1. Cúlra
Is léasair é Fiber Laser a úsáideann snáithín gloine dópáilte eilimint tearc-chré mar mheán gnóthachain, a bhfuil cóimheas achar dromchla / toirte de níos mó ná 1000 uair níos mó ná léasair bloc soladach traidisiúnta, le feidhmíocht diomailt teasa maith. Ar feadh céad vata léasair snáithín, is féidir le diomailt teasa nádúrtha na ceanglais diomailt teasa a chomhlíonadh. Mar sin féin, le forbairt go mear léasair snáithíní, méadaíonn a gcumhacht aschuir bliain i ndiaidh bliana, fiú ag teacht ar an scála cileavata, mar gheall ar chúiseanna éagsúla, mar shampla caillteanas chandamach, beidh an snáithín éifeachtaí teirmeacha tromchúiseacha. Tá idirleathadh teirmeach an ábhair mhaitrís ina chúis le strus agus athruithe innéacs athraonta, tá innéacs athraonta íseal den chiseal polaiméirithe seans maith go damáiste teirmeach, rud a d'fhéadfadh séideadh snáithín teirmeach a bheith mar thoradh dáiríre; Le carnadh leanúnach teasa, méadóidh an croí-theocht dópáilte, méadóidh líon na gcáithníní sa leibhéal subfhuinneamh léasair, rud a fhágann go dtiocfaidh méadú ar chumhacht tairseach agus ar éifeachtúlacht fána an léasair, agus laghdóidh an laghdú ar an éifeachtacht chandamach na hathruithe tonnfhad aschuir. . D'fhonn an chumhacht aschuir léasair a fheabhsú tuilleadh, seasfaidh an léasair snáithín instealladh solais caidéil chumhachta níos airde agus dlús fuinnimh an aschuir solais comhartha, chun a éifeachtaí teirmeacha a réiteach is dúshlán tromchúiseach atá os comhair an chórais léasair snáithín ardchumhachta.
2. Foinse na n-éifeachtaí teirmeacha i léasair snáithín
2.1 Éifeacht caillteanas Quantum
Is é éifeacht caillteanas chandamach an phríomhfhoinse teasa i limistéar an chroí snáithíní freisin foinse teasa dúchasach. Mar gheall ar an difríocht bhunúsach idir an tonnfhad caidéil agus an tonnfhad comhartha, tá céatadán áirithe de chaillteanas chandamach ag gabháil le gach córas léasair snáithín. Ag glacadh le tonnfhad aschuir léasair 1080 nm mar shampla, tá an cion den chaillteanas chandamach ag tonnfhad caidéil 915 nm thart ar 15.3 faoin gcéad.
2.2 Ilchaillteanas
Déanfaidh bratuithe snáithíní os cionn na teochta criticiúla de 80 céim dínádúrú ábhar nó sníomh dromchla agus feiniméin eile. I bhfeidhmiú léasair snáithín leanúnach ard-chumhachta, tá an-dócha go sáróidh bratuithe snáithíní teorainn na n-ualaí teirmeacha is féidir a fhulaingt, rud a fhágann go mbeidh sceitheadh solais cumhdaigh ann, agus ar deireadh thiar is féidir leo sruthán iomlán an léasair a chur faoi deara.
Tá éifeacht teirmeach níos tromchúisí ag pointe comhleá an tsnáithín, go príomha ó dhá ghné: 1) déanfaidh an t-ábhar snáithín agus ionsú ábhar athchúlaithe comhshó solais teas a tháirgeadh, sa raon gearr fad, ciseal athchúlaithe beagnach go hiomlán trédhearcach ar an ionsú solais. Is beag, ach beidh a dhromchla a tháirgeadh roinnt micrea-folamh, tá aer seoltóir teasa bocht, an láithreacht na bhfolús a dhéanann an friotaíocht teirmeach a bheith níos mó, mar sin tá sé éasca a tháirgeadh sil-leagan teirmeach ag an bpointe comhleá Dá bhrí sin, an pointe comhleá. seans maith go sil-leagan teirmeach, agus mar thoradh ar theocht i bhfad níos airde; 2) nach bhfuil paraiméadair chomhleá oiriúnach nó nach bhfuil dhá chuid de pharaiméadair struchtúracha snáithíní optúla ag teacht le chéile, rud a fhágann go dtiocfaidh caillteanas comhleá, déanann láithreacht friotaíocht teirmeach an t-ardú teochta ag an bpointe comhleá. Déanann an t-ardú teochta damáiste teirmeach don snáithín optúil, agus ag an am céanna tá tionchar níos mó aige ar oscailt uimhriúil an tsnáithín optúil, agus cuireann an t-athrú ar an cró uimhriúil isteach go mór ar an treoir solais.
