1. Fundo
Laser de fibra é um laser que usa uma fibra de vidro dopada com elementos de terras raras como meio de ganho, que possui uma relação área de superfície/volume de mais de 1000 vezes a de um laser de bloco sólido tradicional, com bom desempenho de dissipação de calor. Para cem watts de laser de fibra, a dissipação de calor natural pode atender aos requisitos de dissipação de calor. No entanto, com o rápido desenvolvimento dos lasers de fibra, sua potência de saída aumenta ano a ano, atingindo até a escala do quilowatt, devido a vários motivos, como perda quântica, a fibra produzirá sérios efeitos térmicos. A difusão térmica do material da matriz causa mudanças no estresse e no índice de refração, o baixo índice de refração da camada de polimerização é propenso a danos térmicos, o que pode levar seriamente à explosão da fibra térmica; com o acúmulo contínuo de calor, a temperatura do núcleo dopado aumentará, o número de partículas no nível de subenergia do laser aumentará, levando a um aumento do limiar de potência e a eficiência da inclinação do laser diminuirá, enquanto a diminuição da eficiência quântica causará alterações no comprimento de onda de saída . A fim de aumentar ainda mais a potência de saída do laser, o laser de fibra suportará injeção de luz de bomba de maior potência e densidade de energia da saída de luz de sinal, para resolver seus efeitos térmicos é um sério desafio enfrentado pelo sistema de laser de fibra de alta potência.
2. Fonte de efeitos térmicos no laser de fibra
2.1 Efeito de perda quântica
Efeito de perda quântica é a principal fonte de calor na área do núcleo da fibra também é a fonte de calor inerente. Devido à diferença inerente entre o comprimento de onda da bomba e o comprimento de onda do sinal, todos os sistemas de laser de fibra são acompanhados por uma certa porcentagem de perda quântica. Tomando o comprimento de onda de saída do laser de 1080 nm como exemplo, a proporção de perda quântica no comprimento de onda da bomba de 915 nm é de cerca de 15,3%.
2.2 Perdas Múltiplas
Os revestimentos de fibra acima da temperatura crítica de 80 graus produzirão desnaturação do material ou desgaste da superfície e outros fenômenos. Na operação de laser de fibra contínua de alta potência, é muito provável que os revestimentos de fibra excedam o limite de cargas térmicas que podem ser toleradas, resultando em vazamento de luz do revestimento e, por fim, podem causar a queima geral do laser.
O ponto de fusão da fibra tem um efeito térmico mais sério, principalmente de dois aspectos: 1) a absorção do material da fibra e do material de revestimento da conversão de luz produzirá calor, na faixa de comprimento curto, camada de revestimento quase completamente transparente na absorção da luz é muito pouco, mas sua superfície vai produzir alguns micro-vazios, o ar é um mau condutor de calor, a presença de vazios faz com que a resistência térmica se torne maior, então é fácil produzir deposição térmica no ponto de fusão Portanto, o ponto de fusão é propenso a deposição térmica, resultando em temperaturas significativamente mais altas; 2) os parâmetros de fusão não são adequados ou duas seções de parâmetros estruturais de fibra óptica não correspondem, o que levará à perda de fusão, a presença de resistência térmica faz com que a temperatura suba no ponto de fusão. O aumento da temperatura causa danos térmicos à fibra óptica e, ao mesmo tempo, tem um impacto maior na abertura numérica da fibra óptica, e a mudança na abertura numérica afeta significativamente a orientação da luz.
2.3 Efeito da radiação espontânea
Na estrutura MOPA, quando a luz do sinal é fraca, uma grande quantidade de injeção de luz da bomba pode levar a um aumento na probabilidade de radiação espontânea da fibra (ASE). Uma grande quantidade de luz de radiação espontânea aleatória vaza do núcleo para o revestimento de vidro, bem como para o revestimento de fibra, e superaquece e queima o revestimento orgânico. Além disso, a geração de ASE também aumenta a perda quântica, levando ao aumento do aquecimento na região central da fibra.
