1. Sfond
Fiber Laser huwa laser li juża fibra tal-ħġieġ drogata ta 'element rari tad-dinja bħala l-mezz ta' qligħ, li għandu proporzjon ta 'erja tal-wiċċ/volum ta' aktar minn 1000 darba dak ta 'laser ta' blokka solida tradizzjonali, b'rendiment tajjeb ta 'dissipazzjoni tas-sħana. Għal mitt watts ta 'laser tal-fibra, id-dissipazzjoni tas-sħana naturali tista' tissodisfa r-rekwiżiti tad-dissipazzjoni tas-sħana. Madankollu, bl-iżvilupp mgħaġġel tal-lasers tal-fibra, il-qawwa tal-ħruġ tagħhom tiżdied sena b'sena, anke tilħaq l-iskala tal-kilowatt, minħabba varjetà ta 'raġunijiet, bħal telf ta' quantum, il-fibra se tipproduċi effetti termali serji. Id-diffużjoni termali tal-materjal tal-matriċi tikkawża stress u bidliet fl-indiċi refrattiv, indiċi rifrattiv baxx tas-saff ta 'polimerizzazzjoni huwa suxxettibbli għal ħsara termali, li tista' twassal serjament għal blowout tal-fibra termali; bl-akkumulazzjoni kontinwa tas-sħana, it-temperatura tal-qalba drogata tiżdied, in-numru ta 'partiċelli fil-livell ta' subenerġija tal-lejżer jiżdied li jwassal għal żieda fil-qawwa tal-limitu u l-effiċjenza tal-inklinazzjoni tal-lejżer tonqos, filwaqt li t-tnaqqis fl-effiċjenza tal-quantum se jikkawża bidliet fil-wavelength tal-ħruġ. . Sabiex ittejjeb aktar il-qawwa tal-ħruġ tal-lejżer, il-laser tal-fibra se jiflaħ injezzjoni tad-dawl tal-pompa ta 'qawwa ogħla u d-densità tal-enerġija tal-output tad-dawl tas-sinjal, biex issolvi l-effetti termali tiegħu hija sfida serja li tiffaċċja s-sistema tal-laser tal-fibra b'qawwa għolja.
2. Sors ta 'effetti termali fil-laser tal-fibra
2.1 Effett tat-telf kwantiku
L-effett tat-telf quantum huwa s-sors ewlieni tas-sħana fiż-żona tal-qalba tal-fibra huwa wkoll is-sors tas-sħana inerenti. Minħabba d-differenza inerenti bejn il-wavelength tal-pompa u l-wavelength tas-sinjal, is-sistemi kollha tal-laser tal-fibra huma akkumpanjati minn ċertu persentaġġ ta 'telf quantum. Meta tieħu tul ta 'mewġ tal-ħruġ tal-lejżer 1080 nm bħala eżempju, il-proporzjon ta' telf quantum f'tul ta 'mewġ tal-pompa ta' 915 nm huwa madwar 15.3 fil-mija.
2.2 Telf Multipli
Kisjiet tal-fibra 'l fuq mit-temperatura kritika ta' 80 grad se jipproduċu denaturazzjoni tal-materjal jew chaffing tal-wiċċ u fenomeni oħra. Fl-operazzjoni tal-lejżer tal-fibra kontinwa b'qawwa għolja, il-kisi tal-fibra x'aktarx li jaqbeż il-limitu ta 'tagħbijiet termali li jistgħu jiġu tollerati, li jirriżulta f'tnixxija tad-dawl tal-kisi, u fl-aħħar mill-aħħar jista' jikkawża l-ħruq ġenerali tal-laser.
