1. Pozadí
Vláknový laser je laser, který jako médium zisku používá skleněné vlákno dopované prvky vzácných zemin, které má poměr plochy/objemu více než 1000krát větší než u tradičního laseru s pevným blokem, s dobrým výkonem odvádění tepla. Pro sto wattů vláknového laseru může přirozený odvod tepla splnit požadavky na odvod tepla. S rychlým rozvojem vláknových laserů se však jejich výstupní výkon rok od roku zvyšuje, a to i v kilowattovém měřítku, z různých důvodů, jako je kvantová ztráta, vlákno způsobí vážné tepelné účinky. Tepelná difúze materiálu matrice způsobuje pnutí a změny indexu lomu, nízký index lomu polymerační vrstvy je náchylný k tepelnému poškození, které může vážně vést k prasknutí tepelného vlákna; s nepřetržitou akumulací tepla se teplota dopovaného jádra zvýší, počet částic v úrovni subenergie laseru se zvyšuje, což vede ke zvýšení prahového výkonu a sklonu účinnosti laseru klesá, zatímco snížení kvantové účinnosti způsobí změny výstupní vlnové délky . Za účelem dalšího zvýšení výstupního výkonu laseru bude vláknový laser odolávat vstřikování světla vyššímu výkonu čerpadla a hustotě energie výstupu signálního světla, řešení jeho tepelných účinků je vážnou výzvou, které čelí vysokovýkonný vláknový laserový systém.
2. Zdroj tepelných účinků ve vláknovém laseru
2.1 Kvantový ztrátový efekt
Kvantový ztrátový efekt je hlavním zdrojem tepla v oblasti jádra vlákna je také zdrojem vlastního tepla. Vzhledem k přirozenému rozdílu mezi vlnovou délkou pumpy a vlnovou délkou signálu jsou všechny vláknové laserové systémy doprovázeny určitým procentem kvantové ztráty. Vezmeme-li jako příklad výstupní vlnovou délku laseru 1080 nm, podíl kvantové ztráty při vlnové délce čerpadla 915 nm je asi 15,3 procenta.
2.2 Vícenásobné ztráty
Povlaky vláken nad kritickou teplotou 80 stupňů způsobí denaturaci materiálu nebo oděru povrchu a další jevy. Při vysokovýkonném kontinuálním provozu vláknového laseru je velmi pravděpodobné, že povlaky vláken překročí mez tepelného zatížení, které lze tolerovat, což má za následek únik světla z pláště a nakonec může způsobit celkové vyhoření laseru.
Bod tání vlákna má závažnější tepelný účinek, hlavně ze dvou hledisek: 1) vláknitý materiál a překryvný materiál absorpce světla přeměnou vytvoří teplo, v rozsahu krátkých délek, téměř úplně průhlednou překryvnou vrstvu na absorpci světla je velmi malý, ale jeho povrch vytvoří nějaké mikrodutiny, vzduch je špatným vodičem tepla, přítomnost dutin zvyšuje tepelný odpor, takže je snadné vytvořit tepelnou depozici v bodě fúze Proto bod fúze je náchylný k tepelnému usazování, což má za následek výrazně vyšší teploty; 2) parametry fúze nejsou vhodné nebo se dva úseky strukturálních parametrů optického vlákna neshodují, což povede ke ztrátě fúze, přítomnost tepelného odporu způsobuje nárůst teploty v bodě fúze. Nárůst teploty způsobuje tepelné poškození optického vlákna a zároveň má větší vliv na numerickou aperturu optického vlákna a změna numerické apertury výrazně ovlivňuje vedení světla.
2.3 Spontánní radiační účinek
Ve struktuře MOPA, když je signální světlo slabé, může velké množství injekce světla pumpy vést ke zvýšení pravděpodobnosti spontánního záření vlákna (ASE). Velké množství náhodného spontánního záření uniká z jádra do skleněného pláště i do povlaku vlákna a přehřívá a spálí organický povlak. Kromě toho generování ASE také zvyšuje kvantovou ztrátu, což vede ke zvýšenému zahřívání v oblasti jádra vlákna.
