1. Achtergrond
Fiberlaser is een laser die een met zeldzame aardmetalen gedoteerde glasvezel als versterkingsmedium gebruikt, die een oppervlakte / volume-verhouding heeft van meer dan 1000 keer die van een traditionele massieve bloklaser, met goede warmteafvoerprestaties. Voor honderd watt fiberlaser kan natuurlijke warmteafvoer voldoen aan de warmteafvoervereisten. Met de snelle ontwikkeling van fiberlasers neemt hun uitgangsvermogen echter jaar na jaar toe en bereiken ze zelfs de kilowattschaal, vanwege verschillende redenen, zoals kwantumverlies, zal de vezel ernstige thermische effecten veroorzaken. Thermische diffusie van het matrixmateriaal veroorzaakt spanning en veranderingen in de brekingsindex, lage brekingsindex van de polymerisatielaag is gevoelig voor thermische schade, wat ernstig kan leiden tot uitbarsting van thermische vezels; met de continue accumulatie van warmte zal de gedoteerde kerntemperatuur toenemen, het aantal deeltjes in het subenergieniveau van de laser neemt toe, wat leidt tot een verhoogd drempelvermogen en een afname van de hellingsefficiëntie van de laser, terwijl de afname van de kwantumefficiëntie de outputgolflengteveranderingen zal veroorzaken . Om het uitgangsvermogen van de laser verder te verbeteren, zal de fiberlaser bestand zijn tegen een hogere pomplichtinjectie en energiedichtheid van de signaallichtoutput, om de thermische effecten ervan op te lossen is een serieuze uitdaging voor het high-power fiberlasersysteem.
2. Bron van thermische effecten in fiberlaser
2.1 Kwantumverlieseffect
Het kwantumverlieseffect is de belangrijkste warmtebron in het vezelkerngebied en is ook de bron van inherente warmte. Vanwege het inherente verschil tussen de pompgolflengte en de signaalgolflengte gaan alle fiberlasersystemen gepaard met een bepaald percentage kwantumverlies. Als we bijvoorbeeld een laseruitvoergolflengte van 1080 nm nemen, is het aandeel kwantumverlies bij een pompgolflengte van 915 nm ongeveer 15,3 procent.
2.2 Meerdere verliezen
Vezelcoatings boven de kritische temperatuur van 80 graden zullen materiaaldenaturatie of schuren van het oppervlak en andere verschijnselen veroorzaken. Bij continu gebruik van fiberlasers met hoog vermogen is het zeer waarschijnlijk dat vezelcoatings de limiet van thermische belastingen overschrijden die kunnen worden getolereerd, wat resulteert in lichtlekkage van de bekleding en uiteindelijk de algehele burn-out van de laser kan veroorzaken.
Het smeltpunt van de vezel heeft een ernstiger thermisch effect, voornamelijk vanuit twee aspecten: 1) het vezelmateriaal en het hercoatingmateriaal absorberen lichtomzetting zal warmte produceren, in het korte lengtebereik, bijna volledig transparante hercoatinglaag op de absorptie van licht is heel klein, maar het oppervlak zal enkele microholtes produceren, lucht is een slechte warmtegeleider, de aanwezigheid van holtes zorgt ervoor dat de thermische weerstand groter wordt, dus het is gemakkelijk om thermische afzetting op het fusiepunt te produceren. Daarom is het fusiepunt is vatbaar voor thermische afzetting, wat resulteert in aanzienlijk hogere temperaturen; 2) fusieparameters zijn niet geschikt of twee delen van de structurele parameters van optische vezels komen niet overeen, wat zal leiden tot fusieverlies, de aanwezigheid van thermische weerstand zorgt ervoor dat de temperatuur stijgt op het fusiepunt. De temperatuurstijging veroorzaakt thermische schade aan de optische vezel en heeft tegelijkertijd een grotere invloed op de numerieke apertuur van de optische vezel, en de verandering in de numerieke apertuur heeft een aanzienlijke invloed op de lichtgeleiding.
2.3 Spontaan stralingseffect
In de MOPA-structuur kan, wanneer het signaallicht zwak is, een grote hoeveelheid pomplichtinjectie leiden tot een toename van de kans op spontane straling door vezels (ASE). Een grote hoeveelheid willekeurig spontaan stralingslicht lekt vanuit de kern in de glasbekleding en de vezelcoating en raakt oververhit en verbrandt de organische coating. Bovendien verhoogt het genereren van ASE ook het kwantumverlies, wat leidt tot verhoogde verwarming in het kerngebied van de vezel.
