1. Arrière-plan
Le laser à fibre est un laser qui utilise une fibre de verre dopée aux terres rares comme milieu de gain, qui a un rapport surface/volume de plus de 1000 fois celui d'un laser à bloc solide traditionnel, avec de bonnes performances de dissipation thermique. Pour une centaine de watts de laser à fibre, la dissipation thermique naturelle peut répondre aux exigences de dissipation thermique. Cependant, avec le développement rapide des lasers à fibre, leur puissance de sortie augmente d'année en année, atteignant même l'échelle du kilowatt, pour diverses raisons, telles que la perte quantique, la fibre produira de graves effets thermiques. La diffusion thermique du matériau de la matrice provoque des changements de contrainte et d'indice de réfraction, un faible indice de réfraction de la couche de polymérisation est sujet à des dommages thermiques, ce qui peut sérieusement conduire à une éruption thermique de la fibre ; avec l'accumulation continue de chaleur, la température du noyau dopé augmentera, le nombre de particules dans le niveau de sous-énergie du laser augmentera, ce qui entraînera une augmentation de la puissance de seuil et l'efficacité de la pente du laser diminue, tandis que la diminution de l'efficacité quantique entraînera des changements de longueur d'onde de sortie . Afin d'améliorer encore la puissance de sortie du laser, le laser à fibre résistera à une injection de lumière de pompe à puissance plus élevée et à une densité d'énergie de la sortie de signal lumineux, pour résoudre ses effets thermiques est un défi sérieux auquel est confronté le système laser à fibre haute puissance.
2. Source d'effets thermiques dans le laser à fibre
2.1 Effet de perte quantique
L'effet de perte quantique est la principale source de chaleur dans la zone centrale de la fibre est également la source de chaleur inhérente. En raison de la différence inhérente entre la longueur d'onde de la pompe et la longueur d'onde du signal, tous les systèmes laser à fibre sont accompagnés d'un certain pourcentage de perte quantique. En prenant comme exemple la longueur d'onde de sortie laser de 1080 nm, la proportion de perte quantique à la longueur d'onde de pompe de 915 nm est d'environ 15,3 %.
2.2 Pertes multiples
Les revêtements de fibres au-dessus de la température critique de 80 degrés produiront une dénaturation du matériau ou un frottement de surface et d'autres phénomènes. En fonctionnement laser à fibre continue haute puissance, les revêtements de fibre sont très susceptibles de dépasser la limite des charges thermiques qui peuvent être tolérées, ce qui entraîne une fuite de lumière de gaine et peut finalement provoquer l'épuisement général du laser.
Le point de fusion de la fibre a un effet thermique plus sérieux, principalement de deux aspects : 1) le matériau de la fibre et l'absorption du matériau de revêtement de la conversion de la lumière produiront de la chaleur, dans la plage de courte longueur, une couche de revêtement presque complètement transparente sur l'absorption de la lumière est très petit, mais sa surface produira des micro-vides, l'air est un mauvais conducteur de chaleur, la présence de vides augmente la résistance thermique, il est donc facile de produire un dépôt thermique au point de fusion Par conséquent, le point de fusion est sujet au dépôt thermique, entraînant des températures nettement plus élevées; 2) les paramètres de fusion ne conviennent pas ou deux sections de paramètres structurels de fibre optique ne correspondent pas, ce qui entraînera une perte de fusion, la présence d'une résistance thermique fait augmenter la température au point de fusion. L'augmentation de la température provoque des dommages thermiques à la fibre optique et, en même temps, a un impact plus important sur l'ouverture numérique de la fibre optique, et la modification de l'ouverture numérique affecte de manière significative le guidage de la lumière.
2.3 Effet de rayonnement spontané
Dans la structure MOPA, lorsque le signal lumineux est faible, une grande quantité d'injection de lumière de pompe peut conduire à une augmentation de la probabilité de rayonnement spontané de fibre (ASE). Une grande quantité de lumière de rayonnement spontanée aléatoire s'échappe du noyau dans le revêtement de verre ainsi que le revêtement de fibres et surchauffe et brûle le revêtement organique. De plus, la génération d'ASE augmente également la perte quantique, entraînant un échauffement accru dans la région centrale de la fibre.
