1. Fons
Fiber Laser ir lāzers, kas izmanto retzemju elementu leģētu stikla šķiedru kā pastiprināšanas līdzekli, kura virsmas laukuma/tilpuma attiecība ir vairāk nekā 1000 reižu lielāka nekā tradicionālajam cieto bloku lāzeram, ar labu siltuma izkliedes veiktspēju. Simts vatu šķiedru lāzera dabiskā siltuma izkliede var atbilst siltuma izkliedes prasībām. Tomēr, strauji attīstoties šķiedru lāzeriem, to izejas jauda gadu no gada palielinās, pat sasniedzot kilovatu skalu, dažādu iemeslu dēļ, piemēram, kvantu zudumu dēļ, šķiedra radīs nopietnus termiskos efektus. Matricas materiāla termiskā difūzija izraisa spriegumu un refrakcijas indeksa izmaiņas, polimerizācijas slāņa zemais refrakcijas indekss ir pakļauts termiskiem bojājumiem, kas var nopietni izraisīt termiskās šķiedras izplūšanu; ar nepārtrauktu siltuma uzkrāšanos palielinās leģētā serdes temperatūra, palielinās daļiņu skaits lāzera apakšenerģijas līmenī, kas palielina lāzera sliekšņa jaudu un samazinās lāzera slīpuma efektivitāte, savukārt kvantu efektivitātes samazināšanās izraisīs izejas viļņa garuma izmaiņas. . Lai vēl vairāk uzlabotu lāzera izvades jaudu, šķiedru lāzers izturēs lielākas jaudas sūkņa gaismas iesmidzināšanu un signāla gaismas izvades enerģijas blīvumu, lai atrisinātu tā termisko efektu, ir nopietns izaicinājums, ar ko saskaras lieljaudas šķiedru lāzera sistēma.
2. Termisko efektu avots šķiedru lāzerā
2.1. Kvantu zuduma efekts
Kvantu zudumu efekts ir galvenais siltuma avots šķiedras kodola zonā, un tas ir arī raksturīgā siltuma avots. Sakarā ar raksturīgo atšķirību starp sūkņa viļņa garumu un signāla viļņa garumu, visām šķiedru lāzeru sistēmām ir noteikts kvantu zuduma procents. Ņemot par piemēru 1080 nm lāzera izejas viļņa garumu, kvantu zudumu proporcija pie sūkņa viļņa garuma 915 nm ir aptuveni 15,3 procenti.
2.2 Vairāki zaudējumi
Šķiedru pārklājumi, kas pārsniedz 80 grādu kritisko temperatūru, izraisīs materiāla denaturāciju vai virsmas berzi un citas parādības. Lieljaudas nepārtrauktas šķiedru lāzera darbības gadījumā šķiedru pārklājumi, ļoti iespējams, pārsniegs pieļaujamo termiskās slodzes robežu, kā rezultātā rodas apšuvuma gaismas noplūde un galu galā var izraisīt vispārēju lāzera izdegšanu.
Šķiedras saplūšanas punktam ir nopietnāks termiskais efekts, galvenokārt no diviem aspektiem: 1) šķiedru materiāla un pārklājuma materiāla absorbcija gaismas konversijas rezultātā radīs siltumu, īsā garuma diapazonā, gandrīz pilnīgi caurspīdīgu pārklājuma slāni uz gaismas absorbciju. ir ļoti mazs, bet tā virsma radīs dažus mikro tukšumus, gaiss ir vājš siltuma vadītājs, tukšumu klātbūtne palielina termisko pretestību, tāpēc ir viegli izveidot termisko nogulsnēšanos saplūšanas punktā. Tāpēc saplūšanas punkts ir pakļauta termiskai nogulsnēšanai, kā rezultātā ievērojami palielinās temperatūra; 2) saplūšanas parametri nav piemēroti vai nesakrīt divas optiskās šķiedras strukturālo parametru sadaļas, kas novedīs pie saplūšanas zudumiem, termiskās pretestības klātbūtne izraisa temperatūras paaugstināšanos saplūšanas punktā. Temperatūras paaugstināšanās izraisa optiskās šķiedras termiskus bojājumus, un tajā pašā laikā ir lielāka ietekme uz optiskās šķiedras skaitlisko apertūru, un skaitliskās apertūras izmaiņas būtiski ietekmē gaismas vadību.