2.4 Stimulovaný Ramanův rozptylový efekt
Se vznikem ultravýkonných vláknových laserů se hustota výkonu laseru v oblasti jádra postupně zvyšuje a stimulovaný Ramanův rozptylový efekt (SRS) se postupně stává hlavním limitujícím faktorem pro zvýšení výkonu. Během provozu s vysokým výkonem, když optický výkon laserového signálu dosáhne prahové hodnoty SRS, signální laser excituje a pumpuje Ramanovo světlo s nižší frekvencí, což má za následek proces zesílení Ramanova světla. Současně, spolu s kvantovou ztrátou, SRS zhorší problém zahřívání v oblasti jádra vlákna.
3. Řešení tepelného jevu
Tepelný efekt vláknového laseru má nezanedbatelný vliv na vlákno a výstupní charakteristiky, proto je velmi důležité snížit negativní vliv tepelného efektu. Potlačení tepelného efektu se zaměřuje především na následující tři aspekty:
1) Rozumný výběr parametrů vlákna podle teplotního teoretického modelu vlákna;
2) Rozumný výběr struktury čerpání a režimu čerpání přispívá k realizaci rovnoměrného rozložení teploty a snížení tepelného účinku;
3) Výběr účinného schématu vnějšího odvodu tepla může výrazně snížit negativní dopad tepelných účinků.
3.1 Optimalizace parametrů vlákna
Hlavními faktory ovlivňujícími rozložení teploty optického vlákna jsou tepelná vodivost jádra a vnitřního a vnějšího pláště, radiální velikost, koeficient absorpce a délka optického vlákna. Rozumným výběrem parametrů vlákna lze účinně řídit distribuci tepla vlákna, aby byl zajištěn normální a stabilní provoz vlákna.
Větší velikost jádra může snížit teplotu jádra, ale příliš velká ovlivní kvalitu paprsku. Povlaková vrstva jako vnější médium vedení tepla vlákna, její tloušťka má velký vliv na pracovní teplotu vlákna. Teoreticky je teplotní rozdíl mezi vnitřním a vnějším povrchem povlakové vrstvy a tloušťkou pozitivně korelován, čím tenčí vrstva povlaku, tím menší je odpor vůči vedení tepla, tím menší je teplotní rozdíl mezi vnitřním a vnějším povrchem celku. povlakovou vrstvou, tím vyšší výkon systém vydrží. Avšak v důsledku vlivu konvekčního přenosu tepla na povrch optického vlákna a potahová vrstva má roli ochrany optického vlákna, a proto je potřeba rozumně zvolit tloušťku potahové vrstvy.
Když se vlákno ochladí na vzduchu, vztah mezi odporem tepelné vodivosti Rcond, odporem tepelné konvekce Rconv a celkovým tepelným odporem Rtot a tloušťkou potahové vrstvy je znázorněn na obrázku 2(a). Tloušťka povlakové vrstvy pozitivně koreluje s Rcond a negativně koreluje s Rconv, takže je nutné rozumně zvolit tloušťku povlakové vrstvy, aby byl zajištěn nízký celkový tepelný odpor. Vztah mezi délkou vlákna a koeficientem absorpce a teplotou je znázorněn na obr. 2(b), snížením koeficientu absorpce vlákna lze účinně snížit absorpci čerpacího výkonu, snížení absorpce čerpacího výkonu znamená snížení tepelného depozice, která snižuje teplotu vlákna, ale pro dosažení stejného výstupu je potřeba zvětšit délku vlákna, Wang et al. studovali celkový čerpací výkon 1000 W, duální čerpací výkon 500 W, použití 0,25 dpi se používá k dosažení stejného výkonu. Wang a kol. ukázaly, že celkový čerpací výkon byl 1000 W a duální čerpací výkon byl 500 W. Výstupní výkon byl 630 W s 60 m dlouhým vláknem s absorpčním koeficientem 0,25 dB a 725 W s 1,0 dB 20 m dlouhým vláknem, ale maximální teplota druhého vlákna byla vyšší než teplota prvního vlákna asi o 200 stupňů. Maximální teplota druhého vlákna byla vyšší než teplota prvního vlákna. Vzhledem k tomu, že čerpací konec čerpacího výkonu je nejsilnější, snížení absorpčního koeficientu vlákna může účinně snížit absorpci čerpacího výkonu, ale za předpokladu zohlednění účinnosti čerpacího výkonu je laser zcela nízký -dopovaná vlákna s nízkou absorpcí, nutnost prodloužit délku vlákna, což následně vede ke vzniku dalších problémů, jako je nelineární efekt, stejně jako pokles výstupní účinnosti a tak dále.