Il-punt tal-fużjoni tal-fibra għandu effett termali aktar serju, prinċipalment minn żewġ aspetti: 1) il-materjal tal-fibra u l-assorbiment tal-materjal tal-kisi mill-ġdid tal-konverżjoni tad-dawl se jipproduċi sħana, fil-medda ta 'tul qasir, saff ta' kisi mill-ġdid kważi kompletament trasparenti fuq l-assorbiment tad-dawl huwa ftit ħafna, iżda l-wiċċ tiegħu se jipproduċi xi mikro-vojt, l-arja hija konduttur fqir tas-sħana, il-preżenza ta 'vojt tagħmel ir-reżistenza termali ssir akbar, għalhekk huwa faċli li tipproduċi depożizzjoni termali fil-punt tal-fużjoni Għalhekk, il-punt tal-fużjoni huwa suxxettibbli għal depożizzjoni termali, li jirriżulta f'temperaturi ogħla b'mod sinifikanti; 2) il-parametri tal-fużjoni mhumiex adattati jew żewġ sezzjonijiet ta 'parametri strutturali tal-fibra ottika ma jaqblux, li jwassal għal telf ta' fużjoni, il-preżenza tar-reżistenza termali tagħmel it-temperatura togħla fil-punt tal-fużjoni. Iż-żieda fit-temperatura tikkawża ħsara termali lill-fibra ottika, u fl-istess ħin għandha impatt akbar fuq l-apertura numerika tal-fibra ottika, u l-bidla fl-apertura numerika taffettwa b'mod sinifikanti l-gwida tad-dawl.
2.3 Effett tar-radjazzjoni spontanju
Fl-istruttura MOPA, meta d-dawl tas-sinjal huwa dgħajjef, ammont kbir ta 'injezzjoni tad-dawl tal-pompa jista' jwassal għal żieda fil-probabbiltà ta 'radjazzjoni spontanja tal-fibra (ASE). Ammont kbir ta 'dawl ta' radjazzjoni spontanja bl-addoċċ joħroġ mill-qalba fil-kisi tal-ħġieġ kif ukoll il-kisi tal-fibra u jisħon iżżejjed u jaħraq il-kisi organiku. Barra minn hekk, il-ġenerazzjoni ta 'ASE żżid ukoll it-telf quantum, li jwassal għal żieda fit-tisħin fir-reġjun tal-qalba tal-fibra.
2.4 Effett ta 'tifrix Raman stimulat
Bil-ħolqien ta 'lejżers tal-fibra ta' qawwa ultra-għolja, id-densità tal-qawwa tal-lejżer fir-reġjun tal-qalba tiżdied gradwalment, u l-effett stimulat tat-tifrix Raman (SRS) gradwalment isir il-fattur ewlieni li jillimita għat-titjib tal-qawwa. Waqt l-operazzjoni ta 'qawwa għolja, meta l-qawwa ottika tas-sinjal tal-lejżer tilħaq il-kundizzjoni tal-limitu ta' SRS, il-laser tas-sinjal iħeġġeġ u jippompja dawl Raman bi frekwenza aktar baxxa, li jirriżulta fil-proċess ta 'amplifikazzjoni tad-dawl Raman. Fl-istess ħin, flimkien mat-telf quantum, SRS se jaggrava l-problema tat-tisħin fir-reġjun tal-qalba tal-fibra.
3. Soluzzjoni ta 'effett termali
L-effett termali tal-laser tal-fibra għandu impatt mhux negliġibbli fuq il-karatteristiċi tal-fibra u tal-ħruġ, għalhekk huwa ta 'sinifikat kbir li jitnaqqas l-impatt negattiv tal-effett termali. Is-soppressjoni tal-effett termali tiffoka prinċipalment fuq it-tliet aspetti li ġejjin:
1) Għażla raġonevoli tal-parametri tal-fibra skont il-mudell tat-teorija tat-temperatura tal-fibra;
2) L-għażla raġonevoli tal-istruttura tal-ippumpjar u l-mod tal-ippumpjar twassal għar-realizzazzjoni ta 'distribuzzjoni uniformi tat-temperatura u tnaqqis tal-effett termali;
3) L-għażla ta 'skema ta' dissipazzjoni tas-sħana esterna effiċjenti tista 'tnaqqas ħafna l-impatt negattiv tal-effetti termali.
3.1 Ottimizzazzjoni tal-parametri tal-fibra
Il-fatturi ewlenin li jaffettwaw id-distribuzzjoni tat-temperatura tal-fibra ottika huma l-konduttività termali tal-qalba u l-kisi ta 'ġewwa u ta' barra, id-daqs radjali, il-koeffiċjent ta 'assorbiment, u t-tul tal-fibra ottika. Għażla raġonevoli tal-parametri tal-fibra tista 'tikkontrolla b'mod effettiv id-distribuzzjoni tas-sħana tal-fibra biex tiżgura t-tħaddim normali u stabbli tal-fibra.