2.3 Éifeacht radaíochta spontáineach
I struchtúr MOPA, nuair a bhíonn an solas comhartha lag, d'fhéadfadh méadú ar an dóchúlacht go dtarlódh radaíocht spontáineach snáithíneach (ASE) go leor instealladh solais caidéil. Sceiteann cuid mhór de sholas radaithe randamach spontáineach ón gcroílár isteach sa chumhdach gloine chomh maith leis an sciath snáithín agus róthéamh agus dónn an sciath orgánach. Ina theannta sin, cuireann giniúint ASE méadú ar an gcaillteanas chandamach freisin, rud a fhágann go dtiocfaidh méadú ar théamh i réigiún lárnach an tsnáithín.
2.4 Éifeacht scaipthe Raman spreagtha
Le teacht chun cinn léasair snáithíní ultra-ard-chumhachta, méadaíonn an dlús cumhachta léasair sa chroí-réigiún de réir a chéile, agus de réir a chéile déantar éifeacht scaipthe Raman spreagtha (SRS) mar an príomhfhachtóir teorannaithe le haghaidh feabhsú cumhachta. Le linn oibríocht ardchumhachta, nuair a shroicheann an chumhacht optúil comhartha léasair an coinníoll tairsí SRS, spreagtar agus caidéil an léasair comhartha solas Raman le minicíocht níos ísle, agus mar thoradh ar phróiseas aimplithe solais Raman. Ag an am céanna, in éineacht le caillteanas chandamach, déanfaidh SRS an fhadhb téimh i gcroílár an tsnáithín a dhianú.
3. Réiteach éifeacht teirmeach
Tá tionchar neamh-dhiúltach ag éifeacht teirmeach léasair snáithín ar na saintréithe snáithíní agus aschuir, agus mar sin tá tábhacht mhór aige chun tionchar diúltach an éifeacht teirmeach a laghdú. Díríonn cosc éifeacht teirmeach go príomha ar na trí ghné seo a leanas:
1) Roghnú réasúnta paraiméadair snáithíní de réir mhúnla teoiric teocht an tsnáithín;
2) Tá roghnú réasúnta struchtúr caidéalaithe agus modh caidéalaithe a chabhródh le dáileadh teocht aonfhoirmeach a bhaint amach agus éifeacht teirmeach a laghdú;
3) Is féidir le roghnú scéime diomailt teasa seachtrach éifeachtach laghdú mór a dhéanamh ar thionchar diúltach na n-éifeachtaí teirmeacha.
3.1 Paraiméadair snáithíní a bharrfheabhsú
Is iad na príomhfhachtóirí a dhéanann difear do dháileadh teochta an tsnáithín optúil ná seoltacht theirmeach an chroí agus an chumhdaigh istigh agus lasmuigh, an méid gathacha, an comhéifeacht ionsúcháin, agus fad an tsnáithín optúil. Is féidir le roghnú réasúnta paraiméadair snáithíní rialú éifeachtach a dhéanamh ar dháileadh teasa an tsnáithín chun oibriú gnáth agus cobhsaí an tsnáithín a chinntiú.
Is féidir le croímhéid níos mó an teocht croí a laghdú, ach beidh tionchar ró-mhór ar chaighdeán an bhíoma. Ciseal sciath mar an meán is forimeallaí de sheoladh teasa snáithíneach, tá tionchar mór ag a thiús ar theocht oibre an tsnáithín. Go teoiriciúil, tá an difríocht teochta idir dromchlaí istigh agus seachtracha an chiseal sciath agus an tiús comhghaolaithe go dearfach, an níos tanaí an ciseal sciath, is lú an friotaíocht le seoladh teasa, is lú an difríocht teochta idir na dromchlaí istigh agus seachtracha ar fad. ciseal sciath, is airde an chumhacht is féidir leis an gcóras a sheasamh. Mar sin féin, mar gheall ar thionchar aistrithe teasa convective ar dhromchla an tsnáithín optúil, agus tá ról ag an gciseal sciath an snáithín optúil a chosaint, agus mar sin ní mór tiús na ciseal sciath a roghnú go réasúnta.
