1. Háttér
A Fiber Laser egy ritkaföldfém elemekkel adalékolt üvegszálat használó lézer erősítő közegként, amelynek felület/térfogat aránya több mint 1000-szerese a hagyományos szilárd blokklézerének, jó hőelvezetési teljesítménnyel. Száz watt szálas lézer esetében a természetes hőleadás megfelel a hőelvezetési követelményeknek. A szálas lézerek rohamos fejlődésével azonban kimenő teljesítményük évről évre növekszik, akár a kilowattos skálát is eléri, különféle okok miatt, például kvantumveszteség miatt, a szál komoly hőhatásokat fog produkálni. A mátrixanyag termikus diffúziója feszültséget és törésmutató változást okoz, a polimerizációs réteg alacsony törésmutatója hajlamos a hőkárosodásra, ami súlyosan termikus szálak kifújásához vezethet; a hő folyamatos felhalmozódásával nő az adalékolt maghőmérséklet, nő a részecskék száma a lézer alenergiájában, ami a küszöbteljesítmény növekedéséhez és a lézer lejtési hatékonyságának csökkenéséhez vezet, míg a kvantumhatásfok csökkenése a kimeneti hullámhossz változását okozza. . A lézer kimeneti teljesítményének további növelése érdekében a szálas lézer ellenáll a nagyobb teljesítményű szivattyú fényinjekciójának és a jelfénykimenet energiasűrűségének, termikus hatásainak megoldása komoly kihívást jelent a nagy teljesítményű szálas lézerrendszerrel szemben.
2. A hőhatások forrása a szálas lézerben
2.1 Kvantumveszteség hatása
A kvantumveszteség hatása a fő hőforrás a rostmag területén, egyben a belső hő forrása is. A pumpa hullámhossza és a jel hullámhossza közötti különbség miatt minden szálas lézerrendszerhez bizonyos százalékos kvantumveszteség társul. Ha például 1080 nm-es lézerkimeneti hullámhosszt veszünk, a kvantumveszteség aránya 915 nm-es szivattyúhullámhosszon körülbelül 15,3 százalék.
2.2 Többszörös veszteség
A 80 fokos kritikus hőmérséklet feletti szálbevonatok anyagdenaturációt vagy felületi kopást és egyéb jelenségeket okoznak. A nagy teljesítményű, folyamatos szálas lézeres működésben a szálbevonatok nagy valószínűséggel túllépik az elviselhető hőterhelés határát, ami a burkolat fényszivárgását eredményezi, és végső soron a lézer teljes kiégését okozhatja.
A szál olvadási pontja komolyabb termikus hatást fejt ki, főleg két szempontból: 1) a szálanyag és az újrabevonó anyag a fénykonverzió abszorpciója hőt termel, rövid hossztartományban szinte teljesen átlátszó újrabevonó réteg a fény elnyelésére. nagyon kicsi, de a felületén mikroüregek keletkeznek, a levegő rossz hővezető, az üregek jelenléte megnöveli a hőellenállást, így a fúziós ponton könnyű hőlerakódást létrehozni. Ezért a fúziós pont hajlamos a hőlerakódásra, ami lényegesen magasabb hőmérsékletet eredményez; 2) a fúziós paraméterek nem megfelelőek, vagy az optikai szál szerkezeti paramétereinek két szakasza nem egyezik, ami fúziós veszteséghez vezet, a hőellenállás jelenléte megnöveli a hőmérsékletet a fúziós ponton. A hőmérséklet emelkedése hőkárosodást okoz az optikai szálban, ugyanakkor nagyobb hatással van az optikai szál numerikus apertúrájára, és a numerikus apertúra változása jelentősen befolyásolja a fényvezetést.
2.3 Spontán sugárzási hatás
A MOPA struktúrában, amikor a jelzőfény gyenge, a nagy mennyiségű pumpás fény befecskendezése a szálas spontán sugárzás (ASE) valószínűségének növekedéséhez vezethet. Nagy mennyiségű véletlenszerű spontán sugárzási fény szivárog a magból az üvegburkolatba, valamint a szálbevonatba, és túlhevíti és elégeti a szerves bevonatot. Ezen túlmenően, az ASE előállítása növeli a kvantumveszteséget is, ami megnövekedett melegítéshez vezet a szál mag régiójában.
