1. Lý lịch
Fiber Laser là loại laser sử dụng sợi thủy tinh pha tạp nguyên tố đất hiếm làm môi trường khuếch đại, có tỷ lệ diện tích bề mặt/thể tích gấp hơn 1000 lần so với laser khối rắn truyền thống, với hiệu suất tản nhiệt tốt. Đối với một trăm watt laser sợi quang, tản nhiệt tự nhiên có thể đáp ứng các yêu cầu tản nhiệt. Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng của laser sợi quang, công suất đầu ra của chúng tăng lên hàng năm, thậm chí đạt đến quy mô kilowatt, do nhiều lý do, chẳng hạn như mất lượng tử, sợi quang sẽ tạo ra hiệu ứng nhiệt nghiêm trọng. Sự khuếch tán nhiệt của vật liệu ma trận gây ra sự thay đổi ứng suất và chiết suất, chỉ số khúc xạ thấp của lớp trùng hợp dễ bị hư hại do nhiệt, có thể dẫn đến hiện tượng xì sợi nhiệt nghiêm trọng; với sự tích tụ nhiệt liên tục, nhiệt độ lõi pha tạp sẽ tăng lên, số lượng hạt trong mức năng lượng phụ của laser tăng lên dẫn đến công suất ngưỡng tăng lên và hiệu suất dốc của laser giảm xuống, trong khi hiệu suất lượng tử giảm sẽ khiến bước sóng đầu ra thay đổi . Để tăng cường hơn nữa công suất đầu ra của laser, laser sợi quang sẽ chịu được sự phun ánh sáng bơm công suất cao hơn và mật độ năng lượng của đầu ra ánh sáng tín hiệu, để giải quyết các hiệu ứng nhiệt của nó là một thách thức nghiêm trọng đối với hệ thống laser sợi quang công suất cao.
2. Nguồn hiệu ứng nhiệt trong laser sợi quang
2.1 Hiệu ứng mất lượng tử
Hiệu ứng mất mát lượng tử là nguồn nhiệt chính trong khu vực lõi sợi cũng là nguồn nhiệt vốn có. Do sự khác biệt vốn có giữa bước sóng bơm và bước sóng tín hiệu, tất cả các hệ thống laser sợi quang đều đi kèm với một tỷ lệ tổn thất lượng tử nhất định. Lấy bước sóng đầu ra laze 1080 nm làm ví dụ, tỷ lệ tổn thất lượng tử ở bước sóng bơm 915 nm là khoảng 15,3 phần trăm .
2.2 Tổn Thất Nhiều Lần
Lớp phủ sợi trên nhiệt độ tới hạn 80 độ sẽ tạo ra sự biến tính vật liệu hoặc mài mòn bề mặt và các hiện tượng khác. Trong hoạt động của laser sợi quang liên tục công suất cao, lớp phủ sợi quang rất có khả năng vượt quá giới hạn tải nhiệt có thể chịu được, dẫn đến rò rỉ ánh sáng trên lớp phủ và cuối cùng có thể gây ra hiện tượng cháy tổng thể của laser.
Điểm nóng chảy của sợi có hiệu ứng nhiệt nghiêm trọng hơn, chủ yếu từ hai khía cạnh: 1) vật liệu sợi và vật liệu phủ hấp thụ chuyển đổi ánh sáng sẽ tạo ra nhiệt, trong phạm vi độ dài ngắn, lớp phủ gần như hoàn toàn trong suốt hấp thụ ánh sáng rất ít, nhưng bề mặt của nó sẽ tạo ra một số lỗ rỗng siêu nhỏ, không khí dẫn nhiệt kém, sự có mặt của các lỗ rỗng làm cho điện trở nhiệt trở nên lớn hơn, do đó dễ tạo ra sự lắng đọng nhiệt tại điểm nóng chảy. Do đó, điểm nóng chảy dễ bị lắng đọng nhiệt, dẫn đến nhiệt độ cao hơn đáng kể; 2) Các tham số nhiệt hạch không phù hợp hoặc hai phần tham số cấu trúc sợi quang không khớp với nhau sẽ dẫn đến suy hao nhiệt hạch, sự hiện diện của điện trở nhiệt làm cho nhiệt độ tại điểm nóng chảy tăng lên. Sự gia tăng nhiệt độ gây ra hư hỏng nhiệt cho sợi quang, đồng thời có tác động lớn hơn đến khẩu độ số của sợi quang và sự thay đổi khẩu độ số ảnh hưởng đáng kể đến hướng dẫn ánh sáng.