Nuair a fhuaraítear an snáithín san aer, taispeántar an gaol idir an friotaíocht seoltachta teirmeach Rcond, friotaíocht comhiompaithe teirmeach Rconv agus friotaíocht teirmeach iomlán Rtot agus tiús an chiseal brataithe i bhFíor 2(a). Déantar an tiús ciseal sciath a chomhghaolú go dearfach le Rcond agus a chomhghaolú go diúltach le Rconv, agus mar sin ní mór an tiús ciseal sciath a roghnú go réasúnta chun friotaíocht íseal teirmeach iomlán a chinntiú. Taispeántar an gaol idir fad snáithín agus comhéifeacht ionsú agus teocht i bhFíor 2(b), trí chomhéifeacht ionsú an tsnáithín a laghdú, is féidir ionsú cumhachta caidéalaithe a laghdú go héifeachtach, ciallaíonn laghdú ionsú cumhachta caidéalaithe laghdú teirmeach. taisceadh, rud a laghdaíonn an teocht an tsnáithín, ach d'fhonn a bhaint amach ar an aschur céanna riachtanais a mhéadú fad an snáithín, Wang et al. staidéar ar an chumhacht pumpála iomlán de 1000 W, an chumhacht pumpála dé-deireadh de 500 W, úsáidtear úsáid 0.25 dpi chun an t-aschur céanna a bhaint amach. Wang et al. léirigh gurb é 1000 W an chumhacht pumpála iomlán agus ba é 500 W an chumhacht pumpála dé-deireadh. Ba é 630 W an chumhacht aschuir le snáithín 60 m ar fad le comhéifeacht ionsú 0.25 dB, agus 725 W le snáithín 1.0 dB 20 m ar fad, ach bhí teocht uasta an tsnáithín deiridh thart ar 200 céim níos airde ná teocht an t-iarshnáithín. Bhí teocht uasta an tsnáithín deiridh níos airde ná an t-iar-snáithín. Toisc gurb é deireadh caidéil an chumhachta caidéalaithe an ceann is láidre, cé gur féidir laghdú a dhéanamh ar chomhéifeacht ionsú an tsnáithín go héifeachtach ionsú na cumhachta caidéalaithe, ach faoin mbonn go gcuirfí san áireamh éifeachtacht an ionsú pumpála, an léasair más rud é go hiomlán íseal. -dópáilte, snáithíní íseal-ionsú, an gá atá le fad an tsnáithín a mhéadú, rud a fhágann go dtiocfaidh fadhbanna eile chun cinn mar an éifeacht neamhlíneach chomh maith le laghdú ar an éifeachtacht aschuir, agus mar sin de.
3.2 Roghnú modh caidéalaithe
Taispeántar an dáileadh i bhFíor 3. Léiríonn Fíor 3 (e) go bhfuil comhéifeacht neamh-éide na hailt lár den chomhéifeacht ionsú snáithíní níos airde ná an dá thaobh, chun a chinntiú go bhfuil an dáileadh teocht aonfhoirmeach go bunúsach, is é an chumhacht aschuir mar an gcéanna i bhFíor 3 (d) nuair a ghiorrú an snáithín riachtanach níos mó ná 20m; Déanfar Figiúr 3 (f) cumhacht a phumpáil i seacht ndeighleog, tá an dáileadh teochta níos comhionann, agus is féidir an teocht a rialú i raon an-idéalach. Tá tábhacht mhór ag an modh caidéalaithe do léasair snáithíní. 2011 Ollscoil Jena tógtha léasair snáithín caidéalaithe taobh ar scála cileavata ag baint úsáide as snáithín caidéalaithe taobh dáilte, sheol 2014 SPI táirgí léasair snáithíní caidéalaithe taobh cileavata ar scála, i 2015, thuairiscigh an tSín go bhfuil Ollscoil Náisiúnta na Teicneolaíochta Cosanta agus an Fiche trian Institiúid Taighde d'fhorbair Grúpa Teicneolaíochta Leictreonaic na Síne i gcomhpháirt le snáithín caidéalaithe cumhdach taobh-chúpláilte dáilte, agus thóg sé léasair snáithín taobh-chúplála dáilte le snáithín pumpála cumhdaigh. snáithín caidéalaithe cumhdach, agus tógadh léasair snáithín go hiomlán áitiúil, ag baint amach aschur cumhachta ar scála cileavata. Is féidir le húsáid caidéalaithe neamh-éide il-deighleog nó struchtúr caidéalaithe taobh dáilte a chinntiú go bhfuil teocht an tsnáithín aonfhoirmeach, tionchar na n-éifeachtaí teirmeacha a laghdú agus fad an tsnáithín a ghiorrú go héifeachtach. Mar sin féin, tá tarraingt snáithín caidéalaithe taobh dáilte, ag laghdú caillteanas cúplála comhleá gach cuid den snáithín agus feabhas a chur ar éifeachtúlacht an eochair don teicneolaíocht. Le dul chun cinn agus forbairt na dteicneolaíochtaí tábhachtacha cosúil le dearadh snáithín, tarraingt agus splicing comhleá, cuirfear níos mó modhanna caidéalaithe i bhfeidhm i bhforbairt léasair snáithíní ardchumhachta, ar féidir iad a chomhcheangal le teicneolaíocht éifeachtach scaipeadh teasa seachtrach chun bac a chur go héifeachtach ar ghiniúint éifeachtaí teirmeacha sa snáithín agus aschur cobhsaí léasair ardchumhachta a bhaint amach.
