1. Fondo
Fiber Laser es un láser que utiliza una fibra de vidrio dopada con elementos de tierras raras como medio de ganancia, que tiene una relación de área superficial/volumen de más de 1000 veces la de un láser de bloque sólido tradicional, con un buen rendimiento de disipación de calor. Para cien vatios de láser de fibra, la disipación de calor natural puede cumplir con los requisitos de disipación de calor. Sin embargo, con el rápido desarrollo de los láseres de fibra, su potencia de salida aumenta año tras año, incluso alcanzando la escala de kilovatios, debido a una variedad de razones, como la pérdida cuántica, la fibra producirá efectos térmicos graves. La difusión térmica del material de la matriz provoca estrés y cambios en el índice de refracción, el bajo índice de refracción de la capa de polimerización es propenso al daño térmico, lo que puede conducir seriamente a la explosión de la fibra térmica; con la acumulación continua de calor, la temperatura del núcleo dopado aumentará, el número de partículas en el nivel de subenergía del láser aumenta, lo que lleva a un aumento de la potencia umbral y la pendiente de eficiencia del láser disminuye, mientras que la disminución en la eficiencia cuántica provocará cambios en la longitud de onda de salida . Para mejorar aún más la potencia de salida del láser, el láser de fibra resistirá la inyección de luz de la bomba de mayor potencia y la densidad de energía de la salida de la señal de luz, para resolver sus efectos térmicos es un desafío serio que enfrenta el sistema de láser de fibra de alta potencia.
2. Fuente de efectos térmicos en láser de fibra
2.1 Efecto de pérdida cuántica
El efecto de pérdida cuántica es la principal fuente de calor en el área del núcleo de la fibra y también es la fuente de calor inherente. Debido a la diferencia inherente entre la longitud de onda de la bomba y la longitud de onda de la señal, todos los sistemas de láser de fibra van acompañados de un cierto porcentaje de pérdida cuántica. Tomando como ejemplo la longitud de onda de salida del láser de 1080 nm, la proporción de pérdida cuántica a la longitud de onda de la bomba de 915 nm es de aproximadamente el 15,3 por ciento.
2.2 Pérdidas Múltiples
Los revestimientos de fibra por encima de la temperatura crítica de 80 grados producirán la desnaturalización del material o el desgaste de la superficie y otros fenómenos. En la operación de láser de fibra continua de alta potencia, es muy probable que los recubrimientos de fibra excedan el límite de cargas térmicas que se pueden tolerar, lo que da como resultado una fuga de luz del revestimiento y, en última instancia, puede causar el desgaste general del láser.
El punto de fusión de la fibra tiene un efecto térmico más serio, principalmente por dos aspectos: 1) el material de la fibra y el material de recubrimiento absorben la conversión de luz producirá calor, en el rango de longitud corto, capa de recubrimiento casi completamente transparente en la absorción de luz es muy pequeño, pero su superficie producirá algunos microvacíos, el aire es un mal conductor del calor, la presencia de vacíos hace que la resistencia térmica sea mayor, por lo que es fácil producir una deposición térmica en el punto de fusión. Por lo tanto, el punto de fusión es propenso a la deposición térmica, lo que resulta en temperaturas significativamente más altas; 2) los parámetros de fusión no son adecuados o los parámetros estructurales de dos secciones de fibra óptica no coinciden, lo que conducirá a la pérdida de fusión, la presencia de resistencia térmica hace que la temperatura aumente en el punto de fusión. El aumento de la temperatura provoca daños térmicos en la fibra óptica y, al mismo tiempo, tiene un mayor impacto en la apertura numérica de la fibra óptica, y el cambio en la apertura numérica afecta significativamente a la guía de la luz.
2.3 Efecto de radiación espontánea
En la estructura MOPA, cuando la señal de luz es débil, una gran cantidad de inyección de luz de bombeo puede aumentar la probabilidad de radiación espontánea de fibra (ASE). Una gran cantidad de luz de radiación espontánea aleatoria se filtra desde el núcleo hacia el revestimiento de vidrio, así como hacia el revestimiento de fibra, y sobrecalienta y quema el revestimiento orgánico. Además, la generación de ASE también aumenta la pérdida cuántica, lo que lleva a un mayor calentamiento en la región central de la fibra.
