1. Bakgrund
Fiberlaser är en laser som använder en sällsynt jordartsmetall-dopad glasfiber som förstärkningsmedium, som har ett förhållande mellan ytarea och volym på mer än 1000 gånger det för en traditionell solid block-laser, med god värmeavledningsprestanda. För hundra watt fiberlaser kan naturlig värmeavledning uppfylla kraven på värmeavledning. Men med den snabba utvecklingen av fiberlasrar ökar deras uteffekt år för år, till och med når kilowattskalan, på grund av en mängd olika skäl, såsom kvantförlust, kommer fibern att ge allvarliga termiska effekter. Termisk diffusion av matrismaterialet orsakar förändringar påfrestningar och brytningsindex, lågt brytningsindex för polymerisationsskiktet är benäget för termisk skada, vilket allvarligt kan leda till termisk fiberutblåsning; med den kontinuerliga ackumuleringen av värme kommer den dopade kärntemperaturen att öka, antalet partiklar i laserns subenerginivå ökar vilket leder till ökad tröskeleffekt och lutningseffektiviteten hos lasern minskar, medan minskningen av kvantverkningsgraden kommer att orsaka förändringar i den utgående våglängden . För att ytterligare förbättra laserns uteffekt kommer fiberlasern att motstå högre effektpumpljusinjektion och energitäthet för signalljusutgången, för att lösa dess termiska effekter är en allvarlig utmaning för högeffektfiberlasersystemet.
2. Källa till termiska effekter i fiberlaser
2.1 Kvantförlusteffekt
Kvantförlusteffekt är den huvudsakliga värmekällan i fiberkärnan är också källan till inneboende värme. På grund av den inneboende skillnaden mellan pumpens våglängd och signalvåglängden, åtföljs alla fiberlasersystem av en viss procentuell kvantförlust. Om man tar 1080 nm laserutgångsvåglängd som ett exempel, är andelen kvantförlust vid 915 nm pumpvåglängd cirka 15,3 procent.
2.2 Flera förluster
Fiberbeläggningar över den kritiska temperaturen på 80 grader kommer att producera materialdenaturering eller ytskavning och andra fenomen. Vid högeffekts kontinuerlig fiberlaserdrift är det mycket sannolikt att fiberbeläggningar överskrider gränsen för termiska belastningar som kan tolereras, vilket resulterar i beklädnadsljusläckage och kan i slutändan orsaka den totala utbränningen av lasern.
Fiberns smältpunkt har en allvarligare termisk effekt, huvudsakligen ur två aspekter: 1) fibermaterialets och ombeläggningsmaterialets absorption av ljusomvandling kommer att producera värme, i det korta längdområdet, nästan helt transparent ombeläggningsskikt på absorptionen av ljus är mycket liten, men dess yta kommer att producera några mikrohålrum, luft är en dålig värmeledare, närvaron av tomrum gör att det termiska motståndet blir större, så det är lätt att producera termisk avsättning vid smältpunkten. Därför är smältpunkten är benägen för termisk avsättning, vilket resulterar i betydligt högre temperaturer; 2) fusionsparametrar är inte lämpliga eller två sektioner av optiska fiberstrukturparametrar stämmer inte överens, vilket kommer att leda till fusionsförlust, närvaron av termiskt motstånd gör att temperaturen stiger vid fusionspunkten. Ökningen i temperatur orsakar termisk skada på den optiska fibern och har samtidigt en större inverkan på den optiska fiberns numeriska apertur, och förändringen i den numeriska aperturen påverkar ljusstyrningen avsevärt.
2.3 Spontan strålningseffekt
I MOPA-strukturen, när signalljuset är svagt, kan en stor mängd pumpljusinjektion leda till en ökning av sannolikheten för fiberspontan strålning (ASE). En stor mängd slumpmässigt spontant strålningsljus läcker från kärnan in i glasbeklädnaden såväl som fiberbeläggningen och överhettar och bränner den organiska beläggningen. Dessutom ökar genereringen av ASE också kvantförlusten, vilket leder till ökad uppvärmning i fiberns kärnområde.
