1. Taust
Fiber Laser on laser, mis kasutab võimenduskeskkonnana haruldaste muldmetallide elementidega legeeritud klaaskiudu, mille pindala/mahu suhe on rohkem kui 1000 korda suurem kui traditsioonilisel tahke plokklaseril ja millel on hea soojuseraldusvõime. Saja vatise kiudlaseri puhul suudab loomulik soojuse hajumine vastata soojuse hajumise nõuetele. Kuid kiudlaserite kiire arenguga suureneb nende väljundvõimsus aasta-aastalt, ulatudes isegi kilovattide skaalani, erinevatel põhjustel, näiteks kvantkadude tõttu, põhjustab kiud tõsiseid termilisi mõjusid. Maatriksmaterjali termiline difusioon põhjustab stressi ja murdumisnäitaja muutusi, polümerisatsioonikihi madal murdumisnäitaja on altid termilistele kahjustustele, mis võib tõsiselt kaasa tuua termilise kiu väljapuhumise; soojuse pideva akumuleerumisega suureneb legeeritud südamiku temperatuur, osakeste arv laseri allenergia tasemes suureneb, mis suurendab lävivõimsust ja laseri kalde efektiivsus väheneb, samas kui kvantefektiivsuse vähenemine põhjustab väljundi lainepikkuse muutusi. . Laseri väljundvõimsuse edasiseks suurendamiseks peab kiudlaser taluma suurema võimsusega pumba valguse sissepritse ja signaalvalguse väljundi energiatihedust, selle soojusmõjude lahendamine on suure võimsusega kiudlasersüsteemi ees tõsine väljakutse.
2. Soojusefektide allikas kiudlaseris
2.1 Kvantkao efekt
Kvantkao efekt on kiudude südamikupiirkonna peamine soojusallikas, mis on ka omase soojuse allikas. Pumba lainepikkuse ja signaali lainepikkuse omase erinevuse tõttu kaasneb kõigi kiudlasersüsteemidega teatud protsent kvantkadu. Võttes näiteks 1080 nm laserväljundi lainepikkuse, on kvantkao osakaal pumba lainepikkusel 915 nm umbes 15,3 protsenti.
2.2 Mitmekordne kahju
Kiudkatted üle kriitilise temperatuuri 80 kraadi põhjustavad materjali denaturatsiooni või pinna hõõrdumist ja muid nähtusi. Suure võimsusega pideva kiudlaseriga töötamisel ületavad kiudkatted suure tõenäosusega talutava soojuskoormuse piiri, mille tulemuseks on kattevalguse lekkimine ja lõppkokkuvõttes võib see põhjustada laseri üldise läbipõlemise.
Kiu sulamispunktil on tõsisem termiline efekt, peamiselt kahest aspektist: 1) kiudmaterjali ja kattematerjali valguse muundamise neeldumine tekitab lühikeses pikkuses soojust, valguse neeldumisel peaaegu täielikult läbipaistva kattekihi. on väga väike, kuid selle pind tekitab mõningaid mikrotühimeid, õhk on halb soojusjuht, tühimike olemasolu suurendab soojustakistust, mistõttu on sulamispunktis lihtne termilist sadestumist tekitada. Seetõttu on sulamispunkt on altid termilisele sadestumisele, mille tulemuseks on oluliselt kõrgem temperatuur; 2) termotuumasünteesi parameetrid ei sobi või optilise kiu struktuuriparameetrite kaks sektsiooni ei ühti, mis toob kaasa sulamiskadu, soojustakistuse olemasolu põhjustab sulamispunktis temperatuuri tõusu. Temperatuuri tõus põhjustab optilise kiu termilisi kahjustusi ja samal ajal avaldab suuremat mõju optilise kiu arvulisele avale ning arvulise ava muutus mõjutab oluliselt valguse juhtimist.
2.3 Spontaanne kiirgusefekt
MOPA struktuuris, kui signaaltuli on nõrk, võib suur hulk pumbavalguse sissepritse suurendada fiiberspontaanse kiirguse (ASE) tõenäosust. Suur hulk juhuslikku spontaanset kiirgusvalgust lekib südamikust nii klaaskattesse kui ka kiudkattesse ning kuumeneb ja põletab orgaanilise katte üle. Lisaks suurendab ASE genereerimine ka kvantkadu, mis suurendab kiu südamikupiirkonna kuumenemist.