Daqs akbar tal-qalba jista 'jnaqqas it-temperatura tal-qalba, iżda kbir wisq jaffettwa l-kwalità tar-raġġ. Saff tal-kisi bħala l-mezz l-aktar 'il barra tal-konduzzjoni tas-sħana tal-fibra, il-ħxuna tagħha għandha influwenza kbira fuq it-temperatura tax-xogħol tal-fibra. Teoretikament, id-differenza fit-temperatura bejn l-uċuħ ta 'ġewwa u ta' barra tas-saff tal-kisi u l-ħxuna hija korrelatata b'mod pożittiv, iktar ma jkun irqaq is-saff tal-kisi, iżgħar tkun ir-reżistenza għall-konduzzjoni tas-sħana, iżgħar tkun id-differenza fit-temperatura bejn l-uċuħ ta 'ġewwa u ta' barra tal-wiċċ kollu. saff tal-kisi, iktar tkun għolja l-qawwa li s-sistema tista 'tiflaħ. Madankollu, minħabba l-influwenza tat-trasferiment tas-sħana konvettiva fuq il-wiċċ tal-fibra ottika, u s-saff tal-kisi għandu r-rwol li jipproteġi l-fibra ottika, u għalhekk jeħtieġ li tagħżel b'mod raġonevoli l-ħxuna tas-saff tal-kisi.
Meta l-fibra titkessaħ fl-arja, ir-relazzjoni bejn ir-reżistenza tal-konduzzjoni termali Rcond, ir-reżistenza tal-konvezzjoni termali Rconv u r-reżistenza termali totali Rtot u l-ħxuna tas-saff tal-kisi tidher fil-Figura 2(a). Il-ħxuna tas-saff tal-kisi hija korrelatata b'mod pożittiv ma 'Rcond u korrelatata b'mod negattiv ma' Rconv, għalhekk huwa meħtieġ li tagħżel b'mod raġonevoli l-ħxuna tas-saff tal-kisi biex tiġi żgurata reżistenza termali totali baxxa. Ir-relazzjoni bejn it-tul tal-fibra u l-koeffiċjent ta 'assorbiment u t-temperatura hija murija fil-Fig. 2(b), billi jitnaqqas il-koeffiċjent ta' assorbiment tal-fibra, l-assorbiment tal-qawwa tal-ippumpjar jista 'jitnaqqas b'mod effettiv, it-tnaqqis tal-assorbiment tal-qawwa tal-ippumpjar ifisser it-tnaqqis tal-qawwa termali depożizzjoni, li tnaqqas it-temperatura tal-fibra, iżda sabiex tinkiseb l-istess output jeħtieġ li żżid it-tul tal-fibra, Wang et al. studja l-qawwa totali tal-ippumpjar ta '1000 W, il-qawwa tal-ippumpjar b'tarf doppju ta' 500 W, l-użu ta '0.25 dpi jintuża biex jinkiseb l-istess output. Wang et al. wera li l-qawwa totali tal-ippumpjar kienet 1000 W u l-qawwa tal-ippumpjar b'tarf doppju kienet 500 W. Il-qawwa tal-ħruġ kienet 630 W b'fibra twila ta '60 m b'koeffiċjent ta' assorbiment ta '0.25 dB, u 725 W b'fibra twila ta' 1.0 dB 20 m, iżda t-temperatura massima tal-fibra tal-aħħar kienet ogħla minn dik tal-fibra ta 'qabel b'madwar 200 grad. It-temperatura massima tal-fibra tal-aħħar kienet ogħla minn dik tal-fibra ta 'qabel. Peress li t-tarf tal-ippumpjar tal-qawwa tal-ippumpjar huwa l-aktar b'saħħtu, għalkemm it-tnaqqis tal-koeffiċjent tal-assorbiment tal-fibra jista 'effettivament inaqqas l-assorbiment tal-qawwa tal-ippumpjar, iżda taħt il-premessa li titqies l-effiċjenza tal-assorbiment tal-ippumpjar, il-laser jekk ikun kompletament baxx -doped, fibri ta 'assorbiment baxx, il-ħtieġa li jiżdied it-tul tal-fibra, li mbagħad iwassal għall-emerġenza ta' problemi oħra bħall-effett mhux lineari kif ukoll tnaqqis fl-effiċjenza tal-produzzjoni, eċċ.