2.4 Efeito de espalhamento Raman estimulado
Com o surgimento de lasers de fibra de ultra alta potência, a densidade de potência do laser na região do núcleo aumenta gradualmente, e o efeito de espalhamento Raman estimulado (SRS) torna-se gradualmente o principal fator limitante para o aumento de potência. Durante a operação de alta potência, quando a potência óptica do sinal do laser atinge a condição limite de SRS, o laser de sinal excita e bombeia a luz Raman com uma frequência mais baixa, resultando no processo de amplificação da luz Raman. Ao mesmo tempo, juntamente com a perda quântica, o SRS exacerbará o problema de aquecimento na região do núcleo da fibra.
3. Solução de efeito térmico
O efeito térmico do laser de fibra tem um impacto não desprezível na fibra e nas características de saída, por isso é de grande importância reduzir o impacto negativo do efeito térmico. A supressão do efeito térmico se concentra principalmente nos três aspectos a seguir:
1) Seleção razoável de parâmetros de fibra de acordo com o modelo de teoria de temperatura da fibra;
2) A seleção razoável da estrutura de bombeamento e do modo de bombeamento é favorável à realização da distribuição uniforme de temperatura e redução do efeito térmico;
3) A seleção de um esquema eficiente de dissipação de calor externo pode reduzir bastante o impacto negativo dos efeitos térmicos.
3.1 Otimização dos parâmetros da fibra
Os principais fatores que afetam a distribuição de temperatura da fibra óptica são a condutividade térmica do núcleo e do revestimento interno e externo, o tamanho radial, o coeficiente de absorção e o comprimento da fibra óptica. A seleção razoável de parâmetros de fibra pode efetivamente controlar a distribuição de calor da fibra para garantir a operação normal e estável da fibra.
Tamanho do núcleo maior pode reduzir a temperatura do núcleo, mas muito grande afetará a qualidade do feixe. Camada de revestimento como o meio mais externo de condução de calor da fibra, sua espessura tem grande influência na temperatura de trabalho da fibra. Teoricamente, a diferença de temperatura entre as superfícies interna e externa da camada de revestimento e a espessura está correlacionada positivamente, quanto mais fina a camada de revestimento, menor a resistência à condução de calor, menor a diferença de temperatura entre as superfícies interna e externa de todo o camada de revestimento, maior a potência que o sistema pode suportar. No entanto, devido à influência da transferência de calor por convecção na superfície da fibra óptica, a camada de revestimento tem o papel de proteger a fibra óptica e, portanto, precisa selecionar razoavelmente a espessura da camada de revestimento.
Quando a fibra é resfriada ao ar, a relação entre a resistência de condução térmica Rcond, resistência de convecção térmica Rconv e resistência térmica total Rtot e a espessura da camada de revestimento é mostrada na Figura 2(a). A espessura da camada de revestimento está positivamente correlacionada com Rcond e negativamente correlacionada com Rconv, por isso é necessário selecionar razoavelmente a espessura da camada de revestimento para garantir uma baixa resistência térmica total. A relação entre o comprimento da fibra e o coeficiente de absorção e a temperatura é mostrada na Fig. 2(b), ao reduzir o coeficiente de absorção da fibra, a absorção da potência de bombeamento pode ser efetivamente reduzida, a redução da absorção da potência de bombeamento significa a redução do calor deposição, que reduz a temperatura da fibra, mas para atingir o mesmo rendimento é necessário aumentar o comprimento da fibra, Wang et al. estudou a potência de bombeamento total de 1000 W, a potência de bombeamento de extremidade dupla de 500 W, o uso de 0,25 dpi é usado para obter a mesma saída. Wang et ai. mostrou que a potência total de bombeamento era de 1.000 W e a potência de bombeamento de extremidade dupla era de 500 W. A potência de saída era de 630 W com uma fibra de 60 m de comprimento com coeficiente de absorção de 0,25 dB e 725 W com uma fibra de 1,0 dB e 20 m de comprimento, mas a temperatura máxima da última fibra era mais alta que a da primeira fibra em cerca de 200 graus. A temperatura máxima da última fibra foi maior do que a da primeira fibra. Como a extremidade de bombeamento da potência de bombeamento é a mais forte, embora a redução do coeficiente de absorção da fibra possa reduzir efetivamente a absorção da potência de bombeamento, mas sob a premissa de levar em consideração a eficiência da absorção de bombeamento, o laser é completamente baixo - fibras dopadas de baixa absorção, a necessidade de aumentar o comprimento da fibra, o que por sua vez leva ao surgimento de outros problemas, como o efeito não linear, bem como a diminuição da eficiência de saída e assim por diante.