2.4 Stimulált Raman-szórási hatás
Az ultranagy teljesítményű szálas lézerek megjelenésével a lézer teljesítménysűrűsége a mag régiójában fokozatosan növekszik, és a stimulált Raman-szórási effektus (SRS) fokozatosan a teljesítménynövelés fő korlátozó tényezőjévé válik. Nagy teljesítményű működés során, amikor a lézerjel optikai teljesítménye eléri az SRS küszöbértékét, a jellézer alacsonyabb frekvenciával gerjeszt és pumpál Raman fényt, ami Raman fényerősítési folyamatot eredményez. Ugyanakkor a kvantumveszteséggel együtt az SRS súlyosbítja a fűtési problémát a szál mag régiójában.
3. Termikus hatás megoldása
A szálas lézer hőhatása nem elhanyagolható hatással van a szál és a kimeneti jellemzőkre, ezért nagy jelentősége van a hőhatás negatív hatásának csökkentésében. A hőhatás elnyomása elsősorban a következő három szempontra összpontosít:
1) A szálparaméterek ésszerű kiválasztása a szál hőmérsékletelméleti modelljének megfelelően;
2) A szivattyúszerkezet és a szivattyúzási mód ésszerű megválasztása elősegíti az egyenletes hőmérséklet-eloszlás megvalósítását és a hőhatás csökkentését;
3) A hatékony külső hőelvezetési rendszer kiválasztása nagymértékben csökkentheti a hőhatások negatív hatását.
3.1 A szálparaméterek optimalizálása
Az optikai szál hőmérséklet-eloszlását befolyásoló fő tényezők a mag és a belső és külső burkolat hővezető képessége, a radiális méret, az abszorpciós együttható és az optikai szál hossza. A szálparaméterek ésszerű megválasztásával hatékonyan lehet szabályozni a szál hőeloszlását, így biztosítva a szál normál és stabil működését.
A nagyobb magméret csökkentheti a maghőmérsékletet, de a túl nagy hatással van a sugár minőségére. A bevonóréteg, mint a szál hővezetésének legkülső közege, vastagsága nagyban befolyásolja a szál üzemi hőmérsékletét. Elméletileg a bevonatréteg belső és külső felülete és a vastagság közötti hőmérséklet-különbség pozitívan korrelál, minél vékonyabb a bevonóréteg, annál kisebb a hővezetési ellenállás, annál kisebb a hőmérséklet-különbség a teljes felület belső és külső felülete között. bevonatréteg, annál nagyobb teljesítményt tud ellenállni a rendszer. A konvektív hőátadásnak az optikai szál felületére gyakorolt hatása miatt azonban a bevonórétegnek az a szerepe, hogy megvédje az optikai szálat, ezért ésszerűen meg kell választani a bevonóréteg vastagságát.
Amikor a szálat levegőn lehűtik, az Rcond hővezetési ellenállás, az Rconv hőkonvekciós ellenállás és a teljes hőellenállás Rtot és a bevonatréteg vastagsága közötti összefüggést a 2(a) ábra mutatja. A bevonatréteg vastagsága pozitívan korrelál az Rcond-vel és negatívan korrelál az Rconv-vel, ezért szükséges ésszerűen megválasztani a bevonatréteg vastagságát az alacsony teljes hőellenállás biztosítása érdekében. A szálhossz és az abszorpciós együttható, valamint a hőmérséklet összefüggését a 2(b) ábra mutatja, a szál abszorpciós együtthatójának csökkentésével a szivattyúzási teljesítmény abszorpciója hatékonyan csökkenthető, a szivattyúzási teljesítmény abszorpció csökkenése a termikus csökkenést jelenti. lerakódás, amely csökkenti a szál hőmérsékletét, de az azonos teljesítmény eléréséhez növelni kell a szál hosszát, Wang et al. tanulmányozta az 1000 W teljes szivattyúzási teljesítményt, a kétvégű 500 W-os szivattyúzási teljesítményt, 0,25 dpi felhasználásával ugyanazt a teljesítményt érik el. Wang és mtsai. kimutatta, hogy a teljes szivattyúzási teljesítmény 1000 W, a kétvégű szivattyúzási teljesítmény pedig 500 W. A kimenő teljesítmény 60 m hosszú, 0,25 dB abszorpciós együtthatójú szálnál 630 W, 1,0 dB-es 20 m hosszúságú szálnál 725 W volt, de az utóbbi szál maximális hőmérséklete körülbelül 200 fokkal magasabb volt, mint az előbbi szálé. Az utóbbi szál maximális hőmérséklete magasabb volt, mint az előbbi szálé. Mivel a szivattyúzási teljesítmény pumpáló vége a legerősebb, bár a szál abszorpciós együtthatójának csökkentése hatékonyan csökkentheti a szivattyúzási teljesítmény abszorpcióját, de a szivattyúzási abszorpció hatékonyságának figyelembevétele mellett a lézer, ha teljesen alacsony -adalékolt, alacsony abszorpciós szálak, a szál hosszának növelésének szükségessége, ami viszont más problémák megjelenéséhez vezet, mint például a nemlineáris hatás, valamint a kimeneti hatásfok csökkenéséhez, és így tovább.