2.3 Spontāna starojuma efekts
MOPA struktūrā, kad signāllampiņa ir vāja, liels sūkņa gaismas iesmidzināšanas daudzums var palielināt šķiedru spontānā starojuma (ASE) iespējamību. Liels daudzums nejaušas spontānas starojuma gaismas noplūst no serdes stikla apšuvumā, kā arī šķiedras pārklājumā un pārkarst un sadedzina organisko pārklājumu. Turklāt ASE ģenerēšana palielina arī kvantu zudumus, izraisot palielinātu sildīšanu šķiedras serdes reģionā.
2.4. Stimulēts Ramana izkliedes efekts
Līdz ar īpaši lieljaudas šķiedru lāzeru parādīšanos lāzera jaudas blīvums kodola reģionā pakāpeniski palielinās, un stimulētais Ramana izkliedes efekts (SRS) pakāpeniski kļūst par galveno ierobežojošo faktoru jaudas palielināšanai. Lieljaudas darbības laikā, kad lāzera signāla optiskā jauda sasniedz SRS sliekšņa stāvokli, signāla lāzers ierosina un sūknē Ramana gaismu ar zemāku frekvenci, kā rezultātā notiek Ramana gaismas pastiprināšanas process. Tajā pašā laikā līdz ar kvantu zudumiem SRS saasinās sildīšanas problēmu šķiedras serdes reģionā.
3. Termiskā efekta risinājums
Šķiedru lāzera termiskajam efektam ir nenozīmīga ietekme uz šķiedras un izejas raksturlielumiem, tāpēc tam ir liela nozīme, lai samazinātu termiskā efekta negatīvo ietekmi. Termiskā efekta nomākšana galvenokārt ir vērsta uz šādiem trim aspektiem:
1) Saprātīga šķiedras parametru izvēle atbilstoši šķiedras temperatūras teorijas modelim;
2) saprātīga sūknēšanas struktūras un sūknēšanas režīma izvēle veicina vienmērīgu temperatūras sadalījumu un siltuma efekta samazināšanu;
3) Efektīvas ārējās siltuma izkliedes shēmas izvēle var ievērojami samazināt termisko efektu negatīvo ietekmi.
3.1. Šķiedru parametru optimizācija
Galvenie faktori, kas ietekmē optiskās šķiedras temperatūras sadalījumu, ir serdes un iekšējā un ārējā apšuvuma siltumvadītspēja, radiālais izmērs, absorbcijas koeficients un optiskās šķiedras garums. Saprātīga šķiedru parametru izvēle var efektīvi kontrolēt šķiedras siltuma sadalījumu, lai nodrošinātu normālu un stabilu šķiedras darbību.
Lielāks serdes izmērs var samazināt serdes temperatūru, bet pārāk liels ietekmēs staru kūļa kvalitāti. Pārklājuma slānis kā šķiedru siltumvadītspējas ārējā vide, tā biezumam ir liela ietekme uz šķiedras darba temperatūru. Teorētiski temperatūras starpība starp pārklājuma slāņa iekšējo un ārējo virsmu un biezumu ir pozitīva korelācija, jo plānāks pārklājuma slānis, jo mazāka ir siltuma vadīšanas pretestība, jo mazāka temperatūras starpība starp visa pārklājuma iekšējo un ārējo virsmu. pārklājuma slānis, jo lielāku jaudu sistēma spēj izturēt. Tomēr, ņemot vērā konvektīvās siltuma pārneses ietekmi uz optiskās šķiedras virsmu, pārklājuma slānim ir optiskās šķiedras aizsardzības loma, un tāpēc ir saprātīgi jāizvēlas pārklājuma slāņa biezums.