2.3 Hiệu ứng bức xạ tự phát
Trong cấu trúc MOPA, khi ánh sáng tín hiệu yếu, một lượng lớn ánh sáng bơm có thể dẫn đến tăng khả năng bức xạ tự phát của sợi (ASE). Một lượng lớn ánh sáng bức xạ tự phát ngẫu nhiên rò rỉ từ lõi vào lớp phủ thủy tinh cũng như lớp phủ sợi và làm nóng quá mức và đốt cháy lớp phủ hữu cơ. Ngoài ra, việc tạo ra ASE cũng làm tăng tổn thất lượng tử, dẫn đến tăng nhiệt trong vùng lõi của sợi quang.
2.4 Hiệu ứng tán xạ Raman kích thích
Với sự xuất hiện của laser sợi quang công suất cực cao, mật độ năng lượng laser trong vùng lõi tăng dần và hiệu ứng tán xạ Raman được kích thích (SRS) dần trở thành yếu tố hạn chế chính để tăng cường năng lượng. Trong quá trình hoạt động ở công suất cao, khi công suất quang của tín hiệu laze đạt đến điều kiện ngưỡng của SRS, laze tín hiệu sẽ kích thích và bơm ánh sáng Raman với tần số thấp hơn, dẫn đến quá trình khuếch đại ánh sáng Raman. Đồng thời, cùng với tổn thất lượng tử, SRS sẽ làm trầm trọng thêm vấn đề phát nhiệt trong vùng lõi của sợi quang.
3. Giải pháp hiệu ứng nhiệt
Hiệu ứng nhiệt của laser sợi quang có tác động không đáng kể đến các đặc tính của sợi và đầu ra, do đó, việc giảm tác động tiêu cực của hiệu ứng nhiệt có ý nghĩa rất lớn. Việc triệt tiêu hiệu ứng nhiệt chủ yếu tập trung vào ba khía cạnh sau:
1) Lựa chọn hợp lý các tham số sợi theo mô hình lý thuyết nhiệt độ của sợi;
2) Lựa chọn hợp lý cấu trúc bơm và chế độ bơm có lợi cho việc thực hiện phân bố nhiệt độ đồng đều và giảm hiệu ứng nhiệt;
3) Lựa chọn sơ đồ tản nhiệt bên ngoài hiệu quả có thể làm giảm đáng kể tác động tiêu cực của hiệu ứng nhiệt.
3.1 Tối ưu hóa các tham số sợi quang
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt độ của sợi quang là độ dẫn nhiệt của lõi và lớp vỏ bên trong và bên ngoài, kích thước xuyên tâm, hệ số hấp thụ và chiều dài của sợi quang. Việc lựa chọn hợp lý các tham số sợi có thể kiểm soát hiệu quả sự phân bố nhiệt của sợi để đảm bảo hoạt động bình thường và ổn định của sợi.
Kích thước lõi lớn hơn có thể làm giảm nhiệt độ lõi, nhưng quá lớn sẽ ảnh hưởng đến chất lượng chùm tia. Lớp phủ là môi trường ngoài cùng của sợi dẫn nhiệt, độ dày của nó có ảnh hưởng lớn đến nhiệt độ làm việc của sợi. Về mặt lý thuyết, chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt bên trong và bên ngoài của lớp phủ và độ dày có mối tương quan thuận, lớp phủ càng mỏng thì khả năng dẫn nhiệt càng nhỏ, chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt bên trong và bên ngoài của toàn bộ lớp phủ càng nhỏ. lớp phủ, công suất mà hệ thống có thể chịu được càng cao. Tuy nhiên, do ảnh hưởng của sự truyền nhiệt đối lưu trên bề mặt sợi quang và lớp phủ có vai trò bảo vệ sợi quang, do đó cần phải lựa chọn hợp lý độ dày của lớp phủ.