3.2 A szivattyúzási mód kiválasztása
Az eloszlás a 3. ábrán látható. A 3(e) ábra azt mutatja, hogy a szálabszorpciós együttható középső szakaszainak nem egyenletes együtthatója nagyobb, mint a két oldal, annak érdekében, hogy a hőmérséklet-eloszlás alapvetően egyenletes legyen, a kimeneti teljesítmény ugyanaz, mint a 3. (d) ábrán, ha a szükséges szálat több mint 20 m-rel lerövidítik; A 3. ábra (f) hét szegmensbe szivattyúzza a teljesítményt, a hőmérséklet-eloszlás egyenletesebb, és a hőmérséklet nagyon ideális tartományban szabályozható. A szivattyúzási módszer nagy jelentőséggel bír a szálas lézereknél. 2011-ben a Jénai Egyetem kilowatt méretű oldalsó szivattyúzású szálas lézert épített elosztott oldalszivattyúzó szál felhasználásával, 2014-ben az SPI kilowatt méretű oldalszivattyúzó szálas lézertermékeket dobott piacra, 2015-ben Kína arról számolt be, hogy a Nemzeti Védelmi Technológiai Egyetem és a Huszonharmadik Kutatóintézet a China Electronics Technology Group közösen kifejlesztett egy elosztott oldalsó csatolású burkolószálat, és épített egy elosztott oldalcsatolású szálas lézert burkolószálas pumpáló szállal. burkolt szivattyúszálas szálakat, és épített egy teljesen lokalizált szálas lézert, amely kilowattléptékű teljesítményt ér el. A több szegmensből álló, nem egyenletes szivattyúzás vagy az elosztott oldalsó szivattyúzási szerkezet alkalmazása biztosíthatja a szál egyenletes hőmérsékletét, csökkenti a hőhatások hatását és hatékonyan lerövidíti a szál hosszát. A technológia kulcsa azonban az elosztott oldalsó pumpás szálhúzás, a szál egyes szakaszainak fúziós csatolási veszteségének csökkentése és a hatékonyság javítása. Az olyan kulcsfontosságú technológiák áttörésével és fejlesztésével, mint a száltervezés, húzás és fúziós splicing, több szivattyúzási módszert alkalmaznak a nagy teljesítményű szálas lézerek fejlesztésében, amelyek kombinálhatók hatékony külső hőelvezetési technológiával, hogy hatékonyan gátolják a szálak keletkezését. hőhatások a szálban, és a nagyobb teljesítményű lézerek stabil teljesítménye érhető el.
3.3 Hőelvezetési tervezés
A hővezetés, a hőkonvekció és a hősugárzás a hőátadás három fő módja, mivel a hősugárzás együtthatója kicsi, hatása általában figyelmen kívül hagyható, a vezetés és a konvekció a domináns hőleadási mód. Kisebb teljesítményű szálas lézer esetén általában csak a szál természetes konvekciós hőelvezetését vegyük figyelembe, a hősugárzásnak kisebb hatása van, megfelelő módon figyelembe vehető.
A konvekciós hőátadás főként természetes konvekciós hőátadást és kényszerkonvekciós hőátadást foglal magában. A konvektív hőleadás meghatározó tényezője a konvektív hőátbocsátási tényező nagysága. A h konvektív hőátbocsátási tényező a folyadék tulajdonságaitól, az áramlási sebességtől és a konvekciós területtől függ. Amint az 1. táblázatban látható, azonos feltételek mellett a kényszerkonvekciós hőátbocsátási tényező nagyobb, mint a természetes konvekciós hőátbocsátási tényező, a vízkonvekciós hőátbocsátási tényező többszöröse a légkonvekciós hőátbocsátási tényezőnek. Minél nagyobb a konvektív hőátbocsátási tényező, annál jobb a szál hőleadása. A természetes légkonvekciós hőelvezetést általában kisebb teljesítményű szálas lézereknél használják.
Amikor a szálas lézer több száz watt vagy kilowatt teljesítményt ad le, nehéz kielégíteni a hőelvezetési követelményeket a tiszta konvekciós hűtéssel, és speciális hővezetési módszert kell választani, hogy a hőt a szálból egy meghatározott hűtőbordára irányítsa. , majd végezzen hatékony hővezetést vagy konvekciós diffúziót a hűtőbordán keresztül. Az optikai szál és a hűtőborda érintkezési formája vagy feldolgozó felülete nem illeszkedik tökéletesen, amint az a 4. ábrán látható, és az érintkezési felületen üregek vannak, amelyek akadályozzák a hővezetést. Az optikai szál és a hűtőborda közötti hővezetést befolyásoló fő tényező a hőellenállás, amely a hőcserélő interfészek közötti hővezetési szint mértéke.
