1. Cefndir
Mae Fiber Laser yn laser sy'n defnyddio ffibr gwydr doped elfen ddaear prin fel y cyfrwng ennill, sydd â chymhareb arwynebedd arwyneb / cyfaint o fwy na 1000 gwaith yn fwy na laser bloc solet traddodiadol, gyda pherfformiad afradu gwres da. Am gan wat o laser ffibr, gall afradu gwres naturiol fodloni'r gofynion afradu gwres. Fodd bynnag, gyda datblygiad cyflym laserau ffibr, mae eu pŵer allbwn yn cynyddu o flwyddyn i flwyddyn, hyd yn oed yn cyrraedd y raddfa cilowat, oherwydd amrywiaeth o resymau, megis colli cwantwm, bydd y ffibr yn cynhyrchu effeithiau thermol difrifol. Mae trylediad thermol y deunydd matrics yn achosi straen a newidiadau i'r mynegai plygiannol, mae mynegai plygiannol isel yr haen polymerization yn dueddol o niweidio thermol, a all arwain yn ddifrifol at chwythu allan ffibr thermol; gyda chroniad parhaus o wres, bydd y tymheredd craidd doped yn cynyddu, mae nifer y gronynnau yn y lefel is-ynni laser yn cynyddu gan arwain at fwy o bŵer trothwy ac mae effeithlonrwydd llethr y laser yn lleihau, tra bydd y gostyngiad yn yr effeithlonrwydd cwantwm yn achosi'r newidiadau tonfedd allbwn . Er mwyn gwella'r pŵer allbwn laser ymhellach, bydd y laser ffibr yn gwrthsefyll chwistrelliad golau pwmp pŵer uwch a dwysedd ynni'r allbwn golau signal, i ddatrys ei effeithiau thermol yn her ddifrifol sy'n wynebu'r system laser ffibr pŵer uchel.
2. Ffynhonnell effeithiau thermol mewn laser ffibr
2.1 Effaith colli cwantwm
Effaith colli cwantwm yw prif ffynhonnell gwres yn yr ardal craidd ffibr hefyd yw ffynhonnell gwres cynhenid. Oherwydd y gwahaniaeth cynhenid rhwng tonfedd y pwmp a thonfedd y signal, mae canran benodol o golled cwantwm yn cyd-fynd â phob system laser ffibr. Gan gymryd tonfedd allbwn laser 1080 nm fel enghraifft, mae cyfran y golled cwantwm ar donfedd pwmp 915 nm tua 15.3 y cant.
2.2 Colledion Lluosog
Bydd gorchuddion ffibr uwchlaw'r tymheredd critigol o 80 gradd yn cynhyrchu dadnatureiddio deunydd neu rwbio arwyneb a ffenomenau eraill. Mewn gweithrediad laser ffibr parhaus pŵer uchel, mae haenau ffibr yn debygol iawn o fod yn fwy na'r terfyn o lwythi thermol y gellir eu goddef, gan arwain at ollyngiad golau cladin, ac yn y pen draw gallant achosi i'r laser losgi'n llwyr.
Mae pwynt ymasiad y ffibr yn cael effaith thermol fwy difrifol, yn bennaf o ddwy agwedd: 1) bydd y deunydd ffibr ac amsugno deunydd ail-orchuddio trosi golau yn cynhyrchu gwres, yn yr ystod hyd byr, haen ail-orchuddio bron yn hollol dryloyw ar amsugno golau yn ychydig iawn, ond bydd ei wyneb yn cynhyrchu rhai micro-wactod, mae aer yn ddargludydd gwres gwael, mae presenoldeb gwagleoedd yn gwneud y gwrthiant thermol yn dod yn fwy, felly mae'n hawdd cynhyrchu dyddodiad thermol ar y pwynt ymasiad Felly, y pwynt ymasiad yn dueddol o gael dyddodiad thermol, gan arwain at dymheredd sylweddol uwch; 2) nid yw paramedrau ymasiad yn addas neu nid yw dwy ran o baramedrau strwythurol ffibr optegol yn cyfateb, a fydd yn arwain at golled ymasiad, mae presenoldeb ymwrthedd thermol yn gwneud y cynnydd tymheredd ar y pwynt ymasiad. Mae'r cynnydd yn y tymheredd yn achosi difrod thermol i'r ffibr optegol, ac ar yr un pryd yn cael mwy o effaith ar agorfa rifiadol y ffibr optegol, ac mae'r newid yn yr agorfa rifiadol yn effeithio'n sylweddol ar yr arweiniad ysgafn.
