1. पृष्ठभूमि
फ़ाइबर लेज़र एक ऐसा लेज़र है जो लाभ माध्यम के रूप में दुर्लभ पृथ्वी तत्व डोप्ड ग्लास फाइबर का उपयोग करता है, जिसका सतह क्षेत्र/आयतन अनुपात पारंपरिक ठोस ब्लॉक लेज़र से 1000 गुना से अधिक है, जिसमें अच्छा ताप अपव्यय प्रदर्शन होता है। सौ वाट के फाइबर लेजर के लिए, प्राकृतिक ताप अपव्यय ऊष्मा अपव्यय आवश्यकताओं को पूरा कर सकता है। हालाँकि, फाइबर लेजर के तेजी से विकास के साथ, उनकी उत्पादन शक्ति साल दर साल बढ़ती है, यहां तक कि किलोवाट पैमाने तक भी पहुंचती है, कई कारणों से, जैसे कि क्वांटम हानि, फाइबर गंभीर थर्मल प्रभाव पैदा करेगा। मैट्रिक्स सामग्री के थर्मल प्रसार से तनाव और अपवर्तक सूचकांक में परिवर्तन होता है, पोलीमराइज़ेशन परत के कम अपवर्तक सूचकांक से थर्मल क्षति होने का खतरा होता है, जिससे गंभीर रूप से थर्मल फाइबर का विस्फोट हो सकता है; गर्मी के निरंतर संचय के साथ, डोप्ड कोर तापमान में वृद्धि होगी, लेजर उप-ऊर्जा स्तर में कणों की संख्या बढ़ जाएगी जिससे थ्रेसहोल्ड शक्ति में वृद्धि होगी और लेजर की ढलान दक्षता कम हो जाएगी, जबकि क्वांटम दक्षता में कमी से आउटपुट तरंग दैर्ध्य में परिवर्तन होगा . लेजर आउटपुट पावर को और बढ़ाने के लिए, फाइबर लेजर उच्च शक्ति पंप लाइट इंजेक्शन और सिग्नल लाइट आउटपुट की ऊर्जा घनत्व का सामना करेगा, इसके थर्मल प्रभावों को हल करना उच्च-शक्ति फाइबर लेजर सिस्टम के सामने एक गंभीर चुनौती है।
2. फाइबर लेजर में थर्मल प्रभाव का स्रोत
2.1 क्वांटम हानि प्रभाव
क्वांटम हानि प्रभाव फाइबर कोर क्षेत्र में गर्मी का मुख्य स्रोत है और अंतर्निहित गर्मी का स्रोत भी है। पंप तरंग दैर्ध्य और सिग्नल तरंग दैर्ध्य के बीच अंतर्निहित अंतर के कारण, सभी फाइबर लेजर सिस्टम क्वांटम हानि के एक निश्चित प्रतिशत के साथ होते हैं। एक उदाहरण के रूप में 1080 एनएम लेजर आउटपुट तरंगदैर्ध्य लेते हुए, 915 एनएम पंप तरंगदैर्ध्य पर क्वांटम हानि का अनुपात लगभग 15.3 प्रतिशत है।
2.2 एकाधिक हानियाँ
80 डिग्री के महत्वपूर्ण तापमान से ऊपर फाइबर कोटिंग सामग्री विकृतीकरण या सतह की दरार और अन्य घटनाएं उत्पन्न करेगी। उच्च-शक्ति निरंतर फाइबर लेजर ऑपरेशन में, फाइबर कोटिंग्स के सहन किए जा सकने वाले थर्मल भार की सीमा को पार करने की बहुत संभावना होती है, जिसके परिणामस्वरूप क्लैडिंग प्रकाश रिसाव होता है, और अंततः लेजर के समग्र रूप से खराब होने का कारण बन सकता है।