Kad šķiedra tiek atdzesēta gaisā, attiecība starp siltumvadītspējas pretestību Rcond, termiskās konvekcijas pretestību Rconv un kopējo termisko pretestību Rtot un pārklājuma slāņa biezumu ir parādīta 2.a attēlā. Pārklājuma slāņa biezums ir pozitīvi korelēts ar Rcond un negatīvi korelēts ar Rconv, tāpēc ir nepieciešams saprātīgi izvēlēties pārklājuma slāņa biezumu, lai nodrošinātu zemu kopējo termisko pretestību. Attiecība starp šķiedras garumu un absorbcijas koeficientu un temperatūru ir parādīta 2(b) attēlā, samazinot šķiedras absorbcijas koeficientu, var efektīvi samazināt sūknēšanas jaudas absorbciju, sūknēšanas jaudas absorbcijas samazināšana nozīmē siltuma samazināšanos. nogulsnēšanās, kas samazina šķiedras temperatūru, bet, lai sasniegtu tādu pašu izlaidi, ir jāpalielina šķiedras garums, Wang et al. pētīja kopējo sūknēšanas jaudu 1000 W, divu galu sūknēšanas jaudu 500 W, tiek izmantota 0,25 dpi, lai sasniegtu tādu pašu jaudu. Wang et al. parādīja, ka kopējā sūknēšanas jauda bija 1000 W un divu galu sūknēšanas jauda bija 500 W. Izejas jauda bija 630 W ar 60 m garu šķiedru ar 0,25 dB absorbcijas koeficientu un 725 W ar 1,0 dB 20 m garu šķiedru, bet pēdējās šķiedras maksimālā temperatūra bija par aptuveni 200 grādiem augstāka nekā iepriekšējai šķiedrai. Pēdējās šķiedras maksimālā temperatūra bija augstāka nekā iepriekšējās šķiedras temperatūra. Tā kā sūknēšanas jaudas sūknēšanas gals ir spēcīgākais, lai gan šķiedras absorbcijas koeficienta samazināšana var efektīvi samazināt sūknēšanas jaudas absorbciju, taču, ņemot vērā sūknēšanas absorbcijas efektivitāti, lāzers, ja tas ir pilnīgi zems. -leģētas, zemas absorbcijas šķiedras, nepieciešamība palielināt šķiedras garumu, kas savukārt noved pie citu problēmu rašanās, piemēram, nelineāra efekta, kā arī izejas efektivitātes samazināšanās utt.
3.2. Sūknēšanas metodes izvēle
Sadalījums parādīts 3. attēlā. 3. (e) attēlā redzams, ka šķiedru absorbcijas koeficienta vidējo sekciju nevienmērīgais koeficients ir augstāks par abām pusēm, lai nodrošinātu, ka temperatūras sadalījums pamatā ir vienmērīgs, izejas jauda ir tas pats, kas 3. attēlā (d), ja vajadzīgā šķiedra ir saīsināta par vairāk nekā 20 m; Attēlā 3 (f) jauda tiks sūknēta septiņos segmentos, temperatūras sadalījums ir vienmērīgāks, un temperatūru var kontrolēt ļoti ideālā diapazonā. Sūknēšanas metodei ir liela nozīme šķiedru lāzeriem. 2011. gadā Jēnas universitāte uzbūvēja kilovatu mēroga sānu sūknēšanas šķiedru lāzeru, izmantojot sadalītu sānu sūknēšanas šķiedru, 2014. gadā SPI uzsāka kilovatu mēroga sānu sūknēšanas šķiedru lāzera izstrādājumus, 2015. gadā Ķīna ziņoja, ka Nacionālā aizsardzības tehnoloģiju universitāte un divdesmit trešais pētniecības institūts Ķīnas Electronics Technology Group kopīgi izstrādāja sadalītu sānu savienojuma pārsega sūknēšanas šķiedru un izveidoja sadalītu sānu savienojuma šķiedru lāzeru ar apšuvuma sūknēšanas šķiedru. apšuvuma sūknēšanas šķiedras un uzbūvēja pilnībā lokalizētu šķiedru lāzeru, panākot kilovatu mēroga jaudu. Vairāku segmentu nevienmērīgas sūknēšanas vai sadalītas sānu sūknēšanas struktūras izmantošana var nodrošināt vienmērīgu šķiedras temperatūru, samazināt termisko efektu ietekmi un efektīvi saīsināt šķiedras garumu. Tomēr šīs tehnoloģijas atslēga ir sadalīta sānu sūknēšanas šķiedras vilkšana, katras šķiedras daļas saplūšanas savienojuma zudumu samazināšana un efektivitātes uzlabošana. Līdz ar tādu galveno tehnoloģiju izrāvienu un attīstību kā šķiedru projektēšana, vilkšana un saplūšana, lieljaudas šķiedru lāzeru izstrādē tiks izmantotas vairākas sūknēšanas metodes, kuras var apvienot ar efektīvu ārējās siltuma izkliedes tehnoloģiju, lai efektīvi kavētu šķiedru rašanos. termisko efektu šķiedrā un panākt stabilu lielākas jaudas lāzeru jaudu.