2.4 Gestimuleerd Raman-verstrooiingseffect
Met de opkomst van ultrakrachtige vezellasers neemt de laservermogensdichtheid in het kerngebied geleidelijk toe en wordt het gestimuleerde Raman-verstrooiingseffect (SRS) geleidelijk de belangrijkste beperkende factor voor vermogensverbetering. Tijdens werking met hoog vermogen, wanneer het optische vermogen van het lasersignaal de drempelwaarde van SRS bereikt, exciteert en pompt de signaallaser Raman-licht met een lagere frequentie, wat resulteert in het Raman-lichtversterkingsproces. Tegelijkertijd zal SRS, samen met kwantumverlies, het verwarmingsprobleem in het kerngebied van de vezel verergeren.
3. Oplossing van thermisch effect
Het thermische effect van fiberlaser heeft een niet te verwaarlozen invloed op de vezel- en uitvoerkarakteristieken, dus het is van groot belang om de negatieve impact van het thermische effect te verminderen. De onderdrukking van thermisch effect richt zich voornamelijk op de volgende drie aspecten:
1) Redelijke selectie van vezelparameters volgens het temperatuurtheoriemodel van de vezel;
2) Redelijke selectie van pompstructuur en pompmodus is bevorderlijk voor de realisatie van een uniforme temperatuurverdeling en vermindering van thermisch effect;
3) Selectie van een efficiënt extern warmteafvoerschema kan de negatieve impact van thermische effecten aanzienlijk verminderen.
3.1 Optimalisatie van vezelparameters
De belangrijkste factoren die de temperatuurverdeling van de optische vezel beïnvloeden, zijn de thermische geleidbaarheid van de kern en de binnen- en buitenbekleding, de radiale afmeting, de absorptiecoëfficiënt en de lengte van de optische vezel. Een redelijke selectie van vezelparameters kan de warmteverdeling van de vezel effectief regelen om de normale en stabiele werking van de vezel te garanderen.
Een grotere kern kan de kerntemperatuur verlagen, maar een te grote kern heeft invloed op de straalkwaliteit. Coatinglaag als het buitenste medium van vezelwarmtegeleiding, de dikte ervan heeft een grote invloed op de werktemperatuur van de vezel. Theoretisch is het temperatuurverschil tussen de binnen- en buitenoppervlakken van de coatinglaag en de dikte positief gecorreleerd, hoe dunner de coatinglaag, hoe kleiner de weerstand tegen warmtegeleiding, hoe kleiner het temperatuurverschil tussen de binnen- en buitenoppervlakken van het geheel coatinglaag, hoe hoger het vermogen dat het systeem kan weerstaan. Vanwege de invloed van convectieve warmteoverdracht op het oppervlak van de optische vezel heeft de coatinglaag echter de rol van bescherming van de optische vezel en moet daarom de dikte van de coatinglaag redelijk worden gekozen.
Wanneer de vezel aan de lucht wordt gekoeld, wordt de relatie tussen de thermische geleidingsweerstand Rcond, thermische convectieweerstand Rconv en totale thermische weerstand Rtot en de dikte van de coatinglaag weergegeven in figuur 2(a). De dikte van de coatinglaag is positief gecorreleerd met Rcond en negatief gecorreleerd met Rconv, dus het is noodzakelijk om de dikte van de coatinglaag redelijk te kiezen om een lage totale thermische weerstand te garanderen. De relatie tussen vezellengte en absorptiecoëfficiënt en temperatuur wordt getoond in Fig. 2(b), door de absorptiecoëfficiënt van de vezel te verminderen, kan de absorptie van pompkracht effectief worden verminderd, de vermindering van pompkrachtabsorptie betekent de vermindering van thermische depositie, die de temperatuur van de vezel verlaagt, maar om dezelfde output te bereiken, moet de lengte van de vezel worden vergroot, Wang et al. bestudeerde het totale pompvermogen van 1000 W, het dual-end pompvermogen van 500 W, het gebruik van 0,25 dpi wordt gebruikt om dezelfde output te bereiken. Wang et al. toonde aan dat het totale pompvermogen 1000 W was en het dual-end pompvermogen 500 W. Het uitgangsvermogen was 630 W met een 60 m lange vezel met een absorptiecoëfficiënt van 0,25 dB, en 725 W met een 1,0 dB 20 m lange vezel, maar de maximale temperatuur van de laatste vezel was ongeveer 200 graden hoger dan die van de eerste vezel. De maximale temperatuur van laatstgenoemde vezel was hoger dan die van eerstgenoemde vezel. Aangezien het pompuiteinde van het pompvermogen het sterkst is, kan het verminderen van de absorptiecoëfficiënt van de vezel de absorptie van het pompvermogen effectief verminderen, maar onder de premisse dat rekening wordt gehouden met de efficiëntie van de pompabsorptie, is de laser volledig laag -gedoteerde vezels met lage absorptie, de noodzaak om de lengte van de vezel te vergroten, wat op zijn beurt leidt tot het ontstaan van andere problemen zoals het niet-lineaire effect en een afname van de uitvoerefficiëntie, enzovoort.
