1. Заден план
Fiber Laser е лазер, който използва стъклено влакно, легирано с редкоземни елементи, като усилваща среда, което има съотношение повърхност/обем повече от 1000 пъти по-голямо от това на традиционен твърд блок лазер, с добро разсейване на топлината. За сто вата оптичен лазер естественото разсейване на топлината може да отговори на изискванията за разсейване на топлината. Въпреки това, с бързото развитие на влакнестите лазери, тяхната изходна мощност се увеличава всяка година, дори достигайки киловатова скала, поради различни причини, като например квантова загуба, влакното ще предизвика сериозни топлинни ефекти. Термичната дифузия на материала на матрицата причинява промени в напрежението и индекса на пречупване, ниският индекс на пречупване на полимеризационния слой е склонен към термично увреждане, което може сериозно да доведе до издухване на термично влакно; с непрекъснатото натрупване на топлина, температурата на легираната сърцевина ще се увеличи, броят на частиците в лазерното субенергийно ниво се увеличава, което води до повишена прагова мощност и ефективността на наклона на лазера намалява, докато намаляването на квантовата ефективност ще доведе до промени в дължината на вълната на изхода . За да се повиши допълнително изходната мощност на лазера, влакнестият лазер ще издържи на инжектиране на светлина с помпа с по-висока мощност и плътност на енергията на светлинния изход на сигнала, разрешаването на неговите термични ефекти е сериозно предизвикателство пред високомощната лазерна система с влакна.
2. Източник на термични ефекти във фибролазера
2.1 Квантов ефект на загуба
Ефектът на квантовата загуба е основният източник на топлина в областта на сърцевината на влакното, което също е източник на присъща топлина. Поради присъщата разлика между дължината на вълната на помпата и дължината на вълната на сигнала, всички фибролазерни системи са придружени от определен процент квантова загуба. Като вземем за пример изходна дължина на вълната на лазера 1080 nm, делът на квантовата загуба при дължина на вълната на помпата 915 nm е около 15,3 процента.
2.2 Множество загуби
Покритията на влакната над критичната температура от 80 градуса ще доведат до денатурация на материала или повърхностно разтриване и други явления. При работа с високомощен непрекъснат лазер с влакна е много вероятно влакнестите покрития да превишат лимита на термичните натоварвания, които могат да бъдат толерирани, което води до изтичане на светлина от облицовката и в крайна сметка може да причини цялостното изгаряне на лазера.
Точката на сливане на влакното има по-сериозен топлинен ефект, главно от два аспекта: 1) абсорбцията на светлината от влакнестия материал и материала за повторно покритие ще произведе топлина, в диапазона на къса дължина, почти напълно прозрачен слой за повторно покритие върху абсорбцията на светлина е много малко, но повърхността му ще произведе някои микрокухини, въздухът е лош проводник на топлина, наличието на кухини прави топлинното съпротивление по-голямо, така че е лесно да се произведе термично отлагане в точката на топене. Следователно, точката на топене е склонен към термично отлагане, което води до значително по-високи температури; 2) параметрите на синтез не са подходящи или две секции от структурните параметри на оптичното влакно не съвпадат, което ще доведе до загуба на синтез, наличието на термично съпротивление води до повишаване на температурата в точката на синтез. Повишаването на температурата причинява термично увреждане на оптичното влакно и в същото време има по-голямо въздействие върху цифровата апертура на оптичното влакно, а промяната в цифровата апертура значително влияе върху насочването на светлината.
2.3 Спонтанен радиационен ефект
В структурата на MOPA, когато сигналната светлина е слаба, голямо количество инжектирана светлина на помпата може да доведе до увеличаване на вероятността от спонтанно излъчване на влакна (ASE). Голямо количество случайна спонтанна радиационна светлина изтича от сърцевината в стъклената обвивка, както и в покритието от влакна и прегрява и изгаря органичното покритие. В допълнение, генерирането на ASE също увеличава квантовата загуба, което води до повишено нагряване в областта на сърцевината на влакното.