2.4 Stimulerad Raman-spridningseffekt
Med uppkomsten av fiberlasrar med ultrahög effekt ökar laserns effekttäthet i kärnområdet gradvis, och den stimulerade Raman-spridningseffekten (SRS) blir gradvis den huvudsakliga begränsande faktorn för effektförbättring. Under högeffektdrift, när lasersignalens optiska effekt når tröskeltillståndet för SRS, exciterar och pumpar signallasern Raman-ljus med en lägre frekvens, vilket resulterar i Raman-ljusförstärkningsprocessen. Samtidigt, tillsammans med kvantförlust, kommer SRS att förvärra uppvärmningsproblemet i fiberns kärnområde.
3. Lösning av termisk effekt
Den termiska effekten av fiberlaser har en icke försumbar inverkan på fibern och utgångsegenskaperna, så det är av stor betydelse att minska den negativa effekten av den termiska effekten. Undertryckandet av termisk effekt fokuserar huvudsakligen på följande tre aspekter:
1) Rimligt urval av fiberparametrar enligt fiberns temperaturteorimodell;
2) Rimligt val av pumpstruktur och pumpläge bidrar till förverkligandet av enhetlig temperaturfördelning och minskning av termisk effekt;
3) Val av ett effektivt externt värmeavledningssystem kan avsevärt minska den negativa effekten av termiska effekter.
3.1 Optimering av fiberparametrar
Huvudfaktorerna som påverkar temperaturfördelningen av den optiska fibern är kärnans värmeledningsförmåga och den inre och yttre beklädnaden, den radiella storleken, absorptionskoefficienten och längden på den optiska fibern. Rimligt urval av fiberparametrar kan effektivt kontrollera fiberns värmefördelning för att säkerställa en normal och stabil drift av fibern.
Större kärnstorlek kan minska kärntemperaturen, men för stor kommer att påverka strålkvaliteten. Beläggningsskikt som det yttersta mediet för fibervärmeledning, dess tjocklek har stor inverkan på fiberns arbetstemperatur. Teoretiskt sett är temperaturskillnaden mellan de inre och yttre ytorna av beläggningsskiktet och tjockleken positivt korrelerade, ju tunnare beläggningsskiktet är, desto mindre motståndet mot värmeledning, desto mindre är temperaturskillnaden mellan de inre och yttre ytorna av hela beläggningsskikt, desto högre effekt tål systemet. Men på grund av påverkan av konvektiv värmeöverföring på ytan av den optiska fibern, och beläggningsskiktet har rollen att skydda den optiska fibern, och måste därför rimligen välja tjockleken på beläggningsskiktet.
När fibern kyls i luften visas förhållandet mellan värmeledningsmotståndet Rcond, termiskt konvektionsmotstånd Rconv och totalt termiskt motstånd Rtot och beläggningsskiktets tjocklek i figur 2(a). Beläggningsskiktets tjocklek är positivt korrelerad med Rcond och negativt korrelerad med Rconv, så det är nödvändigt att rimligt välja beläggningsskiktets tjocklek för att säkerställa en låg total termisk resistans. Förhållandet mellan fiberlängd och absorptionskoefficient och temperatur visas i fig. 2(b), genom att reducera absorptionskoefficienten för fibern kan absorptionen av pumpkraft effektivt reduceras, minskningen av pumpeffektabsorptionen innebär minskningen av termisk effekt. avsättning, vilket sänker temperaturen på fibern, men för att uppnå samma effekt behöver man öka fiberlängden, Wang et al. studerat den totala pumpeffekten på 1000 W, den dubbla pumpeffekten på 500 W, användningen av 0,25 dpi används för att uppnå samma effekt. Wang et al. visade att den totala pumpeffekten var 1000 W och den dubbla pumpeffekten var 500 W. Uteffekten var 630 W med en 60 m lång fiber med 0,25 dB absorptionskoefficient, och 725 W med en 1,0 dB 20 m lång fiber, men den maximala temperaturen för den senare fibern var högre än den för den förra fibern med cirka 200 grader. Den maximala temperaturen för den senare fibern var högre än den för den förra fibern. Eftersom pumpeffekten är den starkaste, även om en minskning av fiberns absorptionskoefficient effektivt kan minska absorptionen av pumpkraften, men under förutsättningen att man tar hänsyn till effektiviteten hos pumpabsorptionen, är lasern helt låg -dopade fibrer med låg absorption, behovet av att öka längden på fibern, vilket i sin tur leder till uppkomsten av andra problem såsom den icke-linjära effekten samt en minskning av uteffekten, och så vidare.