2.4 Efecto de dispersión Raman estimulado
Con la aparición de los láseres de fibra de ultra alta potencia, la densidad de potencia del láser en la región central aumenta gradualmente y el efecto de dispersión Raman estimulado (SRS) se convierte gradualmente en el principal factor limitante para la mejora de la potencia. Durante la operación de alta potencia, cuando la potencia óptica de la señal láser alcanza la condición de umbral de SRS, la señal láser excita y bombea luz Raman con una frecuencia más baja, lo que da como resultado el proceso de amplificación de luz Raman. Al mismo tiempo, junto con la pérdida cuántica, SRS exacerbará el problema de calentamiento en la región central de la fibra.
3. Solución de efecto térmico
El efecto térmico del láser de fibra tiene un impacto no despreciable en la fibra y las características de salida, por lo que es de gran importancia reducir el impacto negativo del efecto térmico. La supresión del efecto térmico se centra principalmente en los siguientes tres aspectos:
1) Selección razonable de los parámetros de la fibra de acuerdo con el modelo teórico de temperatura de la fibra;
2) La selección razonable de la estructura de bombeo y el modo de bombeo conduce a la realización de una distribución uniforme de la temperatura y la reducción del efecto térmico;
3) La selección de un esquema de disipación de calor externo eficiente puede reducir en gran medida el impacto negativo de los efectos térmicos.
3.1 Optimización de parámetros de fibra
Los principales factores que afectan la distribución de temperatura de la fibra óptica son la conductividad térmica del núcleo y el revestimiento interior y exterior, el tamaño radial, el coeficiente de absorción y la longitud de la fibra óptica. La selección razonable de los parámetros de la fibra puede controlar efectivamente la distribución del calor de la fibra para garantizar el funcionamiento normal y estable de la fibra.
Un tamaño de núcleo más grande puede reducir la temperatura del núcleo, pero demasiado grande afectará la calidad del haz. La capa de recubrimiento como el medio más externo de conducción de calor de la fibra, su espesor tiene una gran influencia en la temperatura de trabajo de la fibra. Teóricamente, la diferencia de temperatura entre las superficies interior y exterior de la capa de revestimiento y el grosor está positivamente correlacionada, cuanto más delgada sea la capa de revestimiento, menor será la resistencia a la conducción de calor, menor será la diferencia de temperatura entre las superficies interior y exterior de todo el capa de recubrimiento, mayor será la potencia que el sistema puede soportar. Sin embargo, debido a la influencia de la transferencia de calor por convección en la superficie de la fibra óptica, la capa de recubrimiento tiene la función de proteger la fibra óptica y, por lo tanto, es necesario seleccionar razonablemente el grosor de la capa de recubrimiento.
Cuando la fibra se enfría en el aire, la relación entre la resistencia a la conducción térmica Rcond, la resistencia a la convección térmica Rconv y la resistencia térmica total Rtot y el espesor de la capa de recubrimiento se muestra en la Figura 2(a). El grosor de la capa de revestimiento se correlaciona positivamente con Rcond y negativamente con Rconv, por lo que es necesario seleccionar razonablemente el grosor de la capa de revestimiento para garantizar una resistencia térmica total baja. La relación entre la longitud de la fibra y el coeficiente de absorción y la temperatura se muestra en la Fig. 2 (b), al reducir el coeficiente de absorción de la fibra, la absorción de potencia de bombeo se puede reducir de manera efectiva, la reducción de la absorción de potencia de bombeo significa la reducción de térmica deposición, que reduce la temperatura de la fibra, pero para lograr el mismo rendimiento es necesario aumentar la longitud de la fibra, Wang et al. estudió la potencia de bombeo total de 1000 W, la potencia de bombeo de doble extremo de 500 W, el uso de 0,25 dpi se utiliza para lograr la misma salida. Wang et al. mostró que la potencia de bombeo total fue de 1000 W y la potencia de bombeo de doble extremo fue de 500 W. La potencia de salida fue de 630 W con una fibra de 60 m de longitud con un coeficiente de absorción de 0,25 dB y de 725 W con una fibra de 1,0 dB de 20 m de longitud. pero la temperatura máxima de la última fibra fue superior a la de la primera fibra en unos 200 grados. La temperatura máxima de la última fibra fue mayor que la de la primera fibra. Como el extremo de bombeo de la potencia de bombeo es el más fuerte, aunque reducir el coeficiente de absorción de la fibra puede reducir efectivamente la absorción de la potencia de bombeo, pero bajo la premisa de tener en cuenta la eficiencia de la absorción de bombeo, el láser es completamente bajo -fibras dopadas de baja absorción, la necesidad de aumentar la longitud de la fibra, lo que a su vez conduce a la aparición de otros problemas, como el efecto no lineal, así como una disminución en la eficiencia de salida, etc.
