1. Sfondo
Fiber Laser è un laser che utilizza una fibra di vetro drogata con elementi di terre rare come mezzo di guadagno, che ha un rapporto superficie/volume di oltre 1000 volte quello di un tradizionale laser a blocchi solidi, con buone prestazioni di dissipazione del calore. Per cento watt di laser in fibra, la dissipazione del calore naturale può soddisfare i requisiti di dissipazione del calore. Tuttavia, con il rapido sviluppo dei laser in fibra, la loro potenza di uscita aumenta di anno in anno, raggiungendo anche la scala dei kilowatt, a causa di una serie di motivi, come la perdita quantica, la fibra produrrà gravi effetti termici. La diffusione termica del materiale della matrice provoca sollecitazioni e variazioni dell'indice di rifrazione, un basso indice di rifrazione dello strato di polimerizzazione è soggetto a danni termici, che possono portare seriamente allo scoppio della fibra termica; con il continuo accumulo di calore, la temperatura del nucleo drogato aumenterà, il numero di particelle nel livello di subenergia del laser aumenterà portando ad un aumento della potenza di soglia e l'efficienza della pendenza del laser diminuirà, mentre la diminuzione dell'efficienza quantistica causerà cambiamenti nella lunghezza d'onda di uscita . Al fine di migliorare ulteriormente la potenza di uscita del laser, il laser a fibra resisterà all'iniezione di luce della pompa di maggiore potenza e alla densità di energia dell'uscita della luce del segnale, per risolvere i suoi effetti termici è una seria sfida per il sistema laser a fibra ad alta potenza.
2. Sorgente degli effetti termici nel laser a fibra
2.1 Effetto di perdita quantistica
L'effetto di perdita quantistica è la principale fonte di calore nell'area del nucleo della fibra ed è anche la fonte di calore intrinseco. A causa della differenza intrinseca tra la lunghezza d'onda della pompa e la lunghezza d'onda del segnale, tutti i sistemi laser a fibra sono accompagnati da una certa percentuale di perdita quantica. Prendendo come esempio la lunghezza d'onda di uscita del laser di 1080 nm, la percentuale di perdita quantica alla lunghezza d'onda della pompa di 915 nm è di circa il 15,3%.
2.2 Perdite multiple
I rivestimenti in fibra al di sopra della temperatura critica di 80 gradi produrranno denaturazione del materiale o sfregamento superficiale e altri fenomeni. Nel funzionamento del laser a fibra continua ad alta potenza, è molto probabile che i rivestimenti in fibra superino il limite dei carichi termici che possono essere tollerati, con conseguente perdita di luce del rivestimento e, in ultima analisi, possono causare la bruciatura complessiva del laser.
Il punto di fusione della fibra ha un effetto termico più grave, principalmente da due aspetti: 1) il materiale in fibra e l'assorbimento del materiale di rivestimento della conversione della luce produrranno calore, nel breve intervallo di lunghezza, strato di rivestimento quasi completamente trasparente sull'assorbimento della luce è molto piccola, ma la sua superficie produrrà dei microvuoti, l'aria è un cattivo conduttore di calore, la presenza di vuoti fa aumentare la resistenza termica, quindi è facile produrre deposizione termica nel punto di fusione Pertanto, il punto di fusione è soggetto a deposizione termica, con conseguenti temperature significativamente più elevate; 2) i parametri di fusione non sono adatti o due sezioni dei parametri strutturali della fibra ottica non corrispondono, il che porterà alla perdita di fusione, la presenza di resistenza termica fa aumentare la temperatura nel punto di fusione. L'aumento della temperatura provoca danni termici alla fibra ottica e allo stesso tempo ha un impatto maggiore sull'apertura numerica della fibra ottica e la variazione dell'apertura numerica influisce in modo significativo sulla guida della luce.
2.3 Effetto della radiazione spontanea
Nella struttura MOPA, quando la luce del segnale è debole, una grande quantità di iniezione di luce della pompa può portare ad un aumento della probabilità di radiazione spontanea della fibra (ASE). Una grande quantità di luce di radiazione spontanea casuale fuoriesce dal nucleo nel rivestimento di vetro e nel rivestimento in fibra e surriscalda e brucia il rivestimento organico. Inoltre, la generazione di ASE aumenta anche la perdita quantica, portando a un aumento del riscaldamento nella regione centrale della fibra.
