מקורות ופתרונות להשפעות תרמיות בלייזרי סיבים בעלי הספק גבוה

1. רקע כללי

סיבים לייזר הוא לייזר המשתמש בסיבי זכוכית מסוממים באלמנטים נדירים של אדמה נדירה כמדיום הרווח, שיש לו יחס שטח פנים/נפח של יותר מפי 1000 מזה של לייזר בלוק מוצק מסורתי, עם ביצועי פיזור חום טובים. עבור מאה וואט של לייזר סיבים, פיזור חום טבעי יכול לעמוד בדרישות פיזור החום. עם זאת, עם ההתפתחות המהירה של לייזרים סיבים, הספק המוצא שלהם עולה משנה לשנה, אפילו מגיע לסולם קילוואט, בשל מגוון סיבות, כגון אובדן קוונטי, הסיב יפיק השפעות תרמיות רציניות. דיפוזיה תרמית של החומר המטריצה ​​גורמת לשינויים במתח ובמדד השבירה, מקדם השבירה הנמוך של שכבת הפילמור נוטה לנזק תרמי, מה שעלול להוביל ברצינות לנשיפה של סיבים תרמיים; עם הצטברות מתמשכת של חום, טמפרטורת הליבה המסוממת תגדל, מספר החלקיקים ברמת תת-האנרגיה של הלייזר גדל מה שמוביל להגברת כוח הסף ויעילות השיפוע של הלייזר יורדת, בעוד שהירידה ביעילות הקוונטית תגרום לשינויים באורך הגל הפלט . על מנת לשפר עוד יותר את כוח פלט הלייזר, לייזר הסיבים יעמוד בהזרקת אור משאבת הספק גבוה יותר וצפיפות האנרגיה של פלט האור האות, כדי לפתור את ההשפעות התרמיות שלו הוא אתגר רציני העומד בפני מערכת הלייזר סיב הספק גבוה.

2. מקור להשפעות תרמיות בלייזר סיבים

2.1 אפקט אובדן קוונטי

אפקט אובדן קוונטי הוא מקור החום העיקרי באזור ליבת הסיבים הוא גם מקור החום המובנה. בשל ההבדל המובנה בין אורך גל המשאבה ואורך גל האות, כל מערכות לייזר סיבים מלוות באחוז מסוים של אובדן קוונטי. אם לוקחים כדוגמה אורך גל פלט לייזר של 1080 ננומטר, שיעור ההפסד הקוונטי באורך גל של 915 ננומטר הוא כ-15.3 אחוזים.

2.2 הפסדים מרובים

ציפוי סיבים מעל הטמפרטורה הקריטית של 80 מעלות יפיקו דנטורציה של החומר או שפשוף פני השטח ותופעות אחרות. בפעולת לייזר סיבים רציפים בעוצמה גבוהה, סביר מאוד שציפויים סיבים יחרגו ממגבלה של עומסים תרמיים שניתן לסבול, וכתוצאה מכך דליפת אור חיפוי, ובסופו של דבר עלולים לגרום לשחיקה הכוללת של הלייזר.

לנקודת היתוך של הסיב יש השפעה תרמית רצינית יותר, בעיקר משני היבטים: 1) ספיגת חומר הסיבים וחומר הציפוי מחדש של המרת האור תייצר חום, בטווח האורך הקצר, שכבת ציפוי מחדש שקופה כמעט לחלוטין על ספיגת האור. הוא מעט מאוד, אבל פני השטח שלו יפיקו כמה מיקרו-חללים, האוויר הוא מוליך גרוע של חום, נוכחותם של חללים גורמת להתנגדות התרמית להיות גדולה יותר, כך שקל לייצר שקיעה תרמית בנקודת ההיתוך. לכן, נקודת ההיתוך הוא נוטה לתצהיר תרמי, וכתוצאה מכך טמפרטורות גבוהות משמעותית; 2) פרמטרי היתוך אינם מתאימים או ששני חלקים של פרמטרים מבניים של סיבים אופטיים אינם תואמים, מה שיוביל לאובדן היתוך, נוכחות התנגדות תרמית גורמת לטמפרטורה לעלות בנקודת היתוך. העלייה בטמפרטורה גורמת לנזק תרמי לסיב האופטי, ובמקביל משפיעה יותר על הצמצם המספרי של הסיב האופטי, והשינוי בצמצם המספרי משפיע באופן משמעותי על הנחיית האור.

