1. Hintergrund
Bei einem Faserlaser handelt es sich um einen Laser, der als Verstärkungsmedium eine mit seltenen Erdelementen dotierte Glasfaser verwendet, die ein mehr als 1000-fach höheres Oberflächen-Volumen-Verhältnis als ein herkömmlicher Festkörperlaser aufweist und eine gute Wärmeableitungsleistung aufweist. Bei einem Faserlaser mit 100 Watt kann die natürliche Wärmeableitung die Wärmeableitungsanforderungen erfüllen. Mit der rasanten Entwicklung von Faserlasern steigt ihre Ausgangsleistung jedoch von Jahr zu Jahr und erreicht sogar den Kilowatt-Bereich. Aus verschiedenen Gründen, wie zum Beispiel Quantenverlust, erzeugt die Faser schwerwiegende thermische Effekte. Die thermische Diffusion des Matrixmaterials führt zu Spannungen und Änderungen des Brechungsindex. Ein niedriger Brechungsindex der Polymerisationsschicht ist anfällig für thermische Schäden, die ernsthaft zum Ausblasen der thermischen Faser führen können. Mit der kontinuierlichen Ansammlung von Wärme steigt die Temperatur des dotierten Kerns, die Anzahl der Teilchen im Laser-Subenergieniveau nimmt zu, was zu einer erhöhten Schwellenleistung führt und die Steigungseffizienz des Lasers abnimmt, während die Abnahme der Quanteneffizienz zu Änderungen der Ausgangswellenlänge führt . Um die Laserausgangsleistung weiter zu verbessern, muss der Faserlaser einer höheren Pumplichtinjektion und einer höheren Energiedichte des Signallichtausgangs standhalten. Die Lösung seiner thermischen Effekte ist eine ernsthafte Herausforderung für das Hochleistungsfaserlasersystem.
2. Quelle thermischer Effekte im Faserlaser
2.1 Quantenverlusteffekt
Der Quantenverlusteffekt ist die Hauptwärmequelle im Faserkernbereich und zugleich die Quelle der Eigenwärme. Aufgrund des inhärenten Unterschieds zwischen der Pumpwellenlänge und der Signalwellenlänge gehen alle Faserlasersysteme mit einem gewissen Prozentsatz an Quantenverlusten einher. Am Beispiel einer Laserausgangswellenlänge von 1080 nm beträgt der Anteil des Quantenverlusts bei einer Pumpwellenlänge von 915 nm etwa 15,3 Prozent.
2.2 Mehrfachverluste
Faserbeschichtungen über der kritischen Temperatur von 80 Grad führen zu Materialdenaturierung oder Oberflächenscheuern und anderen Phänomenen. Beim Betrieb eines kontinuierlichen Faserlasers mit hoher Leistung ist es sehr wahrscheinlich, dass die Faserbeschichtungen die Grenze der tolerierbaren thermischen Belastungen überschreiten, was zu einem Lichtaustritt des Mantels führt und letztendlich zum Durchbrennen des Lasers insgesamt führen kann.
Der Schmelzpunkt der Faser hat einen schwerwiegenderen thermischen Effekt, hauptsächlich aus zwei Aspekten: 1) Das Fasermaterial und die Ummantelungsmaterialabsorption der Lichtumwandlung erzeugen Wärme und erzeugen im kurzen Längenbereich eine fast vollständig transparente Ummantelungsschicht bei der Lichtabsorption ist sehr klein, aber seine Oberfläche erzeugt einige Mikrohohlräume, Luft ist ein schlechter Wärmeleiter, das Vorhandensein von Hohlräumen führt dazu, dass der Wärmewiderstand größer wird, so dass es leicht ist, am Schmelzpunkt eine thermische Abscheidung zu erzeugen. Daher ist der Schmelzpunkt neigt zu thermischer Ablagerung, was zu deutlich höheren Temperaturen führt; 2) Die Fusionsparameter sind nicht geeignet oder zwei Abschnitte der Strukturparameter der optischen Faser stimmen nicht überein, was zu einem Fusionsverlust führt. Das Vorhandensein eines thermischen Widerstands führt zu einem Temperaturanstieg am Fusionspunkt. Der Temperaturanstieg führt zu einer thermischen Schädigung der optischen Faser und hat gleichzeitig einen größeren Einfluss auf die numerische Apertur der optischen Faser, und die Änderung der numerischen Apertur beeinflusst die Lichtführung erheblich.
