1. Latar belakang
Fiber Laser adalah laser yang menggunakan serat kaca doping elemen tanah jarang sebagai media penguatan, yang memiliki rasio luas permukaan/volume lebih dari 1000 kali dari laser blok padat tradisional, dengan kinerja pembuangan panas yang baik. Untuk laser serat seratus watt, pembuangan panas alami dapat memenuhi persyaratan pembuangan panas. Namun, dengan pesatnya perkembangan laser serat, daya keluarannya meningkat dari tahun ke tahun, bahkan mencapai skala kilowatt, karena berbagai alasan, seperti kehilangan kuantum, serat akan menghasilkan efek termal yang serius. Difusi termal dari bahan matriks menyebabkan tekanan dan perubahan indeks bias, indeks bias rendah dari lapisan polimerisasi rentan terhadap kerusakan termal, yang secara serius dapat menyebabkan ledakan serat termal; dengan akumulasi panas yang terus menerus, suhu inti yang didoping akan meningkat, jumlah partikel dalam tingkat subenergi laser meningkat yang menyebabkan peningkatan daya ambang dan efisiensi kemiringan laser menurun, sedangkan penurunan efisiensi kuantum akan menyebabkan perubahan panjang gelombang keluaran . Untuk lebih meningkatkan daya keluaran laser, laser serat akan menahan injeksi cahaya pompa daya yang lebih tinggi dan kepadatan energi dari keluaran cahaya sinyal, untuk mengatasi efek termalnya merupakan tantangan serius yang dihadapi sistem laser serat daya tinggi.
2. Sumber efek termal pada laser serat
2.1 Efek kehilangan kuantum
Efek kehilangan kuantum adalah sumber panas utama di area inti serat juga merupakan sumber panas bawaan. Karena perbedaan yang melekat antara panjang gelombang pompa dan panjang gelombang sinyal, semua sistem laser serat disertai dengan persentase tertentu dari kehilangan kuantum. Mengambil panjang gelombang keluaran laser 1080 nm sebagai contoh, proporsi kehilangan kuantum pada panjang gelombang pompa 915 nm adalah sekitar 15,3 persen .
2.2 Banyak Kerugian
Lapisan serat di atas suhu kritis 80 derajat akan menghasilkan denaturasi material atau chaffing permukaan dan fenomena lainnya. Dalam operasi laser serat kontinu berdaya tinggi, pelapis serat sangat mungkin melebihi batas beban termal yang dapat ditoleransi, mengakibatkan kebocoran cahaya kelongsong, dan pada akhirnya dapat menyebabkan laser habis terbakar secara keseluruhan.
Titik fusi serat memiliki efek termal yang lebih serius, terutama dari dua aspek: 1) bahan serat dan bahan pelapis ulang penyerapan konversi cahaya akan menghasilkan panas, dalam jarak pendek, lapisan pelapisan ulang hampir sepenuhnya transparan pada penyerapan cahaya sangat sedikit, tetapi permukaannya akan menghasilkan beberapa rongga mikro, udara adalah penghantar panas yang buruk, keberadaan rongga membuat resistansi termal menjadi lebih besar, sehingga mudah untuk menghasilkan pengendapan termal pada titik fusi Oleh karena itu, titik fusi rentan terhadap deposisi termal, menghasilkan suhu yang jauh lebih tinggi; 2) parameter fusi tidak sesuai atau dua bagian dari parameter struktural serat optik tidak cocok, yang akan menyebabkan hilangnya fusi, adanya ketahanan termal membuat suhu naik pada titik fusi. Peningkatan suhu menyebabkan kerusakan termal pada serat optik, dan pada saat yang sama berdampak lebih besar pada bukaan numerik serat optik, dan perubahan bukaan numerik secara signifikan memengaruhi panduan cahaya.
2.3 Efek radiasi spontan
Dalam struktur MOPA, ketika lampu sinyal lemah, sejumlah besar injeksi lampu pompa dapat menyebabkan peningkatan kemungkinan radiasi spontan serat (ASE). Sejumlah besar cahaya radiasi spontan acak bocor dari inti ke kelongsong kaca serta lapisan serat dan terlalu panas serta membakar lapisan organik. Selain itu, pembangkitan ASE juga meningkatkan kehilangan kuantum, yang menyebabkan peningkatan pemanasan di wilayah inti serat.
