منابع و راه حل هایی برای اثرات حرارتی در لیزرهای فیبر توان بالا

1. زمینه

لیزر فیبر لیزری است که از یک فیبر شیشه‌ای دوپ‌شده با عنصر خاکی کمیاب به‌عنوان واسطه استفاده می‌کند که نسبت سطح به حجم آن بیش از 1000 برابر لیزر بلوک جامد سنتی است و عملکرد خوبی در اتلاف گرما دارد. برای صد وات لیزر فیبر، اتلاف حرارت طبیعی می تواند الزامات اتلاف گرما را برآورده کند. با این حال، با توسعه سریع لیزرهای فیبر، قدرت خروجی آنها سال به سال افزایش می یابد، حتی به مقیاس کیلووات می رسد، به دلایل مختلفی مانند تلفات کوانتومی، فیبر اثرات حرارتی جدی ایجاد می کند. انتشار حرارتی مواد ماتریس باعث تغییرات استرس و ضریب شکست می شود، ضریب شکست پایین لایه پلیمریزاسیون مستعد آسیب حرارتی است که می تواند به طور جدی منجر به انفجار فیبر حرارتی شود. با تجمع مداوم گرما، دمای هسته دوپ شده افزایش می‌یابد، تعداد ذرات در سطح زیر انرژی لیزر افزایش می‌یابد که منجر به افزایش توان آستانه می‌شود و راندمان شیب لیزر کاهش می‌یابد، در حالی که کاهش راندمان کوانتومی باعث تغییر طول موج خروجی می‌شود. . به منظور افزایش بیشتر قدرت خروجی لیزر، لیزر فیبر در برابر تزریق نور پمپ با قدرت بالاتر و چگالی انرژی خروجی نور سیگنال مقاومت می کند، برای حل اثرات حرارتی آن یک چالش جدی پیش روی سیستم لیزر فیبر با قدرت بالا است.

2. منبع اثرات حرارتی در لیزر فیبر

2.1 اثر تلفات کوانتومی

اثر تلفات کوانتومی منبع اصلی گرما در ناحیه هسته فیبر نیز منبع گرمای ذاتی است. با توجه به تفاوت ذاتی بین طول موج پمپ و طول موج سیگنال، تمام سیستم های لیزر فیبر با درصد مشخصی از اتلاف کوانتومی همراه هستند. با در نظر گرفتن طول موج خروجی لیزر 1080 نانومتر به عنوان مثال، نسبت تلفات کوانتومی در طول موج پمپ 915 نانومتر حدود 15.3 درصد است.

2.2 ضررهای متعدد

پوشش های الیافی بالاتر از دمای بحرانی 80 درجه باعث دناتوره شدن مواد یا پارگی سطح و سایر پدیده ها می شود. در عملکرد لیزر فیبر پیوسته با توان بالا، پوشش‌های فیبر به احتمال زیاد از حد بارهای حرارتی قابل تحمل فراتر می‌روند و در نتیجه نشتی نور روکش را ایجاد می‌کنند و در نهایت می‌توانند باعث فرسودگی کلی لیزر شوند.

نقطه همجوشی فیبر اثر حرارتی جدی‌تری دارد، عمدتاً از دو جنبه: 1) جذب مواد فیبر و مواد پوشش‌دهنده از تبدیل نور، گرما تولید می‌کند، در محدوده طول کوتاه، لایه پوشش مجدد تقریباً کاملاً شفاف بر روی جذب نور ایجاد می‌کند. بسیار کم است، اما سطح آن مقداری حفره های کوچک تولید می کند، هوا رسانای ضعیفی برای گرما است، وجود حفره ها باعث می شود مقاومت حرارتی بزرگتر شود، بنابراین ایجاد رسوب حرارتی در نقطه همجوشی آسان است، بنابراین، نقطه همجوشی مستعد رسوب حرارتی است و در نتیجه دماهای بسیار بالاتری ایجاد می کند. 2) پارامترهای همجوشی مناسب نیستند یا دو بخش از پارامترهای ساختاری فیبر نوری مطابقت ندارند، که منجر به از دست دادن همجوشی می شود، وجود مقاومت حرارتی باعث افزایش دما در نقطه همجوشی می شود. افزایش دما باعث آسیب حرارتی فیبر نوری می شود و در عین حال تاثیر بیشتری بر دیافراگم عددی فیبر نوری می گذارد و تغییر دیافراگم عددی به طور قابل توجهی بر هدایت نور تاثیر می گذارد.