2.3 Effaith ymbelydredd digymell
Yn strwythur MOPA, pan fydd y golau signal yn wan, gall llawer iawn o chwistrelliad golau pwmp arwain at gynnydd yn y tebygolrwydd o ymbelydredd digymell ffibr (ASE). Mae llawer iawn o olau ymbelydredd digymell ar hap yn gollwng o'r craidd i'r cladin gwydr yn ogystal â'r gorchudd ffibr ac yn gorboethi ac yn llosgi'r cotio organig. Yn ogystal, mae cynhyrchu ASE hefyd yn cynyddu'r golled cwantwm, gan arwain at fwy o wresogi yn rhanbarth craidd y ffibr.
2.4 Effaith gwasgariad Raman wedi'i ysgogi
Gydag ymddangosiad laserau ffibr pŵer uchel iawn, mae dwysedd pŵer laser yn y rhanbarth craidd yn cynyddu'n raddol, ac mae effaith gwasgaru Raman ysgogol (SRS) yn dod yn brif ffactor cyfyngu ar wella pŵer yn raddol. Yn ystod gweithrediad pŵer uchel, pan fydd pŵer optegol y signal laser yn cyrraedd cyflwr trothwy SRS, mae'r laser signal yn cyffroi ac yn pwmpio golau Raman gydag amledd is, gan arwain at broses chwyddo golau Raman. Ar yr un pryd, ynghyd â cholli cwantwm, bydd SRS yn gwaethygu'r broblem gwresogi yn rhanbarth craidd y ffibr.
3. Datrysiad o effaith thermol
Mae effaith thermol laser ffibr yn cael effaith nad yw'n ddibwys ar y nodweddion ffibr ac allbwn, felly mae'n arwyddocaol iawn lleihau effaith negyddol yr effaith thermol. Mae atal effaith thermol yn canolbwyntio'n bennaf ar y tair agwedd ganlynol:
1) Detholiad rhesymol o baramedrau ffibr yn ôl model theori tymheredd y ffibr;
2) Mae dewis rhesymol o strwythur pwmpio a modd pwmpio yn ffafriol i wireddu dosbarthiad tymheredd unffurf a lleihau effaith thermol;
3) Gall dewis cynllun afradu gwres allanol effeithlon leihau effaith negyddol effeithiau thermol yn fawr.
3.1 Optimeiddio paramedrau ffibr
Y prif ffactorau sy'n effeithio ar ddosbarthiad tymheredd y ffibr optegol yw dargludedd thermol y craidd a'r cladin mewnol ac allanol, maint rheiddiol, cyfernod amsugno, a hyd y ffibr optegol. Gall detholiad rhesymol o baramedrau ffibr reoli dosbarthiad gwres y ffibr yn effeithiol i sicrhau gweithrediad arferol a sefydlog y ffibr.
Gall maint craidd mwy leihau'r tymheredd craidd, ond bydd rhy fawr yn effeithio ar ansawdd y trawst. Haen cotio fel cyfrwng allanol dargludiad gwres ffibr, mae ei drwch yn dylanwadu'n fawr ar dymheredd gweithio'r ffibr. Yn ddamcaniaethol, mae'r gwahaniaeth tymheredd rhwng arwynebau mewnol ac allanol yr haen cotio a'r trwch yn cydberthyn yn gadarnhaol, po deneuaf yw'r haen cotio, y lleiaf yw'r ymwrthedd i ddargludiad gwres, y lleiaf yw'r gwahaniaeth tymheredd rhwng arwynebau mewnol ac allanol y cyfan. haen cotio, yr uchaf yw'r pŵer y gall y system ei wrthsefyll. Fodd bynnag, oherwydd dylanwad trosglwyddo gwres convective ar wyneb y ffibr optegol, ac mae gan yr haen cotio rôl amddiffyn y ffibr optegol, ac felly mae angen dewis trwch yr haen cotio yn rhesymol.