3.2 Selectie van pompmethode
De verdeling wordt getoond in Fig. 3. Figuur 3 (e) laat zien dat de niet-uniforme coëfficiënt van de middelste delen van de vezelabsorptiecoëfficiënt hoger is dan de twee zijden, om ervoor te zorgen dat de temperatuurverdeling in wezen uniform is, is het uitgangsvermogen hetzelfde als in figuur 3 (d) wanneer de vereiste vezel met meer dan 20 m wordt ingekort; In figuur 3 (f) wordt het vermogen in zeven segmenten gepompt, de temperatuurverdeling is gelijkmatiger en de temperatuur kan binnen een zeer ideaal bereik worden geregeld. De pompmethode is van groot belang voor fiberlasers. 2011 Jena University bouwde een kilowatt-schaal zijpompende fiberlaser met behulp van gedistribueerde zijpompvezel, 2014 SPI lanceerde een kilowatt-schaal zijpompende fiberlaserproducten, in 2015 meldde China dat de National University of Defense Technology en het Twenty-third Research Institute van de China Electronics Technology Group ontwikkelden gezamenlijk een gedistribueerde zij-gekoppelde bekledingspompvezel en bouwden een gedistribueerde zijkoppelingsvezellaser met een bekledingspompvezel. cladding pompende vezel, en bouwde een volledig gelokaliseerde fiberlaser, waarmee een vermogen op kilowatt-schaal werd bereikt. Het gebruik van niet-uniforme pompen met meerdere segmenten of gedistribueerde pompstructuur aan de zijkant kan ervoor zorgen dat de temperatuur van de vezel uniform is, de impact van thermische effecten vermindert en de lengte van de vezel effectief verkort. Het gedistribueerde zijwaarts pompen van vezeltrekken, het verminderen van het fusiekoppelingsverlies van elke sectie van de vezel en het verbeteren van de efficiëntie zijn echter de sleutel tot de technologie. Met de doorbraak en ontwikkeling van sleuteltechnologieën zoals vezelontwerp, trekken en fusiesplitsing, zullen meer pompmethoden worden toegepast bij de ontwikkeling van krachtige vezellasers, die kunnen worden gecombineerd met effectieve externe warmtedissipatietechnologie om het genereren van thermische effecten in de vezel en bereik een stabiele output van lasers met een hoger vermogen.
3.3 Warmteafvoerontwerp
Thermische geleiding, thermische convectie en thermische straling zijn de drie belangrijkste manieren van warmteoverdracht, aangezien de warmtestralingscoëfficiënt klein is, kan de invloed ervan in het algemeen worden genegeerd, geleiding en convectie zijn de dominante warmtedissipatiemethoden. Voor fiberlasers met een kleiner vermogen, wordt meestal alleen rekening gehouden met de natuurlijke convectie van de vezel, warmteafvoer, thermische straling heeft minder impact, kan op de juiste manier worden overwogen.
Convectiewarmteoverdracht omvat voornamelijk natuurlijke convectiewarmteoverdracht en geforceerde convectiewarmteoverdracht. De bepalende factor voor convectieve warmteafvoer is de grootte van de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt. De convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt h is gerelateerd aan de vloeistofeigenschappen, het debiet en het convectiegebied. Zoals weergegeven in tabel 1, is onder dezelfde omstandigheden de warmteoverdrachtscoëfficiënt van geforceerde convectie hoger dan de warmteoverdrachtscoëfficiënt van natuurlijke convectie, de warmteoverdrachtscoëfficiënt van waterconvectie is meerdere malen de warmteoverdrachtscoëfficiënt van luchtconvectie. Hoe groter de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt, hoe beter de warmteafvoer van de vezel. Warmteafvoer door natuurlijke luchtconvectie wordt over het algemeen gebruikt in fiberlasers met een lager vermogen.
Wanneer de fiberlaser honderden watts of kilowatts aan vermogen afgeeft, is het moeilijk om aan de warmtedissipatievereisten te voldoen door pure convectiekoeling, en is het noodzakelijk om een specifieke warmtegeleidingsmethode te kiezen om de warmte van de vezel naar een specifiek koellichaam te geleiden en voer vervolgens efficiënte warmtegeleiding of convectieverspreiding door het koellichaam uit. De contactvorm of het verwerkingsoppervlak van de optische vezel en het koellichaam passen niet perfect, zoals weergegeven in figuur 4, en er zijn holtes bij de contactinterface, die de warmtegeleiding belemmeren. De belangrijkste factor die de thermische geleiding tussen de optische vezel en het koellichaam beïnvloedt, is de thermische weerstand, die een maat is voor het niveau van thermische geleiding tussen de warmteuitwisselingsinterfaces.
