1. Latar belakang
Fiber Laser ialah laser yang menggunakan gentian kaca terdop unsur nadir bumi sebagai medium perolehan, yang mempunyai nisbah luas permukaan/isipadu lebih daripada 1000 kali ganda daripada laser blok pepejal tradisional, dengan prestasi pelesapan haba yang baik. Untuk seratus watt laser gentian, pelesapan haba semulajadi boleh memenuhi keperluan pelesapan haba. Walau bagaimanapun, dengan perkembangan pesat laser gentian, kuasa keluarannya meningkat dari tahun ke tahun, malah mencapai skala kilowatt, disebabkan oleh pelbagai sebab, seperti kehilangan kuantum, gentian akan menghasilkan kesan haba yang serius. Penyebaran haba bahan matriks menyebabkan tekanan dan perubahan indeks biasan, indeks biasan rendah lapisan pempolimeran terdedah kepada kerosakan terma, yang serius boleh membawa kepada letupan gentian haba; dengan pengumpulan haba yang berterusan, suhu teras doped akan meningkat, bilangan zarah dalam tahap subenergi laser meningkat membawa kepada peningkatan kuasa ambang dan kecekapan cerun laser berkurangan, manakala penurunan dalam kecekapan kuantum akan menyebabkan perubahan panjang gelombang keluaran . Untuk meningkatkan lagi kuasa output laser, laser gentian akan menahan suntikan cahaya pam kuasa yang lebih tinggi dan ketumpatan tenaga keluaran cahaya isyarat, untuk menyelesaikan kesan habanya adalah cabaran serius yang dihadapi oleh sistem laser gentian berkuasa tinggi.
2. Sumber kesan haba dalam laser gentian
2.1 Kesan kehilangan kuantum
Kesan kehilangan kuantum adalah sumber utama haba di kawasan teras gentian juga merupakan sumber haba yang wujud. Oleh kerana perbezaan yang wujud antara panjang gelombang pam dan panjang gelombang isyarat, semua sistem laser gentian disertai dengan peratusan tertentu kehilangan kuantum. Mengambil panjang gelombang keluaran laser 1080 nm sebagai contoh, perkadaran kehilangan kuantum pada panjang gelombang pam 915 nm ialah kira-kira 15.3 peratus .
2.2 Kerugian Berbilang
Salutan gentian di atas suhu kritikal 80 darjah akan menghasilkan denaturasi bahan atau chaffing permukaan dan fenomena lain. Dalam operasi laser gentian berterusan berkuasa tinggi, salutan gentian berkemungkinan besar melebihi had beban terma yang boleh diterima, mengakibatkan kebocoran cahaya pelapisan, dan akhirnya boleh menyebabkan keletihan keseluruhan laser.
Titik gabungan gentian mempunyai kesan haba yang lebih serius, terutamanya dari dua aspek: 1) bahan gentian dan bahan penyalut semula penyerapan penukaran cahaya akan menghasilkan haba, dalam julat panjang pendek, lapisan penyalut semula hampir sepenuhnya telus pada penyerapan cahaya adalah sangat sedikit, tetapi permukaannya akan menghasilkan beberapa lompang mikro, udara adalah pengalir haba yang lemah, kehadiran lompang menjadikan rintangan haba menjadi lebih besar, jadi mudah untuk menghasilkan pemendapan terma pada titik pelakuran Oleh itu, titik pelakuran terdedah kepada pemendapan haba, mengakibatkan suhu yang jauh lebih tinggi; 2) parameter gabungan tidak sesuai atau dua bahagian parameter struktur gentian optik tidak sepadan, yang akan membawa kepada kehilangan gabungan, kehadiran rintangan haba menjadikan kenaikan suhu pada titik gabungan. Peningkatan suhu menyebabkan kerosakan haba pada gentian optik, dan pada masa yang sama mempunyai kesan yang lebih besar pada apertur berangka gentian optik, dan perubahan dalam apertur berangka memberi kesan yang ketara kepada panduan cahaya.
2.3 Kesan sinaran spontan
Dalam struktur MOPA, apabila lampu isyarat lemah, sejumlah besar suntikan cahaya pam boleh membawa kepada peningkatan kebarangkalian sinaran spontan gentian (ASE). Sebilangan besar cahaya sinaran spontan rawak bocor dari teras ke dalam pelapisan kaca serta salutan gentian dan terlalu panas dan membakar salutan organik. Di samping itu, penjanaan ASE juga meningkatkan kehilangan kuantum, yang membawa kepada peningkatan pemanasan di kawasan teras gentian.