2.3 اثر تابش خود به خود

در ساختار MOPA، هنگامی که نور سیگنال ضعیف است، مقدار زیادی از تزریق نور پمپ ممکن است منجر به افزایش احتمال تابش خود به خود فیبر (ASE) شود. مقدار زیادی نور تابشی خود به خودی تصادفی از هسته به داخل روکش شیشه و همچنین پوشش فیبر نشت می کند و پوشش آلی را بیش از حد گرم می کند و می سوزاند. علاوه بر این، تولید ASE نیز تلفات کوانتومی را افزایش می‌دهد که منجر به افزایش گرمایش در ناحیه هسته فیبر می‌شود.

2.4 اثر پراکندگی رامان تحریک شده

با ظهور لیزرهای فیبر فوق العاده با قدرت، چگالی توان لیزر در ناحیه هسته به تدریج افزایش می یابد و اثر پراکندگی رامان تحریک شده (SRS) به تدریج به عامل محدود کننده اصلی برای افزایش توان تبدیل می شود. در حین کار با توان بالا، زمانی که توان نوری سیگنال لیزر به شرایط آستانه SRS می‌رسد، لیزر سیگنال نور رامان را با فرکانس پایین‌تری برانگیخته و پمپ می‌کند و در نتیجه فرآیند تقویت نور رامان انجام می‌شود. در عین حال، همراه با تلفات کوانتومی، SRS مشکل گرمایش در ناحیه هسته فیبر را تشدید خواهد کرد.

3. راه حل اثر حرارتی

اثر حرارتی لیزر فیبر تأثیر غیر قابل اغماض بر فیبر و ویژگی های خروجی دارد، بنابراین کاهش تأثیر منفی اثر حرارتی از اهمیت بالایی برخوردار است. سرکوب اثر حرارتی عمدتاً بر سه جنبه زیر متمرکز است:

1) انتخاب معقول پارامترهای فیبر با توجه به مدل تئوری دمای فیبر.

2) انتخاب معقول ساختار پمپاژ و حالت پمپاژ منجر به تحقق توزیع یکنواخت دما و کاهش اثر حرارتی می شود.

3) انتخاب طرح اتلاف حرارت خارجی کارآمد می تواند تاثیر منفی اثرات حرارتی را تا حد زیادی کاهش دهد.

3.1 بهینه سازی پارامترهای فیبر

عوامل اصلی موثر بر توزیع دمای فیبر نوری عبارتند از رسانایی حرارتی هسته و روکش داخلی و خارجی، اندازه شعاعی، ضریب جذب و طول فیبر نوری. انتخاب معقول پارامترهای فیبر می تواند به طور موثر توزیع گرمای فیبر را کنترل کند تا عملکرد طبیعی و پایدار فیبر را تضمین کند.

اندازه هسته بزرگتر می تواند دمای هسته را کاهش دهد، اما بزرگ بودن بیش از حد بر کیفیت پرتو تأثیر می گذارد. لایه پوششی به عنوان بیرونی ترین محیط انتقال حرارت فیبر، ضخامت آن تأثیر زیادی بر دمای کار فیبر دارد. از نظر تئوری، اختلاف دما بین سطوح داخلی و خارجی لایه پوشش و ضخامت همبستگی مثبت دارد، هر چه لایه پوشش نازک‌تر باشد، مقاومت در برابر هدایت گرما کمتر است، اختلاف دما بین سطوح داخلی و خارجی کل کمتر است. لایه پوشش، قدرت بالاتری را که سیستم می تواند تحمل کند. با این حال، به دلیل تأثیر انتقال حرارت همرفتی بر روی سطح فیبر نوری، و لایه پوشش نقش محافظت از فیبر نوری را دارد و بنابراین نیاز به انتخاب معقول ضخامت لایه پوشش دارد.

