1. Tausta
Fiber Laser on laser, joka käyttää harvinaisten maametallien elementeillä seostettua lasikuitua vahvistusväliaineena, jonka pinta-ala/tilavuussuhde on yli 1000 kertaa perinteisen kiinteän lohkolaserin pinta-ala/tilavuussuhde, jolla on hyvä lämmönpoistokyky. Sadalla watilla kuitulaserilla luonnollinen lämmönpoisto voi täyttää lämmönpoistovaatimukset. Kuitulaserien nopean kehityksen myötä niiden lähtöteho kuitenkin kasvaa vuosi vuodelta, jopa kilowattimittakaavaan asti, useista syistä, kuten kvanttihäviöstä, kuitu aiheuttaa vakavia lämpövaikutuksia. Matriisimateriaalin lämpödiffuusio aiheuttaa jännityksen ja taitekertoimen muutoksia, polymerointikerroksen alhainen taitekerroin on altis lämpövaurioille, mikä voi vakavasti johtaa lämpökuitujen puhallukseen; jatkuvan lämmön kertymisen myötä seostettu ydinlämpötila nousee, hiukkasten määrä laserin alienergiatasossa kasvaa, mikä lisää kynnystehoa ja laserin kaltevuustehokkuus laskee, kun taas kvanttihyötysuhteen lasku aiheuttaa lähtöaallonpituuden muutoksia. . Laserlähtötehon parantamiseksi entisestään kuitulaser kestää korkeamman tehon pumpun valon ruiskutuksen ja signaalivalon energiatiheyden, ja sen lämpövaikutusten ratkaiseminen on vakava haaste suuritehoiselle kuitulaserjärjestelmälle.
2. Kuitulaserin lämpövaikutusten lähde
2.1 Kvanttihäviövaikutus
Kvanttihäviövaikutus on pääasiallinen lämmönlähde kuituytimen alueella on myös luontaisen lämmön lähde. Pumpun aallonpituuden ja signaalin aallonpituuden välisen luontaisen eron vuoksi kaikkiin kuitulaserjärjestelmiin liittyy tietty prosenttiosuus kvanttihäviöstä. Esimerkkinä 1080 nm:n laserlähtöaallonpituudesta kvanttihäviön osuus 915 nm:n pumpun aallonpituudella on noin 15,3 prosenttia.
2.2 Useita tappioita
Kuitupinnoitteet, jotka ylittävät kriittisen 80 asteen lämpötilan, aiheuttavat materiaalin denaturoitumista tai pinnan hankausta ja muita ilmiöitä. Suuritehoisessa jatkuvassa kuitulasertoiminnassa kuitupinnoitteet ylittävät hyvin todennäköisesti siedettävien lämpökuormien rajan, mikä johtaa verhouksen valovuotoon ja voi lopulta aiheuttaa laserin yleisen palamisen.
Kuidun sulamispisteellä on vakavampi lämpövaikutus, pääasiassa kahdesta näkökulmasta: 1) kuitumateriaalin ja uudelleenpinnoitusmateriaalin valon muuntamisen absorptio tuottaa lämpöä, lyhyellä pituusalueella, lähes täysin läpinäkyvä uudelleenpinnoituskerros valon absorptiossa on hyvin vähän, mutta sen pinta tuottaa joitakin mikrotyhjiöitä, ilma on huono lämmönjohdin, onteloiden esiintyminen lisää lämpövastusta, joten on helppo tuottaa lämpölaskeuma sulamispisteessä. Siksi sulamispiste on altis lämpölaskeumalle, mikä johtaa merkittävästi korkeampiin lämpötiloihin; 2) fuusioparametrit eivät ole sopivia tai kaksi valokuidun rakenneparametrien osaa eivät täsmää, mikä johtaa fuusiohäviöön, lämpövastuksen läsnäolo nostaa lämpötilaa sulamispisteessä. Lämpötilan nousu aiheuttaa lämpövaurioita valokuidulle, ja samalla sillä on suurempi vaikutus optisen kuidun numeeriseen aukkoon, ja numeerisen aukon muutos vaikuttaa merkittävästi valon ohjaukseen.