2.4 Kesan taburan Raman yang dirangsang
Dengan kemunculan laser gentian kuasa ultra tinggi, ketumpatan kuasa laser di kawasan teras secara beransur-ansur meningkat, dan kesan hamburan Raman (SRS) yang dirangsang secara beransur-ansur menjadi faktor pengehad utama untuk peningkatan kuasa. Semasa operasi berkuasa tinggi, apabila kuasa optik isyarat laser mencapai keadaan ambang SRS, laser isyarat merangsang dan mengepam cahaya Raman dengan frekuensi yang lebih rendah, menghasilkan proses penguatan cahaya Raman. Pada masa yang sama, bersama-sama dengan kehilangan kuantum, SRS akan memburukkan lagi masalah pemanasan di kawasan teras gentian.
3. Penyelesaian kesan haba
Kesan haba laser gentian mempunyai kesan yang tidak boleh diabaikan pada gentian dan ciri-ciri keluaran, jadi ia adalah sangat penting untuk mengurangkan kesan negatif kesan haba. Penindasan kesan haba terutamanya memberi tumpuan kepada tiga aspek berikut:
1) Pemilihan parameter gentian yang munasabah mengikut model teori suhu gentian;
2) Pemilihan struktur pam dan mod pengepaman yang munasabah adalah kondusif untuk merealisasikan pengagihan suhu seragam dan pengurangan kesan haba;
3) Pemilihan skim pelesapan haba luaran yang cekap boleh mengurangkan kesan negatif kesan haba.
3.1 Pengoptimuman parameter gentian
Faktor utama yang mempengaruhi taburan suhu gentian optik ialah kekonduksian terma teras dan pelapisan dalam dan luar, saiz jejari, pekali penyerapan, dan panjang gentian optik. Pemilihan parameter gentian yang munasabah boleh mengawal pengagihan haba gentian secara berkesan untuk memastikan operasi gentian yang normal dan stabil.
Saiz teras yang lebih besar boleh mengurangkan suhu teras, tetapi terlalu besar akan menjejaskan kualiti rasuk. Lapisan salutan sebagai medium paling luar pengaliran haba gentian, ketebalannya mempunyai pengaruh yang besar pada suhu kerja gentian. Secara teorinya, perbezaan suhu antara permukaan dalam dan luar lapisan salutan dan ketebalan adalah berkorelasi positif, semakin nipis lapisan salutan, semakin kecil rintangan terhadap pengaliran haba, semakin kecil perbezaan suhu antara permukaan dalam dan luar keseluruhan. lapisan salutan, semakin tinggi kuasa yang boleh ditahan oleh sistem. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh pengaruh pemindahan haba perolakan pada permukaan gentian optik, dan lapisan salutan mempunyai peranan melindungi gentian optik, dan oleh itu perlu semunasabahnya memilih ketebalan lapisan salutan.
Apabila gentian disejukkan di udara, hubungan antara rintangan pengaliran haba Rcond, rintangan perolakan terma Rconv dan jumlah rintangan haba Rtot dan ketebalan lapisan salutan ditunjukkan dalam Rajah 2(a). Ketebalan lapisan salutan berkorelasi positif dengan Rcond dan berkorelasi negatif dengan Rconv, jadi adalah perlu untuk memilih ketebalan lapisan salutan secara munasabah untuk memastikan jumlah rintangan haba yang rendah. Hubungan antara panjang gentian dan pekali penyerapan dan suhu ditunjukkan dalam Rajah 2(b), dengan mengurangkan pekali penyerapan gentian, penyerapan kuasa pam boleh dikurangkan dengan berkesan, pengurangan penyerapan kuasa pam bermakna pengurangan haba pemendapan, yang mengurangkan suhu gentian, tetapi untuk mencapai output yang sama perlu meningkatkan panjang gentian, Wang et al. mengkaji jumlah kuasa pengepaman 1000 W, kuasa pam dwi hujung 500 W, penggunaan 0.25 dpi digunakan untuk mencapai output yang sama. Wang et al. menunjukkan bahawa jumlah kuasa mengepam ialah 1000 W dan kuasa mengepam dwi hujung ialah 500 W. Kuasa keluaran ialah 630 W dengan gentian panjang 60 m dengan pekali serapan 0.25 dB, dan 725 W dengan gentian panjang 1.0 dB 20 m, tetapi suhu maksimum gentian terakhir adalah lebih tinggi daripada gentian bekas kira-kira 200 darjah. Suhu maksimum gentian terakhir adalah lebih tinggi daripada gentian bekas. Oleh kerana hujung pengepaman kuasa mengepam adalah yang paling kuat, walaupun mengurangkan pekali penyerapan gentian berkesan boleh mengurangkan penyerapan kuasa mengepam, tetapi di bawah premis mengambil kira kecekapan penyerapan mengepam, laser jika benar-benar rendah -doped, gentian penyerapan rendah, keperluan untuk meningkatkan panjang gentian, yang seterusnya membawa kepada kemunculan masalah lain seperti kesan tak linear serta penurunan dalam kecekapan output, dan sebagainya.
