanos TEC na periferni aluminijasti toplotni odvod za prva 10,2 cm vlakna pri delovanju z visoko močjo, utor v obliki črke U pa je prikazan na sliki 12(a). Utor v obliki črke U je prikazan na sliki 12(a). Modra krivulja na sliki 6(b) označuje porazdelitev temperature vlakna v stiku s hladilnikom, rdeča krivulja pa je teoretična porazdelitev temperature vlakna, uporaba TEC in hladilnika pa učinkovito zmanjša temperaturo vlakna.
Za visokozmogljiv optični laser je veliko število raziskav sprejelo ciljno obdelavo odvajanja toplote, da bi dosegli visoko izhodno moč nad kilovatno raven brez nelinearnega učinka in pojava toplotne poškodbe, dobra tehnologija upravljanja toplote pa zagotavlja stabilno delovanje optičnega laserja. V študiji se odvajanje toplote iz vlaken v glavnem izvaja z ravnim navijanjem in cilindričnim navijanjem z uporabo kovinskih toplotnih odvodov z vgraviranimi utori tipa U ali V, kontaktna reža med vlaknom in utori pa je napolnjena s toplotno prevodnim silikonom mast (toplotna prevodnost je praviloma večja od 2 W/mK) za odvzem toplote s pomočjo vodnega hlajenja, njena struktura pa je prikazana na sl. 7.
Z razvojem visokozmogljive tehnologije termičnega upravljanja laserskega vlakna, polprevodniškega črpanja, spajanja vlaken in optičnega filtriranja obloge ter drugih ključnih tehnologij bo toplotni učinek kot eno od ozkih grl pri povečanju moči dobro nadzorovan, moč laserja vlaken pa se bo še naprej izboljševal. Hkrati lahko učinkovita tehnologija toplotnega upravljanja spodbuja tudi razvoj integrirane tehnologije pakiranja z optičnim laserjem, tako da se lahko optični laser visoke moči uporablja v širšem razponu okolij.