2.4 Effet de diffusion Raman stimulé
Avec l'émergence des lasers à fibre ultra-haute puissance, la densité de puissance du laser dans la région centrale augmente progressivement et l'effet de diffusion Raman stimulé (SRS) devient progressivement le principal facteur limitant pour l'amélioration de la puissance. Pendant le fonctionnement à haute puissance, lorsque la puissance optique du signal laser atteint la condition de seuil de SRS, le signal laser excite et pompe la lumière Raman avec une fréquence inférieure, ce qui entraîne le processus d'amplification de la lumière Raman. Dans le même temps, avec la perte quantique, le SRS exacerbera le problème de chauffage dans la région centrale de la fibre.
3. Solution d'effet thermique
L'effet thermique du laser à fibre a un impact non négligeable sur les caractéristiques de la fibre et de la sortie, il est donc très important de réduire l'impact négatif de l'effet thermique. La suppression de l'effet thermique se concentre principalement sur les trois aspects suivants :
1) Sélection raisonnable des paramètres de fibre selon le modèle de théorie de la température de la fibre ;
2) Une sélection raisonnable de la structure de pompage et du mode de pompage est propice à la réalisation d'une répartition uniforme de la température et à la réduction de l'effet thermique ;
3) La sélection d'un schéma de dissipation thermique externe efficace peut réduire considérablement l'impact négatif des effets thermiques.
3.1 Optimisation des paramètres de la fibre
Les principaux facteurs affectant la répartition de la température de la fibre optique sont la conductivité thermique du noyau et des gaines intérieure et extérieure, la taille radiale, le coefficient d'absorption et la longueur de la fibre optique. Une sélection raisonnable des paramètres de fibre peut contrôler efficacement la distribution de chaleur de la fibre pour assurer le fonctionnement normal et stable de la fibre.
Une taille de noyau plus grande peut réduire la température du noyau, mais une taille trop grande affectera la qualité du faisceau. Couche de revêtement en tant que moyen le plus externe de conduction thermique de la fibre, son épaisseur a une grande influence sur la température de travail de la fibre. Théoriquement, la différence de température entre les surfaces intérieure et extérieure de la couche de revêtement et l'épaisseur sont positivement corrélées, plus la couche de revêtement est fine, plus la résistance à la conduction thermique est faible, plus la différence de température entre les surfaces intérieure et extérieure de l'ensemble est faible. couche de revêtement, plus la puissance que le système peut supporter est élevée. Cependant, en raison de l'influence du transfert de chaleur par convection sur la surface de la fibre optique, la couche de revêtement a pour rôle de protéger la fibre optique, et il faut donc choisir raisonnablement l'épaisseur de la couche de revêtement.
Lorsque la fibre est refroidie à l'air, la relation entre la résistance de conduction thermique Rcond, la résistance de convection thermique Rconv et la résistance thermique totale Rtot et l'épaisseur de la couche de revêtement est représentée sur la figure 2(a). L'épaisseur de la couche de revêtement est positivement corrélée avec Rcond et négativement corrélée avec Rconv, il est donc nécessaire de choisir raisonnablement l'épaisseur de la couche de revêtement pour assurer une faible résistance thermique totale. La relation entre la longueur de la fibre et le coefficient d'absorption et la température est illustrée à la Fig. 2 (b), en réduisant le coefficient d'absorption de la fibre, l'absorption de la puissance de pompage peut être efficacement réduite, la réduction de l'absorption de la puissance de pompage signifie la réduction de la chaleur dépôt, qui réduit la température de la fibre, mais pour obtenir le même rendement, il faut augmenter la longueur de la fibre, Wang et al. a étudié la puissance de pompage totale de 1000 W, la puissance de pompage à double extrémité de 500 W, l'utilisation de 0,25 dpi est utilisée pour obtenir le même rendement. Wang et al. ont montré que la puissance de pompage totale était de 1000 W et que la puissance de pompage à double extrémité était de 500 W. La puissance de sortie était de 630 W avec une fibre de 60 m de long avec un coefficient d'absorption de 0,25 dB et de 725 W avec une fibre de 1,0 dB de 20 m de long, mais la température maximale de cette dernière fibre était supérieure à celle de la première fibre d'environ 200 degrés. La température maximale de cette dernière fibre était supérieure à celle de la première fibre. Comme l'extrémité de pompage de la puissance de pompage est la plus forte, bien que la réduction du coefficient d'absorption de la fibre puisse réduire efficacement l'absorption de la puissance de pompage, mais sous réserve de prendre en compte l'efficacité de l'absorption de pompage, le laser est complètement faible -des fibres dopées à faible absorption, la nécessité d'augmenter la longueur de la fibre, ce qui entraîne à son tour l'apparition d'autres problèmes tels que l'effet non linéaire ainsi qu'une baisse du rendement de sortie, etc.