3.2 Selección del método de bombeo
La distribución se muestra en la Fig. 3. La Figura 3 (e) muestra que el coeficiente no uniforme de las secciones medias del coeficiente de absorción de fibra es más alto que los dos lados, para garantizar que la distribución de temperatura sea básicamente uniforme, la potencia de salida es lo mismo que en la Figura 3 (d) cuando la fibra requerida se acorta en más de 20 m; La figura 3 (f) se bombeará energía en siete segmentos, la distribución de la temperatura es más uniforme y la temperatura se puede controlar en un rango muy ideal. El método de bombeo es de gran importancia para los láseres de fibra. 2011 La Universidad de Jena construyó un láser de fibra de bombeo lateral a escala de kilovatios utilizando fibra de bombeo lateral distribuida, 2014 SPI lanzó productos de láser de fibra de bombeo lateral a escala de kilovatios, en 2015, China informó que la Universidad Nacional de Tecnología de Defensa y el Vigésimo tercer Instituto de Investigación del Grupo de Tecnología Electrónica de China desarrollaron conjuntamente una fibra de bombeo de revestimiento de acoplamiento lateral distribuido y construyeron un láser de fibra de acoplamiento lateral distribuido con una fibra de bombeo de revestimiento. fibra de bombeo de revestimiento, y construyó un láser de fibra totalmente localizado, logrando una salida de potencia a escala de kilovatios. El uso de un bombeo no uniforme de múltiples segmentos o una estructura de bombeo lateral distribuida puede garantizar que la temperatura de la fibra sea uniforme, reducir el impacto de los efectos térmicos y acortar efectivamente la longitud de la fibra. Sin embargo, la tracción de la fibra con bombeo lateral distribuido, la reducción de la pérdida de acoplamiento por fusión de cada sección de la fibra y la mejora de la eficiencia son la clave de la tecnología. Con el avance y el desarrollo de tecnologías clave como el diseño de fibra, la tracción y el empalme por fusión, se aplicarán más métodos de bombeo en el desarrollo de láseres de fibra de alta potencia, que se pueden combinar con tecnología de disipación de calor externa efectiva para inhibir efectivamente la generación de Efectos térmicos en la fibra y lograr una salida estable de láseres de mayor potencia.
3.3 Diseño de disipación de calor
La conducción térmica, la convección térmica y la radiación térmica son las tres formas principales de transferencia de calor, ya que el coeficiente de radiación térmica es pequeño, su influencia puede ignorarse en general, la conducción y la convección son los métodos dominantes de disipación de calor. Para láser de fibra de potencia más pequeña, generalmente solo considere la disipación de calor por convección natural de fibra, la radiación térmica tiene menos impacto, se puede considerar apropiadamente.
La transferencia de calor por convección incluye principalmente la transferencia de calor por convección natural y la transferencia de calor por convección forzada. El factor determinante de la disipación de calor por convección es el tamaño del coeficiente de transferencia de calor por convección. El coeficiente de transferencia de calor por convección h está relacionado con las propiedades del fluido, el caudal y el área de convección. Como se muestra en la Tabla 1, bajo las mismas condiciones, el coeficiente de transferencia de calor por convección forzada es más alto que el coeficiente de transferencia de calor por convección natural, el coeficiente de transferencia de calor por convección del agua es varias veces el coeficiente de transferencia de calor por convección del aire. Cuanto mayor sea el coeficiente de transferencia de calor por convección, mejor será la disipación de calor de la fibra. La disipación de calor por convección de aire natural se usa generalmente en láser de fibra de baja potencia.
Cuando el láser de fibra emite cientos de vatios o kilovatios de potencia, es difícil cumplir con los requisitos de disipación de calor mediante enfriamiento por convección pura, y es necesario elegir un método de conducción de calor específico para conducir el calor de la fibra a un disipador de calor específico. , y luego llevar a cabo una conducción de calor eficiente o una difusión por convección a través del disipador de calor. La forma de contacto o la superficie de procesamiento de la fibra óptica y el disipador de calor no encaja perfectamente, como se muestra en la Figura 4, y hay vacíos en la interfaz de contacto, lo que dificultará la conducción del calor. El principal factor que afecta la conducción térmica entre la fibra óptica y el disipador de calor es la resistencia térmica, que es una medida del nivel de conducción térmica entre las interfaces de intercambio de calor.