2.4 Effetto di diffusione Raman stimolato
Con l'emergere di laser a fibra ad altissima potenza, la densità di potenza del laser nella regione centrale aumenta gradualmente e l'effetto di scattering Raman (SRS) stimolato diventa gradualmente il principale fattore limitante per il potenziamento della potenza. Durante il funzionamento ad alta potenza, quando la potenza ottica del segnale laser raggiunge la condizione di soglia di SRS, il segnale laser eccita e pompa la luce Raman con una frequenza inferiore, determinando il processo di amplificazione della luce Raman. Allo stesso tempo, insieme alla perdita quantica, l'SRS aggraverà il problema del riscaldamento nella regione centrale della fibra.
3. Soluzione di effetto termico
L'effetto termico del laser in fibra ha un impatto non trascurabile sulla fibra e sulle caratteristiche di uscita, quindi è di grande importanza ridurre l'impatto negativo dell'effetto termico. La soppressione dell'effetto termico si concentra principalmente sui seguenti tre aspetti:
1) Selezione ragionevole dei parametri della fibra secondo il modello di teoria della temperatura della fibra;
2) Una ragionevole selezione della struttura di pompaggio e della modalità di pompaggio favorisce la realizzazione di una distribuzione uniforme della temperatura e la riduzione dell'effetto termico;
3) La selezione di un efficiente schema di dissipazione del calore esterno può ridurre notevolmente l'impatto negativo degli effetti termici.
3.1 Ottimizzazione dei parametri della fibra
I principali fattori che influenzano la distribuzione della temperatura della fibra ottica sono la conduttività termica del nucleo e del rivestimento interno ed esterno, la dimensione radiale, il coefficiente di assorbimento e la lunghezza della fibra ottica. Una ragionevole selezione dei parametri della fibra può controllare efficacemente la distribuzione del calore della fibra per garantire il funzionamento normale e stabile della fibra.
Una dimensione del nucleo più grande può ridurre la temperatura del nucleo, ma troppo grande influirà sulla qualità del raggio. Strato di rivestimento come mezzo più esterno di conduzione del calore della fibra, il suo spessore ha una grande influenza sulla temperatura di lavoro della fibra. Teoricamente, la differenza di temperatura tra le superfici interna ed esterna dello strato di rivestimento e lo spessore è correlata positivamente, più sottile è lo strato di rivestimento, minore è la resistenza alla conduzione del calore, minore è la differenza di temperatura tra le superfici interna ed esterna dell'intero strato di rivestimento, maggiore è la potenza che il sistema può sopportare. Tuttavia, a causa dell'influenza del trasferimento di calore convettivo sulla superficie della fibra ottica, lo strato di rivestimento ha il ruolo di proteggere la fibra ottica e pertanto è necessario selezionare ragionevolmente lo spessore dello strato di rivestimento.
Quando la fibra viene raffreddata all'aria, la relazione tra la resistenza di conduzione termica Rcond, la resistenza di convezione termica Rconv e la resistenza termica totale Rtot e lo spessore dello strato di rivestimento è mostrata nella Figura 2 (a). Lo spessore dello strato di rivestimento è correlato positivamente con Rcond e negativamente con Rconv, quindi è necessario selezionare ragionevolmente lo spessore dello strato di rivestimento per garantire una bassa resistenza termica totale. La relazione tra lunghezza della fibra e coefficiente di assorbimento e temperatura è mostrata in Fig. 2 (b), riducendo il coefficiente di assorbimento della fibra, l'assorbimento della potenza di pompaggio può essere efficacemente ridotto, la riduzione dell'assorbimento della potenza di pompaggio significa la riduzione della potenza termica deposizione, che riduce la temperatura della fibra, ma per ottenere la stessa potenza è necessario aumentare la lunghezza della fibra, Wang et al. ha studiato la potenza di pompaggio totale di 1000 W, la potenza di pompaggio dual-end di 500 W, l'uso di 0,25 dpi viene utilizzato per ottenere la stessa potenza. Wang et al. ha mostrato che la potenza di pompaggio totale era di 1000 W e la potenza di pompaggio dual-end era di 500 W. La potenza di uscita era di 630 W con una fibra lunga 60 m con coefficiente di assorbimento di 0,25 dB e 725 W con una fibra lunga 1,0 dB di 20 m, ma la temperatura massima di quest'ultima fibra era superiore a quella della prima fibra di circa 200 gradi. La temperatura massima di quest'ultima fibra era superiore a quella della prima fibra. Poiché l'estremità di pompaggio della potenza di pompaggio è la più forte, sebbene la riduzione del coefficiente di assorbimento della fibra possa effettivamente ridurre l'assorbimento della potenza di pompaggio, ma con la premessa di tenere conto dell'efficienza dell'assorbimento di pompaggio, il laser è completamente basso -fibre drogate, a basso assorbimento, la necessità di aumentare la lunghezza della fibra, che a sua volta porta all'emergere di altri problemi come l'effetto non lineare nonché un calo dell'efficienza di uscita, e così via.