3.2 Výběr způsobu čerpání
Rozložení je znázorněno na obr. 3. Obrázek 3 (e) ukazuje nestejnoměrný koeficient středních částí koeficientu absorpce vlákna je vyšší než na obou stranách, aby bylo zajištěno, že rozložení teploty je v zásadě rovnoměrné, výstupní výkon je stejné jako na obrázku 3 (d), když je požadované vlákno zkráceno o více než 20 m; Obrázek 3 (f) bude čerpat energii do sedmi segmentů, rozložení teploty je rovnoměrnější a teplota může být řízena ve velmi ideálním rozsahu. Pro vláknové lasery má velký význam čerpací metoda. 2011 Jena University postavila kilowattový boční čerpací vláknový laser pomocí distribuovaného bočního čerpacího vlákna, 2014 SPI uvedla na trh produkty s bočním čerpacím vláknovým laserem v kilowattovém měřítku, v roce 2015 Čína oznámila, že Národní univerzita obranných technologií a Dvacátý třetí výzkumný ústav z China Electronics Technology Group společně vyvinuli distribuované bočně připojené plášťové čerpací vlákno a postavili distribuovaný boční spojovaný vláknový laser s plášťovým čerpacím vláknem. opláštění čerpacího vlákna a postavili plně lokalizovaný vláknový laser, dosahující výkonu v kilowattovém měřítku. Použití vícesegmentového nerovnoměrného čerpání nebo distribuované boční čerpací struktury může zajistit, že teplota vlákna je rovnoměrná, snížit dopad tepelných účinků a účinně zkrátit délku vlákna. Klíčem k této technologii je však distribuované boční čerpání vláken, snížení ztráty fúzní vazby každé části vlákna a zlepšení účinnosti. S průlomem a rozvojem klíčových technologií, jako je návrh vláken, tažení a spojování fúzí, bude při vývoji vysoce výkonných vláknových laserů použito více metod čerpání, které lze kombinovat s účinnou technologií externího rozptylu tepla, aby se účinně zabránilo vytváření tepelné efekty ve vláknu a dosažení stabilního výkonu výkonnějších laserů.
3.3 Návrh odvodu tepla
Vedení tepla, tepelné proudění a tepelné sálání jsou tři hlavní způsoby přenosu tepla, protože koeficient tepelného sálání je malý, jeho vliv lze obecně ignorovat, vedení a konvekce jsou dominantními způsoby šíření tepla. Pro menší výkon vláknového laseru, obvykle pouze zvážit vlákno přirozené konvekční odvod tepla, tepelné záření má menší dopad, lze považovat za vhodné.
Přenos tepla konvekcí zahrnuje především přenos tepla přirozeným prouděním a přenos tepla nuceným prouděním. Určujícím faktorem odvodu tepla konvekcí je velikost součinitele prostupu tepla konvekcí. Součinitel prostupu tepla konvekcí h souvisí s vlastnostmi tekutiny, průtokem a konvekční plochou. Jak je uvedeno v tabulce 1, za stejných podmínek je koeficient prostupu tepla nucenou konvekcí vyšší než koeficient prostupu tepla přirozenou konvekcí, koeficient prostupu tepla konvekcí vody je několikanásobkem koeficientu prostupu tepla prouděním vzduchu. Čím větší je koeficient přenosu tepla konvekcí, tím lepší je odvod tepla vlákna. Přirozený odvod tepla prouděním vzduchu se obecně používá u vláknových laserů s nižším výkonem.
Když vláknový laser vydává stovky wattů nebo kilowattů výkonu, je obtížné splnit požadavky na odvod tepla čistým konvekčním chlazením a je nutné zvolit konkrétní způsob vedení tepla pro vedení tepla z vlákna do konkrétního chladiče. a poté proveďte účinné vedení tepla nebo konvekci difúzi přes chladič. Tvar kontaktu nebo povrch zpracování optického vlákna a chladiče nesedí dokonale, jak je znázorněno na obrázku 4, a na rozhraní kontaktu jsou dutiny, které brání vedení tepla. Hlavním faktorem ovlivňujícím tepelnou vodivost mezi optickým vláknem a chladičem je tepelný odpor, který je měřítkem úrovně tepelné vodivosti mezi rozhraními tepelné výměny.
