1. Fons
El làser de fibra és un làser que utilitza una fibra de vidre dopada amb elements de terres rares com a mitjà de guany, que té una relació superfície/volum de més de 1000 vegades la d'un làser de bloc sòlid tradicional, amb un bon rendiment de dissipació de calor. Per a cent watts de làser de fibra, la dissipació de calor natural pot complir els requisits de dissipació de calor. Tanmateix, amb el ràpid desenvolupament dels làsers de fibra, la seva potència de sortida augmenta any rere any, fins i tot assolint l'escala de quilowatts, a causa de diverses raons, com ara la pèrdua quàntica, la fibra produirà efectes tèrmics greus. La difusió tèrmica del material de la matriu provoca estrès i canvis en l'índex de refracció, el baix índex de refracció de la capa de polimerització és propens a danys tèrmics, cosa que pot provocar greument l'explosió de la fibra tèrmica; amb l'acumulació contínua de calor, augmentarà la temperatura del nucli dopat, augmentarà el nombre de partícules al nivell de subenergia làser, provocant un augment de la potència llindar i l'eficiència de la inclinació del làser disminuirà, mentre que la disminució de l'eficiència quàntica provocarà canvis en la longitud d'ona de sortida. . Per millorar encara més la potència de sortida del làser, el làser de fibra suportarà una injecció de llum de bomba de major potència i la densitat d'energia de la sortida de la llum del senyal, per resoldre els seus efectes tèrmics és un seriós repte que s'enfronta al sistema làser de fibra d'alta potència.
2. Font d'efectes tèrmics en làser de fibra
2.1 Efecte de pèrdua quàntica
L'efecte de pèrdua quàntica és la principal font de calor a l'àrea del nucli de la fibra també és la font de calor inherent. A causa de la diferència inherent entre la longitud d'ona de la bomba i la longitud d'ona del senyal, tots els sistemes làser de fibra van acompanyats d'un cert percentatge de pèrdua quàntica. Prenent com a exemple la longitud d'ona de sortida del làser de 1080 nm, la proporció de pèrdua quàntica a la longitud d'ona de la bomba de 915 nm és d'uns 15,3 per cent.
2.2 Pèrdues múltiples
Els recobriments de fibra per sobre de la temperatura crítica de 80 graus produiran desnaturalització del material o fregament superficial i altres fenòmens. En el funcionament de làser de fibra contínua d'alta potència, és molt probable que els recobriments de fibra superin el límit de càrregues tèrmiques que es poden tolerar, donant lloc a fuites de llum del revestiment i, en última instància, poden provocar l'esgotament global del làser.
El punt de fusió de la fibra té un efecte tèrmic més greu, principalment des de dos aspectes: 1) el material de fibra i l'absorció del material de recobriment de la conversió de la llum produiran calor, en el rang de longitud curta, una capa de recobriment gairebé completament transparent sobre l'absorció de la llum. és molt petita, però la seva superfície produirà alguns microbuits, l'aire és un mal conductor de la calor, la presència de buits fa que la resistència tèrmica sigui més gran, de manera que és fàcil produir deposició tèrmica al punt de fusió. Per tant, el punt de fusió és propens a la deposició tèrmica, donant lloc a temperatures significativament més altes; 2) els paràmetres de fusió no són adequats o dues seccions dels paràmetres estructurals de la fibra òptica no coincideixen, cosa que provocarà una pèrdua de fusió, la presència de resistència tèrmica fa que la temperatura augmenti al punt de fusió. L'augment de la temperatura provoca danys tèrmics a la fibra òptica i, al mateix temps, té un impacte més gran en l'obertura numèrica de la fibra òptica, i el canvi en l'obertura numèrica afecta significativament la guia de la llum.
2.3 Efecte de la radiació espontània
A l'estructura MOPA, quan la llum del senyal és feble, una gran quantitat d'injecció de llum de bomba pot provocar un augment de la probabilitat de radiació espontània de fibra (ASE). Una gran quantitat de llum de radiació espontània aleatòria es filtra des del nucli cap al revestiment de vidre, així com el recobriment de fibra i es sobreescalfa i crema el recobriment orgànic. A més, la generació d'ASE també augmenta la pèrdua quàntica, donant lloc a un augment de l'escalfament a la regió central de la fibra.