3.2 Sélection de la méthode de pompage
La distribution est illustrée à la Fig. 3. La figure 3 (e) montre que le coefficient non uniforme des sections médianes du coefficient d'absorption des fibres est supérieur aux deux côtés, pour garantir que la distribution de température est fondamentalement uniforme, la puissance de sortie est identique à la figure 3 (d) lorsque la fibre requise est raccourcie de plus de 20 m ; La figure 3 (f) sera pompée en sept segments, la distribution de température est plus uniforme et la température peut être contrôlée dans une plage très idéale. La méthode de pompage est d'une grande importance pour les lasers à fibre. 2011 L'Université d'Iéna a construit un laser à fibre à pompage latéral à l'échelle du kilowatt en utilisant une fibre à pompage latéral distribué, 2014 SPI a lancé un produit laser à fibre à pompage latéral à l'échelle du kilowatt, en 2015, la Chine a signalé que l'Université nationale de technologie de la défense et le Vingt-troisième institut de recherche du China Electronics Technology Group a développé conjointement une fibre de pompage de gaine à couplage latéral distribué et construit un laser à fibre à couplage latéral distribué avec une fibre de pompage de gaine. fibre de pompage de revêtement et construit un laser à fibre entièrement localisé, atteignant une puissance de sortie à l'échelle du kilowatt. L'utilisation d'un pompage non uniforme multi-segments ou d'une structure de pompage latérale distribuée peut garantir que la température de la fibre est uniforme, réduire l'impact des effets thermiques et raccourcir efficacement la longueur de la fibre. Cependant, le pompage latéral distribué des fibres, la réduction de la perte de couplage par fusion de chaque section de la fibre et l'amélioration de l'efficacité sont la clé de la technologie. Avec la percée et le développement de technologies clés telles que la conception de fibres, le tirage et l'épissage par fusion, davantage de méthodes de pompage seront appliquées dans le développement de lasers à fibre haute puissance, qui peuvent être combinés avec une technologie de dissipation thermique externe efficace pour inhiber efficacement la génération de effets thermiques dans la fibre et obtenir une sortie stable des lasers de plus grande puissance.
3.3 Conception de dissipation thermique
La conduction thermique, la convection thermique et le rayonnement thermique sont les trois principaux modes de transfert de chaleur, car le coefficient de rayonnement thermique est faible, son influence peut être ignorée en général, la conduction et la convection sont les méthodes de dissipation thermique dominantes. Pour un laser à fibre de plus petite puissance, ne considérez généralement que la dissipation thermique par convection naturelle de la fibre, le rayonnement thermique a moins d'impact, peut être considéré de manière appropriée.
Le transfert de chaleur par convection comprend principalement le transfert de chaleur par convection naturelle et le transfert de chaleur par convection forcée. Le facteur déterminant de la dissipation de chaleur par convection est la taille du coefficient de transfert de chaleur par convection. Le coefficient de transfert thermique convectif h est lié aux propriétés du fluide, au débit et à la surface de convection. Comme le montre le tableau 1, dans les mêmes conditions, le coefficient de transfert de chaleur par convection forcée est supérieur au coefficient de transfert de chaleur par convection naturelle, le coefficient de transfert de chaleur par convection de l'eau est plusieurs fois supérieur au coefficient de transfert de chaleur par convection de l'air. Plus le coefficient de transfert thermique convectif est grand, meilleure est la dissipation thermique de la fibre. La dissipation thermique par convection naturelle de l'air est généralement utilisée dans les lasers à fibre de faible puissance.
Lorsque le laser à fibre produit des centaines de watts ou de kilowatts de puissance, il est difficile de répondre aux exigences de dissipation thermique par refroidissement par convection pure, et il est nécessaire de choisir une méthode de conduction thermique spécifique pour conduire la chaleur de la fibre vers un dissipateur thermique spécifique , puis effectuez une conduction thermique efficace ou une diffusion par convection à travers le dissipateur thermique. La forme de contact ou la surface de traitement de la fibre optique et du dissipateur thermique ne s'adaptent pas parfaitement, comme le montre la figure 4, et il y a des vides à l'interface de contact, ce qui gênera la conduction thermique. Le principal facteur affectant la conduction thermique entre la fibre optique et le dissipateur thermique est la résistance thermique, qui est une mesure du niveau de conduction thermique entre les interfaces d'échange thermique.
