1. 배경
파이버 레이저는 희토류 원소가 도핑된 유리 섬유를 이득 매질로 사용하는 레이저로, 기존 고체 블록 레이저보다 표면적/부피 비율이 1000배 이상 크고 방열 성능이 우수합니다. 100와트의 파이버 레이저의 경우 자연 방열이 방열 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 그러나 파이버 레이저의 급속한 발전으로 인해 출력 전력이 해마다 증가하고 심지어 양자 손실과 같은 다양한 이유로 인해 킬로와트 규모에 도달하면 파이버가 심각한 열 효과를 일으킬 것입니다. 매트릭스 재료의 열 확산은 응력 및 굴절률 변화를 유발하고, 중합 층의 낮은 굴절률은 열 손상을 받기 쉬워 열 섬유 파열을 심각하게 초래할 수 있습니다. 열이 지속적으로 축적되면 도핑된 코어 온도가 증가하고 레이저 하위 에너지 수준의 입자 수가 증가하여 임계 전력이 증가하고 레이저의 기울기 효율이 감소하는 반면 양자 효율의 감소는 출력 파장 변화를 유발합니다. . 레이저 출력을 더욱 향상시키기 위해 파이버 레이저는 고출력 펌프 광 주입 및 신호 광 출력의 에너지 밀도를 견딜 것이며 열 효과를 해결하는 것은 고출력 파이버 레이저 시스템이 직면한 심각한 과제입니다.
2. 파이버 레이저의 열 효과 소스
2.1 양자 손실 효과
양자 손실 효과는 섬유 코어 영역의 주요 열원이며 고유 열원이기도 합니다. 펌프 파장과 신호 파장 사이의 고유한 차이로 인해 모든 파이버 레이저 시스템에는 일정 비율의 양자 손실이 수반됩니다. 1080nm 레이저 출력 파장을 예로 들면 915nm 펌프 파장에서 양자 손실 비율은 약 15.3%입니다.
2.2 다중 손실
임계 온도 80도 이상의 섬유 코팅은 재료 변성 또는 표면 채핑 및 기타 현상을 생성합니다. 고출력 연속 파이버 레이저 작동에서 파이버 코팅은 허용할 수 있는 열 부하의 한계를 초과할 가능성이 매우 높으며, 그 결과 클래딩 빛 누출이 발생하고 궁극적으로 레이저의 전체 소진을 유발할 수 있습니다.
섬유의 융해점은 주로 두 가지 측면에서 더 심각한 열 영향을 미칩니다. 1) 섬유 재료와 광 변환의 리코팅 재료 흡수는 짧은 길이 범위에서 빛의 흡수에 거의 완전히 투명한 리코팅 층에서 열을 생성합니다. 매우 적지만 그 표면은 약간의 미세 공극을 생성하고 공기는 열 전도율이 낮으며 공극이 있으면 열 저항이 커지므로 융합점에서 열 증착이 쉽게 발생합니다. 열 증착에 취약하여 상당히 높은 온도를 초래합니다. 2) 융합 매개변수가 적합하지 않거나 광섬유 구조 매개변수의 두 섹션이 일치하지 않아 융합 손실이 발생하고 열 저항이 존재하여 융합 지점에서 온도가 상승합니다. 온도의 증가는 광섬유에 열 손상을 일으키고 동시에 광섬유의 개구수에 더 큰 영향을 미치며 개구수의 변화는 광 유도에 큰 영향을 미칩니다.
2.3 자연방사선 영향
MOPA 구조에서 신호광이 약할 때 많은 양의 펌프 광 주입은 광섬유 자발 방사(ASE)의 확률을 증가시킬 수 있습니다. 많은 양의 무작위 자발광이 코어에서 유리 클래딩 및 섬유 코팅으로 누출되어 유기 코팅을 과열 및 연소시킵니다. 또한 ASE의 생성은 양자 손실을 증가시켜 섬유의 코어 영역에서 발열을 증가시킵니다.