2.3 אפקט קרינה ספונטני

במבנה MOPA, כאשר אור האות חלש, כמות גדולה של הזרקת אור משאבה עלולה להוביל לעלייה בסבירות לקרינה ספונטנית של סיבים (ASE). כמות גדולה של אור קרינה ספונטנית אקראית דולפת מהליבה אל חיפוי הזכוכית כמו גם ציפוי הסיבים ומחממת יתר על המידה ושורפת את הציפוי האורגני. בנוסף, היצירה של ASE מגבירה גם את ההפסד הקוונטי, מה שמוביל לחימום מוגבר באזור הליבה של הסיב.

2.4 אפקט פיזור רמאן מגורה

עם הופעתם של לייזרים סיבים אולטרה-גבוהים, צפיפות הספק הלייזר באזור הליבה עולה בהדרגה, ואפקט פיזור ה-Raman המגורה (SRS) הופך בהדרגה לגורם המגביל העיקרי לשיפור ההספק. בזמן פעולה בהספק גבוה, כאשר ההספק האופטי של אות הלייזר מגיע למצב הסף של SRS, לייזר האות מעורר ומשאב אור ראמן בתדר נמוך יותר, וכתוצאה מכך תהליך הגברה של אור ראמן. יחד עם זאת, יחד עם אובדן קוונטי, SRS יחמיר את בעיית החימום באזור הליבה של הסיב.

3. פתרון של אפקט תרמי

להשפעה התרמית של לייזר סיבים יש השפעה לא מבוטלת על מאפייני הסיבים והפלט, ולכן ישנה משמעות רבה להפחית את ההשפעה השלילית של ההשפעה התרמית. דיכוי האפקט התרמי מתמקד בעיקר בשלושת ההיבטים הבאים:

1) בחירה סבירה של פרמטרי סיבים על פי מודל תורת הטמפרטורה של הסיב;

2) בחירה סבירה של מבנה השאיבה ומצב השאיבה תורמת למימוש חלוקת טמפרטורה אחידה והפחתת האפקט התרמי;

3) בחירת ערכת פיזור חום חיצונית יעילה יכולה להפחית במידה ניכרת את ההשפעה השלילית של השפעות תרמיות.

3.1 אופטימיזציה של פרמטרי סיבים

הגורמים העיקריים המשפיעים על פיזור הטמפרטורה של הסיב האופטי הם המוליכות התרמית של הליבה והחיפוי הפנימי והחיצוני, הגודל הרדיאלי, מקדם הספיגה ואורך הסיב האופטי. בחירה סבירה של פרמטרים של סיבים יכולה לשלוט ביעילות על פיזור החום של הסיב כדי להבטיח את הפעולה התקינה והיציבה של הסיב.

גודל ליבה גדול יותר יכול להפחית את טמפרטורת הליבה, אבל גדול מדי ישפיע על איכות האלומה. שכבת הציפוי כמדיום החיצוני ביותר של הולכת חום סיבים, לעובי שלה יש השפעה רבה על טמפרטורת העבודה של הסיב. תיאורטית, הפרש הטמפרטורה בין המשטח הפנימי והחיצוני של שכבת הציפוי לבין העובי נמצא בקורלציה חיובית, ככל ששכבת הציפוי דקה יותר, כך ההתנגדות להולכת חום קטנה יותר, כך קטן הפרש הטמפרטורות בין המשטח הפנימי והחיצוני של המשטח כולו. שכבת ציפוי, ככל שההספק שהמערכת יכולה לעמוד בו גבוה יותר. עם זאת, בשל ההשפעה של העברת חום הסעה על פני השטח של הסיב האופטי, ושכבת הציפוי יש תפקיד של הגנה על הסיב האופטי, ולכן צריך לבחור באופן סביר את עובי שכבת הציפוי.