2.4 Efek hamburan Raman terstimulasi
Dengan munculnya laser serat ultra-daya tinggi, kepadatan daya laser di wilayah inti secara bertahap meningkat, dan efek hamburan Raman (SRS) yang terstimulasi secara bertahap menjadi faktor pembatas utama untuk peningkatan daya. Selama operasi daya tinggi, ketika daya optik sinyal laser mencapai kondisi ambang SRS, laser sinyal menggairahkan dan memompa cahaya Raman dengan frekuensi yang lebih rendah, menghasilkan proses amplifikasi cahaya Raman. Pada saat yang sama, seiring dengan kehilangan kuantum, SRS akan memperburuk masalah pemanasan di wilayah inti serat.
3. Solusi efek termal
Efek termal dari laser serat memiliki dampak yang tidak dapat diabaikan pada karakteristik serat dan keluaran, sehingga sangat penting untuk mengurangi dampak negatif dari efek termal. Penindasan efek termal terutama berfokus pada tiga aspek berikut:
1) Pemilihan parameter serat yang wajar sesuai dengan model teori suhu serat;
2) Pemilihan struktur pemompaan dan mode pemompaan yang wajar kondusif untuk realisasi distribusi suhu yang seragam dan pengurangan efek termal;
3) Pemilihan skema pembuangan panas eksternal yang efisien dapat sangat mengurangi dampak negatif dari efek termal.
3.1 Optimalisasi parameter serat
Faktor utama yang mempengaruhi distribusi suhu serat optik adalah konduktivitas termal inti dan kelongsong dalam dan luar, ukuran radial, koefisien penyerapan, dan panjang serat optik. Pemilihan parameter serat yang wajar dapat secara efektif mengontrol distribusi panas serat untuk memastikan operasi serat yang normal dan stabil.
Ukuran inti yang lebih besar dapat menurunkan suhu inti, tetapi terlalu besar akan mempengaruhi kualitas pancaran. Lapisan pelapis sebagai media terluar konduksi panas serat, ketebalannya memiliki pengaruh besar pada suhu kerja serat. Secara teoritis, perbedaan suhu antara permukaan dalam dan luar lapisan pelapis dan ketebalan berkorelasi positif, semakin tipis lapisan pelapis, semakin kecil ketahanan terhadap konduksi panas, semakin kecil perbedaan suhu antara permukaan dalam dan luar seluruh lapisan pelapis, semakin tinggi daya yang dapat ditahan oleh sistem. Namun, karena pengaruh perpindahan panas konvektif pada permukaan serat optik, dan lapisan pelapis memiliki peran melindungi serat optik, oleh karena itu perlu memilih ketebalan lapisan pelapis secara wajar.
Ketika serat didinginkan di udara, hubungan antara resistansi konduksi termal Rcond, resistansi konveksi termal Rconv dan resistansi termal total Rtot dan ketebalan lapisan pelapis ditunjukkan pada Gambar 2(a). Ketebalan lapisan coating berkorelasi positif dengan Rcond dan berkorelasi negatif dengan Rconv, sehingga perlu untuk memilih ketebalan lapisan coating secara wajar untuk memastikan ketahanan termal total yang rendah. Hubungan antara panjang serat dan koefisien absorpsi serta suhu ditunjukkan pada Gambar 2(b), dengan mengurangi koefisien absorpsi serat, penyerapan daya pemompaan dapat dikurangi secara efektif, pengurangan penyerapan daya pemompaan berarti pengurangan panas deposisi, yang mengurangi suhu serat, tetapi untuk mencapai keluaran yang sama perlu menambah panjang serat, Wang et al. mempelajari daya pemompaan total 1000 W, daya pemompaan ujung ganda 500 W, penggunaan 0,25 dpi digunakan untuk mencapai keluaran yang sama. Wang dkk. menunjukkan bahwa total daya pemompaan adalah 1000 W dan daya pemompaan ujung ganda adalah 500 W. Daya keluaran adalah 630 W dengan panjang serat 60 m dengan koefisien penyerapan 0,25 dB, dan 725 W dengan panjang serat 1,0 dB 20 m, tetapi suhu maksimum serat terakhir lebih tinggi dari serat sebelumnya sekitar 200 derajat. Suhu maksimum serat terakhir lebih tinggi dari serat sebelumnya. Sebagai ujung pemompaan daya pemompaan adalah yang terkuat, meskipun mengurangi koefisien penyerapan serat dapat secara efektif mengurangi penyerapan daya pemompaan, tetapi dengan alasan memperhitungkan efisiensi penyerapan pemompaan, laser jika benar-benar rendah -doped, serat dengan daya serap rendah, kebutuhan untuk menambah panjang serat, yang pada gilirannya menyebabkan munculnya masalah lain seperti efek nonlinier serta penurunan efisiensi keluaran, dan sebagainya.