Pan fydd y ffibr yn cael ei oeri yn yr aer, dangosir y berthynas rhwng y gwrthiant dargludiad thermol Rcond, ymwrthedd darfudiad thermol Rconv a chyfanswm ymwrthedd thermol Rtot a thrwch yr haen cotio yn Ffigur 2(a). Mae cydberthynas gadarnhaol rhwng trwch yr haen cotio â Rcond ac mae'n cydberthyn yn negyddol â Rconv, felly mae angen dewis trwch yr haen cotio yn rhesymol i sicrhau cyfanswm ymwrthedd thermol isel. Dangosir y berthynas rhwng hyd ffibr a chyfernod amsugno a thymheredd yn Ffig. 2(b), trwy leihau cyfernod amsugno'r ffibr, gellir lleihau amsugno pŵer pwmpio yn effeithiol, mae lleihau amsugno pŵer pwmpio yn golygu lleihau'r thermol. dyddodiad, sy'n lleihau tymheredd y ffibr, ond er mwyn cyflawni'r un allbwn mae angen cynyddu hyd y ffibr, Wang et al. Astudiodd gyfanswm y pŵer pwmpio o 1000 W, y pŵer pwmpio pen deuol o 500 W, defnyddir y defnydd o 0.25 dpi i gyflawni'r un allbwn. Mae Wang et al. dangos mai cyfanswm y pŵer pwmpio oedd 1000 W a'r pŵer pwmpio pen deuol oedd 500 W. Y pŵer allbwn oedd 630 W gyda ffibr 60 m o hyd gyda chyfernod amsugno 0.25 dB, a 725 W gyda ffibr 1.0 dB 20 m o hyd, ond roedd tymheredd uchaf y ffibr olaf tua 200 gradd yn uwch na thymheredd y ffibr blaenorol. Roedd tymheredd uchaf y ffibr olaf yn uwch na thymheredd y ffibr blaenorol. Gan mai diwedd pwmpio'r pŵer pwmpio yw'r cryfaf, er y gall lleihau cyfernod amsugno'r ffibr leihau amsugno'r pŵer pwmpio yn effeithiol, ond o dan y rhagosodiad o gymryd i ystyriaeth effeithlonrwydd yr amsugno pwmpio, y laser os yw'n hollol isel -doped, ffibrau amsugno isel, yr angen i gynyddu hyd y ffibr, sydd yn ei dro yn arwain at ymddangosiad problemau eraill megis yr effaith aflinol yn ogystal â dirywiad yn yr effeithlonrwydd allbwn, ac ati.
3.2 Dewis dull pwmpio
Mae'r dosbarthiad yn cael ei ddangos yn Ffig. 3. Mae Ffigur 3 (e) yn dangos bod cyfernod an-wisg o adrannau canol y cyfernod amsugno ffibr yn uwch na'r ddwy ochr, er mwyn sicrhau bod y dosbarthiad tymheredd yn unffurf yn y bôn, mae'r pŵer allbwn yn yr un peth ag yn Ffigur 3 (d) pan fydd y ffibr gofynnol yn cael ei fyrhau gan fwy nag 20m; Bydd Ffigur 3 (f) yn cael ei bwmpio pŵer i saith segment, mae'r dosbarthiad tymheredd yn fwy unffurf, a gellir rheoli'r tymheredd mewn ystod ddelfrydol iawn. Mae'r dull pwmpio o arwyddocâd mawr ar gyfer laserau ffibr. 2011 Prifysgol Jena adeiladu ochr ar raddfa cilowat pwmpio laser ffibr gan ddefnyddio ffibr pwmpio ochr ddosbarthedig, lansiodd 2014 SPI ochr ar raddfa cilowat pwmpio cynhyrchion laser ffibr, yn 2015, dywedodd Tsieina fod y Brifysgol Genedlaethol Technoleg Amddiffyn a'r Sefydliad Ymchwil ar hugain datblygodd Grŵp Technoleg Electroneg Tsieina ar y cyd ffibr pwmpio cladin ochr-gyplu dosbarthedig, ac adeiladu laser ffibr ochr-gyplu dosbarthedig gyda ffibr pwmpio cladin. cladin pwmpio ffibr, ac adeiladu laser ffibr cwbl leol, gan gyflawni allbwn pŵer ar raddfa cilowat. Gall y defnydd o bwmpio di-wisg aml-segment neu strwythur pwmpio ochr ddosbarthedig sicrhau bod tymheredd y ffibr yn unffurf, yn lleihau effaith effeithiau thermol ac yn byrhau hyd y ffibr yn effeithiol. Fodd bynnag, ochr dosbarthu pwmpio ffibr tynnu, lleihau'r golled cyplydd ymasiad o bob adran o'r ffibr a gwella effeithlonrwydd yn allweddol i'r dechnoleg. Gyda datblygiad a datblygiad technolegau allweddol megis dylunio ffibr, tynnu a splicing ymasiad, bydd mwy o ddulliau pwmpio yn cael eu defnyddio wrth ddatblygu laserau ffibr pŵer uchel, y gellir eu cyfuno â thechnoleg afradu gwres allanol effeithiol i atal cynhyrchu laserau yn effeithiol. effeithiau thermol yn y ffibr a chyflawni allbwn sefydlog o laserau pŵer uwch.
