Mối nối sợi tổng hợp xác định giới hạn hiệu suất trên của laser công suất cao.

Trong những năm gần đây, tia laser cấp kilowatt dần trở nên phổ biến hơn. Ngành công nghiệp luôn tập trung vào công suất đầu ra, chất lượng chùm tia và hiệu suất chuyển đổi ánh sáng sang ánh sáng của laser, nhưng nó thường bỏ qua quá trình cốt lõi ẩn quyết định giới hạn sống chết của quá trình ghép nối phản ứng tổng hợp sợi quang bằng laser.

Chất lượng nối kém có thể dẫn đến giảm hiệu suất chuyển đổi ánh sáng của tia laser và gây mất ổn định chế độ ngang (TMI). Trong trường hợp nghiêm trọng, nó có thể trực tiếp dẫn đến cháy và phá hủy sợi quang, thậm chí gây hư hỏng vĩnh viễn cho toàn bộ nền tảng laser.

Bài viết này thảo luận về ảnh hưởng của hiệu suất nối laser công suất cao và tìm hiểu cách chọn máy hàn nhiệt hạch sợi quang đáng tin cậy.

1. Tại sao phản ứng tổng hợp sợi quang lại nối 'đường sống hay chết' cho laser công suất cao?

Kiểm tra phản ứng tổng hợp sợi chỉ đơn giản là sử dụng hồ quang điện cao áp để kết hợp các đầu của hai sợi quang, sau đó sử dụng cơ chế chuyển động có độ chính xác cao để đẩy chúng lại với nhau một cách trơn tru, cho phép hai sợi hợp nhất thành một, đạt được sự kết nối của sợi quang và truyền dẫn khép kín hoàn toàn của đường dẫn quang. Đối với laser cấu trúc toàn sợi, toàn bộ đường quang bao gồm hoàn toàn các sợi quang và các thành phần sợi, đồng thời tất cả các thành phần cần được kết nối thông qua phản ứng tổng hợp. Chất lượng của phản ứng tổng hợp trực tiếp xác định giới hạn dưới hiệu suất và giới hạn trên của tuổi thọ của toàn bộ tia laser.

Trong các kịch bản cáp quang truyền thông công suất thấp truyền thống, tổn thất nối nhiệt hạch dưới 0,2 dB là đủ để đáp ứng yêu cầu sử dụng. Tuy nhiên, trong các laser sợi quang khoang cộng hưởng công suất cao có công suất vượt quá 3 kW, ngay cả tổn thất nối nhiệt hạch 0,1 dB cũng có thể dẫn đến tích tụ nhiệt gây tử vong, trở thành nguyên nhân dẫn đến hỏng hóc của laser.

1. Trực tiếp hạ thấp hiệu suất cốt lõi của laser: mất năng lượng và hiệu suất bất thường

Laser sợi quang cấu trúc bộ cộng hưởng công suất cao có yêu cầu cao hơn nhiều về chất lượng của phản ứng tổng hợp sợi so với các kịch bản công suất thấp và cấu trúc bộ khuếch đại. Sự kết hợp của sợi chủ động và thụ động phủ lớp kép pha tạp ytterbium chắc chắn sẽ gây ra những tổn thất cố hữu nhất định và chất lượng tổng hợp kém sẽ khiến những tổn thất này tăng lên theo cấp số nhân.

Theo dữ liệu đo thực tế, khi mối nối không tốt, ở điều kiện công suất cao, hiệu suất chuyển đổi quang sang quang của laser sẽ thấp hơn từ 1% đến 3% và nhiệt độ bề mặt của bộ tháo gỡ công suất lớp phủ (CPS) sẽ cao hơn từ 5 đến 10 độ C.

Trong thử nghiệm, đối với mẫu có chất lượng nhiệt hạch kém nhất, hiệu suất chuyển đổi quang sang quang giảm 2,28% và nhiệt độ CPS tăng vọt 11,2oC. Trong trường hợp nghiêm trọng hơn, khi công suất bơm đạt 3800W, công suất đèn tín hiệu sẽ chững lại, nhiệt độ CPS tăng nhanh, trực tiếp gây ra hiệu ứng TMI, khiến tia laser mất hoàn toàn khả năng phát ra công suất cao ổn định. Ở đây, một khái niệm cốt lõi của ngành được thêm vào: tính không ổn định của chế độ bên.

(TMI) là một trong những điểm nghẽn cốt lõi để laser sợi quang công suất cao đạt được công suất trên mười nghìn watt. Nói một cách đơn giản, khi công suất bơm tăng lên, chế độ cơ bản của laser sẽ trải qua quá trình ghép phi tuyến với các chế độ bậc cao hơn, dẫn đến chất lượng chùm tia bị suy giảm rõ rệt và công suất đầu ra dao động đáng kể. Và hiệu ứng nhiệt do khuyết tật nối nhiệt hạch gây ra là một trong những nguyên nhân cốt lõi gây ra TMI.

2. Rủi ro nghiêm trọng: Việc đốt cháy điểm đứt của sợi quang và làm hư hỏng nền tảng nghiêm trọng hơn các bất thường về nguồn điện. Chúng được gây ra bởi chất lượng nhiệt hạch kém, dẫn đến điểm đứt và cháy của sợi quang. Đây cũng là một trong những dạng hư hỏng phổ biến nhất trong quá trình sản xuất và thử nghiệm tia laser công suất cao.

Điểm hợp nhất nằm trong bộ cộng hưởng laser, ở cả hai đầu của sợi quang hoạt động. Đó chính xác là vị trí trong toàn bộ đường quang nơi mật độ năng lượng cao nhất và độ đồng đều của chiết suất và ứng suất là kém nhất. Khi chất lượng nhiệt hạch suy giảm hơn nữa, năng lượng cục bộ quá mức sẽ khiến lõi nóng lên mạnh, dẫn đến hiệu ứng nhiệt mạnh, cuối cùng gây ra hiệu ứng cầu chì lõi, dẫn đến sự phân mảnh của lớp lõi trong phần nhiệt hạch, xuất hiện các hốc hình viên đạn, hoặc thậm chí nóng chảy trực tiếp.

Từ đó, chúng ta có thể kết luận rằng một máy tổng hợp sợi quang tốt cần có những đặc điểm sau: 1. Hình ảnh rõ ràng, có khả năng hiển thị chi tiết của sợi quang, chuẩn bị cho việc căn chỉnh tốt. 2. Hệ thống và hệ thống kẹp đòi hỏi độ chính xác cao. Trong quá trình căn chỉnh chính xác các sợi quang, chúng cần duy trì sự ổn định và giảm thiểu sai sót. 3. Độ chính xác của kết cấu là cực kỳ khắt khe. Máy tổng hợp sợi quang có nhiều bộ phận, nếu độ chính xác thấp sẽ gây ra những lỗi nghiêm trọng trong toàn bộ quá trình đặt và điều chỉnh lõi. 4. Thiết kế cấu trúc hợp lý và có khả năng chống chịu nhiệt độ cao và rung động mạnh. Đảm bảo độ bền khi sử dụng lâu dài.