2.4 Ефект на стимулирано раманово разсейване
С появата на оптични лазери с ултра висока мощност, плътността на мощността на лазера в областта на ядрото постепенно се увеличава и ефектът на стимулираното раманово разсейване (SRS) постепенно се превръща в основен ограничаващ фактор за повишаване на мощността. По време на работа с висока мощност, когато оптичната мощност на лазерния сигнал достигне праговото състояние на SRS, сигналният лазер възбужда и изпомпва раманова светлина с по-ниска честота, което води до процеса на усилване на рамановата светлина. В същото време, заедно с квантовата загуба, SRS ще изостри проблема с нагряването в областта на сърцевината на влакното.
3. Разтвор на топлинен ефект
Термичният ефект на влакнестия лазер има незначително въздействие върху влакното и изходните характеристики, така че е от голямо значение да се намали отрицателното въздействие на топлинния ефект. Потискането на термичния ефект се фокусира главно върху следните три аспекта:
1) Разумен избор на параметри на влакното според модела на теорията на температурата на влакното;
2) Разумният избор на помпена структура и режим на изпомпване е благоприятен за реализиране на равномерно разпределение на температурата и намаляване на топлинния ефект;
3) Изборът на ефективна външна схема за разсейване на топлината може значително да намали отрицателното въздействие на топлинните ефекти.
3.1 Оптимизиране на параметрите на влакното
Основните фактори, влияещи върху разпределението на температурата на оптичното влакно, са топлопроводимостта на сърцевината и вътрешната и външната обвивка, радиалният размер, коефициентът на поглъщане и дължината на оптичното влакно. Разумният избор на параметри на влакното може ефективно да контролира разпределението на топлината на влакното, за да осигури нормална и стабилна работа на влакното.
По-големият размер на сърцевината може да намали температурата в сърцевината, но твърде големият ще повлияе на качеството на лъча. Покриващият слой като най-външната среда за топлопроводимост на влакното, неговата дебелина има голямо влияние върху работната температура на влакното. Теоретично, температурната разлика между вътрешната и външната повърхност на покриващия слой и дебелината са положително свързани, колкото по-тънък е покривният слой, толкова по-малка е устойчивостта на топлопроводимост, толкова по-малка е температурната разлика между вътрешната и външната повърхност на целия покриващ слой, толкова по-висока мощност може да издържи системата. Въпреки това, поради влиянието на конвективния пренос на топлина върху повърхността на оптичното влакно, покривният слой има ролята на защита на оптичното влакно и следователно трябва разумно да изберете дебелината на покриващия слой.
Когато влакното се охлажда във въздуха, връзката между съпротивлението на топлинна проводимост Rcond, съпротивлението на топлинна конвекция Rconv и общото термично съпротивление Rtot и дебелината на покриващия слой е показано на фигура 2(a). Дебелината на покриващия слой е положително корелирана с Rcond и отрицателно корелирана с Rconv, така че е необходимо разумно да се избере дебелината на покривния слой, за да се осигури ниско общо термично съпротивление. Връзката между дължината на влакното и коефициента на поглъщане и температурата е показана на фиг. 2 (b), чрез намаляване на коефициента на поглъщане на влакното, поглъщането на мощността на изпомпване може да бъде ефективно намалено, намаляването на поглъщането на мощност на изпомпване означава намаляване на топлинната отлагане, което намалява температурата на влакното, но за да се постигне същата производителност, трябва да се увеличи дължината на влакното, Wang et al. изследва общата изпомпваща мощност от 1000 W, двустранната изпомпваща мощност от 500 W, използването на 0,25 dpi се използва за постигане на същия резултат. Wang и др. показа, че общата мощност на изпомпване е 1000 W, а мощността на изпомпване в двата края е 500 W. Изходната мощност е 630 W с влакно с дължина 60 m с коефициент на поглъщане 0,25 dB и 725 W с влакно с дължина 20 m от 1,0 dB, но максималната температура на последното влакно е по-висока от тази на първото влакно с около 200 градуса. Максималната температура на последното влакно беше по-висока от тази на първото влакно. Тъй като изпомпващият край на мощността на изпомпване е най-силен, въпреки че намаляването на коефициента на абсорбция на влакното може ефективно да намали абсорбцията на мощността на изпомпване, но при предпоставката да се вземе предвид ефективността на абсорбцията на изпомпване, лазерът, ако е напълно нисък - легирани влакна с ниска абсорбция, необходимостта от увеличаване на дължината на влакното, което от своя страна води до появата на други проблеми като нелинейния ефект, както и спад в изходната ефективност и т.н.