כאשר הסיב מקורר באוויר, היחס בין התנגדות ההולכה התרמית Rcond, התנגדות הסעה תרמית Rconv וההתנגדות התרמית הכוללת Rtot ועובי שכבת הציפוי מוצג באיור 2(א). עובי שכבת הציפוי נמצא בקורלציה חיובית עם Rcond ומתאם שלילי עם Rconv, ולכן יש צורך לבחור באופן סביר את עובי שכבת הציפוי כדי להבטיח התנגדות תרמית כוללת נמוכה. הקשר בין אורך הסיב ומקדם הספיגה והטמפרטורה מוצג באיור 2(ב), על ידי הפחתת מקדם הספיגה של הסיב, ניתן להפחית ביעילות את ספיגת כוח השאיבה, הפחתת ספיגת כוח השאיבה פירושה הפחתת התרמית. שקיעה, אשר מפחיתה את טמפרטורת הסיב, אך על מנת להגיע לאותה תפוקה צריך להגדיל את אורך הסיב, Wang et al. למד את עוצמת השאיבה הכוללת של 1000 W, הספק השאיבה הכפול של 500 W, השימוש ב-0.25 dpi משמש כדי להשיג את אותה תפוקה. וואנג וחב'. הראה כי הספק השאיבה הכולל היה 1000 W והספק השאיבה הכפול היה 500 W. הספק המוצא היה 630 W עם סיב באורך 60 מ' עם מקדם ספיגה של 0.25 dB, ו-725 W עם סיב באורך 1.0 dB באורך 20 מ', אבל הטמפרטורה המקסימלית של הסיב האחרון הייתה גבוהה מזו של הסיב הקודם בכ-200 מעלות. הטמפרטורה המקסימלית של הסיב האחרון הייתה גבוהה מזו של הסיב הקודם. מכיוון שקצה השאיבה של עוצמת השאיבה הוא החזק ביותר, אמנם הפחתת מקדם הספיגה של הסיב יכולה להפחית ביעילות את ספיגת עוצמת השאיבה, אך בהנחה של לקחת בחשבון את יעילות הספיגה בשאיבה, הלייזר אם נמוך לחלוטין -סיבים מסוממים, בעלי ספיגה נמוכה, הצורך להגדיל את אורך הסיב, מה שמוביל בתורו להופעת בעיות נוספות כמו האפקט הלא ליניארי וכן ירידה ביעילות הפלט וכו'.

3.2 בחירת שיטת השאיבה

ההתפלגות מוצגת באיור 3. איור 3 (ה) מציג את המקדם הלא אחיד של החלקים האמצעיים של מקדם ספיגת הסיבים גבוה משני הצדדים, כדי להבטיח שחלוקת הטמפרטורה אחידה בעצם, הספק המוצא הוא אותו הדבר כמו באיור 3 (ד) כאשר הסיב הנדרש מתקצר ביותר מ-20 מ'; איור 3 (ו) ישאב כוח לשבעה מקטעים, חלוקת הטמפרטורה אחידה יותר וניתן לשלוט בטמפרטורה בטווח אידאלי מאוד. לשיטת השאיבה יש משמעות רבה עבור לייזרים סיבים. 2011 אוניברסיטת ג'נה בנתה לייזר סיבי שאיבה צדדית בקנה מידה קילוואט באמצעות סיב שאיבה צדדי מבוזר, 2014 SPI השיקה מוצרי לייזר לייזר סיבי שאיבה בקנה מידה קילוואט, בשנת 2015, סין דיווחה כי האוניברסיטה הלאומית לטכנולוגיה של הגנה ומכון המחקר העשרים ושלושה מקבוצת China Electronics Technology Group פיתחה במשותף סיב משאבת חיפוי מבוזר, ובנה לייזר סיב צימוד צד מבוזר עם סיב שאיבה חיפוי. חיפוי סיבי שאיבה, ובנה לייזר סיבים מקומי לחלוטין, והשיג תפוקת כוח בקנה מידה קילוואט. השימוש בשאיבה לא אחידה מרובה מקטעים או במבנה שאיבה צד מבוזר יכול להבטיח שטמפרטורת הסיב אחידה, להפחית את השפעת ההשפעות התרמיות ולקצר ביעילות את אורך הסיב. עם זאת, משיכת סיבים שאיבת צד מבוזרת, הפחתת אובדן צימוד ההיתוך של כל חלק של הסיב ושיפור היעילות הם המפתח לטכנולוגיה. עם פריצת הדרך והפיתוח של טכנולוגיות מפתח כגון עיצוב סיבים, משיכה וחבור היתוך, שיטות שאיבה נוספות יופעלו בפיתוח של לייזרים סיבים בעלי הספק גבוה, אותם ניתן לשלב עם טכנולוגיית פיזור חום חיצונית יעילה כדי לעכב ביעילות את היצירה של השפעות תרמיות בסיב ולהשיג תפוקה יציבה של לייזרים בעלי הספק גבוה יותר.

