光纤激光器中包层功率剥离器散热性能的优化*

夏情感 肖文波 † 李军华 金鑫 叶国敏 吴华明 马国红

1) (南昌航空大学, 江西省图像处理与模式识别重点实验室, 南昌 330063)

2) (南昌航空大学, 无损检测技术教育部重点实验室, 南昌 330063)

3) (江西省光电检测技术工程实验室, 南昌 330063)

4) (南昌大学, 机电工程学院, 南昌 330031)

光纤激光器系统中的包层功率剥离器在去除残余抽运光和高阶激光时, 由于光热转换会产生大量的热能, 所以将热能高效的耗散成为当前的研究热点.本文对国内外现有的五种剥离器进行了仿真研究与对比,发现用高折胶法制作剥离器时, 改变填胶孔的形状, 可以有效地增大热源与传热介质间的表面积-体积比, 从而降低剥离器工作时的温度峰谷值; 还发现将高折胶法和酸腐蚀法结合制备粗细不均匀的两段式光纤包层结构, 可以提升剥离器的热分布均匀性.根据上述发现, 提出了一种新颖的剥离器结构并进行了热效应研究.结果表明: 包层功率为 150 W 时, 该剥离器的温度峰值为 298 K, 温度谷值为 293 K, 温差为 5 K; 相比于上述五种剥离器, 其温度峰值最多降低了11.3%, 温度谷值最多降低了8.4%, 温差最多降低了87.5%, 证明了该剥离器能有效抑制温升及具有热分布均匀性.

1 引 言

光纤激光器具有光束质量好、转换效率高、使用成本低、可靠性高和体积小等优势, 已经被广泛应用于工业加工、光学传感、医疗器械和军事装备等领域[1−4].随着半导体激光器抽运技术的不断发展, 光纤激光器的输出功率不断增大.由于增益光纤无法将抽运光完全吸收, 其输出的激光中会含有在包层中传输的残余抽运光和高阶激光等无用光,也称为包层光, 这些包层光会恶化激光的光束质量, 并对系统中的元件造成损害, 所以必须将其剥离[5−7].常见输出功率为千瓦级的光纤激光器中包层光的功率(简称包层功率, 用物理量Pb表示)为数百瓦[8−10], 国内外研究者提出不同的技术剥离包层功率, 包括高折胶法、酸腐蚀法以及高折射率基质法等[11−13].高性能包层功率剥离器 (cladding power stripper, CPS)要求功率衰减系数大、纤芯光传输损耗低和温升系数小, 能在激光高功率输出下安全稳定地工作[14], 但现有方法和制备工艺等存在的问题, 会使得包层功率在光纤前端几毫米范围内大量剥离, 从而导致光纤局部温度陡升(例如采用高折胶法或酸腐蚀法), 其发热集中问题仍无法很好地解决.

为此, 本文对国内外已有的五种CPS进行热效应仿真研究.结果表明, 这些CPS对包层功率的剥离各具特色, 但并非是最优的; 通过改进剥离方法并改变填胶孔的形状, 本文提出了一种低温度峰谷值且热分布均匀的包层功率剥离器结构.

2 五种CPS结构、仿真边界条件及结果分析

2.1 五种CPS结构

龚凯等[15]于2017年采用高折胶法制作了一种 CPS, 结构如图1(a)所示, 称其为剥离器 1; 其热沉材料为铝, 长 120 mm, 宽 20 mm, 高 20 mm;填胶孔呈圆柱形, 长 120 mm, 半径为 5 mm; 填胶孔内的光纤用折射率为1.68的高折胶涂覆.

图1 五种 CPS 的结构图 (a)剥离器 1; (b)剥离器 2;(c)剥离器 3; (d)剥离器 4; (e)剥离器 5Fig.1.Structural diagrams of five CPS: (a) CPS1; (b)CPS2; (c) CPS3; (d)CPS4; (e) CPS5.

Wang等[16]于2013年采用高折胶法制作了一种CPS, 结构如图1(b)所示, 称其为剥离器2;其热沉材料为铝, 长 100 mm, 宽 20 mm, 高 20 mm;填胶孔呈半椭球形, 长 100 mm; 将其光纤除去涂覆层后分为三段, 用折射率为1.44, 1.46和1.56的高折胶进行间隔涂覆.

Zhang等[17]于2015年采用高折胶法制作了一种CPS, 结构如图1(c)所示, 称其为剥离器3;其热沉材料为铝, 长 100 mm, 宽 20 mm, 高 20 mm;填胶孔是一个V型槽, 长100 mm; V型槽内的光纤用折射率为1.68的高折胶涂覆.该CPS将光纤以圆环形式绕在圆盘上, 本文截取一段作为研究对象.