2.4 Efecte de dispersió Raman estimulat
Amb l'aparició de làsers de fibra d'alta potència, la densitat de potència del làser a la regió central augmenta gradualment i l'efecte de dispersió Raman estimulat (SRS) es converteix gradualment en el principal factor limitant per a la millora de la potència. Durant el funcionament d'alta potència, quan la potència òptica del senyal làser arriba a la condició de llindar de SRS, el làser de senyal excita i bombeja la llum Raman amb una freqüència més baixa, donant lloc al procés d'amplificació de la llum Raman. Al mateix temps, juntament amb la pèrdua quàntica, SRS agreujarà el problema d'escalfament a la regió central de la fibra.
3. Solució d'efecte tèrmic
L'efecte tèrmic del làser de fibra té un impacte no insignificant en les característiques de la fibra i de la sortida, per la qual cosa és de gran importància reduir l'impacte negatiu de l'efecte tèrmic. La supressió de l'efecte tèrmic se centra principalment en els tres aspectes següents:
1) Selecció raonable dels paràmetres de la fibra segons el model de teoria de la temperatura de la fibra;
2) La selecció raonable de l'estructura de bombeig i el mode de bombeig afavoreix la realització d'una distribució uniforme de la temperatura i la reducció de l'efecte tèrmic;
3) La selecció d'un esquema de dissipació de calor externa eficient pot reduir en gran mesura l'impacte negatiu dels efectes tèrmics.
3.1 Optimització dels paràmetres de la fibra
Els principals factors que afecten la distribució de la temperatura de la fibra òptica són la conductivitat tèrmica del nucli i el revestiment interior i exterior, la mida radial, el coeficient d'absorció i la longitud de la fibra òptica. Una selecció raonable dels paràmetres de la fibra pot controlar eficaçment la distribució de calor de la fibra per garantir el funcionament normal i estable de la fibra.
Una mida més gran del nucli pot reduir la temperatura del nucli, però massa gran afectarà la qualitat del feix. Capa de recobriment com a mitjà més extern de conducció de calor de la fibra, el seu gruix té una gran influència en la temperatura de treball de la fibra. Teòricament, la diferència de temperatura entre les superfícies interior i exterior de la capa de recobriment i el gruix es correlaciona positivament, com més prima és la capa de recobriment, menor és la resistència a la conducció de calor, menor és la diferència de temperatura entre les superfícies interior i exterior de tota la superfície. capa de recobriment, més gran serà la potència que pot suportar el sistema. Tanmateix, a causa de la influència de la transferència de calor convectiva a la superfície de la fibra òptica, la capa de recobriment té el paper de protegir la fibra òptica i, per tant, cal seleccionar raonablement el gruix de la capa de recobriment.
Quan la fibra es refreda a l'aire, la relació entre la resistència de conducció tèrmica Rcond, la resistència a la convecció tèrmica Rconv i la resistència tèrmica total Rtot i el gruix de la capa de recobriment es mostra a la figura 2 (a). El gruix de la capa de recobriment està correlacionat positivament amb Rcond i negativament amb Rconv, per la qual cosa és necessari seleccionar raonablement el gruix de la capa de recobriment per garantir una baixa resistència tèrmica total. La relació entre la longitud de la fibra i el coeficient d'absorció i la temperatura es mostra a la figura 2 (b), reduint el coeficient d'absorció de la fibra, l'absorció de la potència de bombeig es pot reduir efectivament, la reducció de l'absorció de la potència de bombeig significa la reducció de la potència tèrmica. deposició, que redueix la temperatura de la fibra, però per aconseguir la mateixa sortida cal augmentar la longitud de la fibra, Wang et al. va estudiar la potència de bombeig total d'1000 W, la potència de bombeig de doble extrem de 500 W, s'utilitza l'ús de 0,25 dpi per aconseguir la mateixa sortida. Wang et al. va demostrar que la potència de bombeig total era de 1000 W i la potència de bombeig de doble extrem era de 500 W. La potència de sortida era de 630 W amb una fibra de 60 m de llarg amb un coeficient d'absorció de 0,25 dB i 725 W amb una fibra de 1,0 dB de 20 m de llarg. però la temperatura màxima d'aquesta darrera fibra era més alta que la de la fibra anterior en uns 200 graus. La temperatura màxima d'aquesta darrera fibra era superior a la de la fibra anterior. Com que l'extrem de bombeig de la potència de bombeig és el més fort, tot i que reduir el coeficient d'absorció de la fibra pot reduir eficaçment l'absorció de la potència de bombeig, però sota la premissa de tenir en compte l'eficiència de l'absorció de bombeig, el làser si és completament baix -fibres dopades i de baixa absorció, la necessitat d'augmentar la longitud de la fibra, que al seu torn condueix a l'aparició d'altres problemes com l'efecte no lineal, així com una disminució de l'eficiència de sortida, etc.