2.4 Stimuleeritud Ramani hajumise efekt
Ülisuure võimsusega kiudlaserite ilmumisega suureneb laseri võimsustihedus tuuma piirkonnas järk-järgult ja stimuleeritud Ramani hajumise efekt (SRS) muutub järk-järgult võimsuse suurendamise peamiseks piiravaks teguriks. Suure võimsusega töö ajal, kui lasersignaali optiline võimsus jõuab SRS-i läviseisundini, ergastab signaallaser ja pumpab Ramani valgust madalama sagedusega, mille tulemuseks on Ramani valguse võimendusprotsess. Samal ajal süvendab SRS koos kvantkaoga kuumutusprobleeme kiu südamikupiirkonnas.
3. Termilise efekti lahendus
Kiudlaseri termiline mõju avaldab märkimisväärset mõju kiu ja väljundomadustele, mistõttu on soojusefekti negatiivse mõju vähendamisel väga oluline. Termilise efekti mahasurumine keskendub peamiselt kolmele järgmisele aspektile:
1) kiu parameetrite mõistlik valik vastavalt kiu temperatuuriteooria mudelile;
2) Pumpamisstruktuuri ja pumpamisrežiimi mõistlik valik soodustab ühtlase temperatuurijaotuse saavutamist ja soojusefekti vähendamist;
3) Tõhusa välise soojuse hajumise skeemi valimine võib oluliselt vähendada soojusmõjude negatiivset mõju.
3.1 Kiu parameetrite optimeerimine
Peamised tegurid, mis mõjutavad optilise kiu temperatuurijaotust, on südamiku ja sisemise ja välimise katte soojusjuhtivus, radiaalne suurus, neeldumistegur ja optilise kiu pikkus. Kiu parameetrite mõistlik valik võimaldab tõhusalt kontrollida kiu soojusjaotust, et tagada kiu normaalne ja stabiilne töö.
Suurem südamiku suurus võib vähendada südamiku temperatuuri, kuid liiga suur mõjutab kiire kvaliteeti. Kattekiht kui kiudude soojusjuhtivuse välimine keskkond, selle paksusel on suur mõju kiu töötemperatuurile. Teoreetiliselt on kattekihi sise- ja välispinna temperatuuride erinevus ja paksus positiivses korrelatsioonis, mida õhem on kattekiht, seda väiksem on soojusjuhtivuse takistus, seda väiksem on temperatuuride erinevus kogu kattekihi sise- ja välispinna vahel. kattekiht, seda suuremat võimsust süsteem talub. Kuid konvektiivse soojusülekande mõju tõttu optilise kiu pinnale on kattekihil optilise kiu kaitsmise roll ning seetõttu tuleb kattekihi paksus mõistlikult valida.
Kui kiudu jahutatakse õhu käes, on soojusjuhtivuse takistuse Rcond, soojuskonvektsioonitakistuse Rconv ja kogu soojustakistuse Rtot ning kattekihi paksuse vaheline seos näidatud joonisel 2(a). Kattekihi paksus on positiivses korrelatsioonis Rcond-iga ja negatiivses korrelatsioonis Rconv-ga, seega on vaja kattekihi paksust mõistlikult valida, et tagada madal soojustakistus. Kiu pikkuse ja neeldumisteguri ning temperatuuri vaheline seos on näidatud joonisel 2(b), kiu neeldumisteguri vähendamisega saab tõhusalt vähendada pumpamisvõimsuse neeldumist, pumpamisvõimsuse neeldumise vähendamine tähendab termilise energia vähenemist. sadestumine, mis vähendab kiu temperatuuri, kuid sama väljundi saavutamiseks on vaja kiu pikkust suurendada, Wang et al. uuris kogu pumpamisvõimsust 1000 W, kahe otsaga pumpamisvõimsust 500 W, sama väljundi saavutamiseks kasutatakse 0,25 dpi kasutamist. Wang et al. näitas, et kogu pumpamisvõimsus oli 1000 W ja kahe otsaga pumpamise võimsus oli 500 W. Väljundvõimsus oli 630 W 60 m pikkuse kiu ja 0,25 dB neeldumisteguriga ja 725 W 1,0 dB 20 m pikkuse kiu puhul, kuid viimase kiu maksimaalne temperatuur oli umbes 200 kraadi võrra kõrgem kui esimese kiu oma. Viimase kiu maksimaalne temperatuur oli kõrgem kui esimese kiu oma. Kuna pumpamisvõimsuse pumpamisots on kõige tugevam, võib kiu neeldumisteguri vähendamine küll tõhusalt vähendada pumpamisvõimsuse neeldumist, kuid eeldusel, et võetakse arvesse pumpamise neeldumise efektiivsust, on laser, kui see on täiesti madal. - legeeritud, vähese neelduvusega kiud, vajadus suurendada kiu pikkust, mis omakorda toob kaasa muude probleemide ilmnemise, nagu mittelineaarne efekt, samuti väljundefektiivsuse langus jne.