3.3 Dearadh diomailt teasa
Is iad seoltacht theirmeach, comhiompar teirmeach agus radaíocht theirmeach na trí phríomhbhealach aistrithe teasa, toisc go bhfuil an comhéifeacht radaíochta teirmeach beag, is féidir neamhaird a dhéanamh ar a thionchar i gcoitinne, is iad seoltacht agus comhiompar na príomh-mhodhanna diomailt teasa. Le haghaidh léasair snáithín cumhachta níos lú, de ghnáth ní bhreithnigh ach an diomailt teasa comhiompar nádúrtha snáithín, tá tionchar níos lú ag radaíocht theirmeach, is féidir é a mheas go cuí.
Cuimsíonn aistriú teasa comhiompair go príomha aistriú teasa comhiompar nádúrtha agus aistriú teasa comhiompar éigean. Is é an fachtóir cinntitheach a bhaineann le diomailt teasa convective méid an chomhéifeacht aistrithe teasa convective. Baineann comhéifeacht aistrithe teasa convective h leis na hairíonna sreabhach, an ráta sreafa agus an limistéar comhiompair. Mar a thaispeántar i dTábla 1, faoi na coinníollacha céanna, tá comhéifeacht aistrithe teasa comhiompar éigean níos airde ná an comhéifeacht aistrithe teasa comhiompar nádúrtha, is é comhéifeacht aistrithe teasa comhiompar uisce arís agus arís eile an chomhéifeacht aistrithe teasa comhiompar aer. Dá mhéad an comhéifeacht aistrithe teasa convective, is amhlaidh is fearr diomailt teasa an tsnáithín. Úsáidtear diomailt teasa comhiompar aer nádúrtha go ginearálta i léasair snáithíní cumhachta níos ísle.
Nuair a aschuireann an léasair snáithín na céadta vata nó cileavata cumhachta, tá sé deacair na ceanglais diomailt teasa a chomhlíonadh trí fhuarú comhiompar íon, agus is gá modh seolta teasa ar leith a roghnú chun an teas a sheoladh ón snáithín chuig doirteal teasa ar leith. , agus ansin seoladh teasa éifeachtach nó idirleathadh comhiompar a dhéanamh tríd an doirteal teasa. Níl cruth teagmhála nó dromchla próiseála an snáithíní optúla agus an doirteal teasa oiriúnach go foirfe, mar a thaispeántar i bhFíor 4, agus tá folúntais ag an gcomhéadan teagmhála, rud a chuirfidh bac ar an seoladh teasa. Is é an príomhfhachtóir a dhéanann difear don seoladh teirmeach idir an snáithín optúil agus an doirteal teasa ná an fhriotaíocht theirmeach, atá ina thomhas ar an leibhéal seoltachta teirmeach idir na comhéadain malartaithe teasa.
Is féidir an tsamhail teoiriciúil ar fhriotaíocht theirmeach idir an snáithín optúil agus an doirteal teasa a shimpliú mar
Nuair is é Ts teocht dhromchla an tsnáithín, is é T∞ an teocht doirteal teasa, is é q″ an flosc teasa (W/m2), arb é an cóimheas idir an t-ualach teirmeach q′ (W/m) leis an imlíne, Rcontact Is é an friotaíocht teagmhála teirmeach, is é Rcond friotaíocht teirmeach an chiseal bearna, is é L tiús an chiseal bearna, is é k seoltacht theirmeach an ábhair filler sa bhearna, agus is é A achar dromchla an flosc teasa a théann tríd . Tríd an múnla thuas a ghlacadh, is féidir a fheiceáil gur féidir le friotaíocht teirmeach níos lú a chinntiú teocht an tsnáithín optúil a laghdú. Ós rud é go bhfuil seoltacht teirmeach an-íseal ag an aer ag an dá chomhéadan teagmhála (kair=0.026 W/mK), is féidir an friotaíocht teirmeach a laghdú go héifeachtach tríd an ábhar comhéadan teirmeach (TIM) a líonadh le seoltacht ard teirmeach, cé go bhfuil tiús na ciseal bearna L chomh beag agus is féidir.