2.4 자극된 라만 산란 효과
초고출력 파이버 레이저의 등장으로 코어 영역의 레이저 출력 밀도가 점차 증가하고 유도된 라만 산란 효과(SRS)가 점차 출력 향상의 주요 제한 요소가 됩니다. 고출력 작동 중에 레이저 신호 광 출력이 SRS의 임계 조건에 도달하면 신호 레이저가 여기되고 더 낮은 주파수로 라만 광을 펌핑하여 라만 광 증폭 프로세스가 발생합니다. 동시에 양자 손실과 함께 SRS는 섬유의 코어 영역에서 가열 문제를 악화시킬 것입니다.
3. 열 효과 솔루션
파이버 레이저의 열 효과는 파이버 및 출력 특성에 무시할 수 없는 영향을 미치므로 열 효과의 부정적인 영향을 줄이는 것이 매우 중요합니다. 열 효과 억제는 주로 다음 세 가지 측면에 중점을 둡니다.
1) 섬유의 온도 이론 모델에 따른 섬유 매개변수의 합리적인 선택;
2) 펌핑 구조 및 펌핑 모드의 합리적인 선택은 균일한 온도 분포 및 열 영향 감소 실현에 도움이 됩니다.
3) 효율적인 외부 방열 방식을 선택하면 열 효과의 부정적인 영향을 크게 줄일 수 있습니다.
3.1 섬유 매개변수의 최적화
광섬유의 온도 분포에 영향을 미치는 주요 요인은 코어와 내부 및 외부 클래딩의 열전도율, 방사형 크기, 흡수 계수 및 광섬유의 길이입니다. 섬유 매개변수를 합리적으로 선택하면 섬유의 열 분포를 효과적으로 제어하여 섬유의 정상적이고 안정적인 작동을 보장할 수 있습니다.
코어 크기가 크면 코어 온도가 낮아질 수 있지만 너무 크면 빔 품질에 영향을 미칩니다. 코팅층은 섬유 열전도의 최외각 매체로서 그 두께는 섬유의 작동 온도에 큰 영향을 미칩니다. 이론적으로 코팅층 내외면의 온도차와 두께는 양의 상관관계가 있으며, 코팅층이 얇을수록 열전도 저항이 작을수록 전체 내외면의 온도차는 작아진다. 코팅층일수록 시스템이 견딜 수 있는 전력이 높아집니다. 그러나 광섬유 표면의 대류 열전달의 영향으로 코팅층은 광섬유를 보호하는 역할을 하므로 코팅층의 두께를 합리적으로 선택할 필요가 있다.
섬유가 공기 중에서 냉각될 때 열전도 저항 Rcond, 열 대류 저항 Rconv 및 총 열 저항 Rtot와 코팅층 두께 사이의 관계는 그림 2(a)에 나와 있습니다. 코팅층 두께는 Rcond와 양의 상관관계가 있고 Rconv와 음의 상관관계가 있으므로 전체 열저항을 낮게 하기 위해서는 코팅층 두께를 합리적으로 선택하는 것이 필요하다. 섬유 길이와 흡수 계수 및 온도 사이의 관계는 그림 2(b)에 나와 있으며, 섬유의 흡수 계수를 줄임으로써 펌핑 파워의 흡수를 효과적으로 줄일 수 있습니다. 펌핑 파워 흡수의 감소는 열 증착은 섬유의 온도를 낮추지만 동일한 출력을 얻기 위해서는 섬유의 길이를 늘려야 합니다. 1000W의 총 펌핑 전력, 500W의 듀얼 엔드 펌핑 전력, 동일한 출력을 달성하기 위해 0.25dpi를 사용했습니다. Wang et al. 총 펌핑 파워는 1000W이고 듀얼 엔드 펌핑 파워는 500W임을 보여주었다. 출력 파워는 흡수 계수가 0.25dB인 60m 길이의 광섬유에서 630W, 1.0dB 20m 길이의 광섬유에서 725W였으며, 그러나 후자 섬유의 최대 온도는 전자 섬유보다 약 200도 더 높았다. 후자 섬유의 최대 온도는 전자 섬유보다 높았다. 펌핑 파워의 펌핑 끝이 가장 강하기 때문에 섬유의 흡수 계수를 줄이면 펌핑 파워의 흡수를 효과적으로 줄일 수 있지만 펌핑 흡수 효율을 고려한다는 전제하에 레이저는 완전히 낮습니다. -도핑된 저흡수 섬유, 섬유의 길이를 증가시킬 필요가 있으며, 이는 비선형 효과 및 출력 효율 감소 등과 같은 다른 문제의 출현으로 이어집니다.