Reza Poozesh等[18]于2012年采用高折胶法和酸腐蚀法结合, 制作了一种CPS, 结构如图1(d)所 示 , 称 其 为 剥 离 器 4; 其 热 沉 材 料 为 铜 , 长70 mm, 宽 4 mm, 高 5 mm; 填胶孔是一个方形槽,长 70 mm, 宽 0.6 mm, 高 2 mm; 方形槽中放置用HF酸腐蚀过的光纤, 用折射率为1.56的高折胶涂覆.

Yin等[19]于2017年采用酸腐蚀法制作了一种 CPS, 结构如图1(e) 所示, 称其为剥离器 5; 其热沉材料为铝, 长 100 mm, 宽 10 mm, 高 10 mm;用HF酸将其光纤包层腐蚀成粗细不均匀的两段,第一段长 50 mm, 其包层半径为 0.156 mm, 第二段长 45 mm, 其包层半径为 0.1 mm; 两段光纤中间由一段长5 mm的圆锥台形光纤衔接.

2.2 仿真边界条件

使用Comsol软件的固体传热模块对五种CPS进行热效应仿真, 将外部环境温度设为293.15 K.剥离器 1—4 是基于高折胶法制作的, 包层功率主要在高折胶与热沉金属界面转化为热; 由于高折胶固化后的光透过率很高, 界面光热转化功率近似为包层功率, 所以将边界热源设在胶-热沉界面.剥离器5采用酸腐蚀法, 包层功率在被腐蚀的光纤表面剥离并转化为热, 所以将边界热源设在光纤表面.热通量边界设为热沉的外表面, 包层功率剥离器封装在光纤激光器中, 故不考虑其热沉表面对流散热[20].

2.3 结果分析

将包层功率设置为150 W, 对五种CPS进行热效应仿真, 其切片热分布如图2所示, 其中剥离器1—5分别对应图中的(a)—(e).切片热分布图中每种CPS都有三列温度标示图, 从左至右分别给出了CPSxy平面、yz平面和zx平面的切片温度.

图2 Pb = 150 W 时五种 CPS 的切片热分布图 (a)剥离器 1; (b)剥离器 2; (c)剥离器 3; (d)剥离器 4; (e)剥离器 5Fig.2.The slice thermal profile of five CPS when Pb = 150 W: (a) CPS1; (b) CPS2; (c) CPS3; (d) CPS4; (e) CPS5.

首先, 从图2中可以发现, 剥离器1三个切片的温度峰值相同, 都是 321 K; 温度谷值相差 1 K,xy平面和zx平面的相同为 314 K,yz平面的为315 K; 温度峰值和温度谷值差,xy平面和zx平面的相同为 7 K,yz平面的为 6 K.剥离器 2 三个切片的温度峰值相差1 K,xy平面和zx平面的相同为 312 K,yz平面的为 313 K; 温度谷值相差 1 K,yz平面和zx平面的相同为 299 K,xy平面的为300 K; 温度峰值和温度谷值差,xy平面的为 12 K,yz平面的为 14 K,zx平面的为 13 K.剥离器 3 三个切片的温度峰值相同, 都是316 K; 温度谷值相差 13 K,xy平面和yz平面的相同为 295 K,zx平面的为 308 K; 温度峰值和温度谷值差,xy平面和yz平面的相同为 21 K,zx平面的为 8 K.剥离器4 三个切片的温度峰值相同, 都是 336 K; 温度谷值相同, 都是 296 K; 温度峰值和温度谷值差,xy平面、yz平面和zx平面的相同, 都是 40 K.剥离器5三个切片的温度峰值相差1 K,yz平面和zx平面的相同为 325 K,xy平面的为 324 K; 温度谷值相同, 都是 320 K; 温度峰值和温度谷值差,xy平面的为 4 K,yz平面和zx平面的相同为 5 K.

其次, 对比剥离器1—5的温度峰值及谷值,发现剥离器2的温度峰值在五种剥离器中最低, 剥离器3的温度谷值最低, 所以剥离器2和3的散热性能更好.原因可能是剥离器2的填胶孔呈半椭球形, 剥离器3的填胶孔呈三棱柱凹槽形; 相比于其他三种剥离器, 剥离器2和剥离器3填胶孔的表面积-体积比更大, 即其热源与传热介质间的表面积-体积比更大, 散热性能更好[21].

对比剥离器1—5的温度峰值及谷值变化, 再次发现剥离器4的切片热分布均匀性最好, 剥离器4三个切片的温度峰谷值相同.其原因可能是剥离器4将高折胶法和酸腐蚀法结合, 使用HF酸将光纤的包层腐蚀, 可以使得光纤中的包层功率散射到高折胶中[9], 高折胶吸收来自不同方向的散射光,所以剥离器内部由光转化的热也更加的均匀, 其切片热分布均匀性也更好.