3.2 Għażla tal-metodu tal-ippumpjar
Id-distribuzzjoni hija murija fil-Fig. 3. Figura 3 (e) turi l-koeffiċjent mhux uniformi tas-sezzjonijiet tan-nofs tal-koeffiċjent ta 'assorbiment tal-fibra huwa ogħla miż-żewġ naħat, biex jiġi żgurat li d-distribuzzjoni tat-temperatura hija bażikament uniformi, il-qawwa tal-ħruġ hija l-istess bħal fil-Figura 3 (d) meta l-fibra meħtieġa titqassar b'aktar minn 20m; Figura 3 (f) se tiġi ppumpjata qawwa f'seba 'segmenti, id-distribuzzjoni tat-temperatura hija aktar uniformi, u t-temperatura tista' tiġi kkontrollata f'firxa ideali ħafna. Il-metodu tal-ippumpjar huwa ta 'sinifikat kbir għal-lejżers tal-fibra. 2011 Jena Università bniet ġenb kilowatt-ippumpjar f'fibra laser bl-użu distribwiti ġenb ippumpjar f'fibra, 2014 SPI nediet a kilowatt-skala tal-ġenb ippumpjar f'fibra prodotti tal-laser, fl-2015, iċ-Ċina rrappurtat li l-Università Nazzjonali tat-Teknoloġija tad-Difiża u t-Tlieta u Għoxrin Istitut tar-Riċerka tal-Grupp tat-Teknoloġija Elettronika taċ-Ċina żviluppat b'mod konġunt fibra tal-ippumpjar tal-kisi akkoppjat mal-ġenb distribwit, u bnew laser tal-fibra tal-igganċjar tal-ġenb distribwit b'fibra tal-ippumpjar tal-kisi. kisi tal-fibra tal-ippumpjar, u bnew laser tal-fibra lokalizzat bis-sħiħ, u kiseb output ta 'enerġija fuq skala kilowatt. L-użu ta 'ippumpjar mhux uniformi b'ħafna segmenti jew struttura ta' ippumpjar tal-ġenb distribwit jista 'jiżgura li t-temperatura tal-fibra tkun uniformi, tnaqqas l-impatt tal-effetti termali u tqassar b'mod effettiv it-tul tal-fibra. Madankollu, ġbid tal-fibra tal-ippumpjar tal-ġenb distribwit, it-tnaqqis tat-telf tal-akkoppjar tal-fużjoni ta 'kull sezzjoni tal-fibra u t-titjib tal-effiċjenza huma ċ-ċavetta għat-teknoloġija. Bl-avvanz u l-iżvilupp ta 'teknoloġiji ewlenin bħad-disinn tal-fibra, ġbid u splicing tal-fużjoni, se jiġu applikati aktar metodi ta' ippumpjar fl-iżvilupp ta 'lejżers tal-fibra ta' qawwa għolja, li jistgħu jiġu kkombinati ma 'teknoloġija effettiva ta' dissipazzjoni tas-sħana esterna biex effettivament jinibixxu l-ġenerazzjoni ta ' effetti termali fil-fibra u jiksbu produzzjoni stabbli ta 'lejżers ta' qawwa ogħla.
3.3 Disinn tad-dissipazzjoni tas-sħana
Il-konduzzjoni termali, il-konvezzjoni termali u r-radjazzjoni termali huma t-tliet modi ewlenin ta 'trasferiment tas-sħana, peress li l-koeffiċjent tar-radjazzjoni termali huwa żgħir, l-influwenza tiegħu tista' tiġi injorata b'mod ġenerali, il-konduzzjoni u l-konvezzjoni huma l-metodi dominanti ta 'dissipazzjoni tas-sħana. Għal qawwa iżgħar f'fibra laser, ġeneralment tikkunsidra biss id-dissipazzjoni tas-sħana tal-konvezzjoni naturali tal-fibra, ir-radjazzjoni termali għandha inqas impatt, tista 'titqies b'mod xieraq.