Le modèle théorique de résistance thermique entre la fibre optique et le dissipateur thermique peut être simplifié comme suit :
Où Ts est la température de surface de la fibre, T∞ est la température du radiateur, q″ est le flux de chaleur (W/m2), qui est le rapport de la charge thermique q′ (W/m) au périmètre, Rcontact est la résistance thermique de contact, Rcond est la résistance thermique de la couche d'espace, L est l'épaisseur de la couche d'espace, k est la conductivité thermique du matériau de remplissage dans l'espace et A est la surface du flux de chaleur traversant . En prenant le modèle ci-dessus, on peut voir qu'assurer une plus petite résistance thermique peut réduire la température de la fibre optique. Étant donné que l'air aux deux interfaces de contact a une conductivité thermique très faible (kair=0.026 W/mK), la résistance thermique peut être efficacement réduite en remplissant le matériau d'interface thermique (TIM) avec une conductivité thermique élevée, tandis que l'épaisseur de la couche d'espacement L est aussi petite que possible.
En plus de réduire l'épaisseur de l'espace et d'augmenter la conductivité thermique, la température de surface de la fibre peut être réduite en contrôlant la forme du dissipateur thermique. Les structures courantes de dissipateur thermique à encoche rectangulaire, en forme de V et en forme de U sont illustrées à la Fig. 5. La résistance thermique de trois structures de rainures différentes pour le point de fusion de la fibre recouverte a été évaluée, et avec d'autres paramètres cohérents, la la rainure avec le périmètre le plus court a la plus petite résistance thermique et un meilleur effet de refroidissement, tandis que la rainure en forme de V avec le périmètre le plus long a la plus grande résistance thermique et le pire effet de refroidissement, et la différence n'est pas évidente dans les applications pratiques, et le type U et les structures de type V sont utilisées plus souvent, et l'effet de dissipation thermique est évidemment supérieur à celui des dissipateurs thermiques purement plans.
Lorsque le laser à fibre fonctionne à faible puissance, il peut être refroidi à l'air par le module de refroidissement à semi-conducteur (TEC) et le dissipateur de chaleur, et lorsque le laser à fibre fonctionne à une puissance plus élevée, il peut être refroidi à l'eau pour assurer le fonctionnement stable température.Li et al. appliqué le TEC au refroidissement externe de l'EYDFL et utilisé la structure de pompage à double extrémité pour appliquer le TEC au dissipateur thermique périphérique en aluminium pour la première fibre de 10,2 cm en fonctionnement à haute puissance, et la rainure en forme de U est illustrée à la Fig. 12(a). La rainure en forme de U est représentée sur la figure 12(a). La courbe bleue de la Fig. 6(b) indique la distribution de température de la fibre en contact avec le dissipateur de chaleur, et la courbe rouge est la distribution de température théorique de la fibre, et l'utilisation du TEC et du dissipateur de chaleur réduit efficacement la température de la fibre.
Pour le laser à fibre haute puissance, un grand nombre de recherches ont adopté un traitement de dissipation thermique ciblé pour obtenir une puissance de sortie élevée au-dessus du niveau du kilowatt sans effet non linéaire ni phénomène de dommage thermique, et une bonne technologie de gestion thermique assure le fonctionnement stable du laser à fibre. Dans l'étude, la dissipation thermique de la fibre est principalement réalisée par enroulement plan et enroulement cylindrique, à l'aide de dissipateurs thermiques métalliques avec des rainures de type U ou de type V gravées, et l'espace de contact entre la fibre et les rainures est rempli de silicone thermoconducteur graisse (la conductivité thermique est généralement supérieure à 2 W/mK) pour évacuer la chaleur par refroidissement à l'eau, et sa structure est illustrée à la Fig. 7.
Avec le développement de la technologie de gestion thermique du laser à fibre haute puissance, du pompage des semi-conducteurs, du couplage de fibre et du filtrage optique de gaine et d'autres technologies clés, l'effet thermique en tant que l'un des goulots d'étranglement de l'amélioration de la puissance sera bien contrôlé, et la puissance du laser à fibre continuera à s'améliorer. Dans le même temps, une technologie de gestion thermique efficace peut également favoriser le développement de la technologie d'emballage intégrée au laser à fibre, de sorte que le laser à fibre haute puissance puisse être appliqué à un plus large éventail d'environnements.