3.3. Siltuma izkliedes dizains
Siltumvadītspēja, siltuma konvekcija un termiskais starojums ir trīs galvenie siltuma pārneses veidi, jo siltuma starojuma koeficients ir mazs, tā ietekmi kopumā var ignorēt, vadītspēja un konvekcija ir dominējošās siltuma izkliedes metodes. Mazākas jaudas šķiedru lāzeram parasti ņemiet vērā tikai šķiedru dabisko konvekcijas siltuma izkliedi, termiskajam starojumam ir mazāka ietekme, un to var pienācīgi apsvērt.
Konvekcijas siltuma pārnese galvenokārt ietver dabisko konvekcijas siltuma pārnesi un piespiedu konvekcijas siltuma pārnesi. Konvektīvās siltuma izkliedes noteicošais faktors ir konvektīvās siltuma pārneses koeficienta lielums. Konvektīvās siltuma pārneses koeficients h ir saistīts ar šķidruma īpašībām, plūsmas ātrumu un konvekcijas laukumu. Kā parādīts 1. tabulā, tādos pašos apstākļos piespiedu konvekcijas siltuma pārneses koeficients ir lielāks par dabiskās konvekcijas siltuma pārneses koeficientu, ūdens konvekcijas siltuma pārneses koeficients ir vairākas reizes lielāks par gaisa konvekcijas siltuma pārneses koeficientu. Jo lielāks ir konvektīvās siltuma pārneses koeficients, jo labāka ir šķiedras siltuma izkliede. Dabiskā gaisa konvekcijas siltuma izkliede parasti tiek izmantota mazākas jaudas šķiedru lāzerā.
Kad šķiedru lāzers izdod simtiem vatu vai kilovatu jaudu, ir grūti izpildīt siltuma izkliedes prasības ar tīru konvekcijas dzesēšanu, un ir jāizvēlas īpaša siltuma vadīšanas metode, lai siltumu no šķiedras vadītu uz noteiktu siltuma izlietni. , un pēc tam veiciet efektīvu siltuma vadīšanu vai konvekcijas difūziju caur siltuma izlietni. Optiskās šķiedras un siltuma izlietnes kontakta forma vai apstrādes virsma neatbilst ideāli, kā parādīts 4. attēlā, un kontakta saskarnē ir tukšumi, kas kavē siltuma vadītspēju. Galvenais faktors, kas ietekmē siltuma vadītspēju starp optisko šķiedru un siltuma izlietni, ir siltuma pretestība, kas ir siltuma vadīšanas līmeņa mērs starp siltuma apmaiņas saskarnēm.
Termiskās pretestības starp optisko šķiedru un siltuma izlietni teorētisko modeli var vienkāršot kā
Kur Ts ir šķiedras virsmas temperatūra, T∞ ir siltuma izlietnes temperatūra, q″ ir siltuma plūsma (W/m2), kas ir termiskās slodzes q′ (W/m) attiecība pret perimetru, Rcontact ir termiskā kontakta pretestība, Rcond ir spraugas slāņa termiskā pretestība, L ir spraugas slāņa biezums, k ir pildvielas materiāla siltumvadītspēja spraugā, un A ir siltuma plūsmas virsmas laukums, kas iet cauri. . Ņemot iepriekš minēto modeli, var redzēt, ka mazākas termiskās pretestības nodrošināšana var samazināt optiskās šķiedras temperatūru. Tā kā gaisam pie abām saskarnes saskarnēm ir ļoti zema siltumvadītspēja (kair=0,026 W/mK), termisko pretestību var efektīvi samazināt, piepildot termiskās saskarnes materiālu (TIM) ar augstu siltumvadītspēju, savukārt spraugas slāņa L biezums ir pēc iespējas mazāks.