Het theoretische model van thermische weerstand tussen de optische vezel en het koellichaam kan worden vereenvoudigd als
Waar Ts de oppervlaktetemperatuur van de vezel is, is T∞ de temperatuur van het koellichaam, q″ is de warmteflux (W/m2), wat de verhouding is van de thermische belasting q′ (W/m) tot de omtrek, Rcontact is de thermische contactweerstand, Rcond is de thermische weerstand van de spleetlaag, L is de dikte van de spleetlaag, k is de thermische geleidbaarheid van het vulmateriaal in de spleet, en A is het oppervlak van de warmteflux die er doorheen gaat . Door het bovenstaande model te nemen, kan worden gezien dat het zorgen voor een kleinere thermische weerstand de temperatuur van de optische vezel kan verlagen. Aangezien de lucht bij de twee contactinterfaces een zeer lage thermische geleidbaarheid heeft (kair=0.026 W/mK), kan de thermische weerstand effectief worden verminderd door het thermische interfacemateriaal (TIM) te vullen met een hoge thermische geleidbaarheid, terwijl de dikte van de spleetlaag L zo klein mogelijk is.
Naast het verminderen van de spleetdikte en het verhogen van de thermische geleidbaarheid, kan de temperatuur van het vezeloppervlak worden verlaagd door de vorm van het koellichaam te regelen. Gemeenschappelijke rechthoekige, V-vormige en U-vormige kerf-koellichamenstructuren worden getoond in Fig. 5. De thermische weerstand van drie verschillende groefstructuren voor het smeltpunt van de opnieuw gecoate vezel werd geëvalueerd, en met andere parameters consistent, de U-vormige groef met de kortste omtrek heeft de kleinste thermische weerstand en een beter koeleffect, terwijl de V-vormige groef met de langste omtrek de grootste thermische weerstand en het slechtste koeleffect heeft, en het verschil is niet duidelijk in praktische toepassingen, en het U-type en V-type structuren worden vaker gebruikt, en het warmteafvoereffect is duidelijk superieur aan dat van de zuiver vlakke koellichamen.
Wanneer de fiberlaser op laag vermogen wordt gebruikt, kan deze luchtgekoeld worden door de halfgeleiderkoelmodule (TEC) en het koellichaam, en wanneer de fiberlaser op hoger vermogen wordt gebruikt, kan deze watergekoeld zijn om de stabiele werking te garanderen temperatuur.Li et al. paste de TEC toe op de externe koeling van de EYDFL, en gebruikte de dubbele pompstructuur om de TEC aan te brengen op de perifere aluminium koellichaam voor de eerste 10,2 cm vezel onder hoog vermogen, en de U-vormige groef wordt getoond in Fig 12(a). De U-vormige groef wordt getoond in Fig. 12(a). De blauwe curve in Fig. 6(b) geeft de temperatuurverdeling aan van de vezel in contact met het koellichaam, en de rode curve is de theoretische temperatuurverdeling van de vezel, en het gebruik van TEC en koellichaam verlaagt effectief de temperatuur van de vezel.
Voor high-power fiberlaser heeft een groot aantal onderzoeken een gerichte warmtedissipatiebehandeling toegepast om een hoog uitgangsvermogen boven het kilowattniveau te verkrijgen zonder niet-lineair effect en thermisch schadeverschijnsel, en goede thermische beheertechnologie zorgt voor de stabiele werking van fiberlaser. In de studie wordt de warmteafvoer van de vezels voornamelijk uitgevoerd door vlakke wikkeling en cilinderwikkeling, met behulp van metalen koellichamen met U-type of V-type groeven gegraveerd, en de contactopening tussen de vezel en de groeven is gevuld met thermisch geleidende siliconen vet (thermische geleidbaarheid is over het algemeen groter dan 2 W/mK) om de warmte af te voeren door middel van waterkoeling, en de structuur ervan wordt getoond in Fig. 7.
Met de ontwikkeling van krachtige technologie voor thermisch beheer van fiberlasers, halfgeleiderpompen, optische filtering van vezelkoppeling en bekleding en andere sleuteltechnologieën, zal het thermische effect als een van de knelpunten in vermogensverbetering goed worden gecontroleerd en zal de kracht van de fiberlaser zal blijven verbeteren. Tegelijkertijd kan effectieve technologie voor thermisch beheer ook de ontwikkeling van geïntegreerde verpakkingstechnologie met fiberlaser bevorderen, zodat high-power fiberlaser kan worden toegepast op een breder scala aan omgevingen.