3.2 Val av pumpmetod
Fördelningen visas i Fig. 3. Fig. 3 (e) visar den olikformiga koefficienten för mellansektionerna av fiberabsorptionskoefficienten är högre än de två sidorna, för att säkerställa att temperaturfördelningen är i princip enhetlig, uteffekten är samma som i figur 3 (d) när den erforderliga fibern är förkortad med mer än 20 m; Figur 3 (f) kommer att pumpas in i sju segment, temperaturfördelningen är mer enhetlig och temperaturen kan styras i ett mycket idealiskt område. Pumpmetoden har stor betydelse för fiberlasrar. 2011 Jena University byggde en sidopumpande fiberlaser i kilowattskala med hjälp av distribuerad sidopumpande fiber, 2014 lanserade SPI en fiberlaserprodukter för sidopumpning i kilowattskala, 2015 rapporterade Kina att National University of Defense Technology och det tjugotredje forskningsinstitutet från China Electronics Technology Group utvecklade gemensamt en distribuerad sidokopplad pumpfiber för kapsling och byggde en distribuerad sidokopplad fiberlaser med en pumpfiber för kapsling. kapsling av pumpfiber, och byggde en helt lokaliserad fiberlaser, vilket uppnådde uteffekt i kilowattskala. Användningen av flersegments ojämn pumpning eller distribuerad sidopumpstruktur kan säkerställa att fiberns temperatur är enhetlig, minska effekten av termiska effekter och effektivt förkorta fiberns längd. Emellertid är distribuerad sidopumpande fiberdragning, reducering av fusionskopplingsförlusten för varje sektion av fibern och förbättrad effektivitet nyckeln till tekniken. Med genombrottet och utvecklingen av nyckelteknologier såsom fiberdesign, dragning och fusionsskarvning kommer fler pumpningsmetoder att tillämpas vid utvecklingen av högeffektfiberlasrar, som kan kombineras med effektiv extern värmeavledningsteknik för att effektivt hämma genereringen av termiska effekter i fibern och uppnå stabil uteffekt av lasrar med högre effekt.
3.3 Värmeavledningsdesign
Värmeledning, värmekonvektion och värmestrålning är de tre huvudsakliga sätten för värmeöverföring, eftersom värmestrålningskoefficienten är liten, dess inverkan kan ignoreras i allmänhet, ledning och konvektion är de dominerande värmeavledningsmetoderna. För mindre effekt fiber laser, vanligtvis bara överväga fiber naturliga konvektion värmeavledning, termisk strålning har mindre inverkan, kan övervägas på lämpligt sätt.
Konvektionsvärmeöverföring innefattar huvudsakligen naturlig konvektionsvärmeöverföring och forcerad konvektionsvärmeöverföring. Den avgörande faktorn för konvektiv värmeavledning är storleken på den konvektiva värmeöverföringskoefficienten. Den konvektiva värmeöverföringskoefficienten h är relaterad till vätskans egenskaper, flödeshastighet och konvektionsarea. Som visas i tabell 1, under samma förhållanden, är värmeöverföringskoefficienten för forcerad konvektion högre än den naturliga konvektionsvärmeöverföringskoefficienten, vattenkonvektionsvärmeöverföringskoefficienten är flera gånger värmeöverföringskoefficienten för luftkonvektionsvärme. Ju högre konvektiv värmeöverföringskoefficient, desto bättre värmeavledning av fibern. Naturlig luftkonvektion värmeavledning används vanligtvis i fiberlaser med lägre effekt.
När fiberlasern avger hundratals watt eller kilowatt effekt är det svårt att uppfylla värmeavledningskraven genom ren konvektionskylning, och det är nödvändigt att välja en specifik värmeledningsmetod för att leda värmen från fibern till en specifik kylfläns och sedan utföra effektiv värmeledning eller konvektionsdiffusion genom kylflänsen. Kontaktformen eller bearbetningsytan för den optiska fibern och kylflänsen passar inte perfekt, som visas i figur 4, och det finns tomrum vid kontaktgränssnittet, vilket kommer att hindra värmeledningen. Den huvudsakliga faktorn som påverkar värmeledningen mellan den optiska fibern och kylflänsen är värmeresistansen, som är ett mått på nivån av värmeledning mellan värmeväxlargränssnitten.