3.2 Pemilihan metode pemompaan
Distribusi ditunjukkan pada Gambar. 3. Gambar 3 (e) menunjukkan koefisien non-seragam dari bagian tengah koefisien penyerapan serat lebih tinggi dari kedua sisi, untuk memastikan bahwa distribusi suhu pada dasarnya seragam, daya keluarannya adalah sama seperti pada Gambar 3 (d) ketika serat yang dibutuhkan dipersingkat lebih dari 20m; Gambar 3 (f) akan dipompa daya menjadi tujuh segmen, distribusi suhu lebih seragam, dan suhu dapat dikontrol dalam kisaran yang sangat ideal. Metode pemompaan sangat penting untuk laser serat. 2011 Universitas Jena membangun laser serat pemompa samping berskala kilowatt menggunakan serat pemompa samping terdistribusi, 2014 SPI meluncurkan produk laser serat pemompa samping berskala kilowatt, pada tahun 2015, China melaporkan bahwa Universitas Nasional Teknologi Pertahanan dan Lembaga Penelitian Dua Puluh Tiga dari China Electronics Technology Group bersama-sama mengembangkan serat pemompa kelongsong sisi-gandeng terdistribusi, dan membangun laser serat penggandeng sisi terdistribusi dengan serat pemompa kelongsong. serat pemompaan kelongsong, dan membangun laser serat yang sepenuhnya terlokalisasi, mencapai output daya skala kilowatt. Penggunaan pemompaan non-seragam multi-segmen atau struktur pemompaan sisi terdistribusi dapat memastikan bahwa suhu serat seragam, mengurangi dampak efek termal dan secara efektif mempersingkat panjang serat. Namun, penarikan serat pemompaan sisi terdistribusi, mengurangi hilangnya kopling fusi dari setiap bagian serat dan meningkatkan efisiensi adalah kunci dari teknologi ini. Dengan terobosan dan pengembangan teknologi utama seperti desain serat, penarikan dan penyambungan fusi, lebih banyak metode pemompaan akan diterapkan dalam pengembangan laser serat berdaya tinggi, yang dapat dikombinasikan dengan teknologi pembuangan panas eksternal yang efektif untuk secara efektif menghambat pembangkitan efek termal dalam serat dan mencapai keluaran stabil dari laser berdaya tinggi.
3.3 Desain pembuangan panas
Konduksi termal, konveksi termal, dan radiasi termal adalah tiga cara utama perpindahan panas, karena koefisien radiasi termal kecil, pengaruhnya dapat diabaikan secara umum, konduksi dan konveksi adalah metode pembuangan panas yang dominan. Untuk laser serat daya yang lebih kecil, biasanya hanya mempertimbangkan pembuangan panas konveksi alami serat, radiasi termal memiliki dampak yang lebih kecil, dapat dianggap tepat.
Perpindahan panas konveksi terutama mencakup perpindahan panas konveksi alami dan perpindahan panas konveksi paksa. Faktor penentu pelepasan panas konvektif adalah besarnya koefisien perpindahan panas konvektif. Koefisien perpindahan panas konvektif h berhubungan dengan sifat fluida, laju aliran, dan luas konveksi. Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1, dalam kondisi yang sama, koefisien perpindahan panas konveksi paksa lebih tinggi daripada koefisien perpindahan panas konveksi alami, koefisien perpindahan panas konveksi air beberapa kali koefisien perpindahan panas konveksi udara. Semakin besar koefisien perpindahan panas konvektif, semakin baik pembuangan panas serat. Pembuangan panas konveksi udara alami umumnya digunakan pada laser serat daya rendah.
Ketika laser serat mengeluarkan daya ratusan watt atau kilowatt, sulit untuk memenuhi persyaratan pembuangan panas dengan pendinginan konveksi murni, dan perlu memilih metode konduksi panas khusus untuk mengalirkan panas dari serat ke heat sink tertentu , dan kemudian melakukan konduksi panas atau difusi konveksi yang efisien melalui heat sink. Bentuk kontak atau permukaan pemrosesan serat optik dan heat sink tidak pas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4, dan terdapat rongga pada antarmuka kontak, yang akan menghambat konduksi panas. Faktor utama yang mempengaruhi konduksi termal antara serat optik dan unit pendingin adalah resistansi termal, yang merupakan ukuran tingkat konduksi termal antara antarmuka pertukaran panas.