Teoretický model tepelného odporu mezi optickým vláknem a chladičem lze zjednodušit jako
Kde Ts je povrchová teplota vlákna, T∞ je teplota chladiče, q″ je tepelný tok (W/m2), což je poměr tepelného zatížení q′ (W/m) k obvodu, Rkontakt je tepelný kontaktní odpor, Rcond je tepelný odpor vrstvy s mezerou, L je tloušťka vrstvy s mezerou, k je tepelná vodivost výplňového materiálu v mezeře a A je plocha povrchu procházejícího tepelného toku. . Vezmeme-li výše uvedený model, lze vidět, že zajištění menšího tepelného odporu může snížit teplotu optického vlákna. Protože vzduch na dvou kontaktních rozhraních má velmi nízkou tepelnou vodivost (kair=0,026 W/mK), lze tepelný odpor účinně snížit vyplněním materiálu tepelného rozhraní (TIM) s vysokou tepelnou vodivostí, přičemž tloušťka mezerové vrstvy L je co nejmenší.
Kromě snížení tloušťky mezery a zvýšení tepelné vodivosti lze snížit povrchovou teplotu vlákna řízením tvaru chladiče. Běžné pravoúhlé, vrubové a vrubové zářezové konstrukce chladiče jsou znázorněny na obr. 5. Byl vyhodnocen tepelný odpor tří různých drážkových struktur pro bod tavení znovu potaženého vlákna a s ostatními parametry konzistentní, tvar U drážka s nejkratším obvodem má nejmenší tepelný odpor a lepší chladicí účinek, zatímco drážka tvaru V s nejdelším obvodem má největší tepelný odpor a horší chladicí účinek a rozdíl není zřejmý v praktických aplikacích a typ U Častěji se používají struktury typu V a účinek rozptylu tepla je zjevně lepší než u čistě rovinných chladičů.
Když je vláknový laser provozován při nízkém výkonu, může být chlazen vzduchem pomocí polovodičového chladicího modulu (TEC) a chladiče, a když je vláknový laser provozován s vyšším výkonem, může být chlazen vodou, aby byla zajištěna stabilní práce. teplota.Li a kol. aplikoval TEC na vnější chlazení EYDFL a použil dvoukoncovou čerpací strukturu k aplikaci TEC na obvodový hliníkový chladič pro prvních 10,2 cm vlákna při provozu s vysokým výkonem a drážka ve tvaru U je znázorněna na Obr. 12(a). Drážka ve tvaru U je znázorněna na obr. 12(a). Modrá křivka na obr. 6(b) ukazuje rozložení teploty vlákna v kontaktu s chladičem a červená křivka je teoretické rozložení teploty vlákna a použití TEC a chladiče účinně snižuje teplotu vlákno.
U vysokovýkonného vláknového laseru přijalo velké množství výzkumů cílené zpracování rozptylu tepla k získání vysokého výstupního výkonu nad úrovní kilowattů bez nelineárního efektu a jevu tepelného poškození a dobrá technologie tepelného managementu zajišťuje stabilní provoz vláknového laseru. Ve studii se odvod tepla vlákna provádí hlavně rovinným vinutím a vinutím válce pomocí kovových chladičů s vyrytými drážkami typu U nebo V a kontaktní mezera mezi vláknem a drážkami je vyplněna tepelně vodivým silikonem. mazivo (tepelná vodivost je obecně větší než 2 W/mK) k odvádění tepla pomocí vodního chlazení a jeho struktura je znázorněna na obr. 7.
S rozvojem technologie tepelného managementu vysoce výkonného vláknového laseru, čerpání polovodičů, optického filtrování s vlákny a opláštěním a dalších klíčových technologií bude tepelný efekt jako jedna z překážek při zvyšování výkonu dobře řízen a výkon vláknového laseru se bude i nadále zlepšovat. Současně může efektivní technologie tepelného managementu také podporovat vývoj technologie balení integrovaného vláknového laseru, takže vysoce výkonný vláknový laser lze použít v širším rozsahu prostředí.