3.3 Dyluniad afradu gwres
Dargludiad thermol, darfudiad thermol ac ymbelydredd thermol yw'r tair prif ffordd o drosglwyddo gwres, gan fod y cyfernod ymbelydredd thermol yn fach, gellir anwybyddu ei ddylanwad yn gyffredinol, dargludiad a darfudiad yw'r prif ddulliau afradu gwres. Ar gyfer laser ffibr pŵer llai, fel arfer dim ond ystyried y ffibr naturiol darfudiad afradu gwres, ymbelydredd thermol yn cael llai o effaith, gellir eu hystyried yn briodol.
Mae trosglwyddo gwres darfudiad yn bennaf yn cynnwys trosglwyddo gwres darfudiad naturiol a throsglwyddo gwres darfudiad gorfodol. Y ffactor sy'n pennu afradu gwres darfudol yw maint y cyfernod trosglwyddo gwres darfudol. Mae'r cyfernod trosglwyddo gwres darfudol h yn gysylltiedig â phriodweddau hylif, cyfradd llif ac ardal darfudiad. Fel y dangosir yn Nhabl 1, o dan yr un amodau, cyfernod trosglwyddo gwres darfudiad gorfodi yn uwch na'r cyfernod trosglwyddo gwres darfudiad naturiol, mae cyfernod trosglwyddo gwres darfudiad dŵr yn sawl gwaith y cyfernod trosglwyddo gwres darfudiad aer. Po fwyaf yw'r cyfernod trosglwyddo gwres darfudol, y gorau yw afradu gwres y ffibr. Yn gyffredinol, defnyddir afradu gwres darfudiad aer naturiol mewn laser ffibr pŵer is.
Pan fydd y laser ffibr yn allbynnu cannoedd o wat neu gilowat o bŵer, mae'n anodd bodloni'r gofynion afradu gwres trwy oeri darfudiad pur, ac mae angen dewis dull dargludiad gwres penodol i gynnal y gwres o'r ffibr i sinc gwres penodol. , ac yna cynnal dargludiad gwres effeithlon neu drylediad darfudiad trwy'r sinc gwres. Nid yw siâp cyswllt neu arwyneb prosesu'r ffibr optegol a'r sinc gwres yn ffitio'n berffaith, fel y dangosir yn Ffigur 4, ac mae bylchau yn y rhyngwyneb cyswllt, a fydd yn rhwystro'r dargludiad gwres. Y prif ffactor sy'n effeithio ar y dargludiad thermol rhwng y ffibr optegol a'r sinc gwres yw'r gwrthiant thermol, sy'n fesur o lefel y dargludiad thermol rhwng y rhyngwynebau cyfnewid gwres.
Gellir symleiddio'r model damcaniaethol o wrthwynebiad thermol rhwng y ffibr optegol a'r sinc gwres fel
Lle Ts yw tymheredd wyneb y ffibr, T∞ yw tymheredd y sinc gwres, q″ yw'r fflwcs gwres (W/m2), sef cymhareb y llwyth thermol q′ (W/m) i'r perimedr, Rcontact yw'r gwrthiant cyswllt thermol, Rcond yw gwrthiant thermol yr haen bwlch, L yw trwch yr haen bwlch, k yw dargludedd thermol y deunydd llenwi yn y bwlch, ac A yw arwynebedd wyneb y fflwcs gwres sy'n mynd trwodd . Trwy gymryd y model uchod, gellir gweld y gall sicrhau ymwrthedd thermol llai leihau tymheredd y ffibr optegol. Gan fod gan yr aer yn y ddau ryngwyneb cyswllt ddargludedd thermol isel iawn (kair=0.026 W/mK), gellir lleihau'r gwrthiant thermol yn effeithiol trwy lenwi'r deunydd rhyngwyneb thermol (TIM) â dargludedd thermol uchel, tra bod trwch yr haen bwlch L mor fach â phosib.