3.2 Избор на метод за изпомпване
Разпределението е показано на фиг. 3. Фигура 3 (e) показва неравномерния коефициент на средните участъци на коефициента на абсорбция на влакното е по-висок от двете страни, за да се гарантира, че разпределението на температурата е основно равномерно, изходната мощност е същото като на фигура 3 (d), когато необходимото влакно е скъсено с повече от 20 m; Фигура 3 (f) ще изпомпва мощност в седем сегмента, разпределението на температурата е по-равномерно и температурата може да се контролира в много идеален диапазон. Методът на изпомпване е от голямо значение за фибролазерите. 2011 Университетът в Йена построи киловатов лазер със странично изпомпване, използвайки разпределено странично изпомпващо влакно, 2014 SPI пусна киловатово странично изпомпващо лазерно влакно, през 2015 г. Китай съобщи, че Националният университет по отбранителни технологии и Двадесет и третият изследователски институт от China Electronics Technology Group съвместно разработиха разпределено странично свързано изпомпващо влакно с облицовка и изградиха разпределен страничен куплиран влакнен лазер с облицовъчно изпомпващо влакно. облицовъчни изпомпващи влакна и изградиха напълно локализиран влакнен лазер, постигайки изходна мощност в киловатов мащаб. Използването на многосегментно неравномерно изпомпване или структура на разпределено странично изпомпване може да гарантира, че температурата на влакното е еднаква, да намали въздействието на топлинните ефекти и ефективно да скъси дължината на влакното. Въпреки това, издърпването на влакното с разпределено странично изпомпване, намаляването на загубата на свързване чрез синтез на всяка секция от влакното и подобряването на ефективността са ключът към технологията. С пробива и развитието на ключови технологии като проектиране на влакна, издърпване и снаждане чрез сливане, повече методи на изпомпване ще бъдат приложени при разработването на високомощни влакнести лазери, които могат да се комбинират с ефективна външна технология за разсейване на топлината, за да се възпрепятства ефективно генерирането на термични ефекти във влакното и постигане на стабилна мощност на лазери с по-висока мощност.
3.3 Дизайн на разсейване на топлината
Топлинната проводимост, топлинната конвекция и топлинното излъчване са трите основни начина за пренос на топлина, тъй като коефициентът на топлинно излъчване е малък, неговото влияние може да се пренебрегне като цяло, проводимостта и конвекцията са доминиращите методи за разсейване на топлината. За лазер с по-малка мощност, обикновено се взема предвид само разсейването на топлината от естествената конвекция на влакната, топлинното излъчване има по-малко въздействие, може да се счита за подходящо.
Конвекционният топлопренос включва главно топлопренос с естествена конвекция и топлопренос с принудителна конвекция. Определящият фактор за конвективното разсейване на топлината е размерът на коефициента на конвективен топлопреминаване. Коефициентът на конвективен топлопренос h е свързан със свойствата на течността, скоростта на потока и площта на конвекция. Както е показано в таблица 1, при същите условия коефициентът на топлопреминаване на принудителна конвекция е по-висок от коефициента на топлопреминаване на естествена конвекция, коефициентът на топлопреминаване на водна конвекция е няколко пъти по-висок от коефициента на топлопреминаване на въздушна конвекция. Колкото по-голям е коефициентът на конвективен топлопренос, толкова по-добро е разсейването на топлината на влакното. Разсейването на топлината чрез естествена въздушна конвекция обикновено се използва във влакнестия лазер с ниска мощност.
Когато влакнестият лазер извежда стотици ватове или киловати мощност, е трудно да се изпълнят изискванията за разсейване на топлината чрез чисто конвекционно охлаждане и е необходимо да се избере специфичен метод на топлопроводимост, за да се отведе топлината от влакното към конкретен радиатор , и след това извършете ефективна топлопроводимост или конвективна дифузия през радиатора. Формата на контакта или обработващата повърхност на оптичното влакно и радиатора не пасват идеално, както е показано на Фигура 4, и има кухини на контактния интерфейс, което ще попречи на топлопроводимостта. Основният фактор, влияещ върху топлопроводимостта между оптичното влакно и радиатора, е термичното съпротивление, което е мярка за нивото на топлопроводимост между топлообменните интерфейси.