3.3 עיצוב פיזור חום

הולכה תרמית, הסעה תרמית וקרינה תרמית הן שלושת הדרכים העיקריות להעברת חום, שכן מקדם הקרינה התרמית קטן, ניתן להתעלם מהשפעתה באופן כללי, הולכה והסעה הן שיטות פיזור החום הדומיננטיות. עבור לייזר סיב כוח קטן יותר, בדרך כלל רק לשקול את פיזור חום טבעי הסעה סיב, קרינה תרמית יש פחות השפעה, ניתן לשקול כראוי.

העברת חום הסעה כוללת בעיקר העברת חום הסעה טבעית והעברת חום הסעה מאולצת. הגורם הקובע של פיזור חום הסעה הוא גודל מקדם העברת החום ההסעתי. מקדם העברת החום ההסעה h קשור לתכונות הנוזל, קצב הזרימה ואזור ההסעה. כפי שמוצג בטבלה 1, באותם תנאים, מקדם העברת החום בהסעה מאולצת גבוה ממקדם העברת החום בהסעה טבעית, מקדם העברת החום בהסעת מים הוא פי כמה ממקדם העברת החום בהסעת האוויר. ככל שמקדם העברת החום ההסעה גדול יותר, כך פיזור החום של הסיב טוב יותר. פיזור חום טבעי בהסעת אוויר משמש בדרך כלל בלייזר סיבים בעלי הספק נמוך יותר.

כאשר לייזר הסיבים מוציא מאות וואט או קילוואט של הספק, קשה לעמוד בדרישות פיזור החום על ידי קירור הסעה טהור, ויש צורך לבחור בשיטת הולכת חום ספציפית להובלת החום מהסיב לגוף קירור ספציפי. , ולאחר מכן לבצע הולכת חום יעילה או פיזור הסעה דרך גוף הקירור. צורת המגע או משטח העיבוד של הסיב האופטי וגוף הקירור אינם מתאימים בצורה מושלמת, כפי שמוצג באיור 4, ויש חללים בממשק המגע, שיפריעו להולכת החום. הגורם העיקרי המשפיע על ההולכה התרמית בין הסיב האופטי לגוף הקירור הוא ההתנגדות התרמית, שהיא מדד לרמת ההולכה התרמית בין ממשקי חילופי החום.

ניתן לפשט את המודל התיאורטי של התנגדות תרמית בין הסיב האופטי לגוף הקירור

כאשר Ts הוא טמפרטורת פני השטח של הסיב, T∞ היא טמפרטורת גוף הקירור, q″ הוא שטף החום (W/m2), שהוא היחס בין העומס התרמי q′ (W/m) להיקף, Rcontact היא התנגדות המגע התרמית, Rcond היא ההתנגדות התרמית של שכבת הפער, L הוא עובי שכבת הפער, k היא המוליכות התרמית של חומר המילוי במרווח, ו-A הוא שטח הפנים של שטף החום העובר דרכו . על ידי נטילת המודל שלעיל, ניתן לראות כי הבטחת התנגדות תרמית קטנה יותר יכולה להפחית את הטמפרטורה של הסיב האופטי. מכיוון שלאוויר בשני ממשקי המגע יש מוליכות תרמית נמוכה מאוד (קאיר=0.026 W/mK), ניתן להפחית ביעילות את ההתנגדות התרמית על ידי מילוי חומר הממשק התרמי (TIM) עם מוליכות תרמית גבוהה, בעוד שעובי שכבת הפער L קטן ככל האפשר.