3.2 펌핑 방식의 선택
분포는 그림 3에 나와 있습니다. 그림 3 (e)는 섬유 흡수 계수의 중간 섹션의 불균일 계수가 양면보다 높기 때문에 온도 분포가 기본적으로 균일하도록 출력 전력은 필요한 광섬유가 20m 이상 단축된 경우 그림 3(d)와 동일합니다. 그림 3(f)는 전력을 7개 세그먼트로 펌핑하고 온도 분포가 보다 균일하며 온도를 매우 이상적인 범위에서 제어할 수 있습니다. 펌핑 방법은 파이버 레이저에 매우 중요합니다. 2011년 예나 대학교는 분산된 측면 펌핑 광섬유를 사용하여 킬로와트 규모의 측면 펌핑 광섬유 레이저를 구축했으며, 2014년 SPI는 킬로와트 규모의 측면 펌핑 광섬유 레이저 제품을 출시했으며, 2015년 중국은 국립 국방 기술 대학과 23차 연구소가 China Electronics Technology Group의 분산형 측면 결합 클래딩 펌핑 광섬유를 공동으로 개발하고 클래딩 펌핑 광섬유로 분산형 측면 결합 광섬유 레이저를 구축했습니다. 클래딩 펌핑 섬유, 완전히 국부화된 섬유 레이저를 구축하여 킬로와트 규모의 전력 출력을 달성했습니다. 다중 세그먼트 불균일 펌핑 또는 분산 측면 펌핑 구조를 사용하면 섬유의 온도를 균일하게 하고 열 영향의 영향을 줄이고 섬유의 길이를 효과적으로 줄일 수 있습니다. 그러나 분산 측 펌핑 광섬유 풀링, 광섬유 각 섹션의 융합 결합 손실 감소 및 효율성 향상이 기술의 핵심입니다. 광섬유 설계, 풀링 및 융착 접합과 같은 핵심 기술의 혁신과 개발로 더 많은 펌핑 방법이 고출력 광섬유 레이저 개발에 적용될 것이며 효과적인 외부 방열 기술과 결합하여 효과적으로 열 발생을 억제할 수 있습니다. 섬유의 열 효과 및 고출력 레이저의 안정적인 출력을 달성합니다.
3.3 방열 설계
열 전도, 열 대류 및 열 복사는 열 복사 계수가 작기 때문에 열 전달의 세 가지 주요 방법이며 일반적으로 그 영향을 무시할 수 있으며 전도 및 대류가 지배적인 열 분산 방법입니다. 더 작은 전력 파이버 레이저의 경우 일반적으로 파이버 자연 대류 열 분산만 고려하고 열 방사는 영향이 적으며 적절하게 고려할 수 있습니다.
대류 열전달에는 주로 자연 대류 열전달과 강제 대류 열전달이 있습니다. 대류 열 분산의 결정 요인은 대류 열 전달 계수의 크기입니다. 대류 열전달 계수 h는 유체 특성, 유량 및 대류 면적과 관련이 있습니다. 표 1에서 보는 바와 같이 동일한 조건에서 강제대류 열전달계수가 자연대류 열전달계수보다 높고, 물 대류 열전달계수가 공기대류 열전달계수보다 몇 배 높다. 대류 열전달 계수가 클수록 섬유의 열 분산이 더 좋습니다. 자연 공기 대류 열 분산은 일반적으로 저출력 파이버 레이저에 사용됩니다.
파이버 레이저가 수백 와트 또는 킬로와트의 전력을 출력할 때 순수한 대류 냉각으로는 방열 요구 사항을 충족하기 어렵고 파이버에서 특정 방열판으로 열을 전도하는 특정 열 전도 방법을 선택해야 합니다. , 방열판을 통해 효율적인 열전도 또는 대류 확산을 수행합니다. 광섬유와 방열판의 접촉 모양 또는 가공 표면은 그림 4와 같이 완벽하게 맞지 않으며 접촉 인터페이스에 공극이 있어 열 전도를 방해합니다. 광섬유와 방열판 사이의 열 전도에 영향을 미치는 주요 요인은 열 교환 인터페이스 사이의 열 전도 수준을 측정하는 열 저항입니다.