2.3 Spontaani säteilyvaikutus
MOPA-rakenteessa, kun signaalivalo on heikko, suuri määrä pumppuvalon ruiskutusta voi lisätä kuituspontaanisen säteilyn (ASE) todennäköisyyttä. Suuri määrä satunnaista spontaania säteilyvaloa vuotaa sydämestä lasipäällysteeseen sekä kuitupinnoitteeseen ja ylikuumenee ja polttaa orgaanisen pinnoitteen. Lisäksi ASE:n syntyminen lisää myös kvanttihäviötä, mikä lisää kuumenemista kuidun ydinalueella.
2.4 Stimuloitu Raman-sirontavaikutus
Ultrasuuritehoisten kuitulaserien ilmaantumisen myötä laserin tehotiheys ydinalueella kasvaa vähitellen, ja stimuloidusta Raman-sirontaefektistä (SRS) tulee vähitellen tärkein tehonlisäyksen rajoittava tekijä. Suuritehoisen käytön aikana, kun lasersignaalin optinen teho saavuttaa SRS:n kynnystilan, signaalilaser virittää ja pumppaa Raman-valoa pienemmällä taajuudella, mikä johtaa Raman-valon vahvistusprosessiin. Samaan aikaan SRS pahentaa kvanttihäviön ohella lämmitysongelmaa kuidun ydinalueella.
3. Lämpövaikutuksen ratkaisu
Kuitulaserin lämpövaikutuksella ei ole vähäistä vaikutusta kuidun ja ulostulon ominaisuuksiin, joten lämpövaikutuksen negatiivisen vaikutuksen vähentämisessä on suuri merkitys. Lämpövaikutuksen vaimennus keskittyy pääasiassa seuraaviin kolmeen näkökohtaan:
1) Kohtuullinen kuituparametrien valinta kuidun lämpötilateoriamallin mukaan;
2) Pumppausrakenteen ja pumppaustavan järkevä valinta edistää tasaisen lämpötilajakauman toteutumista ja lämpövaikutuksen vähentämistä;
3) Tehokkaan ulkoisen lämmönpoistojärjestelmän valinta voi merkittävästi vähentää lämpövaikutusten negatiivista vaikutusta.
3.1 Kuituparametrien optimointi
Tärkeimmät valokuidun lämpötilajakaumaan vaikuttavat tekijät ovat ytimen ja sisä- ja ulkokuoren lämmönjohtavuus, säteittäinen koko, absorptiokerroin ja valokuidun pituus. Kohtuullinen kuituparametrien valinta voi tehokkaasti ohjata kuidun lämmönjakoa kuidun normaalin ja vakaan toiminnan varmistamiseksi.
Suurempi sydämen koko voi alentaa ytimen lämpötilaa, mutta liian suuri heikentää säteen laatua. Pinnoitekerros kuitujen lämmönjohtavuuden uloimpana väliaineena, sen paksuudella on suuri vaikutus kuidun käyttölämpötilaan. Teoreettisesti lämpötilaero pinnoitekerroksen sisä- ja ulkopinnan ja paksuuden välillä korreloi positiivisesti, mitä ohuempi pinnoitekerros, mitä pienempi lämmönjohtavuuden vastus, sitä pienempi lämpötilaero koko kerroksen sisä- ja ulkopinnan välillä. pinnoitekerroksen, sitä suurempi teho, jonka järjestelmä kestää. Kuitenkin johtuen konvektiivisen lämmönsiirron vaikutuksesta optisen kuidun pintaan, ja pinnoitekerroksen tehtävänä on suojata optista kuitua, ja siksi pinnoitekerroksen paksuus on valittava kohtuudella.