3.2 Seleção do método de bombeamento
A distribuição é mostrada na Fig. 3. A Figura 3 (e) mostra que o coeficiente não uniforme das seções intermediárias do coeficiente de absorção da fibra é maior que os dois lados, para garantir que a distribuição de temperatura seja basicamente uniforme, a potência de saída é o mesmo que na Figura 3 (d) quando a fibra necessária é encurtada em mais de 20m; A Figura 3 (f) será bombeada em sete segmentos, a distribuição de temperatura é mais uniforme e a temperatura pode ser controlada em uma faixa muito ideal. O método de bombeamento é de grande importância para lasers de fibra. 2011 A Universidade de Jena construiu um laser de fibra de bombeamento lateral em escala quilowatt usando fibra de bombeamento lateral distribuída, 2014 SPI lançou produtos de laser de fibra de bombeamento lateral em escala quilowatt, em 2015, a China informou que a Universidade Nacional de Tecnologia de Defesa e o Vigésimo Terceiro Instituto de Pesquisa do China Electronics Technology Group desenvolveu em conjunto uma fibra de bombeamento de revestimento de acoplamento lateral distribuído e construiu um laser de fibra de acoplamento lateral distribuído com uma fibra de bombeamento de revestimento. fibra de bombeamento de revestimento e construiu um laser de fibra totalmente localizado, alcançando uma saída de energia em escala de quilowatts. O uso de bombeamento não uniforme de vários segmentos ou estrutura de bombeamento lateral distribuído pode garantir que a temperatura da fibra seja uniforme, reduzir o impacto dos efeitos térmicos e encurtar efetivamente o comprimento da fibra. No entanto, a tração de fibra de bombeamento lateral distribuído, reduzindo a perda de acoplamento de fusão de cada seção da fibra e melhorando a eficiência são a chave para a tecnologia. Com o avanço e o desenvolvimento de tecnologias-chave, como design de fibra, tração e emenda por fusão, mais métodos de bombeamento serão aplicados no desenvolvimento de lasers de fibra de alta potência, que podem ser combinados com tecnologia de dissipação de calor externo eficaz para inibir efetivamente a geração de efeitos térmicos na fibra e alcançar uma saída estável de lasers de alta potência.
3.3 Projeto de dissipação de calor
Condução térmica, convecção térmica e radiação térmica são as três principais formas de transferência de calor, como o coeficiente de radiação térmica é pequeno, sua influência pode ser ignorada em geral, condução e convecção são os métodos dominantes de dissipação de calor. Para laser de fibra de menor potência, geralmente considere apenas a dissipação de calor por convecção natural da fibra, a radiação térmica tem menos impacto, pode ser considerada adequadamente.
A transferência de calor por convecção inclui principalmente a transferência de calor por convecção natural e a transferência de calor por convecção forçada. O fator determinante da dissipação de calor por convecção é o tamanho do coeficiente de transferência de calor por convecção. O coeficiente de transferência de calor por convecção h está relacionado com as propriedades do fluido, taxa de fluxo e área de convecção. Conforme mostrado na Tabela 1, nas mesmas condições, o coeficiente de transferência de calor por convecção forçada é maior do que o coeficiente de transferência de calor por convecção natural, o coeficiente de transferência de calor por convecção de água é várias vezes o coeficiente de transferência de calor por convecção de ar. Quanto maior o coeficiente de transferência de calor por convecção, melhor a dissipação de calor da fibra. A dissipação de calor por convecção de ar natural é geralmente usada em laser de fibra de baixa potência.
Quando o laser de fibra produz centenas de watts ou quilowatts de potência, é difícil atender aos requisitos de dissipação de calor por resfriamento por convecção pura e é necessário escolher um método de condução de calor específico para conduzir o calor da fibra para um dissipador de calor específico , e então realizar condução de calor eficiente ou difusão de convecção através do dissipador de calor. A forma de contato ou superfície de processamento da fibra ótica e do dissipador de calor não se encaixam perfeitamente, conforme mostrado na Figura 4, e existem vazios na interface de contato, o que dificultará a condução de calor. O principal fator que afeta a condução térmica entre a fibra óptica e o dissipador de calor é a resistência térmica, que é uma medida do nível de condução térmica entre as interfaces de troca de calor.