2.3 Spontane Strahlungswirkung
Wenn in der MOPA-Struktur das Signallicht schwach ist, kann eine große Menge Pumplichtinjektion zu einer Erhöhung der Wahrscheinlichkeit einer spontanen Faserstrahlung (ASE) führen. Eine große Menge an zufälligem spontanem Strahlungslicht dringt vom Kern in die Glasummantelung sowie die Faserbeschichtung ein und überhitzt und verbrennt die organische Beschichtung. Darüber hinaus erhöht die Erzeugung von ASE auch den Quantenverlust, was zu einer erhöhten Erwärmung im Kernbereich der Faser führt.
2.4 Stimulierter Raman-Streueffekt
Mit dem Aufkommen von Ultrahochleistungs-Faserlasern nimmt die Laserleistungsdichte im Kernbereich allmählich zu und der stimulierte Raman-Streuungseffekt (SRS) wird allmählich zum wichtigsten limitierenden Faktor für die Leistungssteigerung. Wenn im Hochleistungsbetrieb die optische Leistung des Lasersignals den Schwellenwert von SRS erreicht, regt der Signallaser Raman-Licht mit einer niedrigeren Frequenz an und pumpt es, was zum Raman-Lichtverstärkungsprozess führt. Gleichzeitig wird SRS zusammen mit dem Quantenverlust das Erwärmungsproblem im Kernbereich der Faser verschärfen.
3. Lösung des thermischen Effekts
Der thermische Effekt des Faserlasers hat einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die Faser- und Ausgangseigenschaften. Daher ist es von großer Bedeutung, die negativen Auswirkungen des thermischen Effekts zu reduzieren. Die Unterdrückung des thermischen Effekts konzentriert sich hauptsächlich auf die folgenden drei Aspekte:
1) Angemessene Auswahl der Faserparameter gemäß dem Temperaturtheoriemodell der Faser;
2) Eine angemessene Auswahl der Pumpstruktur und des Pumpmodus trägt zur Verwirklichung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung und zur Reduzierung des thermischen Effekts bei.
3) Die Auswahl eines effizienten externen Wärmeableitungssystems kann die negativen Auswirkungen thermischer Effekte erheblich reduzieren.
3.1 Optimierung der Faserparameter
Die Hauptfaktoren, die die Temperaturverteilung der optischen Faser beeinflussen, sind die Wärmeleitfähigkeit des Kerns und des Innen- und Außenmantels, die radiale Größe, der Absorptionskoeffizient und die Länge der optischen Faser. Durch eine angemessene Auswahl der Faserparameter kann die Wärmeverteilung der Faser effektiv gesteuert werden, um den normalen und stabilen Betrieb der Faser sicherzustellen.
Eine größere Kerngröße kann die Kerntemperatur verringern, eine zu große Größe beeinträchtigt jedoch die Strahlqualität. Die Beschichtungsschicht ist das äußerste Medium der Faserwärmeleitung und ihre Dicke hat großen Einfluss auf die Arbeitstemperatur der Faser. Theoretisch korreliert der Temperaturunterschied zwischen der Innen- und Außenfläche der Überzugsschicht und deren Dicke positiv: Je dünner die Überzugsschicht, desto kleiner der Widerstand gegen Wärmeleitung, desto geringer ist der Temperaturunterschied zwischen der Innen- und Außenfläche des Ganzen Je höher die Beschichtungsschicht, desto höher ist die Leistung, die das System aushalten kann. Aufgrund des Einflusses der konvektiven Wärmeübertragung auf die Oberfläche der optischen Faser hat die Beschichtungsschicht jedoch die Aufgabe, die optische Faser zu schützen, und daher muss die Dicke der Beschichtungsschicht angemessen gewählt werden.
