1. Фон
Волоконный лазер - это лазер, в котором в качестве усиливающей среды используется стекловолокно, легированное редкоземельными элементами, которое имеет отношение площади поверхности к объему более чем в 1000 раз больше, чем у традиционного лазера на твердом блоке, с хорошими характеристиками рассеивания тепла. Для ста ватт волоконного лазера естественный отвод тепла может удовлетворить требования к отводу тепла. Однако с быстрым развитием волоконных лазеров их выходная мощность увеличивается из года в год, даже достигая киловаттного масштаба, из-за множества причин, таких как квантовые потери, волокно будет производить серьезные тепловые эффекты. Термическая диффузия материала матрицы вызывает изменение напряжения и показателя преломления, низкий показатель преломления полимеризационного слоя подвержен термическому повреждению, что может серьезно привести к разрыву термоволокна; с непрерывным накоплением тепла температура легированного ядра будет увеличиваться, количество частиц на субэнергетическом уровне лазера увеличивается, что приводит к увеличению пороговой мощности и снижению наклонной эффективности лазера, в то время как уменьшение квантовой эффективности вызовет изменения выходной длины волны. . Чтобы еще больше увеличить выходную мощность лазера, волоконный лазер будет выдерживать инжекцию света накачки более высокой мощности и плотность энергии выходного сигнального света, чтобы решить его тепловые эффекты, это серьезная проблема, стоящая перед мощной волоконной лазерной системой.
2. Источник тепловых эффектов в волоконном лазере
2.1 Эффект квантовых потерь
Эффект квантовых потерь является основным источником тепла в области сердцевины волокна, а также источником собственного тепла. Из-за внутренней разницы между длиной волны накачки и длиной волны сигнала все волоконные лазерные системы сопровождаются определенным процентом квантовых потерь. Взяв в качестве примера длину волны лазерного излучения 1080 нм, доля квантовых потерь при длине волны накачки 915 нм составляет около 15,3 процента.
2.2 Множественные потери
Волокнистые покрытия выше критической температуры 80 градусов будут вызывать денатурацию материала или натирание поверхности и другие явления. При работе мощного непрерывного волоконного лазера покрытие волокна, скорее всего, превысит допустимый предел тепловых нагрузок, что приведет к утечке света через оболочку и, в конечном итоге, может привести к полному выгоранию лазера.
Точка плавления волокна имеет более серьезный тепловой эффект, в основном по двум аспектам: 1) материал волокна и материал повторного покрытия, поглощающий преобразование света, будет выделять тепло, в коротком диапазоне длин почти полностью прозрачный слой повторного покрытия при поглощении света. очень мало, но на его поверхности будут образовываться микропустоты, воздух плохо проводит тепло, наличие пустот увеличивает тепловое сопротивление, поэтому легко произвести термическое осаждение в точке плавления. Следовательно, точка плавления склонен к термическому осаждению, что приводит к значительно более высоким температурам; 2) не подходят параметры сплавления или не совпадают параметры конструкции двух участков оптического волокна, что приведет к потере сплавления, наличие термического сопротивления вызывает повышение температуры в точке сплавления. Повышение температуры вызывает термическое повреждение оптического волокна, и в то же время оказывает большее влияние на числовую апертуру световода, а изменение числовой апертуры существенно влияет на световод.
2.3. Эффект спонтанного излучения
В структуре MOPA, когда сигнальный свет слаб, инжекция большого количества света накачки может привести к увеличению вероятности спонтанного излучения волокна (ASE). Большое количество случайного спонтанного излучения света просачивается из сердцевины в стеклянную оболочку, а также в покрытие волокна, перегревая и сжигая органическое покрытие. Кроме того, генерация ASE также увеличивает квантовые потери, что приводит к повышенному нагреву в сердцевине волокна.