هنگامی که فیبر در هوا خنک می شود، رابطه بین مقاومت هدایت حرارتی Rcond، مقاومت همرفتی حرارتی Rconv و مقاومت حرارتی کل Rtot و ضخامت لایه پوشش در شکل 2(a) نشان داده شده است. ضخامت لایه پوشش با Rcond همبستگی مثبت و با Rconv همبستگی منفی دارد، بنابراین لازم است ضخامت لایه پوشش را به طور منطقی انتخاب کنید تا از مقاومت حرارتی کل کم اطمینان حاصل شود. رابطه بین طول فیبر و ضریب جذب و دما در شکل 2 (b) نشان داده شده است، با کاهش ضریب جذب فیبر، می توان جذب قدرت پمپاژ را به طور موثر کاهش داد، کاهش جذب قدرت پمپاژ به معنای کاهش حرارت است. رسوب گذاری، که دمای فیبر را کاهش می دهد، اما برای دستیابی به همان خروجی نیاز به افزایش طول فیبر دارد، وانگ و همکاران. قدرت پمپاژ کل 1000 وات، قدرت پمپاژ دو طرفه 500 وات، استفاده از 0.25 dpi برای دستیابی به همان خروجی مورد مطالعه قرار گرفت. وانگ و همکاران نشان داد که توان کل پمپاژ 1000 وات و توان پمپاژ دو طرفه 500 وات بود. توان خروجی 630 وات با فیبر 60 متری با ضریب جذب 0.25 دسی بل و 725 وات با فیبر 1.0 دسی بل به طول 20 متر بود. اما حداکثر دمای الیاف دوم حدود 200 درجه بالاتر از الیاف قبلی بود. حداکثر دمای فیبر دوم بالاتر از الیاف قبلی بود. از آنجایی که انتهای پمپاژ قدرت پمپاژ قوی ترین است، اگرچه کاهش ضریب جذب فیبر می تواند به طور موثری جذب قدرت پمپاژ را کاهش دهد، اما با توجه به بازده جذب پمپاژ، لیزر اگر کاملاً کم باشد. الیاف دوپ شده و کم جذب، نیاز به افزایش طول فیبر که به نوبه خود منجر به بروز مشکلات دیگری مانند اثر غیرخطی و همچنین کاهش راندمان خروجی و غیره می شود.

3.2 انتخاب روش پمپاژ

توزیع در شکل 3 نشان داده شده است. شکل 3 (ه) نشان می دهد که ضریب غیر یکنواخت بخش های میانی ضریب جذب فیبر بالاتر از دو طرف است، برای اطمینان از اینکه توزیع دما اساساً یکنواخت است، توان خروجی همانطور که در شکل 3 (د) زمانی که فیبر مورد نیاز بیش از 20 متر کوتاه شده است. شکل 3 (f) قدرت را به هفت بخش پمپ می کند، توزیع دما یکنواخت تر است و دما را می توان در یک محدوده بسیار ایده آل کنترل کرد. روش پمپاژ برای لیزرهای فیبر اهمیت زیادی دارد. 2011 دانشگاه ینا یک لیزر فیبر پمپاژ جانبی در مقیاس کیلووات با استفاده از فیبر پمپاژ جانبی توزیع شده ساخت، 2014 SPI محصولات لیزری فیبر پمپاژ جانبی در مقیاس کیلووات را راه اندازی کرد، در سال 2015، چین گزارش داد که دانشگاه ملی فناوری دفاع و موسسه تحقیقاتی بیست و سوم گروه فناوری الکترونیک چین به طور مشترک یک فیبر پمپاژ روکش جانبی توزیع شده را توسعه داد و یک لیزر فیبر جفت جانبی توزیع شده با فیبر پمپاژ روکش دار ساخت. فیبر پمپاژ را روکش کرده و یک لیزر فیبر کاملاً محلی ساخته شده است که به توان خروجی در مقیاس کیلووات دست می یابد. استفاده از پمپاژ غیر یکنواخت چند بخش یا ساختار پمپاژ جانبی توزیع شده می تواند اطمینان حاصل کند که دمای فیبر یکنواخت است، تأثیر اثرات حرارتی را کاهش می دهد و به طور موثر طول فیبر را کوتاه می کند. با این حال، کشیدن فیبر پمپاژ جانبی توزیع شده، کاهش تلفات اتصال فیوژن هر بخش از فیبر و بهبود کارایی کلید این فناوری است. با پیشرفت و توسعه فناوری‌های کلیدی مانند طراحی فیبر، کشش و اتصال فیوژن، روش‌های پمپاژ بیشتری در توسعه لیزرهای فیبر پرقدرت استفاده می‌شود که می‌تواند با فناوری اتلاف گرمای خارجی موثر ترکیب شود تا به طور موثر از تولید اثرات حرارتی در فیبر و دستیابی به خروجی پایدار لیزرهای با قدرت بالاتر.