3.2 Pemilihan kaedah mengepam
Taburan ditunjukkan dalam Rajah 3. Rajah 3 (e) menunjukkan pekali tidak seragam bahagian tengah pekali penyerapan gentian adalah lebih tinggi daripada kedua-dua belah, untuk memastikan bahawa taburan suhu pada asasnya seragam, kuasa output adalah sama seperti dalam Rajah 3 (d) apabila gentian yang diperlukan dipendekkan lebih daripada 20m; Rajah 3 (f) akan dipam kuasa kepada tujuh segmen, taburan suhu lebih seragam, dan suhu boleh dikawal dalam julat yang sangat ideal. Kaedah mengepam adalah sangat penting untuk laser gentian. Universiti Jena 2011 membina laser gentian pengepam sisi berskala kilowatt menggunakan gentian pengepam sisi yang diedarkan, 2014 SPI melancarkan produk laser gentian pengepam sisi skala kilowatt, pada 2015, China melaporkan bahawa Universiti Teknologi Pertahanan Nasional dan Institut Penyelidikan Kedua puluh tiga daripada China Electronics Technology Group bersama-sama membangunkan gentian pam pelapik bergandingan sisi yang diedarkan, dan membina laser gentian gandingan sisi teragih dengan gentian pam pelapisan. pelapisan mengepam gentian, dan membina laser gentian setempat sepenuhnya, mencapai output kuasa skala kilowatt. Penggunaan struktur pam tidak seragam berbilang segmen atau pengepaman sampingan yang diedarkan boleh memastikan suhu gentian adalah seragam, mengurangkan kesan kesan haba dan memendekkan panjang gentian dengan berkesan. Walau bagaimanapun, penarikan gentian pam sampingan yang diedarkan, mengurangkan kehilangan gandingan gabungan setiap bahagian gentian dan meningkatkan kecekapan adalah kunci kepada teknologi. Dengan penemuan dan pembangunan teknologi utama seperti reka bentuk gentian, penarikan dan penyambungan gabungan, lebih banyak kaedah pengepaman akan digunakan dalam pembangunan laser gentian berkuasa tinggi, yang boleh digabungkan dengan teknologi pelesapan haba luaran yang berkesan untuk menghalang penjanaan kesan haba dalam gentian dan mencapai output stabil laser berkuasa tinggi.
3.3 Reka bentuk pelesapan haba
Pengaliran terma, perolakan haba dan sinaran haba adalah tiga cara utama pemindahan haba, kerana pekali sinaran haba adalah kecil, pengaruhnya boleh diabaikan secara umum, pengaliran dan perolakan adalah kaedah pelesapan haba yang dominan. Untuk laser gentian kuasa yang lebih kecil, biasanya hanya mempertimbangkan pelesapan haba perolakan semula jadi gentian, sinaran haba mempunyai kesan yang kurang, boleh dipertimbangkan dengan sewajarnya.
Pemindahan haba perolakan terutamanya termasuk pemindahan haba perolakan semula jadi dan pemindahan haba perolakan paksa. Faktor penentu pelesapan haba perolakan ialah saiz pekali pemindahan haba perolakan. Pekali pemindahan haba perolakan h berkaitan dengan sifat bendalir, kadar alir dan kawasan perolakan. Seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 1, di bawah keadaan yang sama, pekali pemindahan haba perolakan paksa adalah lebih tinggi daripada pekali pemindahan haba perolakan semula jadi, pekali pemindahan haba perolakan air adalah beberapa kali ganda pekali pemindahan haba perolakan udara. Lebih besar pekali pemindahan haba perolakan, lebih baik pelesapan haba gentian. Pelesapan haba perolakan udara semulajadi biasanya digunakan dalam laser gentian kuasa yang lebih rendah.
Apabila laser gentian mengeluarkan ratusan watt atau kilowatt kuasa, sukar untuk memenuhi keperluan pelesapan haba dengan penyejukan perolakan tulen, dan perlu memilih kaedah pengaliran haba tertentu untuk mengalirkan haba dari gentian ke sink haba tertentu. , dan kemudian menjalankan pengaliran haba yang cekap atau resapan perolakan melalui sink haba. Bentuk sentuhan atau permukaan pemprosesan gentian optik dan sink haba tidak sesuai dengan sempurna, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4, dan terdapat lompang pada antara muka sentuhan, yang akan menghalang pengaliran haba. Faktor utama yang mempengaruhi pengaliran haba antara gentian optik dan sink haba ialah rintangan haba, yang merupakan ukuran tahap pengaliran haba antara antara muka pertukaran haba.