फाइबर के संलयन बिंदु पर अधिक गंभीर थर्मल प्रभाव होता है, मुख्य रूप से दो पहलुओं से: 1) प्रकाश रूपांतरण के फाइबर सामग्री और रीकोटिंग सामग्री अवशोषण गर्मी पैदा करेगा, छोटी लंबाई सीमा में, प्रकाश के अवशोषण पर लगभग पूरी तरह से पारदर्शी रीकोटिंग परत बहुत कम है, लेकिन इसकी सतह कुछ सूक्ष्म रिक्तियां उत्पन्न करेगी, हवा ऊष्मा की खराब संवाहक है, रिक्तियों की उपस्थिति थर्मल प्रतिरोध को बड़ा बनाती है, इसलिए संलयन बिंदु पर थर्मल जमाव उत्पन्न करना आसान होता है इसलिए, संलयन बिंदु थर्मल जमाव की संभावना है, जिसके परिणामस्वरूप काफी अधिक तापमान होता है; 2) संलयन पैरामीटर उपयुक्त नहीं हैं या ऑप्टिकल फाइबर संरचनात्मक मापदंडों के दो खंड मेल नहीं खाते हैं, जिससे संलयन हानि होगी, थर्मल प्रतिरोध की उपस्थिति से संलयन बिंदु पर तापमान बढ़ जाता है। तापमान में वृद्धि से ऑप्टिकल फाइबर को थर्मल क्षति होती है, और साथ ही ऑप्टिकल फाइबर के संख्यात्मक एपर्चर पर अधिक प्रभाव पड़ता है, और संख्यात्मक एपर्चर में परिवर्तन प्रकाश मार्गदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करता है।
2.3 सहज विकिरण प्रभाव
एमओपीए संरचना में, जब सिग्नल लाइट कमजोर होती है, तो बड़ी मात्रा में पंप लाइट इंजेक्शन से फाइबर सहज विकिरण (एएसई) की संभावना बढ़ सकती है। बड़ी मात्रा में यादृच्छिक स्वतःस्फूर्त विकिरण प्रकाश कोर से ग्लास क्लैडिंग के साथ-साथ फाइबर कोटिंग में लीक हो जाता है और अत्यधिक गर्म हो जाता है और कार्बनिक कोटिंग को जला देता है। इसके अलावा, एएसई के उत्पादन से क्वांटम हानि भी बढ़ जाती है, जिससे फाइबर के मुख्य क्षेत्र में ताप बढ़ जाता है।
2.4 उत्तेजित रमन प्रकीर्णन प्रभाव
अल्ट्रा-हाई-पावर फाइबर लेजर के उद्भव के साथ, कोर क्षेत्र में लेजर पावर घनत्व धीरे-धीरे बढ़ता है, और उत्तेजित रमन स्कैटरिंग प्रभाव (एसआरएस) धीरे-धीरे शक्ति वृद्धि के लिए मुख्य सीमित कारक बन जाता है। उच्च-शक्ति संचालन के दौरान, जब लेजर सिग्नल ऑप्टिकल शक्ति एसआरएस की दहलीज स्थिति तक पहुंचती है, तो सिग्नल लेजर उत्तेजित होता है और कम आवृत्ति के साथ रमन प्रकाश को पंप करता है, जिसके परिणामस्वरूप रमन प्रकाश प्रवर्धन प्रक्रिया होती है। साथ ही, क्वांटम हानि के साथ, एसआरएस फाइबर के मुख्य क्षेत्र में हीटिंग की समस्या को बढ़ा देगा।
3. तापीय प्रभाव का समाधान
फाइबर लेजर के थर्मल प्रभाव का फाइबर और आउटपुट विशेषताओं पर नगण्य प्रभाव पड़ता है, इसलिए थर्मल प्रभाव के नकारात्मक प्रभाव को कम करने के लिए इसका बहुत महत्व है। थर्मल प्रभाव का दमन मुख्य रूप से निम्नलिखित तीन पहलुओं पर केंद्रित है:
1) फाइबर के तापमान सिद्धांत मॉडल के अनुसार फाइबर मापदंडों का उचित चयन;
2) पंपिंग संरचना और पंपिंग मोड का उचित चयन समान तापमान वितरण और थर्मल प्रभाव को कम करने के लिए अनुकूल है;
3) कुशल बाहरी ताप अपव्यय योजना का चयन थर्मल प्रभावों के नकारात्मक प्रभाव को काफी कम कर सकता है।
3.1 फाइबर मापदंडों का अनुकूलन
ऑप्टिकल फाइबर के तापमान वितरण को प्रभावित करने वाले मुख्य कारक कोर की तापीय चालकता और आंतरिक और बाहरी आवरण, रेडियल आकार, अवशोषण गुणांक और ऑप्टिकल फाइबर की लंबाई हैं। फाइबर मापदंडों का उचित चयन फाइबर के सामान्य और स्थिर संचालन को सुनिश्चित करने के लिए फाइबर के ताप वितरण को प्रभावी ढंग से नियंत्रित कर सकता है।