3.3 طراحی اتلاف گرما

رسانش حرارتی، همرفت حرارتی و تابش حرارتی سه راه اصلی انتقال حرارت هستند، زیرا ضریب تابش حرارتی کم است، تأثیر آن را می توان به طور کلی نادیده گرفت، هدایت و همرفت روش های غالب اتلاف گرما هستند. برای لیزر فیبر قدرت کوچکتر، معمولاً فقط فیبر اتلاف حرارت جابجایی طبیعی را در نظر می گیرند، تابش حرارتی تاثیر کمتری دارد، می تواند به طور مناسب در نظر گرفته شود.

انتقال حرارت همرفتی عمدتاً شامل انتقال حرارت همرفتی طبیعی و انتقال حرارت جابجایی اجباری است. عامل تعیین کننده اتلاف حرارت همرفتی، اندازه ضریب انتقال حرارت همرفتی است. ضریب انتقال حرارت همرفتی h به خواص سیال، سرعت جریان و سطح همرفت مربوط می شود. همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است، در شرایط یکسان، ضریب انتقال حرارت جابجایی اجباری بالاتر از ضریب انتقال حرارت جابجایی طبیعی است، ضریب انتقال حرارت جابجایی آب چندین برابر ضریب انتقال حرارت جابجایی هوا است. هر چه ضریب انتقال حرارت همرفتی بزرگتر باشد، اتلاف گرمای فیبر بهتر است. اتلاف گرمای همرفتی هوای طبیعی به طور کلی در لیزر فیبر کم توان استفاده می شود.

هنگامی که لیزر فیبر صدها وات یا کیلووات توان تولید می کند، برآوردن نیازهای اتلاف گرما توسط خنک کننده همرفتی خالص دشوار است و لازم است یک روش هدایت گرما خاص برای هدایت گرما از فیبر به یک هیت سینک خاص انتخاب شود. ، و سپس هدایت گرما یا انتشار همرفت کارآمد را از طریق هیت سینک انجام دهید. شکل تماس یا سطح پردازش فیبر نوری و هیت سینک، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، کاملاً مطابقت ندارد و حفره هایی در رابط تماس وجود دارد که مانع از هدایت گرما می شود. عامل اصلی موثر بر هدایت حرارتی بین فیبر نوری و هیت سینک، مقاومت حرارتی است که معیاری از سطح هدایت حرارتی بین رابط های تبادل حرارتی است.

مدل تئوری مقاومت حرارتی بین فیبر نوری و هیت سینک را می توان به این صورت ساده کرد

در جایی که Ts دمای سطح فیبر است، T∞ دمای سینک حرارتی، q″ شار حرارتی (W/m2)، که نسبت بار حرارتی q' (W/m) به محیط، Rcontact است. مقاومت تماس حرارتی، Rcond مقاومت حرارتی لایه شکاف، L ضخامت لایه شکاف، k هدایت حرارتی ماده پرکننده در شکاف، و A سطح شار حرارتی است که از آن عبور می‌کند. . با استفاده از مدل فوق می توان دریافت که اطمینان از مقاومت حرارتی کمتر می تواند دمای فیبر نوری را کاهش دهد. از آنجایی که هوا در دو رابط تماس دارای رسانایی حرارتی بسیار پایینی است (kair=0.026 W/mK)، مقاومت حرارتی را می توان به طور موثر با پر کردن ماده رابط حرارتی (TIM) با رسانایی حرارتی بالا کاهش داد. در حالی که ضخامت لایه شکاف L تا حد امکان کوچک است.