Model teori rintangan haba antara gentian optik dan sink haba boleh dipermudahkan sebagai
Di mana Ts ialah suhu permukaan gentian, T∞ ialah suhu sink haba, q″ ialah fluks haba (W/m2), iaitu nisbah beban haba q′ (W/m) kepada perimeter, Rcontact ialah rintangan sentuhan haba, Rcond ialah rintangan haba lapisan celah, L ialah ketebalan lapisan celah, k ialah kekonduksian terma bahan pengisi dalam celah, dan A ialah luas permukaan fluks haba yang melaluinya. . Dengan mengambil model di atas, dapat dilihat bahawa memastikan rintangan haba yang lebih kecil dapat mengurangkan suhu gentian optik. Memandangkan udara pada dua antara muka sentuhan mempunyai kekonduksian terma yang sangat rendah (kair=0.026 W/mK), rintangan haba boleh dikurangkan dengan berkesan dengan mengisi bahan antara muka terma (TIM) dengan kekonduksian terma yang tinggi, manakala ketebalan lapisan jurang L adalah sekecil mungkin.
Selain mengurangkan ketebalan jurang dan meningkatkan kekonduksian terma, suhu permukaan gentian boleh dikurangkan dengan mengawal bentuk sink haba. Struktur sink haba biasa segi empat tepat, berbentuk V dan berbentuk U ditunjukkan dalam Rajah 5. Rintangan haba tiga struktur alur yang berbeza untuk takat lebur gentian disalut semula telah dinilai, dan dengan parameter lain yang konsisten, berbentuk U. alur dengan perimeter terpendek mempunyai rintangan haba terkecil dan kesan penyejukan yang lebih baik, manakala alur berbentuk V dengan perimeter terpanjang mempunyai rintangan haba terbesar dan kesan penyejukan yang lebih teruk, dan perbezaannya tidak jelas dalam aplikasi praktikal, dan jenis U dan struktur jenis V digunakan lebih kerap, dan kesan pelesapan haba jelas lebih baik daripada sink haba satah semata-mata.
Apabila laser gentian dikendalikan pada kuasa rendah, ia boleh disejukkan dengan udara oleh modul penyejukan semikonduktor (TEC) dan sink haba, dan apabila laser gentian dikendalikan pada kuasa yang lebih tinggi, ia boleh disejukkan dengan air untuk memastikan kerja yang stabil suhu.Li et al. menggunakan TEC pada penyejukan luaran EYDFL, dan menggunakan struktur pam dua hujung untuk menggunakan TEC pada sink haba aluminium persisian untuk gentian 10.2 cm pertama di bawah operasi kuasa tinggi, dan alur berbentuk U ditunjukkan dalam Rajah 12(a). Alur berbentuk U ditunjukkan dalam Rajah 12(a). Lengkung biru dalam Rajah 6(b) menunjukkan taburan suhu gentian yang bersentuhan dengan sink haba, dan lengkung merah ialah taburan suhu teori gentian, dan penggunaan TEC dan sink haba secara berkesan mengurangkan suhu serat itu.
Untuk laser gentian berkuasa tinggi, sejumlah besar penyelidikan telah menerima pakai rawatan pelesapan haba yang disasarkan untuk mendapatkan kuasa keluaran tinggi di atas paras kilowatt tanpa kesan tak linear dan fenomena kerosakan haba, dan teknologi pengurusan haba yang baik memastikan operasi laser gentian yang stabil. Dalam kajian itu, pelesapan haba gentian terutamanya dilakukan oleh penggulungan satah dan penggulungan silinder, menggunakan sink haba logam dengan alur jenis U atau jenis V yang terukir, dan jurang sentuhan antara gentian dan alur diisi dengan silikon konduktif haba. gris (konduksi terma secara amnya lebih besar daripada 2 W/mK) untuk menghilangkan haba dengan cara penyejukan air, dan strukturnya ditunjukkan dalam Rajah 7.
Dengan pembangunan teknologi pengurusan haba laser gentian berkuasa tinggi, pengepam semikonduktor, gandingan gentian dan penapisan optik pelapisan dan teknologi utama lain, kesan haba sebagai salah satu kesesakan dalam peningkatan kuasa akan dikawal dengan baik, dan kuasa laser gentian akan terus bertambah baik. Pada masa yang sama, teknologi pengurusan haba yang berkesan juga boleh menggalakkan pembangunan teknologi pembungkusan bersepadu laser gentian, supaya laser gentian berkuasa tinggi boleh digunakan pada julat persekitaran yang lebih luas.