בנוסף להקטנת עובי הפער והגדלת המוליכות התרמית, ניתן להפחית את טמפרטורת פני הסיבים על ידי שליטה בצורת גוף הקירור. מבנים נפוצים של גוף קירור מלבניים, בצורת V ובצורת U מוצגים באיור 5. הוערכה ההתנגדות התרמית של שלושה מבני חריצים שונים לנקודת ההיתוך של הסיב המצופה מחדש, ובהתאם לפרמטרים אחרים עקביים, בצורת U. לחריץ עם ההיקף הקצר ביותר יש את ההתנגדות התרמית הקטנה ביותר ואפקט קירור טוב יותר, ואילו לחריץ בצורת V עם ההיקף הארוך ביותר יש את ההתנגדות התרמית הגדולה ביותר ואפקט קירור גרוע יותר, וההבדל אינו ברור ביישומים מעשיים, ובסוג U מבנים מסוג V משמשים לעתים קרובות יותר, והשפעת פיזור החום עדיפה ללא ספק על זו של גופי הקירור המישוריים בלבד.

כאשר לייזר הסיבים מופעל בהספק נמוך, ניתן לקרר אותו באוויר על ידי מודול קירור המוליכים למחצה (TEC) וגוף הקירור, וכאשר לייזר הסיבים מופעל בהספק גבוה יותר, ניתן לקרר אותו במים כדי להבטיח עבודה יציבה טמפרטורה.Li et al. החיל את ה-TEC על הקירור החיצוני של ה-EYDFL, והשתמש במבנה השאיבה הכפול כדי להחיל את ה-TEC על גוף הקירור ההיקפי מאלומיניום עבור הסיב הראשון באורך 10.2 ס"מ בהפעלה בעוצמה גבוהה, והחריץ בצורת U מוצג באיור .12(א). החריץ בצורת U מוצג באיור 12(א). העקומה הכחולה באיור 6(ב) מציינת את התפלגות הטמפרטורה של הסיב במגע עם גוף הקירור, והעקומה האדומה היא התפלגות הטמפרטורה התיאורטית של הסיב, והשימוש ב-TEC ובגוף קירור מפחית ביעילות את הטמפרטורה של הסיבים.

עבור לייזר סיבים הספק גבוה, מספר רב של מחקרים אימצו טיפול ממוקד בפיזור חום כדי להשיג הספק תפוקה גבוה מעל רמת קילוואט ללא השפעה לא ליניארית ותופעת נזק תרמי, וטכנולוגיית ניהול תרמית טובה מבטיחה את הפעולה היציבה של לייזר סיבים. במחקר, פיזור חום הסיבים מתבצע בעיקר על ידי סלילה מישורית וליפוף צילינדר, תוך שימוש בשקעי קירור מתכת עם חריצים מסוג U או מסוג V, ומרווח המגע בין הסיב לחריצים מתמלא בסיליקון מוליך חום. גריז (מוליכות תרמית גדולה בדרך כלל מ-2 W/mK) כדי להסיר את החום באמצעות קירור מים, והמבנה שלו מוצג באיור 7.

עם הפיתוח של טכנולוגיית ניהול תרמי לייזר סיבים בעלי הספק גבוה, שאיבת מוליכים למחצה, צימוד סיבים וסינון אופטי חיפוי וטכנולוגיות מפתח אחרות, האפקט התרמי כאחד מצווארי הבקבוק בהגברת ההספק יהיה נשלט היטב, והעוצמה של הלייזר הסיבים ימשיך להשתפר. יחד עם זאת, טכנולוגיית ניהול תרמי יעיל יכולה גם לקדם את הפיתוח של טכנולוגיית אריזה משולבת בלייזר סיבים, כך שניתן ליישם לייזר סיבים בעוצמה גבוהה במגוון רחב יותר של סביבות.