बड़ा कोर आकार कोर तापमान को कम कर सकता है, लेकिन बहुत बड़ा होने से बीम की गुणवत्ता प्रभावित होगी। कोटिंग परत फाइबर गर्मी संचालन के सबसे बाहरी माध्यम के रूप में, इसकी मोटाई फाइबर के कामकाजी तापमान पर बहुत प्रभाव डालती है। सैद्धांतिक रूप से, कोटिंग परत की आंतरिक और बाहरी सतहों और मोटाई के बीच तापमान का अंतर सकारात्मक रूप से सहसंबद्ध होता है, कोटिंग परत जितनी पतली होगी, ताप संचालन का प्रतिरोध उतना ही कम होगा, संपूर्ण की आंतरिक और बाहरी सतहों के बीच तापमान का अंतर उतना ही कम होगा। कोटिंग परत, सिस्टम जितनी अधिक शक्ति झेल सकता है। हालांकि, ऑप्टिकल फाइबर की सतह पर संवहनी गर्मी हस्तांतरण के प्रभाव के कारण, और कोटिंग परत में ऑप्टिकल फाइबर की रक्षा करने की भूमिका होती है, और इसलिए कोटिंग परत की मोटाई को उचित रूप से चुनने की आवश्यकता होती है।
जब फाइबर को हवा में ठंडा किया जाता है, तो थर्मल चालन प्रतिरोध Rcond, थर्मल संवहन प्रतिरोध Rconv और कुल थर्मल प्रतिरोध Rtot और कोटिंग परत की मोटाई के बीच संबंध चित्र 2 (ए) में दिखाया गया है। कोटिंग परत की मोटाई Rcond के साथ सकारात्मक रूप से सहसंबद्ध है और Rconv के साथ नकारात्मक रूप से सहसंबद्ध है, इसलिए कम कुल थर्मल प्रतिरोध सुनिश्चित करने के लिए कोटिंग परत की मोटाई का यथोचित चयन करना आवश्यक है। फाइबर की लंबाई और अवशोषण गुणांक और तापमान के बीच संबंध चित्र 2 (बी) में दिखाया गया है, फाइबर के अवशोषण गुणांक को कम करके, पंपिंग पावर के अवशोषण को प्रभावी ढंग से कम किया जा सकता है, पंपिंग पावर अवशोषण में कमी का मतलब थर्मल में कमी है जमाव, जो फाइबर के तापमान को कम करता है, लेकिन समान आउटपुट प्राप्त करने के लिए फाइबर की लंबाई बढ़ाने की आवश्यकता होती है, वांग एट अल। कुल पंपिंग शक्ति का अध्ययन 1{5}}00 W, 500 W की दोहरी-अंत पंपिंग शक्ति, समान आउटपुट प्राप्त करने के लिए 0.25 डीपीआई का उपयोग किया जाता है। वांग एट अल. पता चला कि कुल पंपिंग पावर 1000 वॉट थी और डुअल-एंड पंपिंग पावर 500 वॉट थी। 0.25 डीबी अवशोषण गुणांक के साथ 60 मीटर लंबे फाइबर के साथ आउटपुट पावर 630 डब्लू थी, और 1.0 डीबी 20 मीटर लंबे फाइबर के साथ 725 डब्लू थी। लेकिन बाद वाले फाइबर का अधिकतम तापमान पहले वाले फाइबर की तुलना में लगभग 200 डिग्री अधिक था। बाद वाले फ़ाइबर का अधिकतम तापमान पहले वाले फ़ाइबर की तुलना में अधिक था। चूंकि पंपिंग शक्ति का पंपिंग अंत सबसे मजबूत है, हालांकि फाइबर के अवशोषण गुणांक को कम करने से पंपिंग शक्ति के अवशोषण को प्रभावी ढंग से कम किया जा सकता है, लेकिन पंपिंग अवशोषण की दक्षता को ध्यान में रखने के आधार पर, लेजर अगर पूरी तरह से कम है -डोप्ड, कम-अवशोषण फाइबर, फाइबर की लंबाई बढ़ाने की आवश्यकता, जो बदले में अन्य समस्याओं जैसे कि नॉनलाइनियर प्रभाव के साथ-साथ आउटपुट दक्षता में गिरावट आदि के उद्भव की ओर ले जाती है।