Khi sợi được làm mát trong không khí, mối quan hệ giữa điện trở dẫn nhiệt Rcond, điện trở đối lưu nhiệt Rconv và tổng trở nhiệt Rtot và độ dày lớp phủ được thể hiện trong Hình 2(a). Chiều dày lớp sơn phủ có tương quan thuận với Rcond và tương quan nghịch với Rconv nên cần lựa chọn chiều dày lớp sơn phủ một cách hợp lý để đảm bảo tổng trở nhiệt thấp. Mối quan hệ giữa chiều dài sợi và hệ số hấp thụ và nhiệt độ được thể hiện trong Hình 2 (b), bằng cách giảm hệ số hấp thụ của sợi, khả năng hấp thụ năng lượng bơm có thể giảm một cách hiệu quả, giảm hấp thụ năng lượng bơm có nghĩa là giảm nhiệt lắng đọng, làm giảm nhiệt độ của sợi, nhưng để đạt được sản lượng tương tự cần phải tăng chiều dài của sợi, Wang et al. đã nghiên cứu tổng công suất bơm là 1000 W, công suất bơm hai đầu là 500 W, sử dụng 0,25 dpi để đạt được cùng một đầu ra. Vương và cộng sự. cho thấy tổng công suất bơm là 1000 W và công suất bơm hai đầu là 500 W. Công suất đầu ra là 630 W với sợi dài 60 m có hệ số hấp thụ 0,25 dB và 725 W với sợi dài 1,0 dB 20 m, nhưng nhiệt độ tối đa của sợi sau cao hơn sợi trước khoảng 200 độ. Nhiệt độ tối đa của sợi sau cao hơn nhiệt độ của sợi trước. Vì đầu bơm của công suất bơm là mạnh nhất, mặc dù việc giảm hệ số hấp thụ của sợi quang có thể làm giảm hiệu quả khả năng hấp thụ của công suất bơm, nhưng dưới tiền đề tính đến hiệu quả của việc hấp thụ bơm, tia laser nếu hoàn toàn thấp -sợi pha tạp, độ hấp thụ thấp, nhu cầu tăng chiều dài của sợi, do đó dẫn đến sự xuất hiện của các vấn đề khác như hiệu ứng phi tuyến cũng như sự suy giảm hiệu suất đầu ra, v.v.
3.2 Lựa chọn phương pháp bơm
Sự phân bố được thể hiện trong Hình 3. Hình 3 (e) cho thấy hệ số hấp thụ không đồng đều của phần giữa của hệ số hấp thụ sợi cao hơn so với hai bên, để đảm bảo rằng sự phân bố nhiệt độ về cơ bản là đồng đều, công suất đầu ra là giống như trong Hình 3 (d) khi sợi yêu cầu được rút ngắn hơn 20m; Hình 3 (f) sẽ được bơm năng lượng vào bảy phân đoạn, sự phân bố nhiệt độ đồng đều hơn và nhiệt độ có thể được kiểm soát trong một phạm vi rất lý tưởng. Phương pháp bơm có ý nghĩa rất lớn đối với laser sợi quang. 2011 Đại học Jena đã chế tạo laser sợi quang bơm bên quy mô kilowatt bằng cách sử dụng sợi quang bơm bên phân tán, 2014 SPI đã tung ra sản phẩm laser sợi quang bơm bên quy mô kilowatt, năm 2015, Trung Quốc báo cáo rằng Đại học Công nghệ Quốc phòng và Viện nghiên cứu thứ hai mươi ba của Tập đoàn Công nghệ Điện tử Trung Quốc đã cùng nhau phát triển sợi bơm lớp phủ ghép bên phân tán và chế tạo laser sợi quang ghép bên phân tán với sợi bơm lớp phủ. sợi bơm lớp phủ và chế tạo laser sợi quang được bản địa hóa hoàn toàn, đạt được công suất đầu ra ở quy mô kilowatt. Việc sử dụng cấu trúc bơm không đồng đều nhiều đoạn hoặc bơm bên phân tán có thể đảm bảo nhiệt độ của sợi đồng đều, giảm tác động của hiệu ứng nhiệt và rút ngắn chiều dài của sợi một cách hiệu quả. Tuy nhiên, việc kéo sợi quang bơm bên phân tán, giảm suy hao khớp nối nhiệt hạch của từng phần sợi quang và nâng cao hiệu quả là chìa khóa của công nghệ. Với sự đột phá và phát triển của các công nghệ then chốt như thiết kế sợi, kéo và nối nhiệt hạch, nhiều phương pháp bơm hơn sẽ được áp dụng để phát triển laser sợi quang công suất cao, có thể kết hợp với công nghệ tản nhiệt bên ngoài hiệu quả để ngăn chặn hiệu quả việc tạo ra hiệu ứng nhiệt trong sợi quang và đạt được đầu ra ổn định của laser công suất cao hơn.