3.2 Pumpamismeetodi valik
Jaotus on näidatud joonisel 3. Joonisel 3 (e) on näidatud, et kiudude neeldumisteguri keskmiste osade ebaühtlane koefitsient on suurem kui kahel küljel, et tagada, et temperatuurijaotus on põhimõtteliselt ühtlane, väljundvõimsus on sama mis joonisel 3 (d), kui vajalikku kiudu lühendatakse rohkem kui 20 m võrra; Joonis 3 (f) pumbatakse võimsust seitsmesse segmenti, temperatuurijaotus on ühtlasem ja temperatuuri saab reguleerida väga ideaalses vahemikus. Pumpamismeetodil on kiudlaserite puhul suur tähtsus. 2011. aastal ehitas Jena ülikool kilovatise skaalaga külgpumpamise kiudlaseri, kasutades hajutatud külgpumpamist, 2014. aastal tõi SPI turule kilovatise skaalaga külgpumpamise kiudlasertooted. 2015. aastal teatas Hiina, et riiklik kaitsetehnoloogia ülikool ja kahekümne kolmas uurimisinstituut Hiina elektroonikatehnoloogia kontsern arendas ühiselt välja hajutatud külgühendusega kattekiu pumpamise ja ehitas hajutatud külgühendusega kiudlaseri koos kattepumpava kiuduga. kattekiht pumpamiseks kiudaineid ja ehitas täielikult lokaliseeritud kiudlaseri, saavutades kilovatt-skaala võimsuse. Mitmesegmendilise ebaühtlase pumpamise või hajutatud külgpumpamisstruktuuri kasutamine võib tagada kiu ühtlase temperatuuri, vähendada termiliste mõjude mõju ja lühendada tõhusalt kiu pikkust. Tehnoloogia võtmeks on aga hajutatud külgpumpamine kiudude tõmbamine, iga kiu sektsiooni fusiooniühenduse kadude vähendamine ja tõhususe parandamine. Tänu selliste võtmetehnoloogiate nagu kiudude projekteerimine, tõmbamine ja liitmine splaissimine läbimurdele ja arendamisele rakendatakse suure võimsusega kiudlaserite väljatöötamisel rohkem pumpamismeetodeid, mida saab kombineerida tõhusa välise soojuse hajumise tehnoloogiaga, et tõhusalt pärssida kiudude teket. soojusefekte kius ja saavutada suurema võimsusega laserite stabiilne väljund.
3.3 Soojuse hajumise disain
Soojusjuhtivus, soojuskonvektsioon ja soojuskiirgus on kolm peamist soojusülekande viisi, kuna soojuskiirguse koefitsient on väike, selle mõju võib üldiselt ignoreerida, juhtivad soojuse hajumise meetodid on juhtivus ja konvektsioon. Väiksema võimsusega kiudlaseri puhul arvestage tavaliselt ainult kiu loomuliku konvektsiooniga soojuse hajumist, soojuskiirgusel on väiksem mõju, võib asjakohaselt arvestada.
Konvektsioonsoojusülekanne hõlmab peamiselt looduslikku konvektsiooni soojusülekannet ja sundkonvektsiooni soojusülekannet. Konvektiivse soojuse hajumise määravaks teguriks on konvektiivse soojusülekandeteguri suurus. Konvektiivne soojusülekandetegur h on seotud vedeliku omaduste, voolukiiruse ja konvektsiooni pindalaga. Nagu on näidatud tabelis 1, on sundkonvektsiooni soojusülekandetegur samadel tingimustel kõrgem kui loomulik konvektsiooni soojusülekandetegur, vee konvektsiooni soojusülekandetegur on mitu korda suurem kui õhukonvektsiooni soojusülekandetegur. Mida suurem on konvektiivse soojusülekande koefitsient, seda parem on kiu soojuse hajumine. Loodusliku õhu konvektsiooniga soojuse hajumist kasutatakse tavaliselt väiksema võimsusega kiudlaserites.
Kui kiudlaser väljastab sadu vatti või kilovatti võimsust, on puhta konvektsioonjahutusega keeruline soojuse hajumise nõudeid täita ja soojuse juhtimiseks kiust konkreetsesse jahutusradiaatorisse on vaja valida konkreetne soojusjuhtimise meetod. ja seejärel läbi jahutusradiaatori tõhusa soojusjuhtivuse või konvektsiooni difusiooni. Optilise kiu ja jahutusradiaatori kontaktkuju või töötlemispind ei sobi ideaalselt, nagu on näidatud joonisel 4, ja kontaktliideses on tühimikud, mis takistavad soojusjuhtivust. Peamine tegur, mis mõjutab soojusjuhtivust optilise kiu ja jahutusradiaatori vahel, on soojustakistus, mis on soojusvahetusliideste vahelise soojusjuhtivuse taseme mõõt.