Kun kuitu jäähdytetään ilmassa, lämmönjohtavuusvastuksen Rcond, lämpökonvektioresistanssin Rconv ja kokonaislämpövastuksen Rtot ja pinnoitekerroksen paksuuden välinen suhde on esitetty kuvassa 2(a). Pinnoitekerroksen paksuus korreloi positiivisesti Rcond:n kanssa ja negatiivisesti Rconv:n kanssa, joten pinnoitekerroksen paksuus on valittava järkevästi alhaisen kokonaislämpövastuksen varmistamiseksi. Kuitujen pituuden ja absorptiokertoimen ja lämpötilan välinen suhde on esitetty kuvassa 2(b), pienentämällä kuidun absorptiokerrointa voidaan vähentää tehokkaasti pumppaustehon absorptiota, pumppaustehon absorption pienentäminen tarkoittaa lämmön pienentämistä. saostus, joka alentaa kuidun lämpötilaa, mutta saman tehon saavuttamiseksi on lisättävä kuidun pituutta, Wang et al. tutkittu kokonaispumppausteho 1000 W, kaksipään pumppausteho 500 W, käytetään 0,25 dpi:tä samaan tehoon. Wang et ai. osoitti, että kokonaispumpputeho oli 1000 W ja kaksipään pumppausteho 500 W. Lähtöteho oli 630 W 60 m pitkällä kuidulla, jonka absorptiokerroin on 0,25 dB, ja 725 W 1,0 dB:n 20 m pitkällä kuidulla, mutta jälkimmäisen kuidun maksimilämpötila oli noin 200 astetta korkeampi kuin edellisen kuidun. Jälkimmäisen kuidun maksimilämpötila oli korkeampi kuin edellisen kuidun. Koska pumppaustehon pumppauspää on vahvin, vaikka kuidun absorptiokerrointa pienentämällä voidaan tehokkaasti vähentää pumppaustehon absorptiota, mutta sillä edellytyksellä, että otetaan huomioon pumppausabsorption tehokkuus, laser, jos se on täysin alhainen -seostetut, heikosti imeytyneet kuidut, tarve kasvattaa kuidun pituutta, mikä puolestaan johtaa muiden ongelmien syntymiseen, kuten epälineaariseen vaikutukseen sekä tuotannon tehokkuuden heikkenemiseen ja niin edelleen.
3.2 Pumppausmenetelmän valinta
Jakauma on esitetty kuvassa 3. Kuva 3 (e) esittää, että kuidun absorptiokertoimen keskiosien epätasainen kerroin on suurempi kuin molemmilla puolilla, jotta varmistetaan, että lämpötilajakauma on periaatteessa tasainen, lähtöteho on sama kuin kuvassa 3 (d), kun vaadittua kuitua lyhennetään yli 20 m; Kuvassa 3 (f) pumpataan tehoa seitsemään segmenttiin, lämpötilajakauma on tasaisempi ja lämpötilaa voidaan säätää erittäin ihanteellisella alueella. Pumppausmenetelmällä on suuri merkitys kuitulasereille. 2011 Jenan yliopisto rakensi kilowattimittaisen puolipumppaavan kuitulaserin käyttämällä hajautettua sivupumppauskuitua, 2014 SPI toi markkinoille kilowattimittakaavaisen sivupumppauskuitulasertuotteet, vuonna 2015 Kiina ilmoitti, että kansallinen puolustusteknologiayliopisto ja 23. tutkimuslaitos China Electronics Technology Group kehitti yhdessä hajautetun sivukytketyn kuoren pumppauskuidun ja rakensi hajautetun sivukytketyn kuitulaserin, jossa oli kuoren pumppauskuitu. päällystämällä pumppauskuitua ja rakennettu täysin lokalisoitu kuitulaser, joka saavutti kilowattimittakaavan tehon. Monisegmenttisen epätasaisen pumppauksen tai hajautetun sivupumppausrakenteen käytöllä voidaan varmistaa kuidun lämpötilan tasaisuus, vähentää lämpövaikutusten vaikutusta ja lyhentää tehokkaasti kuidun pituutta. Kuitenkin hajautettu sivupumppauskuituveto, kuidun kunkin osan fuusiokytkentähäviön vähentäminen ja tehokkuuden parantaminen ovat avainasemassa teknologiassa. Keskeisten teknologioiden, kuten kuitusuunnittelun, veto- ja fuusioliitoksen läpimurron ja kehityksen myötä suuritehoisten kuitulaserien kehittämisessä käytetään lisää pumppausmenetelmiä, jotka voidaan yhdistää tehokkaaseen ulkoiseen lämmönpoistotekniikkaan estämään tehokkaasti kuitujen syntymistä. lämpövaikutuksia kuidussa ja saavuttaa vakaa teho suuremmilla lasereilla.