It-trasferiment tas-sħana tal-konvezzjoni jinkludi prinċipalment it-trasferiment tas-sħana tal-konvezzjoni naturali u t-trasferiment tas-sħana tal-konvezzjoni sfurzata. Il-fattur determinanti tad-dissipazzjoni tas-sħana konvettiva huwa d-daqs tal-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana konvettiv. Il-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana konvettiv h huwa relatat mal-proprjetajiet tal-fluwidu, ir-rata tal-fluss u ż-żona tal-konvezzjoni. Kif muri fit-Tabella 1, taħt l-istess kundizzjonijiet, il-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana tal-konvezzjoni sfurzata huwa ogħla mill-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana tal-konvezzjoni naturali, il-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana tal-konvezzjoni tal-ilma huwa diversi drabi l-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana tal-konvezzjoni tal-arja. Iktar ma jkun kbir il-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana konvettiv, aħjar tkun id-dissipazzjoni tas-sħana tal-fibra. Id-dissipazzjoni tas-sħana tal-konvezzjoni tal-arja naturali hija ġeneralment użata f'laser tal-fibra ta 'enerġija aktar baxxa.
Meta l-laser tal-fibra joħroġ mijiet ta 'watts jew kilowatts ta' enerġija, huwa diffiċli li tissodisfa r-rekwiżiti tad-dissipazzjoni tas-sħana permezz ta 'tkessiħ ta' konvezzjoni pura, u huwa meħtieġ li tagħżel metodu speċifiku ta 'konduzzjoni tas-sħana biex tmexxi s-sħana mill-fibra għal sink tas-sħana speċifiku. , u mbagħad wettaq konduzzjoni effiċjenti tas-sħana jew diffużjoni tal-konvezzjoni permezz tas-sink tas-sħana. Il-forma ta 'kuntatt jew il-wiċċ tal-ipproċessar tal-fibra ottika u s-sink tas-sħana ma taqbilx perfettament, kif muri fil-Figura 4, u hemm vojt fl-interface tal-kuntatt, li se jfixklu l-konduzzjoni tas-sħana. Il-fattur ewlieni li jaffettwa l-konduzzjoni termali bejn il-fibra ottika u s-sink tas-sħana huwa r-reżistenza termali, li hija miżura tal-livell ta 'konduzzjoni termali bejn l-interfaces tal-iskambju tas-sħana.
Il-mudell teoretiku tar-reżistenza termali bejn il-fibra ottika u s-sink tas-sħana jista 'jiġi ssimplifikat bħala
Fejn Ts hija t-temperatura tal-wiċċ tal-fibra, T∞ hija t-temperatura tas-sink tas-sħana, q″ hija l-fluss tas-sħana (W/m2), li huwa l-proporzjon tat-tagħbija termali q′ (W/m) mal-perimetru, Rcontact hija r-reżistenza tal-kuntatt termali, Rcond hija r-reżistenza termali tas-saff tal-vojt, L hija l-ħxuna tas-saff tal-vojt, k hija l-konduttività termali tal-materjal tal-mili fil-vojt, u A hija l-erja tal-wiċċ tal-fluss tas-sħana li jgħaddi minnu . Billi tieħu l-mudell ta 'hawn fuq, wieħed jista' jara li l-iżgurar ta 'reżistenza termali iżgħar jista' jnaqqas it-temperatura tal-fibra ottika. Peress li l-arja fiż-żewġ interfaces ta 'kuntatt għandha konduttività termali baxxa ħafna (kair=0.026 W/mK), ir-reżistenza termali tista' titnaqqas b'mod effettiv billi timla l-materjal tal-interface termali (TIM) b'konduttività termali għolja, filwaqt li l-ħxuna tas-saff tal-vojt L hija żgħira kemm jista 'jkun.