Den teoretiska modellen för termiskt motstånd mellan den optiska fibern och kylflänsen kan förenklas som
Där Ts är fiberns yttemperatur, T∞ är kylflänstemperaturen, q″ är värmeflödet (W/m2), vilket är förhållandet mellan den termiska belastningen q′ (W/m) och omkretsen, Rcontact är det termiska kontaktmotståndet, Rcond är det termiska motståndet för spaltskiktet, L är tjockleken på spaltskiktet, k är värmeledningsförmågan för fyllnadsmaterialet i spalten och A är ytarean av värmeflödet som passerar genom . Genom att ta modellen ovan kan man se att en mindre termisk resistans kan minska temperaturen på den optiska fibern. Eftersom luften vid de två kontaktgränssnitten har en mycket låg värmeledningsförmåga (kair=0.026 W/mK), kan det termiska motståndet effektivt reduceras genom att fylla det termiska gränssnittsmaterialet (TIM) med en hög värmeledningsförmåga, medan tjockleken på spaltskiktet L är så liten som möjligt.
Förutom att minska spalttjockleken och öka värmeledningsförmågan kan fiberyttemperaturen minskas genom att kontrollera formen på kylflänsen. Vanliga rektangulära, V-formade och U-formade kylflänsstrukturer visas i fig. 5. Den termiska resistansen hos tre olika spårstrukturer för smältpunkten för den ombelagda fibern utvärderades, och med andra parametrar konsekventa, den U-formade spåret med den kortaste omkretsen har det minsta termiska motståndet och bättre kyleffekt, medan det V-formade spåret med den längsta omkretsen har det största termiska motståndet och sämre kyleffekt, och skillnaden är inte uppenbar i praktiska applikationer, och U-typen och V-typstrukturer används oftare, och värmeavledningseffekten är uppenbarligen överlägsen den hos de rent plana kylflänsarna.
När fiberlasern drivs med låg effekt kan den luftkylas av halvledarkylningsmodulen (TEC) och kylflänsen, och när fiberlasern drivs med högre effekt kan den vattenkylas för att säkerställa stabilt arbete temperatur. Li et al. applicerade TEC på den externa kylningen av EYDFL, och använde den dubbla pumpstrukturen för att applicera TEC på den perifera aluminiumkylflänsen för den första 10,2 cm fibern under högeffektdrift, och det U-formade spåret visas i Fig. 12(a). Det U-formade spåret visas i fig. 12(a). Den blå kurvan i fig. 6(b) indikerar temperaturfördelningen av fibern i kontakt med kylflänsen, och den röda kurvan är fiberns teoretiska temperaturfördelning, och användningen av TEC och kylfläns reducerar effektivt temperaturen på fibern.
För fiberlaser med hög effekt har ett stort antal undersökningar antagit riktad värmeavledningsbehandling för att erhålla hög uteffekt över kilowattnivån utan olinjär effekt och termiska skador, och bra värmeledningsteknik säkerställer en stabil drift av fiberlaser. I studien utförs fibervärmeavledningen huvudsakligen genom planlindning och cylinderlindning, med användning av metallkylflänsar med ingraverade spår av U- eller V-typ, och kontaktgapet mellan fibern och spåren fylls med termiskt ledande silikon. fett (värmeledningsförmågan är i allmänhet större än 2 W/mK) för att ta bort värmen med hjälp av vattenkylning, och dess struktur visas i fig. 7.
Med utvecklingen av högeffektsfiberlaservärmehanteringsteknologi, halvledarpumpning, fiberkoppling och optisk filtrering av kapsling och andra nyckelteknologier, kommer den termiska effekten som en av flaskhalsarna i kraftförbättring att kontrolleras väl, och kraften hos fiberlasern kommer att fortsätta att förbättras. Samtidigt kan effektiv värmehanteringsteknik också främja utvecklingen av fiberlaserintegrerad förpackningsteknik, så att högeffektfiberlaser kan appliceras på ett bredare utbud av miljöer.