Chomh maith leis an tiús bearna a laghdú agus an seoltacht theirmeach a mhéadú, is féidir teocht an dromchla snáithín a laghdú trí chruth an doirteal teasa a rialú. Taispeántar struchtúir doirteal teasa notch dronuilleogach coitianta, V-chruthach agus U-chruthach i bhFíor 5. Rinneadh measúnú ar fhriotaíocht theirmeach trí struchtúr groove éagsúla le haghaidh leáphointe an tsnáithín athbhrataithe, agus le paraiméadair eile comhsheasmhach, tá an U-chruthach tá an friotaíocht teirmeach is lú agus an éifeacht fuaraithe níos fearr ag groove leis an imlíne is giorra, agus tá an fhriotaíocht teirmeach is mó agus an éifeacht fuaraithe níos measa ag an groove V-chruthach leis an imlíne is faide, agus níl an difríocht soiléir in iarratais phraiticiúla, agus an cineál U agus úsáidtear struchtúir de chineál V níos minice, agus is léir go bhfuil an éifeacht diomailt teasa níos fearr ná sin na siní teasa íon pleanr.
Nuair a bhíonn an léasair snáithín á oibriú ag ísealchumhachta, is féidir é a fhuaraithe ag an modúl fuaraithe leathsheoltóra (TEC) agus an doirteal teasa, agus nuair a bhíonn an léasair snáithín á oibriú ag cumhacht níos airde, is féidir é a fhuaraithe le huisce chun oibriú cobhsaí a chinntiú. teocht.Li et al. chuir an CCE i bhfeidhm ar fhuarú seachtrach an EYDFL, agus d'úsáid sé an struchtúr caidéalaithe deiridh dúbailte chun an CCE a chur i bhfeidhm ar an doirteal teasa alúmanaim imeallach don chéad snáithín 10.2 cm faoi oibríocht ardchumhachta, agus taispeántar an groove U-chruthach i bhFíor 12(a). Taispeántar an groove U-chruthach in Fíor 12(a). Léiríonn an cuar gorm i bhFíor 6(b) dáileadh teocht an tsnáithín i dteagmháil leis an doirteal teasa, agus is é an cuar dearg dáileadh teoiriciúil teocht an tsnáithín, agus laghdaíonn úsáid TEC agus doirteal teasa an teocht go héifeachtach. an snáithín.
Maidir le léasair snáithín ardchumhachta, tá líon mór taighde tar éis cóireáil díomite teasa spriocdhírithe a ghlacadh chun cumhacht aschuir ard a fháil os cionn leibhéal na cileavata gan éifeacht neamhlíneach agus feiniméan damáiste teirmeach, agus cinntíonn dea-theicneolaíocht bainistíochta teirmeach oibriú cobhsaí léasair snáithín. Sa staidéar, déantar an diomailt teasa snáithín den chuid is mó trí fhoirceannadh eitleáin agus foirceannadh sorcóra, ag baint úsáide as siní teasa miotail le grooves cineál U nó V greanta, agus líontar an bhearna teagmhála idir an snáithín agus na grooves le silicone seoltach teirmeach. ramhar (is gnách go mbíonn seoltacht theirmeach níos mó ná 2 W/mK) chun an teas a bhaint trí bhíthin uiscefhuaraithe, agus taispeántar a struchtúr i bhFíor 7.
Le forbairt na teicneolaíochta bainistíochta teirmeach léasair snáithín ard-chumhachta, caidéalú leathsheoltóra, cúpláil snáithíní agus cumhdach scagadh optúil agus príomhtheicneolaíochtaí eile, déanfar an éifeacht teirmeach mar cheann de na baic i bhfeabhsú cumhachta a rialú go maith, agus beidh cumhacht an léasair snáithín. leanfaidh sé ag feabhsú. Ag an am céanna, is féidir le teicneolaíocht éifeachtach bainistíochta teirmeach freisin forbairt na teicneolaíochta pacáistithe comhtháite léasair snáithín a chur chun cinn, ionas gur féidir léasair snáithín ardchumhachta a chur i bhfeidhm ar raon níos leithne timpeallachta.