Wenn die Faser an der Luft abgekühlt wird, ist die Beziehung zwischen dem Wärmeleitungswiderstand Rcond, dem Wärmekonvektionswiderstand Rconv und dem gesamten Wärmewiderstand Rtot sowie der Beschichtungsschichtdicke in Abbildung 2(a) dargestellt. Die Dicke der Beschichtungsschicht korreliert positiv mit Rcond und negativ mit Rconv. Daher ist es notwendig, die Dicke der Beschichtungsschicht sinnvoll auszuwählen, um einen niedrigen Gesamtwärmewiderstand sicherzustellen. Die Beziehung zwischen Faserlänge und Absorptionskoeffizient und Temperatur ist in Abb. 2(b) dargestellt. Durch die Reduzierung des Absorptionskoeffizienten der Faser kann die Absorption der Pumpleistung effektiv reduziert werden, die Reduzierung der Absorption der Pumpleistung bedeutet die Reduzierung der Wärme Abscheidung, die die Temperatur der Faser senkt, aber um die gleiche Leistung zu erzielen, muss die Länge der Faser erhöht werden, Wang et al. Untersucht wurde die Gesamtpumpleistung von 1000 W, die Dual-End-Pumpleistung von 500 W und die Verwendung von 0,25 dpi, um die gleiche Leistung zu erzielen. Wang et al. zeigte, dass die gesamte Pumpleistung 1000 W und die Dual-End-Pumpleistung 500 W betrug. Die Ausgangsleistung betrug 630 W mit einer 60 m langen Faser mit einem Absorptionskoeffizienten von 0,25 dB und 725 W mit einer 1,0 dB langen 20 m langen Faser. aber die maximale Temperatur der letzteren Faser war um etwa 200 Grad höher als die der ersteren Faser. Die maximale Temperatur der letzteren Faser war höher als die der ersteren Faser. Da die Pumpleistung am stärksten ist, kann zwar eine Reduzierung des Absorptionskoeffizienten der Faser die Absorption der Pumpleistung effektiv reduzieren, aber unter der Voraussetzung, dass die Effizienz der Pumpabsorption berücksichtigt wird, ist der Laser völlig niedrig -dotierte Fasern mit geringer Absorption, die Notwendigkeit, die Länge der Faser zu erhöhen, was wiederum zum Auftreten anderer Probleme wie des nichtlinearen Effekts sowie einer Verschlechterung der Ausgangseffizienz usw. führt.
3.2 Auswahl der Pumpmethode
Die Verteilung ist in Abb. 3 dargestellt. Abbildung 3 (e) zeigt, dass der ungleichmäßige Koeffizient des Faserabsorptionskoeffizienten in den mittleren Abschnitten höher ist als auf den beiden Seiten, um sicherzustellen, dass die Temperaturverteilung im Wesentlichen gleichmäßig ist und die Ausgangsleistung beträgt das Gleiche wie in Abbildung 3 (d), wenn die erforderliche Faser um mehr als 20 m gekürzt wird; In Abbildung 3 (f) wird die Leistung in sieben Segmente gepumpt, die Temperaturverteilung ist gleichmäßiger und die Temperatur kann in einem sehr idealen Bereich gesteuert werden. Für Faserlaser ist das Pumpverfahren von großer Bedeutung. 2011 baute die Universität Jena einen seitlich pumpenden Faserlaser im Kilowattmaßstab unter Verwendung verteilter seitengepumpter Fasern, 2014 brachte SPI ein seitlich pumpendes Faserlaserprodukt im Kilowattmaßstab auf den Markt, und 2015 berichtete China, dass die National University of Defence Technology und das Twenty-Third Research Institute von der China Electronics Technology Group entwickelten gemeinsam eine verteilte, seitengekoppelte Mantelpumpfaser und bauten einen verteilten, seitengekoppelten Faserlaser mit einer Mantelpumpfaser. Mantelpumpfaser und baute einen vollständig lokalisierten Faserlaser, der eine Leistungsabgabe im Kilowattbereich erreichte. Durch die Verwendung einer mehrsegmentigen ungleichmäßigen Pumpstruktur oder einer verteilten seitlichen Pumpstruktur kann sichergestellt werden, dass die Temperatur der Faser gleichmäßig ist, die Auswirkungen thermischer Effekte verringert und die Länge der Faser effektiv verkürzt werden. Der Schlüssel zur Technologie liegt jedoch im verteilten seitlichen Pumpen des Faserziehens, der Verringerung des Fusionskopplungsverlusts in jedem Abschnitt der Faser und der Verbesserung der Effizienz. Mit dem Durchbruch und der Entwicklung von Schlüsseltechnologien wie Faserdesign, Ziehen und Fusionsspleißen werden bei der Entwicklung von Hochleistungsfaserlasern mehr Pumpmethoden eingesetzt, die mit einer effektiven externen Wärmeableitungstechnologie kombiniert werden können, um die Entstehung von effektiv zu verhindern thermische Effekte in der Faser und erreichen eine stabile Leistung von Lasern mit höherer Leistung.