Model teoritis ketahanan termal antara serat optik dan heat sink dapat disederhanakan sebagai
Di mana Ts adalah suhu permukaan serat, T∞ adalah suhu heat sink, q″ adalah fluks panas (W/m2), yang merupakan rasio beban termal q′ (W/m) terhadap keliling, Rkontak adalah resistansi kontak termal, Rcond adalah resistansi termal lapisan celah, L adalah ketebalan lapisan celah, k adalah konduktivitas termal bahan pengisi di celah, dan A adalah luas permukaan fluks panas yang melewati . Dengan mengambil model di atas, dapat dilihat bahwa memastikan ketahanan termal yang lebih kecil dapat menurunkan suhu serat optik. Karena udara pada dua antarmuka kontak memiliki konduktivitas termal yang sangat rendah (kair=0.026 W/mK), resistansi termal dapat dikurangi secara efektif dengan mengisi bahan antarmuka termal (TIM) dengan konduktivitas termal yang tinggi, sedangkan ketebalan lapisan celah L sekecil mungkin.
Selain mengurangi ketebalan celah dan meningkatkan konduktivitas termal, suhu permukaan serat dapat dikurangi dengan mengontrol bentuk heat sink. Struktur heat sink takik berbentuk persegi panjang, berbentuk V dan berbentuk U ditunjukkan pada Gambar. 5. Resistansi termal dari tiga struktur alur yang berbeda untuk titik lebur serat yang dilapis ulang dievaluasi, dan dengan parameter lain yang konsisten, struktur berbentuk U alur dengan perimeter terpendek memiliki ketahanan termal terkecil dan efek pendinginan yang lebih baik, sedangkan alur berbentuk V dengan perimeter terpanjang memiliki ketahanan termal terbesar dan efek pendinginan yang lebih buruk, dan perbedaannya tidak jelas dalam aplikasi praktis, dan tipe-U dan struktur tipe-V lebih sering digunakan, dan efek pembuangan panas jelas lebih unggul daripada heat sink murni planar.
Ketika laser serat dioperasikan pada daya rendah, itu dapat didinginkan dengan udara oleh modul pendingin semikonduktor (TEC) dan heat sink, dan ketika laser serat dioperasikan pada daya yang lebih tinggi, dapat didinginkan dengan air untuk memastikan kerja yang stabil temperatur.Li et al. menerapkan TEC ke pendinginan eksternal EYDFL, dan menggunakan struktur pemompaan ujung ganda untuk menerapkan TEC ke heat sink aluminium periferal untuk serat 10,2 cm pertama di bawah operasi daya tinggi, dan alur berbentuk U ditunjukkan pada Gambar .12(a). Alur berbentuk U ditunjukkan pada Gambar. 12 (a). Kurva biru pada Gambar 6(b) menunjukkan distribusi suhu serat yang bersentuhan dengan heat sink, dan kurva merah adalah distribusi suhu teoritis serat, dan penggunaan TEC dan heat sink secara efektif mengurangi suhu serat.
Untuk laser serat daya tinggi, sejumlah besar penelitian telah mengadopsi perawatan pembuangan panas yang ditargetkan untuk mendapatkan daya keluaran tinggi di atas tingkat kilowatt tanpa efek nonlinier dan fenomena kerusakan termal, dan teknologi manajemen termal yang baik memastikan pengoperasian laser serat yang stabil. Dalam penelitian ini, pembuangan panas serat terutama dilakukan oleh belitan bidang dan belitan silinder, menggunakan heat sink logam dengan alur tipe-U atau tipe-V terukir, dan celah kontak antara serat dan alur diisi dengan silikon konduktif termal. minyak (konduktivitas termal umumnya lebih besar dari 2 W/mK) untuk menghilangkan panas melalui pendinginan air, dan strukturnya ditunjukkan pada Gambar 7.
Dengan pengembangan teknologi manajemen termal laser serat berdaya tinggi, pemompaan semikonduktor, penyambungan serat dan penyaringan optik kelongsong dan teknologi kunci lainnya, efek termal sebagai salah satu hambatan dalam peningkatan daya akan dikontrol dengan baik, dan kekuatan laser serat akan terus ditingkatkan. Pada saat yang sama, teknologi manajemen termal yang efektif juga dapat mempromosikan pengembangan teknologi pengemasan terintegrasi laser serat, sehingga laser serat berdaya tinggi dapat diterapkan ke lingkungan yang lebih luas.