3.2 Selezione del metodo di pompaggio
La distribuzione è mostrata in Fig. 3. La figura 3 (e) mostra che il coefficiente non uniforme delle sezioni centrali del coefficiente di assorbimento della fibra è superiore ai due lati, per garantire che la distribuzione della temperatura sia sostanzialmente uniforme, la potenza di uscita è lo stesso della figura 3 (d) quando la fibra richiesta è accorciata di oltre 20 m; La figura 3 (f) mostrerà la potenza pompata in sette segmenti, la distribuzione della temperatura è più uniforme e la temperatura può essere controllata in un intervallo molto ideale. Il metodo di pompaggio è di grande importanza per i laser a fibra. 2011 Jena University ha costruito un laser in fibra di pompaggio laterale su scala di kilowatt utilizzando fibra di pompaggio laterale distribuita, 2014 SPI ha lanciato un prodotto laser in fibra di pompaggio laterale su scala di kilowatt, nel 2015, la Cina ha riferito che l'Università Nazionale della Tecnologia della Difesa e il Ventitreesimo Istituto di ricerca del China Electronics Technology Group ha sviluppato congiuntamente una fibra di pompaggio del rivestimento ad accoppiamento laterale distribuito e ha costruito un laser in fibra ad accoppiamento laterale distribuito con una fibra di pompaggio del rivestimento. fibra di pompaggio del rivestimento e ha costruito un laser a fibra completamente localizzato, ottenendo una potenza su scala di kilowatt. L'uso di un pompaggio non uniforme a più segmenti o di una struttura di pompaggio laterale distribuita può garantire che la temperatura della fibra sia uniforme, ridurre l'impatto degli effetti termici e accorciare efficacemente la lunghezza della fibra. Tuttavia, la trazione della fibra di pompaggio laterale distribuita, la riduzione della perdita di accoppiamento di fusione di ciascuna sezione della fibra e il miglioramento dell'efficienza sono la chiave della tecnologia. Con la svolta e lo sviluppo di tecnologie chiave come la progettazione delle fibre, la trazione e la giunzione a fusione, verranno applicati più metodi di pompaggio nello sviluppo di laser in fibra ad alta potenza, che possono essere combinati con un'efficace tecnologia di dissipazione del calore esterna per inibire efficacemente la generazione di effetti termici nella fibra e ottenere un'uscita stabile di laser ad alta potenza.
3.3 Progettazione della dissipazione del calore
La conduzione termica, la convezione termica e la radiazione termica sono i tre modi principali di trasferimento del calore, poiché il coefficiente di radiazione termica è piccolo, la sua influenza può essere ignorata in generale, la conduzione e la convezione sono i metodi dominanti di dissipazione del calore. Per i laser in fibra di potenza più piccola, di solito si considera solo la dissipazione del calore per convezione naturale della fibra, la radiazione termica ha un impatto minore, può essere considerata in modo appropriato.
Il trasferimento di calore per convezione include principalmente il trasferimento di calore per convezione naturale e il trasferimento di calore per convezione forzata. Il fattore determinante della dissipazione del calore convettivo è la dimensione del coefficiente di trasferimento del calore convettivo. Il coefficiente di scambio termico convettivo h è correlato alle proprietà del fluido, alla portata e all'area di convezione. Come mostrato nella Tabella 1, nelle stesse condizioni, il coefficiente di scambio termico per convezione forzata è superiore al coefficiente di scambio termico per convezione naturale, il coefficiente di scambio termico per convezione dell'acqua è diverse volte il coefficiente di scambio termico per convezione dell'aria. Maggiore è il coefficiente di trasferimento del calore convettivo, migliore è la dissipazione del calore della fibra. La dissipazione del calore per convezione naturale dell'aria viene generalmente utilizzata nei laser in fibra a bassa potenza.
Quando il laser a fibra emette centinaia di watt o kilowatt di potenza, è difficile soddisfare i requisiti di dissipazione del calore mediante raffreddamento a convezione pura ed è necessario scegliere un metodo di conduzione del calore specifico per condurre il calore dalla fibra a un dissipatore di calore specifico , e quindi eseguire un'efficiente conduzione del calore o diffusione per convezione attraverso il dissipatore di calore. La forma del contatto o la superficie di lavorazione della fibra ottica e del dissipatore di calore non si adattano perfettamente, come mostrato nella Figura 4, e sono presenti dei vuoti nell'interfaccia di contatto, che ostacoleranno la conduzione del calore. Il fattore principale che influenza la conduzione termica tra la fibra ottica e il dissipatore di calore è la resistenza termica, che è una misura del livello di conduzione termica tra le interfacce di scambio termico.