Az optikai szál és a hűtőborda közötti hőellenállás elméleti modellje leegyszerűsíthető
Ahol Ts a szál felületi hőmérséklete, T∞ a hűtőborda hőmérséklete, q″ a hőáram (W/m2), amely a q′ (W/m) hőterhelés és a kerület aránya, Rcontact a hőkontaktus ellenállása, Rcond a résréteg hőellenállása, L a résréteg vastagsága, k a töltőanyag hővezető képessége a résben, A pedig az áthaladó hőáram felülete . A fenti modell alapján látható, hogy a kisebb hőellenállás biztosításával csökkenthető az optikai szál hőmérséklete. Mivel a két érintkezési felületen a levegőnek nagyon alacsony a hővezető képessége (kair=0,026 W/mK), a hőellenállás hatékonyan csökkenthető, ha a termikus interfész anyagot (TIM) nagy hővezető képességgel töltik fel, míg az L résréteg vastagsága a lehető legkisebb legyen.
A résvastagság csökkentése és a hővezető képesség növelése mellett a szálfelület hőmérséklete csökkenthető a hűtőborda alakjának szabályozásával. A gyakori téglalap alakú, V-alakú és U-alakú bevágásos hűtőbordák szerkezeteit az 5. ábra mutatja be. Három különböző horonyszerkezet hőellenállását értékeltük az újra bevont szál olvadáspontjához, és egyéb paraméterekkel összhangban az U-alakú a legrövidebb kerületű horonynak van a legkisebb hőállósága és jobb hűtőhatása, míg a leghosszabb kerületű V-alakú horonynak van a legnagyobb hőállósága és rosszabb a hűtőhatása, és a különbség a gyakorlati alkalmazásokban nem szembetűnő, és az U-típusú. és a V-típusú szerkezeteket gyakrabban alkalmazzák, és a hőleadó hatás nyilvánvalóan jobb, mint a tisztán sík hűtőbordáké.
Ha a szálas lézert kis teljesítménnyel üzemeltetik, léghűthető a félvezető hűtőmodullal (TEC) és a hűtőbordával, és ha a szálas lézert nagyobb teljesítménnyel üzemeltetik, akkor vízhűtéssel biztosítható a stabil működés hőmérséklet.Li et al. a TEC-et az EYDFL külső hűtésére alkalmazta, és a kétvégű szivattyús szerkezetet használta a TEC-nek a perifériás alumínium hűtőbordára történő felhordására az első 10,2 cm-es szálnál nagy teljesítményű működés mellett, és az U-alakú horony az 1. ábrán látható. 12. a) pont. Az U alakú horony a 12(a) ábrán látható. A 6(b) ábrán látható kék görbe a hűtőbordával érintkező szál hőmérséklet-eloszlását jelzi, a piros görbe pedig a szál elméleti hőmérséklet-eloszlását, a TEC és a hűtőborda használata pedig hatékonyan csökkenti a szál hőmérsékletét. a rost.
A nagy teljesítményű szálas lézer esetében számos kutatás alkalmazta a célzott hőelvezetési kezelést a kilowattszint feletti nagy kimeneti teljesítmény elérése érdekében nemlineáris hatás és hőkárosodási jelenség nélkül, és a jó hőkezelési technológia biztosítja a szálas lézer stabil működését. A vizsgálatban a szálas hőleadást elsősorban síktekerccsel és hengertekerccsel, fém hűtőbordák alkalmazásával, U- vagy V-típusú vésett hornyokkal végzik, a szál és a hornyok közötti érintkezési rést pedig hővezető szilikonnal töltik ki. zsír (a hővezető képessége általában nagyobb, mint 2 W/mK), hogy vízhűtéssel elvonja a hőt, és ennek szerkezete a 7. ábrán látható.
A nagy teljesítményű szálas lézeres hőkezelési technológia, a félvezető szivattyúzás, a szálcsatolás és a burkolat optikai szűrése és más kulcsfontosságú technológiák fejlesztésével a hőhatás, mint a teljesítménynövelés egyik szűk keresztmetszete, jól szabályozható lesz, és a szálas lézer teljesítménye tovább javulni fog. Ugyanakkor a hatékony hőkezelési technológia elősegítheti a szálas lézeres integrált csomagolási technológia fejlesztését is, így a nagy teljesítményű szálas lézer szélesebb körben alkalmazható.