3.2 Selecció del mètode de bombeig
La distribució es mostra a la figura 3. La figura 3 (e) mostra que el coeficient no uniforme de les seccions mitjanes del coeficient d'absorció de la fibra és més alt que els dos costats, per garantir que la distribució de la temperatura sigui bàsicament uniforme, la potència de sortida és el mateix que a la figura 3 (d) quan la fibra requerida s'escurça més de 20 m; La figura 3 (f) es bombejarà la potència en set segments, la distribució de la temperatura és més uniforme i la temperatura es pot controlar en un rang molt ideal. El mètode de bombeig és de gran importància per als làsers de fibra. L'any 2011, la Universitat de Jena va construir un làser de fibra de bombament lateral a escala de quilowatts mitjançant fibra de bombament lateral distribuïda, 2014 SPI va llançar productes làser de fibra de bombament lateral a escala de quilowatts, el 2015, la Xina va informar que la Universitat Nacional de Tecnologia de Defensa i el Vint-i-tercer Institut de Recerca del Grup de Tecnologia Electrònica de la Xina va desenvolupar conjuntament una fibra de bombament de revestiment acoblada lateral distribuïda i va construir un làser de fibra d'acoblament lateral distribuït amb una fibra de bombament de revestiment. revestiment de fibra de bombament i va construir un làser de fibra totalment localitzat, aconseguint una potència a escala de quilowatts. L'ús d'un bombament no uniforme multisegment o una estructura de bombament lateral distribuïda pot garantir que la temperatura de la fibra sigui uniforme, reduir l'impacte dels efectes tèrmics i escurçar efectivament la longitud de la fibra. No obstant això, la tracció de fibra de bombament lateral distribuïda, la reducció de la pèrdua d'acoblament de fusió de cada secció de la fibra i la millora de l'eficiència són la clau de la tecnologia. Amb l'avenç i el desenvolupament de tecnologies clau com ara el disseny de fibra, l'estirament i l'empalmament de fusió, s'aplicaran més mètodes de bombeig en el desenvolupament de làsers de fibra d'alta potència, que es poden combinar amb una tecnologia de dissipació de calor externa eficaç per inhibir eficaçment la generació de efectes tèrmics a la fibra i aconseguir una sortida estable de làsers de major potència.
3.3 Disseny de dissipació de calor
La conducció tèrmica, la convecció tèrmica i la radiació tèrmica són les tres vies principals de transferència de calor, ja que el coeficient de radiació tèrmica és petit, la seva influència es pot ignorar en general, la conducció i la convecció són els mètodes de dissipació de calor dominants. Per a làser de fibra de potència més petita, normalment només es té en compte la dissipació de calor per convecció natural de la fibra, la radiació tèrmica té menys impacte, es pot considerar adequadament.
La transferència de calor per convecció inclou principalment la transferència de calor per convecció natural i la transferència de calor per convecció forçada. El factor determinant de la dissipació de calor convectiva és la mida del coeficient de transferència de calor convectiva. El coeficient de transferència de calor convectiva h està relacionat amb les propietats del fluid, el cabal i l'àrea de convecció. Com es mostra a la Taula 1, en les mateixes condicions, el coeficient de transferència de calor de convecció forçada és superior al coeficient de transferència de calor de convecció natural, el coeficient de transferència de calor de convecció d'aigua és diverses vegades el coeficient de transferència de calor de convecció d'aire. Com més gran sigui el coeficient de transferència de calor convectiva, millor serà la dissipació de calor de la fibra. La dissipació de calor per convecció d'aire natural s'utilitza generalment en làser de fibra de baixa potència.
Quan el làser de fibra produeix centenars de watts o quilowatts de potència, és difícil complir els requisits de dissipació de calor mitjançant un refredament per convecció pura, i cal triar un mètode específic de conducció de calor per conduir la calor de la fibra a un dissipador de calor específic. , i després dur a terme una conducció de calor eficient o difusió per convecció a través del dissipador de calor. La forma de contacte o la superfície de processament de la fibra òptica i el dissipador de calor no s'ajusten perfectament, com es mostra a la figura 4, i hi ha buits a la interfície de contacte, que dificultarà la conducció de calor. El principal factor que afecta la conducció tèrmica entre la fibra òptica i el dissipador de calor és la resistència tèrmica, que és una mesura del nivell de conducció tèrmica entre les interfícies d'intercanvi de calor.