3.2 पम्पिंग विधि का चयन
वितरण चित्र 3 में दिखाया गया है। चित्र 3 (ई) दिखाता है कि फाइबर अवशोषण गुणांक के मध्य वर्गों का गैर-समान गुणांक दोनों पक्षों की तुलना में अधिक है, यह सुनिश्चित करने के लिए कि तापमान वितरण मूल रूप से एक समान है, आउटपुट पावर है चित्र 3 (डी) के समान जब आवश्यक फाइबर 20 मीटर से अधिक छोटा हो जाता है; चित्र 3 (एफ) में बिजली को सात खंडों में पंप किया जाएगा, तापमान वितरण अधिक समान है, और तापमान को एक बहुत ही आदर्श सीमा में नियंत्रित किया जा सकता है। फ़ाइबर लेज़रों के लिए पंपिंग विधि का बहुत महत्व है। 2011 जेना विश्वविद्यालय ने वितरित साइड पंपिंग फाइबर का उपयोग करके एक किलोवाट-स्केल साइड पंपिंग फाइबर लेजर बनाया, 2014 एसपीआई ने एक किलोवाट-स्केल साइड पंपिंग फाइबर लेजर उत्पाद लॉन्च किया, 2015 में, चीन ने बताया कि राष्ट्रीय रक्षा प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय और तेईसवें अनुसंधान संस्थान चाइना इलेक्ट्रॉनिक्स टेक्नोलॉजी ग्रुप ने संयुक्त रूप से एक वितरित साइड-कपल्ड क्लैडिंग पंपिंग फाइबर विकसित किया, और एक क्लैडिंग पंपिंग फाइबर के साथ एक वितरित साइड-कपलिंग फाइबर लेजर का निर्माण किया। क्लैडिंग पंपिंग फाइबर, और एक पूरी तरह से स्थानीयकृत फाइबर लेजर का निर्माण किया, जिससे किलोवाट-स्केल बिजली उत्पादन प्राप्त हुआ। मल्टी-सेगमेंट गैर-समान पंपिंग या वितरित साइड पंपिंग संरचना का उपयोग यह सुनिश्चित कर सकता है कि फाइबर का तापमान एक समान है, थर्मल प्रभावों के प्रभाव को कम करता है और फाइबर की लंबाई को प्रभावी ढंग से छोटा करता है। हालाँकि, वितरित साइड पंपिंग फाइबर खींचना, फाइबर के प्रत्येक अनुभाग के संलयन युग्मन हानि को कम करना और दक्षता में सुधार करना प्रौद्योगिकी की कुंजी है। फाइबर डिजाइन, पुलिंग और फ्यूजन स्प्लिसिंग जैसी प्रमुख प्रौद्योगिकियों की सफलता और विकास के साथ, उच्च-शक्ति फाइबर लेजर के विकास में अधिक पंपिंग विधियों को लागू किया जाएगा, जिन्हें प्रभावी बाहरी गर्मी अपव्यय तकनीक के साथ जोड़ा जा सकता है ताकि उत्पादन को प्रभावी ढंग से रोका जा सके। फाइबर में थर्मल प्रभाव और उच्च-शक्ति लेजर का स्थिर आउटपुट प्राप्त करना।
3.3 ताप अपव्यय डिज़ाइन
थर्मल चालन, थर्मल संवहन और थर्मल विकिरण गर्मी हस्तांतरण के तीन मुख्य तरीके हैं, क्योंकि थर्मल विकिरण का गुणांक छोटा है, इसके प्रभाव को सामान्य रूप से नजरअंदाज किया जा सकता है, चालन और संवहन प्रमुख गर्मी अपव्यय तरीके हैं। छोटी शक्ति वाले फाइबर लेजर के लिए, आमतौर पर केवल फाइबर के प्राकृतिक संवहन ताप अपव्यय पर विचार किया जाता है, थर्मल विकिरण का प्रभाव कम होता है, इस पर उचित रूप से विचार किया जा सकता है।