Minbarra li tnaqqas il-ħxuna tal-vojt u żżid il-konduttività termali, it-temperatura tal-wiċċ tal-fibra tista 'titnaqqas billi tikkontrolla l-forma tas-sink tas-sħana. Strutturi komuni ta 'sink tas-sħana rettangolari, forma ta' V u forma ta 'U talja huma murija fil-Fig. 5. Ir-reżistenza termali ta' tliet strutturi ta 'kanal differenti għall-punt tat-tidwib tal-fibra miksija mill-ġdid ġiet evalwata, u b'parametri oħra konsistenti, il-forma ta' U kanal bl-iqsar perimetru għandu l-iżgħar reżistenza termali u effett ta 'tkessiħ aħjar, filwaqt li l-kanal f'forma ta' V bl-itwal perimetru għandu l-akbar reżistenza termali u effett agħar ta 'tkessiħ, u d-differenza mhix ovvja f'applikazzjonijiet prattiċi, u t-tip U u strutturi tat-tip V jintużaw aktar spiss, u l-effett tad-dissipazzjoni tas-sħana huwa ovvjament superjuri għal dak tal-bjar tas-sħana purament planari.
Meta l-laser tal-fibra jitħaddem b'qawwa baxxa, jista 'jiġi mkessaħ bl-arja mill-modulu tat-tkessiħ tas-semikondutturi (TEC) u mis-sink tas-sħana, u meta l-laser tal-fibra jitħaddem b'qawwa ogħla, jista' jitkessaħ bl-ilma biex jiġi żgurat ix-xogħol stabbli temperatura.Li et al. applikat it-TEC għat-tkessiħ estern tal-EYDFL, u uża l-istruttura tal-ippumpjar b'tarf doppju biex japplika t-TEC għas-sink tas-sħana tal-aluminju periferali għall-ewwel fibra ta '10.2 ċm taħt operazzjoni ta' qawwa għolja, u l-kanal f'forma ta 'U jidher fil-Fig. 12(a). Il-kanal f'forma ta 'U jidher fil-Fig. 12(a). Il-kurva blu fil-Figura 6(b) tindika d-distribuzzjoni tat-temperatura tal-fibra f'kuntatt mas-sink tas-sħana, u l-kurva ħamra hija d-distribuzzjoni teoretika tat-temperatura tal-fibra, u l-użu ta 'TEC u sink tas-sħana effettivament inaqqas it-temperatura ta' il-fibra.
Għal-lejżer tal-fibra b'qawwa għolja, numru kbir ta 'riċerki adottaw trattament ta' dissipazzjoni tas-sħana mmirata biex jiksbu qawwa għolja tal-ħruġ 'il fuq mil-livell ta' kilowatt mingħajr effett mhux lineari u fenomenu ta 'ħsara termali, u teknoloġija ta' ġestjoni termali tajba tiżgura t-tħaddim stabbli tal-laser tal-fibra. Fl-istudju, id-dissipazzjoni tas-sħana tal-fibra titwettaq prinċipalment minn tkebbib tal-pjan u tkebbib taċ-ċilindru, bl-użu ta 'sinkijiet tas-sħana tal-metall bi skanalaturi tat-tip U jew tat-tip V imnaqqxa, u d-distakk tal-kuntatt bejn il-fibra u l-iskanalaturi huwa mimli b'silikon termalment konduttiv grass (il-konduttività termali hija ġeneralment akbar minn 2 W/mK) biex tneħħi s-sħana permezz ta 'tkessiħ bl-ilma, u l-istruttura tagħha tidher f'Fig. 7.
Bl-iżvilupp ta 'teknoloġija ta' ġestjoni termali tal-laser tal-fibra ta 'qawwa għolja, ippumpjar tas-semikondutturi, igganċjar tal-fibra u filtrazzjoni ottika tal-kisi u teknoloġiji ewlenin oħra, l-effett termali bħala wieħed mill-konġestjonijiet fit-titjib tal-enerġija se jkun ikkontrollat tajjeb, u l-qawwa tal-laser tal-fibra se jkompli jitjieb. Fl-istess ħin, teknoloġija effettiva ta 'ġestjoni termali tista' wkoll tippromwovi l-iżvilupp tat-teknoloġija tal-ippakkjar integrata bil-laser tal-fibra, sabiex il-laser tal-fibra ta 'qawwa għolja jista' jiġi applikat għal firxa usa 'ta' ambjenti.