2.4 Эффект вынужденного комбинационного рассеяния
С появлением сверхмощных волоконных лазеров плотность лазерной мощности в области сердцевины постепенно увеличивается, а эффект вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) постепенно становится основным ограничивающим фактором увеличения мощности. Во время работы с высокой мощностью, когда оптическая мощность лазерного сигнала достигает порогового состояния ВКР, сигнальный лазер возбуждает и накачивает комбинационное излучение с более низкой частотой, что приводит к процессу усиления комбинационного света. В то же время, наряду с квантовыми потерями, ВКР усугубит проблему нагрева в сердцевине волокна.
3. Решение теплового эффекта
Тепловой эффект волоконного лазера оказывает существенное влияние на характеристики волокна и выходные характеристики, поэтому очень важно уменьшить негативное влияние теплового эффекта. Подавление теплового эффекта в основном сосредоточено на следующих трех аспектах:
1) Обоснованный выбор параметров волокна в соответствии с температурной моделью волокна;
2) Разумный выбор конструкции откачки и режима откачки способствует реализации равномерного распределения температуры и снижению теплового эффекта;
3) Выбор эффективной схемы внешнего отвода тепла позволяет значительно снизить негативное влияние тепловых эффектов.
3.1 Оптимизация параметров волокна
Основными факторами, влияющими на распределение температуры оптического волокна, являются теплопроводность сердцевины, внутренней и внешней оболочки, радиальный размер, коэффициент поглощения и длина оптического волокна. Разумный выбор параметров волокна позволяет эффективно контролировать распределение тепла в волокне, обеспечивая нормальную и стабильную работу волокна.
Больший размер ядра может снизить температуру ядра, но слишком большой повлияет на качество луча. Слой покрытия как самая внешняя среда теплопроводности волокна, его толщина оказывает большое влияние на рабочую температуру волокна. Теоретически разница температур между внутренней и внешней поверхностями слоя покрытия и толщиной положительно коррелирует, чем тоньше слой покрытия, тем меньше сопротивление теплопроводности, тем меньше разница температур между внутренней и внешней поверхностями всего слой покрытия, тем выше мощность, которую может выдержать система. Однако из-за влияния конвективного теплообмена на поверхность оптического волокна и слой покрытия выполняет роль защиты оптического волокна, поэтому необходимо разумно выбирать толщину слоя покрытия.
При охлаждении волокна на воздухе взаимосвязь между сопротивлением теплопроводности Rcond, сопротивлением тепловой конвекции Rconv и полным термическим сопротивлением Rtot и толщиной слоя покрытия показана на рис. 2(а). Толщина слоя покрытия положительно коррелирует с Rcond и отрицательно связана с Rconv, поэтому необходимо разумно выбирать толщину слоя покрытия, чтобы обеспечить низкое общее термическое сопротивление. Взаимосвязь между длиной волокна, коэффициентом поглощения и температурой показана на рис. 2(b), за счет уменьшения коэффициента поглощения волокна можно эффективно уменьшить поглощение мощности накачки, уменьшение поглощения мощности накачки означает снижение теплового осаждение, которое снижает температуру волокна, но для достижения того же выхода необходимо увеличить длину волокна, Wang et al. исследована общая мощность накачки 1000 Вт, мощность двухсторонней накачки 500 Вт, использование 0,25 dpi используется для достижения того же результата. Ван и др. показали, что общая мощность накачки составила 1000 Вт, а мощность двухсторонней накачки — 500 Вт. Выходная мощность составила 630 Вт при длине волокна 60 м с коэффициентом поглощения 0,25 дБ и 725 Вт при длине волокна 20 м 1,0 дБ. но максимальная температура последнего волокна была выше, чем у первого примерно на 200 градусов. Максимальная температура последнего волокна была выше, чем у первого волокна. Поскольку мощность накачки на стороне накачки является самой сильной, хотя уменьшение коэффициента поглощения волокна может эффективно уменьшить поглощение мощности накачки, но при условии учета эффективности поглощения накачки лазер полностью низкий -легированные, малопоглощающие световоды, необходимость увеличения длины световода, что в свою очередь приводит к возникновению других проблем, таких как нелинейный эффект, а также снижение выходной эффективности и так далее.