3.3 Lämmönpoistosuunnittelu
Lämmönjohtavuus, lämpökonvektio ja lämpösäteily ovat kolme pääasiallista lämmönsiirtotapaa, koska lämpösäteilyn kerroin on pieni, sen vaikutus voidaan yleensä jättää huomiotta, johtuminen ja konvektio ovat hallitsevia lämmönpoistomenetelmiä. Pienemmän tehon kuitulaser, yleensä vain harkita kuitujen luonnollinen konvektio lämmönpoisto, lämpösäteily on vähemmän vaikutusta, voidaan harkita asianmukaisesti.
Konvektiolämmönsiirto sisältää pääasiassa luonnollisen konvektion lämmönsiirron ja pakkokonvektiolämmönsiirron. Konvektiivisen lämmönpoiston määräävä tekijä on konvektiivisen lämmönsiirtokertoimen koko. Konvektiivinen lämmönsiirtokerroin h liittyy nesteen ominaisuuksiin, virtausnopeuteen ja konvektioalueeseen. Kuten taulukosta 1 näkyy, samoissa olosuhteissa pakotetun konvektion lämmönsiirtokerroin on suurempi kuin luonnollisen konvektion lämmönsiirtokerroin, vesikonvektion lämmönsiirtokerroin on useita kertoja ilman konvektion lämmönsiirtokerroin. Mitä suurempi konvektiivinen lämmönsiirtokerroin on, sitä parempi on kuidun lämmönpoisto. Luonnollista ilman konvektio-lämmönpoistoa käytetään yleensä pienemmän tehon kuitulaserissa.
Kun kuitulaser tuottaa satoja watteja tai kilowatteja tehoa, lämmönpoistovaatimuksia on vaikea täyttää puhtaalla konvektiojäähdytyksellä, ja on tarpeen valita tietty lämmönjohtamismenetelmä lämmön johtamiseksi kuidusta tiettyyn jäähdytyselementtiin. ja suorita sitten tehokas lämmönjohtavuus tai konvektio diffuusio jäähdytyselementin läpi. Valokuidun ja jäähdytyselementin kosketusmuoto tai käsittelypinta ei sovi täydellisesti, kuten kuvassa 4 näkyy, ja kosketinrajapinnassa on onteloita, jotka estävät lämmönjohtamisen. Pääasiallinen valokuidun ja jäähdytyselementin väliseen lämmönjohtavuuteen vaikuttava tekijä on lämmönresistanssi, joka mittaa lämmönjohtavuuden tasoa lämmönvaihtorajapintojen välillä.
Optisen kuidun ja jäähdytyselementin välisen lämpövastuksen teoreettinen malli voidaan yksinkertaistaa seuraavasti
Missä Ts on kuidun pintalämpötila, T∞ on jäähdytyselementin lämpötila, q″ on lämpövirta (W/m2), joka on lämpökuorman q′ (W/m) suhde kehään, Rcontact on lämpökosketusvastus, Rcond on rakokerroksen lämpövastus, L on rakokerroksen paksuus, k on täyteaineen lämmönjohtavuus raossa ja A on läpi kulkevan lämpövuon pinta-ala. . Ottamalla yllä oleva malli voidaan nähdä, että pienemmän lämpövastuksen varmistaminen voi alentaa optisen kuidun lämpötilaa. Koska kahdessa kosketinrajapinnassa olevalla ilmalla on erittäin alhainen lämmönjohtavuus (kair=0,026 W/mK), lämpövastusta voidaan vähentää tehokkaasti täyttämällä lämpörajapintamateriaali (TIM) korkealla lämmönjohtavuudella, kun taas rakokerroksen L paksuus on mahdollisimman pieni.