El model teòric de resistència tèrmica entre la fibra òptica i el dissipador de calor es pot simplificar com
On Ts és la temperatura superficial de la fibra, T∞ és la temperatura del dissipador de calor, q″ és el flux de calor (W/m2), que és la relació entre la càrrega tèrmica q′ (W/m) i el perímetre, Rcontact és la resistència tèrmica de contacte, Rcond és la resistència tèrmica de la capa de buit, L és el gruix de la capa de buit, k és la conductivitat tèrmica del material de farciment a la bretxa i A és la superfície del flux de calor que passa per . Prenent el model anterior, es pot veure que assegurar una menor resistència tèrmica pot reduir la temperatura de la fibra òptica. Com que l'aire a les dues interfícies de contacte té una conductivitat tèrmica molt baixa (kair=0.026 W/mK), la resistència tèrmica es pot reduir eficaçment omplint el material de la interfície tèrmica (TIM) amb una alta conductivitat tèrmica, mentre que el gruix de la capa de buit L és el més petit possible.
A més de reduir el gruix de la bretxa i augmentar la conductivitat tèrmica, la temperatura de la superfície de la fibra es pot reduir controlant la forma del dissipador de calor. A la figura 5 es mostren estructures comunes de dissipador de calor rectangulars, en forma de V i en forma d'U. Es va avaluar la resistència tèrmica de tres estructures de solc diferents per al punt de fusió de la fibra recoberta i, amb altres paràmetres consistents, la resistència en forma d'U. la ranura amb el perímetre més curt té la menor resistència tèrmica i un millor efecte de refrigeració, mentre que la ranura en forma de V amb el perímetre més llarg té la major resistència tèrmica i un pitjor efecte de refrigeració, i la diferència no és òbvia en aplicacions pràctiques, i el tipus U i les estructures de tipus V s'utilitzen més sovint, i l'efecte de dissipació de calor és òbviament superior al dels dissipadors de calor purament plans.
Quan el làser de fibra funciona a baixa potència, es pot refrigerar per aire mitjançant el mòdul de refrigeració de semiconductors (TEC) i el dissipador de calor, i quan el làser de fibra funciona a una potència més alta, es pot refrigerar per aigua per garantir un funcionament estable. temperatura.Li et al. va aplicar el TEC a la refrigeració externa de l'EYDFL i va utilitzar l'estructura de bombament de doble extrem per aplicar el TEC al dissipador de calor perifèric d'alumini per a la primera fibra de 10,2 cm en funcionament d'alta potència, i la ranura en forma d'U es mostra a la figura. 12(a). La ranura en forma d'U es mostra a la figura 12(a). La corba blava de la figura 6(b) indica la distribució de temperatura de la fibra en contacte amb el dissipador de calor, i la corba vermella és la distribució teòrica de la temperatura de la fibra, i l'ús de TEC i dissipador de calor redueix eficaçment la temperatura de la fibra.
Per al làser de fibra d'alta potència, un gran nombre d'investigacions han adoptat un tractament de dissipació de calor dirigit per obtenir una gran potència de sortida per sobre del nivell de quilowatts sense efecte no lineal i fenomen de dany tèrmic, i una bona tecnologia de gestió tèrmica garanteix el funcionament estable del làser de fibra. En l'estudi, la dissipació de calor de la fibra es realitza principalment mitjançant bobinatge pla i bobinatge del cilindre, utilitzant dissipadors de calor metàl·lics amb ranures de tipus U o V gravades, i la bretxa de contacte entre la fibra i les ranures s'omple amb silicona tèrmicament conductora. greix (la conductivitat tèrmica és generalment superior a 2 W/mK) per eliminar la calor mitjançant la refrigeració per aigua, i la seva estructura es mostra a la figura 7.
Amb el desenvolupament de la tecnologia de gestió tèrmica de làser de fibra d'alta potència, el bombeig de semiconductors, l'acoblament de fibres i el filtratge òptic de revestiment i altres tecnologies clau, l'efecte tèrmic com un dels colls d'ampolla en la millora de la potència estarà ben controlat i la potència del làser de fibra. seguirà millorant. Al mateix temps, la tecnologia de gestió tèrmica eficaç també pot promoure el desenvolupament de la tecnologia d'embalatge integrada amb làser de fibra, de manera que el làser de fibra d'alta potència es pot aplicar a una gamma més àmplia d'entorns.