संवहन ऊष्मा अंतरण में मुख्य रूप से प्राकृतिक संवहन ऊष्मा अंतरण और बलपूर्वक संवहन ऊष्मा अंतरण शामिल हैं। संवहन ताप अपव्यय का निर्धारण कारक संवहन ताप स्थानांतरण गुणांक का आकार है। संवहन ताप अंतरण गुणांक h द्रव गुण, प्रवाह दर और संवहन क्षेत्र से संबंधित है। जैसा कि तालिका 1 में दिखाया गया है, समान परिस्थितियों में, मजबूर संवहन गर्मी हस्तांतरण गुणांक प्राकृतिक संवहन गर्मी हस्तांतरण गुणांक से अधिक है, जल संवहन गर्मी हस्तांतरण गुणांक वायु संवहन गर्मी हस्तांतरण गुणांक से कई गुना अधिक है। संवहन ताप अंतरण गुणांक जितना बड़ा होगा, फाइबर का ताप अपव्यय उतना ही बेहतर होगा। प्राकृतिक वायु संवहन ताप अपव्यय का उपयोग आमतौर पर कम शक्ति वाले फाइबर लेजर में किया जाता है।
जब फाइबर लेजर सैकड़ों वाट या किलोवाट बिजली का उत्पादन करता है, तो शुद्ध संवहन शीतलन द्वारा गर्मी अपव्यय आवश्यकताओं को पूरा करना मुश्किल होता है, और फाइबर से एक विशिष्ट हीट सिंक तक गर्मी का संचालन करने के लिए एक विशिष्ट गर्मी संचालन विधि का चयन करना आवश्यक होता है। , और फिर हीट सिंक के माध्यम से कुशल ताप संचालन या संवहन प्रसार करें। ऑप्टिकल फाइबर और हीट सिंक का संपर्क आकार या प्रसंस्करण सतह पूरी तरह से फिट नहीं होती है, जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है, और संपर्क इंटरफ़ेस पर रिक्तियां हैं, जो गर्मी संचालन में बाधा उत्पन्न करेंगी। ऑप्टिकल फाइबर और हीट सिंक के बीच थर्मल चालन को प्रभावित करने वाला मुख्य कारक थर्मल प्रतिरोध है, जो हीट एक्सचेंज इंटरफेस के बीच थर्मल चालन के स्तर का एक माप है।
ऑप्टिकल फाइबर और हीट सिंक के बीच थर्मल प्रतिरोध के सैद्धांतिक मॉडल को इस प्रकार सरल बनाया जा सकता है
जहां Ts फाइबर का सतही तापमान है, T∞ हीट सिंक तापमान है, q″ हीट फ्लक्स (W/m2) है, जो थर्मल लोड q′ (W/m) और परिधि का अनुपात है, Rcontact थर्मल संपर्क प्रतिरोध है, Rcond गैप परत का थर्मल प्रतिरोध है, L गैप परत की मोटाई है, k गैप में भराव सामग्री की तापीय चालकता है, और A गुजरने वाले ताप प्रवाह का सतह क्षेत्र है . उपरोक्त मॉडल को लेने से, यह देखा जा सकता है कि छोटे थर्मल प्रतिरोध को सुनिश्चित करने से ऑप्टिकल फाइबर का तापमान कम हो सकता है। चूँकि दो संपर्क इंटरफेस पर हवा में बहुत कम तापीय चालकता (kair=0.026 W/mK) होती है, थर्मल इंटरफ़ेस सामग्री (TIM) को उच्च तापीय चालकता से भरकर थर्मल प्रतिरोध को प्रभावी ढंग से कम किया जा सकता है, जबकि गैप लेयर L की मोटाई यथासंभव छोटी है।