Raon paksuuden pienentämisen ja lämmönjohtavuuden lisäämisen lisäksi kuidun pintalämpötilaa voidaan alentaa säätämällä jäähdytyselementin muotoa. Yleiset suorakaiteen muotoiset, V:n ja U:n muotoiset loven jäähdytyselementtirakenteet on esitetty kuvassa 5. Kolmen erilaisen urarakenteen lämpövastus uudelleenpinnoitetun kuidun sulamispisteelle arvioitiin, ja muiden parametrien mukaan U-muotoinen. lyhyimmällä kehällä varustetulla uralla on pienin lämpövastus ja parempi jäähdytysvaikutus, kun taas V-muotoisella uralla, jolla on pisin kehä, on suurin lämpövastus ja huonompi jäähdytysvaikutus, ja ero ei ole ilmeinen käytännön sovelluksissa, ja U-tyyppinen ja V-tyyppisiä rakenteita käytetään useammin, ja lämmönpoistovaikutus on selvästi parempi kuin puhtaasti tasomaisilla jäähdytyselementeillä.
Kun kuitulaseria käytetään pienellä teholla, se voidaan ilmajäähdyttää puolijohdejäähdytysmoduulilla (TEC) ja jäähdytyselementillä, ja kun kuitulaseria käytetään suuremmalla teholla, se voidaan jäähdyttää vesijäähdytyksellä vakaan toiminnan varmistamiseksi lämpötila.Li et ai. sovelsi TEC:tä EYDFL:n ulkoiseen jäähdytykseen ja käytti kaksipäistä pumppausrakennetta TEC:n kiinnittämiseen reuna-alumiiniseen jäähdytyselementtiin ensimmäiselle 10,2 cm:n kuidulle suurella teholla, ja U-muotoinen ura on esitetty kuvassa 12(a). U-muotoinen ura on esitetty kuvassa 12(a). Kuvan 6(b) sininen käyrä osoittaa jäähdytyselementin kanssa kosketuksissa olevan kuidun lämpötilajakauman ja punainen käyrä on kuidun teoreettinen lämpötilajakauma, ja TEC:n ja jäähdytyselementin käyttö alentaa tehokkaasti kuitujen lämpötilaa. kuitua.
Suuritehoisen kuitulaserin osalta monet tutkimukset ovat ottaneet kohdennettua lämmönpoistokäsittelyä suuren tehon saavuttamiseksi kilowattitason yläpuolella ilman epälineaarista vaikutusta ja lämpövaurioilmiötä, ja hyvä lämmönhallintatekniikka varmistaa kuitulaserin vakaan toiminnan. Kuitujen lämmönpoisto suoritetaan tutkimuksessa pääosin tasokäämin ja sylinterikäämin avulla käyttäen metallisia jäähdytyslevyjä, joihin on kaiverrettu U- tai V-tyypin urat, ja kuidun ja urien välinen kosketusrako täytetään lämpöä johtavalla silikonilla. rasvaa (lämmönjohtavuus on yleensä suurempi kuin 2 W/mK) ottamaan lämpöä pois vesijäähdytyksen avulla ja sen rakenne on esitetty kuvassa 7.
Tehokkaan kuitulaser-lämmönhallintateknologian, puolijohdepumppauksen, kuitujen kytkennän ja päällystyksen optisen suodatuksen ja muiden keskeisten teknologioiden kehittämisen myötä lämpövaikutus yhtenä tehonlisäyksen pullonkauloista on hyvin hallittavissa ja kuitulaserin teho. paranee edelleen. Samaan aikaan tehokas lämmönhallintatekniikka voi myös edistää integroidun kuitulaser-pakkaustekniikan kehitystä, jotta suuritehoista kuitulaseria voidaan soveltaa useampaan ympäristöön.