3.2 Выбор метода откачки
Распределение показано на рис. 3. На рис. 3 (e) показан коэффициент неравномерности средних участков коэффициента поглощения волокна выше, чем с двух сторон, чтобы гарантировать, что распределение температуры в основном однородно, выходная мощность то же, что и на рис. 3, г, при укорочении необходимого волокна более чем на 20 м; Рисунок 3 (f) будет перекачивать мощность в семь сегментов, распределение температуры будет более равномерным, и температуру можно будет контролировать в очень идеальном диапазоне. Большое значение для волоконных лазеров имеет метод накачки. 2011 Йенский университет построил волоконный лазер с боковой накачкой в киловаттном масштабе с использованием оптоволокна с распределенной боковой накачкой, 2014 SPI запустил продукты для волоконного лазера с боковой накачкой в киловаттном масштабе, в 2015 году Китай сообщил, что Национальный университет оборонных технологий и Двадцать третий исследовательский институт China Electronics Technology Group совместно разработали распределенное волокно с боковой накачкой в оболочке и построили распределенный волоконный лазер с боковой связью с волокном накачки в оболочке. волокно для накачки оболочки и построил полностью локализованный волоконный лазер с выходной мощностью в киловатт. Использование многосегментной неравномерной накачки или структуры с распределенной боковой накачкой может обеспечить однородность температуры волокна, уменьшить воздействие тепловых эффектов и эффективно сократить длину волокна. Тем не менее, распределённая боковая прокачка волокна, снижение потерь при сварке каждой секции волокна и повышение эффективности являются ключом к технологии. С прорывом и развитием ключевых технологий, таких как конструкция волокна, вытягивание и сварка плавлением, при разработке высокомощных волоконных лазеров будет применяться больше методов накачки, которые можно комбинировать с эффективной технологией внешнего отвода тепла для эффективного подавления генерации. тепловые эффекты в волокне и добиться стабильного выхода более мощных лазеров.
3.3 Конструкция рассеивания тепла
Теплопроводность, тепловая конвекция и тепловое излучение являются тремя основными способами теплопередачи, так как коэффициент теплового излучения мал, его влиянием можно вообще пренебречь, проводимость и конвекция являются доминирующими способами рассеивания тепла. Для волоконного лазера меньшей мощности, как правило, учитывают только рассеяние тепла естественной конвекцией волокна, тепловое излучение оказывает меньшее влияние, можно считать соответствующим образом.
Конвективный теплообмен в основном включает теплообмен естественной конвекции и теплообмен принудительной конвекции. Определяющим фактором конвективного теплоотвода является величина коэффициента конвективного теплообмена. Коэффициент конвективной теплопередачи h связан со свойствами жидкости, расходом и площадью конвекции. Как показано в таблице 1, при одинаковых условиях коэффициент теплоотдачи при принудительной конвекции выше, чем коэффициент теплоотдачи при естественной конвекции, коэффициент теплоотдачи при водяной конвекции в несколько раз превышает коэффициент теплоотдачи при воздушной конвекции. Чем больше коэффициент конвективной теплопередачи, тем лучше теплоотвод волокна. Естественная воздушная конвекция обычно используется в волоконных лазерах малой мощности.
Когда волоконный лазер выдает сотни ватт или киловатт мощности, трудно удовлетворить требования по рассеиванию тепла за счет чисто конвекционного охлаждения, и необходимо выбрать определенный метод теплопроводности для передачи тепла от волокна к определенному радиатору. , а затем осуществлять эффективную теплопроводность или конвекционную диффузию через радиатор. Форма контакта или поверхность обработки оптического волокна и радиатора не совпадают идеально, как показано на рис. 4, и на поверхности контакта есть пустоты, которые будут препятствовать теплопроводности. Основным фактором, влияющим на теплопроводность между оптическим волокном и радиатором, является тепловое сопротивление, которое является мерой уровня теплопроводности между поверхностями теплообмена.