광섬유와 방열판 사이의 열 저항에 대한 이론적 모델은 다음과 같이 단순화할 수 있습니다.
여기서 Ts는 섬유의 표면 온도, T∞는 방열판 온도, q"는 열 유속(W/m2), 열 부하 q'(W/m) 대 주변 Rcontact의 비율입니다. 는 열 접촉 저항, Rcond는 갭 레이어의 열 저항, L은 갭 레이어의 두께, k는 갭에서 충전재의 열전도도, A는 통과하는 열 유속의 표면적입니다. . 위의 모델을 통해 더 작은 열 저항을 확보하면 광섬유의 온도를 낮출 수 있음을 알 수 있습니다. 두 접점 인터페이스의 공기는 열전도율이 매우 낮기 때문에(kair=0.026 W/mK) 열전도율이 높은 TIM(Thermal Interface Material)을 채워 열 저항을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 갭층(L)의 두께는 가능한 한 얇다.
간극 두께를 줄이고 열전도율을 높이는 것 외에도 방열판의 모양을 제어하여 섬유 표면 온도를 낮출 수 있습니다. 일반적인 직사각형, V자형 및 U자형 노치 방열판 구조는 그림 5에 나와 있습니다. 재코팅된 섬유의 융점에 대한 세 가지 다른 홈 구조의 열 저항이 평가되었으며 다른 매개변수와 일치하는 U자형 둘레가 가장 짧은 홈은 열 저항이 가장 작고 냉각 효과가 더 좋은 반면, 둘레가 가장 긴 V자형 홈은 열 저항이 가장 크고 냉각 효과가 더 나쁩니다. V 형 구조가 더 자주 사용되며 방열 효과는 순수 평면 방열판보다 분명히 우수합니다.
파이버 레이저를 저출력으로 구동할 경우에는 반도체 냉각 모듈(TEC)과 방열판에 의해 공랭식으로, 고출력으로 구동 시에는 수냉식으로 안정적인 작동이 가능하다. temperature.Li et al. EYDFL의 외부 냉각에 TEC를 적용하였으며, 양단 펌핑 구조를 사용하여 고출력 동작 시 첫 번째 10.2 cm 광섬유에 대해 주변 알루미늄 방열판에 TEC를 적용하였으며, U자형 홈은 Fig. 12(a). U자형 홈은 그림 12(a)에 나와 있습니다. 그림 6(b)의 파란색 곡선은 Heat Sink와 접촉하는 Fiber의 온도 분포를 나타내고 빨간색 곡선은 Fiber의 이론적인 온도 분포이며 TEC 및 Heat Sink를 사용하면 섬유.
고출력 광섬유 레이저의 경우 많은 연구에서 비선형 효과 및 열 손상 현상 없이 킬로와트 수준 이상의 고출력을 얻기 위해 표적 방열 처리를 채택했으며 우수한 열 관리 기술은 광섬유 레이저의 안정적인 작동을 보장합니다. 본 연구에서는 U형 또는 V형 홈이 새겨진 금속 방열판을 사용하여 주로 평면 와인딩과 실린더 와인딩으로 섬유 방열을 수행하고 섬유와 홈 사이의 접촉 간격을 열전도성 실리콘으로 채웠다. 그리스(열전도도는 일반적으로 2W/mK 이상)를 사용하여 수냉식으로 열을 제거하며 그 구조는 그림 7과 같습니다.
고출력 파이버 레이저 열 관리 기술, 반도체 펌핑, 파이버 결합 및 클래딩 광학 필터링 및 기타 핵심 기술의 개발로 전력 향상의 병목 현상 중 하나인 열 효과가 잘 제어되고 파이버 레이저의 출력이 향상됩니다. 계속해서 개선될 것입니다. 동시에 효과적인 열 관리 기술은 파이버 레이저 통합 패키징 기술의 개발을 촉진하여 고출력 파이버 레이저를 더 넓은 범위의 환경에 적용할 수 있습니다.