3.3 Thiết kế tản nhiệt
Dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt và bức xạ nhiệt là ba cách truyền nhiệt chính, vì hệ số bức xạ nhiệt nhỏ, ảnh hưởng của nó nói chung có thể bỏ qua, dẫn nhiệt và đối lưu là phương pháp tản nhiệt chủ yếu. Đối với laser sợi quang công suất nhỏ hơn, thường chỉ xem xét tản nhiệt đối lưu tự nhiên của sợi quang, bức xạ nhiệt ít ảnh hưởng hơn, có thể được xem xét một cách thích hợp.
Truyền nhiệt đối lưu chủ yếu bao gồm truyền nhiệt đối lưu tự nhiên và truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức. Yếu tố quyết định của tản nhiệt đối lưu là kích thước của hệ số truyền nhiệt đối lưu. Hệ số truyền nhiệt đối lưu h có liên quan đến tính chất chất lỏng, tốc độ dòng chảy và diện tích đối lưu. Như bảng 1, trong cùng điều kiện, hệ số truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức cao hơn hệ số truyền nhiệt đối lưu tự nhiên, hệ số truyền nhiệt đối lưu nước gấp vài lần hệ số truyền nhiệt đối lưu không khí. Hệ số truyền nhiệt đối lưu càng lớn thì khả năng tản nhiệt của sợi càng tốt. Tản nhiệt đối lưu không khí tự nhiên thường được sử dụng trong laser sợi quang công suất thấp hơn.
Khi laser sợi quang tạo ra công suất hàng trăm watt hoặc kilowatt, rất khó để đáp ứng các yêu cầu tản nhiệt bằng cách làm mát đối lưu thuần túy và cần phải chọn một phương pháp dẫn nhiệt cụ thể để dẫn nhiệt từ sợi quang đến một bộ tản nhiệt cụ thể , sau đó thực hiện dẫn nhiệt hiệu quả hoặc khuếch tán đối lưu qua tản nhiệt. Hình dạng tiếp xúc hoặc bề mặt xử lý của sợi quang và bộ tản nhiệt không hoàn toàn khớp với nhau, như trong Hình 4, và có các khoảng trống ở giao diện tiếp xúc, điều này sẽ cản trở quá trình dẫn nhiệt. Yếu tố chính ảnh hưởng đến sự dẫn nhiệt giữa sợi quang và bộ tản nhiệt là điện trở nhiệt, là thước đo mức độ dẫn nhiệt giữa các giao diện trao đổi nhiệt.
Mô hình lý thuyết về điện trở nhiệt giữa sợi quang và bộ tản nhiệt có thể được đơn giản hóa thành
Trong đó Ts là nhiệt độ bề mặt của sợi, T∞ là nhiệt độ tản nhiệt, q″ là thông lượng nhiệt (W/m2), là tỷ lệ giữa tải nhiệt q′ (W/m) với chu vi, Rcontact là điện trở tiếp xúc nhiệt, Rcond là điện trở nhiệt của lớp khe hở, L là độ dày của lớp khe hở, k là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu độn trong khe hở và A là diện tích bề mặt của dòng nhiệt đi qua . Bằng cách lấy mô hình trên, có thể thấy rằng việc đảm bảo điện trở nhiệt nhỏ hơn có thể làm giảm nhiệt độ của sợi quang. Vì không khí ở hai mặt phân cách tiếp xúc có độ dẫn nhiệt rất thấp (kair=0.026 W/mK), nên có thể giảm điện trở nhiệt một cách hiệu quả bằng cách lấp đầy vật liệu giao diện nhiệt (TIM) có độ dẫn nhiệt cao, trong khi độ dày của lớp khe hở L càng nhỏ càng tốt.