Optilise kiu ja jahutusradiaatori vahelise soojustakistuse teoreetilist mudelit saab lihtsustada järgmiselt
Kus Ts on kiu pinnatemperatuur, T∞ on jahutusradiaatori temperatuur, q″ on soojusvoog (W/m2), mis on soojuskoormuse q′ (W/m) ja perimeetri suhe, Rcontact on soojuskontakti takistus, Rcond on vahekihi soojustakistus, L on vahekihi paksus, k on täitematerjali soojusjuhtivus pilus ja A on läbiva soojusvoo pindala. . Võttes ülaltoodud mudeli, on näha, et väiksema soojustakistuse tagamine võib vähendada optilise kiu temperatuuri. Kuna kahe kontaktliidese õhul on väga madal soojusjuhtivus (kair=0,026 W/mK), saab soojustakistust tõhusalt vähendada, täites soojusliidese materjali (TIM) kõrge soojusjuhtivusega, samas kui vahekihi L paksus on võimalikult väike.
Lisaks vahe paksuse vähendamisele ja soojusjuhtivuse suurendamisele saab kiu pinna temperatuuri vähendada jahutusradiaatori kuju reguleerimisega. Levinud ristkülikukujulised, V-kujulised ja U-kujulised sälgulised jahutusradiaatorid on näidatud joonisel 5. Hinnati kolme erineva soonekonstruktsiooni soojustakistust uuesti kaetud kiu sulamistemperatuuri jaoks ja muude parameetritega kooskõlas, U-kujuline. lühima perimeetriga soonel on väikseim soojustakistus ja parem jahutusefekt, samas kui pikima perimeetriga V-kujulisel soonel on suurim soojustakistus ja halvem jahutusefekt ning erinevus pole praktilistes rakendustes ilmne ning U-tüüpi ja V-tüüpi konstruktsioone kasutatakse sagedamini ning soojuse hajumise efekt on ilmselgelt parem kui puhtalt tasapinnalistel jahutusradiaatoritel.
Kui kiudlaser töötab väikese võimsusega, saab seda õhkjahutada pooljuhtjahutusmooduli (TEC) ja jahutusradiaatori abil ning kui kiudlaserit töötab suurema võimsusega, saab seda stabiilse töö tagamiseks vesijahutusega jahutada. temperatuuri.Li et al. rakendas TEC-i EYDFL-i välisele jahutusele ja kasutas kahe otsaga pumpamisstruktuuri, et rakendada TEC-i perifeersele alumiiniumjahutusradiaatorile esimese 10,2 cm kiu jaoks suure võimsusega töörežiimil ning U-kujuline soon on näidatud joonisel fig. 12(a). U-kujuline soon on näidatud joonisel 12(a). Sinine kõver joonisel 6(b) näitab jahutusradiaatoriga kokkupuutes oleva kiu temperatuurijaotust ja punane kõver on kiu teoreetiline temperatuurijaotus ning TEC ja jahutusradiaatori kasutamine vähendab tõhusalt kiu temperatuuri jaotust. kiudaineid.
Suure võimsusega kiudlaseri puhul on paljud uuringud võtnud kasutusele sihipärase soojuse hajumise töötlemise, et saada kõrge väljundvõimsus üle kilovatitaseme ilma mittelineaarse efekti ja termilise kahjustuseta ning hea soojusjuhtimistehnoloogia tagab kiudlaseri stabiilse töö. Uuringus toimub kiudude soojuse hajutamine peamiselt tasapinnalise ja silindri mähisega, kasutades metallist jahutusradiaatoreid, millele on graveeritud U- või V-tüüpi sooned ning kiu ja soonte vaheline kontaktvahe täidetakse soojust juhtiva silikooniga. määre (soojusjuhtivus on üldiselt suurem kui 2 W/mK) soojuse eemaldamiseks vesijahutuse abil ja selle struktuur on näidatud joonisel 7.
Suure võimsusega fiiberlaseri soojusjuhtimistehnoloogia, pooljuhtide pumpamise, kiudühenduse ja katte optilise filtreerimise ning muude võtmetehnoloogiate väljatöötamisega on soojusefekt kui üks võimsuse suurendamise kitsaskohti hästi kontrollitud ja kiudlaseri võimsus. paraneb jätkuvalt. Samal ajal võib tõhus soojusjuhtimistehnoloogia edendada ka kiudlaseriga integreeritud pakkimistehnoloogia väljatöötamist, nii et suure võimsusega kiudlaserit saab rakendada laiemasse keskkonda.