गैप की मोटाई कम करने और तापीय चालकता बढ़ाने के अलावा, हीट सिंक के आकार को नियंत्रित करके फाइबर सतह के तापमान को कम किया जा सकता है। आम आयताकार, वी-आकार और यू-आकार की नॉच हीट सिंक संरचनाएं चित्र 5 में दिखाई गई हैं। रीकोटेड फाइबर के पिघलने बिंदु के लिए तीन अलग-अलग नाली संरचनाओं के थर्मल प्रतिरोध का मूल्यांकन किया गया था, और अन्य मापदंडों के अनुरूप, यू-आकार का सबसे छोटी परिधि वाले खांचे में सबसे छोटा थर्मल प्रतिरोध और बेहतर शीतलन प्रभाव होता है, जबकि सबसे लंबे परिधि वाले वी-आकार के खांचे में सबसे बड़ा थर्मल प्रतिरोध और बदतर शीतलन प्रभाव होता है, और व्यावहारिक अनुप्रयोगों में अंतर स्पष्ट नहीं होता है, और यू-प्रकार और वी-प्रकार की संरचनाओं का उपयोग अधिक बार किया जाता है, और गर्मी अपव्यय प्रभाव स्पष्ट रूप से विशुद्ध रूप से प्लेनर हीट सिंक से बेहतर होता है।
जब फाइबर लेजर को कम शक्ति पर संचालित किया जाता है, तो इसे सेमीकंडक्टर कूलिंग मॉड्यूल (टीईसी) और हीट सिंक द्वारा एयर-कूल्ड किया जा सकता है, और जब फाइबर लेजर को उच्च शक्ति पर संचालित किया जाता है, तो स्थिर कामकाज सुनिश्चित करने के लिए इसे पानी से ठंडा किया जा सकता है। तापमान.ली एट अल. टीईसी को ईवाईडीएफएल के बाहरी शीतलन पर लागू किया गया, और उच्च शक्ति संचालन के तहत पहले 10.2 सेमी फाइबर के लिए परिधीय एल्यूमीनियम हीट सिंक पर टीईसी को लागू करने के लिए डबल-एंड पंपिंग संरचना का उपयोग किया गया, और यू-आकार का खांचा चित्र में दिखाया गया है .12(ए). यू-आकार का खांचा चित्र 12(ए) में दिखाया गया है। चित्र 6(बी) में नीला वक्र हीट सिंक के संपर्क में फाइबर के तापमान वितरण को इंगित करता है, और लाल वक्र फाइबर का सैद्धांतिक तापमान वितरण है, और टीईसी और हीट सिंक का उपयोग प्रभावी ढंग से तापमान को कम करता है रेशा.
उच्च-शक्ति फाइबर लेजर के लिए, बड़ी संख्या में शोधों ने गैर-रेखीय प्रभाव और थर्मल क्षति घटना के बिना किलोवाट स्तर से ऊपर उच्च आउटपुट पावर प्राप्त करने के लिए लक्षित गर्मी अपव्यय उपचार को अपनाया है, और अच्छी थर्मल प्रबंधन तकनीक फाइबर लेजर के स्थिर संचालन को सुनिश्चित करती है। अध्ययन में, फाइबर ताप अपव्यय मुख्य रूप से समतल वाइंडिंग और सिलेंडर वाइंडिंग द्वारा किया जाता है, यू-प्रकार या वी-प्रकार के खांचे के साथ धातु हीट सिंक का उपयोग करके, और फाइबर और खांचे के बीच संपर्क अंतर को थर्मल प्रवाहकीय सिलिकॉन से भर दिया जाता है। जल-शीतलन के माध्यम से गर्मी को दूर करने के लिए ग्रीस (थर्मल चालकता आम तौर पर 2 W/mK से अधिक होती है) और इसकी संरचना चित्र 7 में दिखाई गई है।
उच्च-शक्ति फाइबर लेजर थर्मल प्रबंधन प्रौद्योगिकी, सेमीकंडक्टर पंपिंग, फाइबर कपलिंग और क्लैडिंग ऑप्टिकल फ़िल्टरिंग और अन्य प्रमुख प्रौद्योगिकियों के विकास के साथ, बिजली वृद्धि में बाधाओं में से एक के रूप में थर्मल प्रभाव को अच्छी तरह से नियंत्रित किया जाएगा, और फाइबर लेजर की शक्ति सुधार जारी रहेगा. साथ ही, प्रभावी थर्मल प्रबंधन तकनीक फाइबर लेजर एकीकृत पैकेजिंग तकनीक के विकास को भी बढ़ावा दे सकती है, ताकि उच्च शक्ति फाइबर लेजर को व्यापक रेंज के वातावरण में लागू किया जा सके।