O modelo teórico de resistência térmica entre a fibra óptica e o dissipador de calor pode ser simplificado como
Onde Ts é a temperatura da superfície da fibra, T∞ é a temperatura do dissipador de calor, q″ é o fluxo de calor (W/m2), que é a razão da carga térmica q′ (W/m) para o perímetro, Rcontato é a resistência de contato térmico, Rcond é a resistência térmica da camada de lacuna, L é a espessura da camada de lacuna, k é a condutividade térmica do material de enchimento na lacuna e A é a área da superfície do fluxo de calor que passa através . Tomando o modelo acima, pode-se ver que garantir uma menor resistência térmica pode reduzir a temperatura da fibra óptica. Como o ar nas duas interfaces de contato tem uma condutividade térmica muito baixa (kair=00,026 W/mK), a resistência térmica pode ser efetivamente reduzida preenchendo o material de interface térmica (TIM) com uma alta condutividade térmica, enquanto a espessura da camada de folga L é tão pequena quanto possível.
Além de reduzir a espessura da lacuna e aumentar a condutividade térmica, a temperatura da superfície da fibra pode ser reduzida controlando a forma do dissipador de calor. Estruturas de dissipador de calor retangulares comuns, em forma de V e em forma de U são mostradas na Fig. 5. A resistência térmica de três estruturas de ranhura diferentes para o ponto de fusão da fibra revestida foi avaliada e, com outros parâmetros consistentes, a forma de U a ranhura com o perímetro mais curto tem a menor resistência térmica e melhor efeito de resfriamento, enquanto a ranhura em forma de V com o perímetro mais longo tem a maior resistência térmica e pior efeito de resfriamento, e a diferença não é óbvia em aplicações práticas, e o tipo U e as estruturas do tipo V são usadas com mais frequência, e o efeito de dissipação de calor é obviamente superior ao dos dissipadores de calor puramente planares.
Quando o laser de fibra é operado em baixa potência, pode ser resfriado a ar pelo módulo de resfriamento de semicondutores (TEC) e dissipador de calor, e quando o laser de fibra é operado em alta potência, pode ser resfriado a água para garantir o funcionamento estável temperatura.Li et al. aplicou o TEC ao resfriamento externo do EYDFL e usou a estrutura de bombeamento de extremidade dupla para aplicar o TEC ao dissipador de calor de alumínio periférico para a primeira fibra de 10,2 cm sob operação de alta potência, e a ranhura em forma de U é mostrada na Fig 12(a). A ranhura em forma de U é mostrada na Fig. 12(a). A curva azul na Fig. 6(b) indica a distribuição de temperatura da fibra em contato com o dissipador de calor, e a curva vermelha é a distribuição de temperatura teórica da fibra, e o uso de TEC e dissipador de calor reduz efetivamente a temperatura de a fibra.
Para laser de fibra de alta potência, um grande número de pesquisas adotou o tratamento de dissipação de calor direcionado para obter alta potência de saída acima do nível de quilowatt sem efeito não linear e fenômeno de dano térmico, e uma boa tecnologia de gerenciamento térmico garante a operação estável do laser de fibra. No estudo, a dissipação de calor da fibra é realizada principalmente por enrolamento plano e enrolamento de cilindro, usando dissipadores de calor de metal com ranhuras tipo U ou tipo V gravadas, e a folga de contato entre a fibra e as ranhuras é preenchida com silicone termicamente condutor graxa (a condutividade térmica é geralmente maior que 2 W/mK) para retirar o calor por meio de resfriamento a água, e sua estrutura é mostrada na Fig. 7.
Com o desenvolvimento da tecnologia de gerenciamento térmico de laser de fibra de alta potência, bombeamento de semicondutores, acoplamento de fibra e filtragem óptica de revestimento e outras tecnologias importantes, o efeito térmico como um dos gargalos no aprimoramento de energia será bem controlado e a potência do laser de fibra continuará a melhorar. Ao mesmo tempo, a tecnologia de gerenciamento térmico eficaz também pode promover o desenvolvimento da tecnologia de embalagem integrada a laser de fibra, de modo que o laser de fibra de alta potência possa ser aplicado a uma ampla gama de ambientes.