Papildus atstarpes biezuma samazināšanai un siltumvadītspējas palielināšanai šķiedras virsmas temperatūru var samazināt, kontrolējot siltuma izlietnes formu. Izplatītākās taisnstūra, V formas un U veida iecirtuma siltuma izlietnes struktūras ir parādītas 5. attēlā. Tika novērtēta trīs dažādu rievu konstrukciju termiskā pretestība atkārtoti pārklātās šķiedras kušanas temperatūrai, un ar citiem parametriem konsekventi tika iegūta U veida konstrukcija. rievai ar īsāko perimetru ir mazākā termiskā pretestība un labāks dzesēšanas efekts, savukārt V-veida gropei ar garāko perimetru ir vislielākā termiskā pretestība un sliktāks dzesēšanas efekts, un atšķirība nav acīmredzama praktiskajos lietojumos, un U veidam. un V veida konstrukcijas tiek izmantotas biežāk, un siltuma izkliedes efekts acīmredzami ir labāks nekā tīri plakanām siltuma izlietnēm.
Kad šķiedru lāzers tiek darbināts ar mazu jaudu, to var atdzesēt ar gaisu ar pusvadītāju dzesēšanas moduli (TEC) un siltuma izlietni, un, ja šķiedru lāzers tiek darbināts ar lielāku jaudu, to var atdzesēt ar ūdeni, lai nodrošinātu stabilu darbību. temperatūra.Li et al. pielietoja TEC EYDFL ārējai dzesēšanai un izmantoja divu galu sūknēšanas konstrukciju, lai TEC pielietotu perifērijas alumīnija radiatoram pirmajai 10,2 cm šķiedrai lielas jaudas režīmā, un U veida rieva ir parādīta attēlā. 12(a). U veida rieva ir parādīta 12(a) attēlā. Zilā līkne 6(b) attēlā norāda šķiedras temperatūras sadalījumu saskarē ar siltuma izlietni, bet sarkanā līkne ir šķiedras teorētiskais temperatūras sadalījums, un TEC un siltuma izlietnes izmantošana efektīvi samazina šķiedra.
Lieljaudas šķiedru lāzeram liels skaits pētījumu ir pieņēmuši mērķtiecīgu siltuma izkliedes apstrādi, lai iegūtu lielu izejas jaudu virs kilovatu līmeņa bez nelineāra efekta un termiskā bojājuma parādības, un laba siltuma pārvaldības tehnoloģija nodrošina stabilu šķiedru lāzera darbību. Pētījumā šķiedru siltuma izkliedi galvenokārt veic ar plaknes tinumu un cilindra tinumu, izmantojot metāla radiatorus ar iegravētām U veida vai V veida rievām, un kontakta spraugu starp šķiedru un rievām piepilda ar siltumvadošu silikonu. smērvielu (siltuma vadītspēja parasti ir lielāka par 2 W/mK), lai atņemtu siltumu ar ūdens dzesēšanas palīdzību, un tās struktūra parādīta 7. attēlā.
Attīstoties lieljaudas šķiedru lāzera siltuma pārvaldības tehnoloģijai, pusvadītāju sūknēšanai, šķiedru savienošanai un apšuvuma optiskajai filtrēšanai un citām galvenajām tehnoloģijām, siltuma efekts kā viens no jaudas palielināšanas sašaurinājumiem tiks labi kontrolēts un šķiedru lāzera jauda. turpinās uzlaboties. Tajā pašā laikā efektīva siltuma pārvaldības tehnoloģija var veicināt arī šķiedru lāzera integrētās iepakošanas tehnoloģijas attīstību, lai lieljaudas šķiedru lāzeru varētu izmantot plašākā vidē.