Теоретическая модель теплового сопротивления между оптическим волокном и радиатором может быть упрощена как
Где Ts — температура поверхности волокна, T∞ — температура теплоотвода, q″ — тепловой поток (Вт/м2), представляющий собой отношение тепловой нагрузки q′ (Вт/м) к периметру, Rcontact – тепловое контактное сопротивление, Rcond – тепловое сопротивление слоя зазора, L – толщина слоя зазора, k – коэффициент теплопроводности присадочного материала в зазоре, A – площадь поверхности теплового потока, проходящего через . Взяв приведенную выше модель, можно увидеть, что обеспечение меньшего теплового сопротивления может снизить температуру оптического волокна. Поскольку воздух на двух контактных поверхностях имеет очень низкую теплопроводность (kair=0,026 Вт/мК), тепловое сопротивление можно эффективно снизить, наполнив материал теплопроводности (TIM) с высокой теплопроводностью. при этом толщина слоя зазора L как можно меньше.
Помимо уменьшения толщины зазора и повышения теплопроводности, температуру поверхности волокна можно снизить за счет управления формой радиатора. Обычные прямоугольные, V-образные и U-образные пазовые конструкции теплоотвода показаны на рис. 5. Было оценено тепловое сопротивление трех различных пазовых структур для точки плавления волокна с повторным покрытием, и при прочих равных параметрах U-образный канавка с наименьшим периметром имеет наименьшее тепловое сопротивление и лучший охлаждающий эффект, в то время как V-образная канавка с самым длинным периметром имеет наибольшее тепловое сопротивление и худший охлаждающий эффект, и разница не очевидна в практических применениях, а U-образный и V-образные структуры используются чаще, и эффект рассеивания тепла явно выше, чем у чисто плоских радиаторов.
Когда волоконный лазер работает с низкой мощностью, он может охлаждаться воздухом с помощью полупроводникового охлаждающего модуля (TEC) и радиатора, а когда волоконный лазер работает с более высокой мощностью, он может охлаждаться водой для обеспечения стабильной работы. температура. Li et al. применил TEC к внешнему охлаждению EYDFL и использовал двухстороннюю насосную структуру для применения TEC к периферийному алюминиевому радиатору для первого волокна 10,2 см при работе с высокой мощностью, а U-образная канавка показана на рис. 12(а). U-образная канавка показана на рис. 12(а). Синяя кривая на рис. 6(b) показывает распределение температуры волокна, находящегося в контакте с радиатором, а красная кривая — теоретическое распределение температуры волокна, а использование ТЭО и радиатора эффективно снижает температуру волокно.
Для мощного волоконного лазера большое количество исследований приняло целевую обработку рассеивания тепла для получения высокой выходной мощности выше киловаттного уровня без нелинейного эффекта и явления теплового повреждения, а хорошая технология управления тепловым режимом обеспечивает стабильную работу волоконного лазера. В исследовании отвод тепла волокна в основном осуществляется плоской намоткой и цилиндрической намоткой с использованием металлических радиаторов с выгравированными канавками U-образного или V-образного типа, а контактный зазор между волокном и канавками заполнен теплопроводным силиконом. смазка (теплопроводность обычно выше 2 Вт/мК) для отвода тепла посредством водяного охлаждения, и ее структура показана на рис. 7.
С развитием технологии управления тепловым режимом мощного волоконного лазера, полупроводниковой накачки, оптоволоконной связи и оптической фильтрации оболочки и других ключевых технологий тепловой эффект как одно из узких мест в повышении мощности будет хорошо контролироваться, а мощность волоконного лазера будет продолжать улучшаться. В то же время эффективная технология управления температурным режимом может также способствовать развитию технологии интегрированной упаковки с волоконным лазером, так что высокомощный волоконный лазер может применяться в более широком диапазоне сред.