علاوه بر کاهش ضخامت شکاف و افزایش رسانایی حرارتی، دمای سطح فیبر را می توان با کنترل شکل هیت سینک کاهش داد. ساختارهای متداول هیت سینک مستطیلی، V شکل و U شکل در شکل 5 نشان داده شده است. مقاومت حرارتی سه ساختار شیار مختلف برای نقطه ذوب الیاف پوشش داده شده مجدد ارزیابی شد، و با پارامترهای دیگر سازگار، U شکل مورد ارزیابی قرار گرفت. شیار با کوتاه ترین محیط دارای کمترین مقاومت حرارتی و اثر خنک کنندگی بهتر است، در حالی که شیار V شکل با طولانی ترین محیط دارای بیشترین مقاومت حرارتی و اثر خنک کنندگی بدتر است و تفاوت در کاربردهای عملی و نوع U مشهود نیست. و ساختارهای نوع V بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند و اثر اتلاف گرما بدیهی است که نسبت به هیت سینک های کاملا مسطح برتری دارد.

هنگامی که لیزر فیبر با توان کم کار می کند، می توان آن را توسط ماژول خنک کننده نیمه هادی (TEC) و هیت سینک با هوا خنک کرد و زمانی که لیزر فیبر با توان بالاتر کار می کند، می توان آن را با آب خنک کرد تا از عملکرد پایدار اطمینان حاصل شود. دما.لی و همکاران TEC را روی خنک کننده خارجی EYDFL اعمال کرد و از ساختار پمپاژ دو طرفه برای اعمال TEC به هیت سینک آلومینیومی محیطی برای فیبر 10.2 سانتی متری اول تحت عملکرد با توان بالا استفاده کرد و شیار U شکل در شکل نشان داده شده است. 12 (الف). شیار U شکل در شکل 12 (a) نشان داده شده است. منحنی آبی در شکل 6(b) توزیع دمای فیبر در تماس با هیت سینک را نشان می دهد و منحنی قرمز توزیع دمای تئوری فیبر را نشان می دهد و استفاده از TEC و هیت سینک به طور موثر دمای فیبر را کاهش می دهد. فیبر

برای لیزر فیبر پرقدرت، تعداد زیادی از تحقیقات درمان اتلاف حرارت هدفمند را برای به دست آوردن توان خروجی بالا بالاتر از سطح کیلووات بدون اثر غیرخطی و پدیده آسیب حرارتی اتخاذ کرده‌اند و فناوری مدیریت حرارتی خوب عملکرد پایدار لیزر فیبر را تضمین می‌کند. در این مطالعه، اتلاف حرارت الیاف عمدتاً توسط سیم‌پیچ صفحه و سیم‌پیچ سیلندر، با استفاده از سینک‌های حرارتی فلزی با شیارهای نوع U یا نوع V حک شده انجام می‌شود و شکاف تماس بین فیبر و شیارها با سیلیکون رسانای حرارتی پر می‌شود. گریس (رسانایی حرارتی عموماً بیشتر از 2 W/mK است) برای از بین بردن گرما با استفاده از آب خنک کننده و ساختار آن در شکل 7 نشان داده شده است.

با توسعه فناوری مدیریت حرارتی لیزر فیبر با توان بالا، پمپاژ نیمه هادی، جفت و پوشش فیبر فیلتر نوری و سایر فناوری های کلیدی، اثر حرارتی به عنوان یکی از تنگناها در افزایش توان به خوبی کنترل می شود و قدرت لیزر فیبر به بهبود ادامه خواهد داد. در عین حال، فن‌آوری مدیریت حرارتی مؤثر می‌تواند توسعه فناوری بسته‌بندی یکپارچه لیزر فیبر را نیز ارتقا دهد، به طوری که لیزر فیبر با قدرت بالا می‌تواند در طیف وسیع‌تری از محیط‌ها اعمال شود.