Il modello teorico di resistenza termica tra fibra ottica e dissipatore può essere semplificato come
Dove Ts è la temperatura superficiale della fibra, T∞ è la temperatura del dissipatore di calore, q″ è il flusso di calore (W/m2), che è il rapporto tra il carico termico q′ (W/m) e il perimetro, Rcontatto è la resistenza termica di contatto, Rcond è la resistenza termica dello strato intercapedine, L è lo spessore dello strato intercapedine, k è la conducibilità termica del materiale di riempimento nell'intercapedine e A è l'area superficiale del flusso di calore che passa attraverso . Prendendo il modello di cui sopra, si può vedere che garantire una minore resistenza termica può ridurre la temperatura della fibra ottica. Poiché l'aria alle due interfacce di contatto ha una conducibilità termica molto bassa (kair=0.026 W/mK), la resistenza termica può essere efficacemente ridotta riempiendo il materiale dell'interfaccia termica (TIM) con un'elevata conducibilità termica, mentre lo spessore dello strato di gap L è il più piccolo possibile.
Oltre a ridurre lo spessore del gap e ad aumentare la conducibilità termica, la temperatura superficiale della fibra può essere ridotta controllando la forma del dissipatore di calore. Le strutture comuni del dissipatore di calore con tacca rettangolare, a forma di V e a forma di U sono mostrate in Fig. 5. È stata valutata la resistenza termica di tre diverse strutture di scanalatura per il punto di fusione della fibra rivestita e, con altri parametri coerenti, la forma a U la scanalatura con il perimetro più corto ha la minore resistenza termica e un migliore effetto di raffreddamento, mentre la scanalatura a forma di V con il perimetro più lungo ha la maggiore resistenza termica e il peggiore effetto di raffreddamento, e la differenza non è evidente nelle applicazioni pratiche, e il tipo a U e le strutture di tipo V sono utilizzate più spesso e l'effetto di dissipazione del calore è ovviamente superiore a quello dei dissipatori di calore puramente planari.
Quando il laser a fibra viene utilizzato a bassa potenza, può essere raffreddato ad aria dal modulo di raffreddamento a semiconduttore (TEC) e dal dissipatore di calore, e quando il laser a fibra viene utilizzato a una potenza maggiore, può essere raffreddato ad acqua per garantire il funzionamento stabile temperatura.Li et al. ha applicato il TEC al raffreddamento esterno dell'EYDFL e ha utilizzato la struttura di pompaggio a doppia estremità per applicare il TEC al dissipatore di calore periferico in alluminio per la prima fibra da 10,2 cm in funzionamento ad alta potenza, e la scanalatura a forma di U è mostrata in Fig. 12(a). La scanalatura a forma di U è mostrata in Fig. 12 (a). La curva blu in Fig. 6 (b) indica la distribuzione della temperatura della fibra a contatto con il dissipatore di calore e la curva rossa è la distribuzione teorica della temperatura della fibra e l'uso di TEC e dissipatore di calore riduce efficacemente la temperatura di la fibra.
Per il laser in fibra ad alta potenza, un gran numero di ricerche ha adottato un trattamento di dissipazione del calore mirato per ottenere un'elevata potenza di uscita superiore al livello di kilowatt senza effetti non lineari e fenomeni di danno termico e una buona tecnologia di gestione termica garantisce il funzionamento stabile del laser in fibra. Nello studio, la dissipazione del calore della fibra viene effettuata principalmente mediante avvolgimento piano e avvolgimento cilindrico, utilizzando dissipatori di calore metallici con scanalature di tipo U o V incise e lo spazio di contatto tra la fibra e le scanalature è riempito con silicone termoconduttivo grasso (la conducibilità termica è generalmente superiore a 2 W/mK) per asportare il calore mediante raffreddamento ad acqua, e la sua struttura è mostrata in Fig. 7.
Con lo sviluppo della tecnologia di gestione termica del laser in fibra ad alta potenza, il pompaggio dei semiconduttori, l'accoppiamento delle fibre e il filtraggio ottico del rivestimento e altre tecnologie chiave, l'effetto termico come uno dei colli di bottiglia nel potenziamento della potenza sarà ben controllato e la potenza del laser in fibra continuerà a migliorare. Allo stesso tempo, un'efficace tecnologia di gestione termica può anche promuovere lo sviluppo della tecnologia di imballaggio integrata con laser in fibra, in modo che il laser in fibra ad alta potenza possa essere applicato a una gamma più ampia di ambienti.