3.3 Wärmeableitungsdesign
Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung sind die drei Hauptarten der Wärmeübertragung. Da der Wärmestrahlungskoeffizient klein ist, kann sein Einfluss im Allgemeinen vernachlässigt werden. Leitung und Konvektion sind die vorherrschenden Wärmeableitungsmethoden. Bei Faserlasern mit kleinerer Leistung wird in der Regel nur die natürliche Konvektionswärmeableitung der Faser berücksichtigt, und die Wärmestrahlung hat weniger Einfluss und kann entsprechend berücksichtigt werden.
Die Konvektionswärmeübertragung umfasst hauptsächlich die natürliche Konvektionswärmeübertragung und die erzwungene Konvektionswärmeübertragung. Der entscheidende Faktor für die konvektive Wärmeabfuhr ist die Größe des konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten. Der konvektive Wärmeübergangskoeffizient h hängt von den Fluideigenschaften, der Strömungsgeschwindigkeit und der Konvektionsfläche ab. Wie in Tabelle 1 gezeigt, ist unter den gleichen Bedingungen der Wärmeübertragungskoeffizient der erzwungenen Konvektion höher als der Wärmeübertragungskoeffizient der natürlichen Konvektion, und der Wärmeübertragungskoeffizient der Wasserkonvektion beträgt ein Vielfaches des Wärmeübertragungskoeffizienten der Luftkonvektion. Je größer der konvektive Wärmeübergangskoeffizient ist, desto besser ist die Wärmeableitung der Faser. Die Wärmeableitung durch natürliche Luftkonvektion wird im Allgemeinen bei Faserlasern mit geringerer Leistung verwendet.
Wenn der Faserlaser Hunderte von Watt oder Kilowatt Leistung abgibt, ist es schwierig, die Wärmeableitungsanforderungen durch reine Konvektionskühlung zu erfüllen, und es ist notwendig, eine bestimmte Wärmeleitungsmethode zu wählen, um die Wärme von der Faser zu einem bestimmten Kühlkörper zu leiten und dann eine effiziente Wärmeleitung oder Konvektionsdiffusion durch den Kühlkörper durchführen. Die Kontaktform bzw. Bearbeitungsfläche von Lichtwellenleiter und Kühlkörper passt nicht perfekt, wie in Abbildung 4 dargestellt, und es entstehen Hohlräume an der Kontaktschnittstelle, die die Wärmeleitung behindern. Der Hauptfaktor, der die Wärmeleitung zwischen der optischen Faser und dem Kühlkörper beeinflusst, ist der Wärmewiderstand, der ein Maß für den Grad der Wärmeleitung zwischen den Wärmeaustauschschnittstellen ist.
Das theoretische Modell des Wärmewiderstands zwischen Glasfaser und Kühlkörper kann wie folgt vereinfacht werden:
Dabei ist Ts die Oberflächentemperatur der Faser, T∞ die Temperatur des Kühlkörpers, q″ der Wärmestrom (W/m2), der das Verhältnis der thermischen Belastung q′ (W/m) zum Umfang, RKontakt, darstellt ist der thermische Kontaktwiderstand, Rcond ist der thermische Widerstand der Spaltschicht, L ist die Dicke der Spaltschicht, k ist die Wärmeleitfähigkeit des Füllmaterials im Spalt und A ist die Oberfläche des durchtretenden Wärmestroms . Anhand des obigen Modells lässt sich erkennen, dass die Gewährleistung eines geringeren Wärmewiderstands die Temperatur der optischen Faser senken kann. Da die Luft an den beiden Kontaktgrenzflächen eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit (kair=0.026 W/mK) aufweist, kann der Wärmewiderstand effektiv reduziert werden, indem das thermische Schnittstellenmaterial (TIM) mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit gefüllt wird. während die Dicke der Lückenschicht L so gering wie möglich ist.