Теоретичният модел на термичното съпротивление между оптичното влакно и радиатора може да бъде опростен като
Където Ts е повърхностната температура на влакното, T∞ е температурата на радиатора, q″ е топлинният поток (W/m2), който е съотношението на термичното натоварване q′ (W/m) към периметъра, Rcontact е термичното контактно съпротивление, Rcond е термичното съпротивление на междинния слой, L е дебелината на междинния слой, k е топлопроводимостта на пълнежния материал в междината и A е повърхностната площ на топлинния поток, преминаващ през . Като се вземе горният модел, може да се види, че осигуряването на по-малко термично съпротивление може да намали температурата на оптичното влакно. Тъй като въздухът в двата контактни интерфейса има много ниска топлопроводимост (kair=0.026 W/mK), топлинното съпротивление може да бъде ефективно намалено чрез запълване на термичния интерфейсен материал (TIM) с висока топлопроводимост, докато дебелината на междинния слой L е възможно най-малка.
В допълнение към намаляването на дебелината на междината и увеличаването на топлопроводимостта, повърхностната температура на влакното може да бъде намалена чрез контролиране на формата на радиатора. Обичайните правоъгълни, V-образни и U-образни прорезни радиаторни структури са показани на Фиг. 5. Беше оценено термичното съпротивление на три различни жлебови структури за точката на топене на повторно покритото влакно и с други параметри, последователни, U-образната жлебът с най-къс периметър има най-малко термично съпротивление и по-добър охлаждащ ефект, докато V-образният жлеб с най-дълъг периметър има най-голямото термично съпротивление и по-лош охлаждащ ефект и разликата не е очевидна при практически приложения и U-тип и V-тип структури се използват по-често и ефектът на разсейване на топлината е очевидно по-добър от този на чисто равнинните радиатори.
Когато влакнестият лазер работи с ниска мощност, той може да се охлажда с въздух от полупроводниковия охлаждащ модул (TEC) и радиатор, а когато влакнестият лазер работи с по-висока мощност, той може да се охлажда с вода, за да се осигури стабилна работа температура.Li et al. приложи TEC към външното охлаждане на EYDFL и използва помпената структура с двоен край, за да приложи TEC към периферния алуминиев радиатор за първото 10,2 cm влакно при работа с висока мощност, а U-образният жлеб е показан на фиг. 12(а). U-образният жлеб е показан на фиг. 12(a). Синята крива на фиг. 6(b) показва разпределението на температурата на влакното в контакт с радиатора, а червената крива е теоретичното разпределение на температурата на влакното, а използването на TEC и радиатора ефективно намалява температурата на фибрите.
За високомощен влакнест лазер голям брой изследвания са приели целенасочено разсейване на топлината, за да се получи висока изходна мощност над киловатово ниво без нелинеен ефект и феномен на термично увреждане, а добрата технология за термично управление гарантира стабилната работа на влакнестия лазер. В изследването разсейването на топлината на влакното се извършва главно чрез равнинна намотка и цилиндрична намотка, като се използват метални радиатори с гравирани U-тип или V-тип жлебове, а контактната междина между влакното и жлебовете е запълнена с топлопроводим силикон грес (топлопроводимостта обикновено е по-голяма от 2 W/mK) за отнемане на топлината чрез водно охлаждане и нейната структура е показана на фиг. 7.
С разработването на високомощна технология за термично управление на влакнест лазер, полупроводниково изпомпване, свързване на влакна и облицовка на оптично филтриране и други ключови технологии, термичният ефект като едно от тесните места в подобряването на мощността ще бъде добре контролиран и мощността на влакнест лазера ще продължи да се подобрява. В същото време ефективната технология за термично управление може също така да насърчи развитието на интегрирана технология за опаковане с фибролазер, така че високомощният фибролазер да може да се прилага в по-широк диапазон от среди.