El modelo teórico de resistencia térmica entre la fibra óptica y el disipador de calor se puede simplificar como
Donde Ts es la temperatura superficial de la fibra, T∞ es la temperatura del disipador de calor, q″ es el flujo de calor (W/m2), que es la relación entre la carga térmica q′ (W/m) y el perímetro, Rcontact es la resistencia de contacto térmico, Rcond es la resistencia térmica de la capa del espacio, L es el espesor de la capa del espacio, k es la conductividad térmica del material de relleno en el espacio y A es el área superficial del flujo de calor que pasa a través . Tomando el modelo anterior, se puede ver que garantizar una menor resistencia térmica puede reducir la temperatura de la fibra óptica. Dado que el aire en las dos interfaces de contacto tiene una conductividad térmica muy baja (kair=0.026 W/mK), la resistencia térmica se puede reducir de manera efectiva llenando el material de la interfaz térmica (TIM) con una conductividad térmica alta. mientras que el grosor de la capa de intersticio L es lo más pequeño posible.
Además de reducir el grosor del espacio y aumentar la conductividad térmica, la temperatura de la superficie de la fibra se puede reducir controlando la forma del disipador de calor. En la Fig. 5 se muestran estructuras comunes de disipadores de calor rectangulares, en forma de V y con muesca en forma de U. Se evaluó la resistencia térmica de tres estructuras de ranura diferentes para el punto de fusión de la fibra recubierta y, con otros parámetros consistentes, se evaluó la resistencia térmica en forma de U. La ranura con el perímetro más corto tiene la menor resistencia térmica y un mejor efecto de enfriamiento, mientras que la ranura en forma de V con el perímetro más largo tiene la mayor resistencia térmica y un peor efecto de enfriamiento, y la diferencia no es obvia en las aplicaciones prácticas, y el tipo U y las estructuras de tipo V se usan con más frecuencia, y el efecto de disipación de calor es obviamente superior al de los disipadores de calor puramente planos.
Cuando el láser de fibra funciona a baja potencia, puede enfriarse por aire mediante el módulo de enfriamiento de semiconductores (TEC) y el disipador de calor, y cuando el láser de fibra funciona a mayor potencia, puede enfriarse con agua para garantizar un funcionamiento estable. temperatura. Li et al. aplicó el TEC al enfriamiento externo del EYDFL, y usó la estructura de bombeo de doble extremo para aplicar el TEC al disipador de calor de aluminio periférico para la primera fibra de 10,2 cm bajo operación de alta potencia, y la ranura en forma de U se muestra en la Fig. 12(a). La ranura en forma de U se muestra en la Fig. 12(a). La curva azul en la Fig. 6 (b) indica la distribución de temperatura de la fibra en contacto con el disipador de calor, y la curva roja es la distribución de temperatura teórica de la fibra, y el uso de TEC y disipador de calor reduce efectivamente la temperatura de la fibra
Para el láser de fibra de alta potencia, una gran cantidad de investigaciones han adoptado un tratamiento de disipación de calor específico para obtener una alta potencia de salida por encima del nivel de kilovatios sin efecto no lineal ni fenómeno de daño térmico, y una buena tecnología de gestión térmica garantiza el funcionamiento estable del láser de fibra. En el estudio, la disipación de calor de la fibra se lleva a cabo principalmente mediante bobinado plano y bobinado cilíndrico, utilizando disipadores de calor de metal con ranuras tipo U o tipo V grabadas, y el espacio de contacto entre la fibra y las ranuras se rellena con silicona termoconductora grasa (la conductividad térmica es generalmente superior a 2 W/mK) para disipar el calor mediante refrigeración por agua, y su estructura se muestra en la Fig. 7.
Con el desarrollo de tecnología de gestión térmica de láser de fibra de alta potencia, bombeo de semiconductores, acoplamiento de fibra y filtrado óptico de revestimiento y otras tecnologías clave, el efecto térmico como uno de los cuellos de botella en la mejora de potencia estará bien controlado, y la potencia del láser de fibra seguirá mejorando. Al mismo tiempo, la tecnología de gestión térmica eficaz también puede promover el desarrollo de la tecnología de empaquetado integrada con láser de fibra, de modo que el láser de fibra de alta potencia se pueda aplicar a una gama más amplia de entornos.