Yn ogystal â lleihau trwch y bwlch a chynyddu'r dargludedd thermol, gellir lleihau tymheredd wyneb y ffibr trwy reoli siâp y sinc gwres. Dangosir strwythurau sinc gwres rhicyn hirsgwar cyffredin, siâp V a siâp U yn Ffig. 5. Gwerthuswyd ymwrthedd thermol tri strwythur rhigol gwahanol ar gyfer pwynt toddi y ffibr wedi'i ail-orchuddio, a chyda pharamedrau eraill yn gyson, mae'r siâp U rhigol gyda'r perimedr byrraf sydd â'r gwrthiant thermol lleiaf a'r effaith oeri well, tra bod gan y rhigol siâp V gyda'r perimedr hiraf yr ymwrthedd thermol mwyaf a'r effaith oeri waeth, ac nid yw'r gwahaniaeth yn amlwg mewn cymwysiadau ymarferol, a'r math U a defnyddir strwythurau math V yn amlach, ac mae'r effaith afradu gwres yn amlwg yn well na'r sinciau gwres cwbl planar.
Pan fydd y laser ffibr yn cael ei weithredu ar bŵer isel, gellir ei oeri gan y modiwl oeri lled-ddargludyddion (TEC) a sinc gwres, a phan fydd y laser ffibr yn cael ei weithredu ar bŵer uwch, gellir ei oeri â dŵr i sicrhau bod y gwaith yn sefydlog. tymheredd.Li et al. cymhwyso'r TEC i oeri allanol yr EYDFL, a defnyddio'r strwythur pwmpio pen dwbl i gymhwyso'r TEC i'r sinc gwres alwminiwm ymylol ar gyfer y ffibr 10.2 cm cyntaf o dan weithrediad pŵer uchel, a dangosir y rhigol siâp U yn Ffig 12(a). Dangosir y rhigol siâp U yn Ffig. 12(a). Mae'r gromlin las yn Ffig. 6(b) yn dynodi dosraniad tymheredd y ffibr sydd mewn cysylltiad â'r sinc gwres, a'r gromlin goch yw dosbarthiad tymheredd damcaniaethol y ffibr, ac mae defnyddio TEC a sinc gwres i bob pwrpas yn lleihau tymheredd y ffibr. y ffibr.
Ar gyfer laser ffibr pŵer uchel, mae nifer fawr o ymchwiliadau wedi mabwysiadu triniaeth afradu gwres wedi'i dargedu i gael pŵer allbwn uchel uwchlaw lefel cilowat heb effaith aflinol a ffenomen difrod thermol, ac mae technoleg rheoli thermol da yn sicrhau gweithrediad sefydlog laser ffibr. Yn yr astudiaeth, mae'r afradu gwres ffibr yn cael ei wneud yn bennaf gan weindio awyren a dirwyn silindr, gan ddefnyddio sinciau gwres metel gyda rhigolau math U neu V-math wedi'u hysgythru, ac mae'r bwlch cyswllt rhwng y ffibr a'r rhigolau wedi'i lenwi â silicon dargludol thermol. saim (mae dargludedd thermol yn gyffredinol yn fwy na 2 W/mK) i dynnu'r gwres i ffwrdd trwy gyfrwng oeri dŵr, a dangosir ei strwythur yn Ffig. 7.
Gyda datblygiad technoleg rheoli thermol laser ffibr pŵer uchel, pwmpio lled-ddargludyddion, cyplu ffibr a chladin hidlo optegol a thechnolegau allweddol eraill, bydd yr effaith thermol fel un o'r tagfeydd mewn gwella pŵer yn cael ei reoli'n dda, a phŵer y laser ffibr yn parhau i wella. Ar yr un pryd, gall technoleg rheoli thermol effeithiol hefyd hyrwyddo datblygiad technoleg pecynnu integredig laser ffibr, fel y gellir cymhwyso laser ffibr pŵer uchel i ystod ehangach o amgylcheddau.