Ngoài việc giảm độ dày khe hở và tăng độ dẫn nhiệt, nhiệt độ bề mặt sợi có thể giảm bằng cách kiểm soát hình dạng của tản nhiệt. Các cấu trúc tản nhiệt rãnh hình chữ nhật, hình chữ V và hình chữ U phổ biến được thể hiện trong Hình 5. Độ bền nhiệt của ba cấu trúc rãnh khác nhau đối với điểm nóng chảy của sợi được phủ lại đã được đánh giá và với các thông số khác nhất quán, hình chữ U rãnh có chu vi ngắn nhất có khả năng chịu nhiệt nhỏ nhất và hiệu quả làm mát tốt hơn, trong khi rãnh hình chữ V có chu vi dài nhất có khả năng chịu nhiệt lớn nhất và hiệu quả làm mát kém hơn, và sự khác biệt không rõ ràng trong các ứng dụng thực tế và loại chữ U và cấu trúc kiểu chữ V được sử dụng thường xuyên hơn, và hiệu quả tản nhiệt rõ ràng là vượt trội so với tản nhiệt phẳng hoàn toàn.
Khi laser sợi quang được vận hành ở công suất thấp, nó có thể được làm mát bằng không khí bằng mô-đun làm mát bán dẫn (TEC) và tản nhiệt, và khi laser sợi quang được vận hành ở công suất cao hơn, nó có thể được làm mát bằng nước để đảm bảo hoạt động ổn định nhiệt độ.Li et al. đã áp dụng TEC cho hệ thống làm mát bên ngoài của EYDFL và sử dụng cấu trúc bơm hai đầu để áp dụng TEC cho bộ tản nhiệt bằng nhôm ngoại vi cho sợi quang 10,2 cm đầu tiên khi hoạt động ở công suất cao và rãnh hình chữ U được hiển thị trong Hình .12(a). Rãnh hình chữ U được thể hiện trong Hình 12(a). Đường cong màu xanh trong Hình 6(b) biểu thị sự phân bố nhiệt độ của sợi tiếp xúc với bộ tản nhiệt và đường cong màu đỏ là sự phân bố nhiệt độ lý thuyết của sợi, đồng thời việc sử dụng TEC và bộ tản nhiệt giúp giảm nhiệt độ của sợi một cách hiệu quả. chất xơ.
Đối với laser sợi quang công suất cao, một số lượng lớn các nghiên cứu đã áp dụng phương pháp xử lý tản nhiệt có mục tiêu để thu được công suất đầu ra cao trên mức kilowatt mà không có hiệu ứng phi tuyến và hiện tượng hư hỏng nhiệt, đồng thời công nghệ quản lý nhiệt tốt đảm bảo hoạt động ổn định của laser sợi quang. Trong nghiên cứu, quá trình tản nhiệt của sợi quang chủ yếu được thực hiện bằng cách cuộn dây phẳng và cuộn dây hình trụ, sử dụng tản nhiệt kim loại có khắc rãnh chữ U hoặc chữ V, khoảng cách tiếp xúc giữa sợi và rãnh được lấp đầy bằng silicon dẫn nhiệt. mỡ (độ dẫn nhiệt thường lớn hơn 2 W/mK) để loại bỏ nhiệt bằng cách làm mát bằng nước và cấu trúc của nó được thể hiện trong Hình 7.
Với sự phát triển của công nghệ quản lý nhiệt laser sợi quang công suất cao, bơm bán dẫn, ghép nối sợi quang và lọc quang học lớp phủ và các công nghệ quan trọng khác, hiệu ứng nhiệt là một trong những nút cổ chai trong việc tăng cường năng lượng sẽ được kiểm soát tốt và sức mạnh của laser sợi quang sẽ tiếp tục cải thiện. Đồng thời, công nghệ quản lý nhiệt hiệu quả cũng có thể thúc đẩy sự phát triển của công nghệ đóng gói tích hợp laser sợi quang, để có thể áp dụng laser sợi quang công suất cao cho nhiều môi trường hơn.