Zusätzlich zur Reduzierung der Spaltdicke und Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit kann die Faseroberflächentemperatur durch Steuerung der Form des Kühlkörpers gesenkt werden. Übliche rechteckige, V-förmige und U-förmige Kerben-Kühlkörperstrukturen sind in Abb. 5 dargestellt. Der Wärmewiderstand von drei verschiedenen Rillenstrukturen für den Schmelzpunkt der ummantelten Faser wurde bewertet, und bei Übereinstimmung mit anderen Parametern wurde die U-förmige Struktur ermittelt Die Nut mit dem kürzesten Umfang hat den geringsten Wärmewiderstand und eine bessere Kühlwirkung, während die V-förmige Nut mit dem längsten Umfang den größten Wärmewiderstand und eine schlechtere Kühlwirkung aufweist. Der Unterschied ist in praktischen Anwendungen nicht offensichtlich und der U-Typ und V-förmige Strukturen werden häufiger verwendet, und der Wärmeableitungseffekt ist offensichtlich dem der rein planaren Kühlkörper überlegen.
Wenn der Faserlaser bei geringer Leistung betrieben wird, kann er durch das Halbleiterkühlmodul (TEC) und den Kühlkörper luftgekühlt werden, und wenn der Faserlaser bei höherer Leistung betrieben wird, kann er wassergekühlt werden, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten Temperatur.Li et al. wandte den TEC auf die externe Kühlung des EYDFL an und verwendete die Doppelend-Pumpstruktur, um den TEC auf den peripheren Aluminiumkühlkörper für die erste 10,2-cm-Faser im Hochleistungsbetrieb aufzutragen. Die U-förmige Nut ist in Abb. dargestellt . 12(a). Die U-förmige Nut ist in Abb. 12(a) dargestellt. Die blaue Kurve in Abb. 6(b) zeigt die Temperaturverteilung der Faser in Kontakt mit dem Kühlkörper, und die rote Kurve ist die theoretische Temperaturverteilung der Faser, und die Verwendung von TEC und Kühlkörper reduziert effektiv die Temperatur die Faser.
Bei Hochleistungs-Faserlasern haben viele Forscher eine gezielte Wärmeableitungsbehandlung eingeführt, um eine hohe Ausgangsleistung über dem Kilowatt-Niveau ohne nichtlineare Effekte und thermische Schäden zu erzielen. Eine gute Wärmemanagementtechnologie gewährleistet den stabilen Betrieb des Faserlasers. In der Studie erfolgt die Faserwärmeableitung hauptsächlich durch Flachwickeln und Zylinderwickeln unter Verwendung von Metallkühlkörpern mit eingravierten U-förmigen oder V-förmigen Rillen, und der Kontaktspalt zwischen der Faser und den Rillen wird mit wärmeleitendem Silikon gefüllt Fett (die Wärmeleitfähigkeit beträgt im Allgemeinen mehr als 2 W/mK), um die Wärme mittels Wasserkühlung abzuführen, und seine Struktur ist in Abb. 7 dargestellt.
Mit der Entwicklung von Hochleistungs-Faserlaser-Wärmemanagementtechnologie, Halbleiterpumpen, Faserkopplung und optischer Mantelfilterung und anderen Schlüsseltechnologien wird der thermische Effekt als einer der Engpässe bei der Leistungssteigerung gut kontrolliert und die Leistung des Faserlasers verbessert wird sich weiter verbessern. Gleichzeitig kann eine effektive Wärmemanagementtechnologie auch die Entwicklung der integrierten Verpackungstechnologie für Faserlaser fördern, sodass Hochleistungsfaserlaser in einem breiteren Spektrum von Umgebungen eingesetzt werden können.