对比温度峰值和谷值差, 最后发现剥离器5的温差最小, 仅5 K, 说明其整体热分布均匀性更好;其原因可能是剥离器5采用了分段酸腐蚀法, 相比于传统的酸腐蚀法, 将光纤包层腐蚀成粗细不均匀的几段, 可以使包层功率在光纤轴向均匀的剥离,从而使得剥离器内部的热分布更加均匀.

为此研究CPS的整体热分布性能.包层功率为150 W时, 五种CPS的整体热性能数据记录在表1.

表1 Pb = 150 W 时五种 CPS 的整体热性能数据 Table 1.Overall thermal performance data of five CPS when Pb = 150 W.

由表1可以看出, 剥离器1温度峰值为321 K,温度谷值为 314 K, 温差为 7 K; 剥离器 2 温度峰值为 313 K, 温度谷值为 299 K, 温差为 14 K; 剥离器 3 温度峰值为 316 K, 温度谷值为 295 K, 温差为 21 K; 剥离器 4 温度峰值为 336 K, 温度谷值为 296 K, 温差为 40 K; 剥离器 5 温度峰值为 325 K,温度谷值为 320 K, 温差为 5 K.剥离器 2 的温度峰值在五种剥离器中最低, 剥离器3的温度谷值最低, 剥离器5的温差最小.该结果与切片热分布图得出的结果一致, 进一步证明了上述结论.

为了更进一步验证以上结论, 将包层功率设为200 W, 五种CPS的整体热性能数据见表2.

表2 Pb = 200 W 时五种 CPS 的整体热性能数据 Table 2.Overall thermal performance data of five CPS when Pb = 200 W.

由表2可以看出, 包层功率为200 W时, 剥离器 1 温度峰值为 326 K, 温度谷值为 318 K, 温差为 8 K; 剥离器 2 温度峰值为 319 K, 温度谷值为301 K, 温差为 18 K; 剥离器 3 温度峰值为 324 K,温度谷值为 295 K, 温差为 29 K; 剥离器 4 温度峰值为 350 K, 温度谷值为 296 K, 温差为 54 K; 剥离器 5 温度峰值为 335 K, 温度谷值为 328 K, 温差为7 K.由此可知, 剥离器2的温度峰值在五种剥离器中最低, 剥离器3的温度谷值最低, 剥离器5的温差最小.上述结论与包层功率为150 W时得出的结论一致, 进一步证明了本文结论.

3 剥离器优化及结果分析

根据上述结论, 为了进一步降低CPS的温度峰谷值, 结合剥离器2和3的优点制作了剥离器6,如图3(a)所示; 该剥离器热沉材料为铝, 长100 mm, 宽 20 mm, 高 20 mm; 填胶孔设计为圆锥台形, 以获得更大的表面积-体积比, 长 100 mm,顶面半径为 6 mm, 底面半径为 4 mm.

图3 剥 离 器 6, 7, 8 的 结 构 图 及 两 段 式 光 纤 细 节 图(a)剥离器 6; (b)剥离器 7; (c) 剥离器 8; (d) 两段式光纤细节图Fig.3.Structural diagrams of CPS 6, 7, 8 and Two-section optical fiber detail diagram: (a) CPS6; (b) CPS7; (c) CPS8;(d)Two-section optical fiber detail diagram.

根据上述结论, 为了进一步提升CPS的热分布均匀性, 结合剥离器4和5的优点制作了剥离器 7, 如图3(b) 所示; 该剥离器热沉材料为铝, 长100 mm, 宽 10 mm, 高 10 mm; 填胶孔呈方形, 长100 mm, 宽 4 mm, 高 5 mm.剥离器 7 将高折胶法和酸腐蚀法结合, 其内部光纤用HF酸腐蚀成粗细不均匀的两段, 粗端光纤呈圆柱形, 长 50 mm,半径为 0.156 mm; 细端光纤也呈圆柱形, 长 45 mm,半径为0.1 mm; 两段光纤由一段呈圆锥台形的光纤衔接, 长 5 mm, 顶面半径 0.156 mm, 底面半径0.1 mm.

根据上述结论, 为了进一步降低CPS的温度峰谷值并提升其热分布均匀性, 结合剥离器2, 3,4, 5 的优点制作了剥离器 8, 如图3(c)所示; 该剥离器热沉材料为 铝 , 长 100 mm, 宽 20 mm, 高20 mm; 其填胶孔形状与剥离器 6 相同, 呈圆锥台形, 长 100 mm, 顶面半径为 6 mm, 底面半径为4 mm; 剥离方法与剥离器 7 相同, 将高折胶法和酸腐蚀法结合, 其内部光纤用HF酸腐蚀成粗细不均匀的两段, 粗端光纤呈圆柱形, 长 50 mm, 半径为 0.156 mm; 细端光纤也呈圆柱形, 长 45 mm, 半径为0.1 mm; 两段光纤由一段呈圆锥台形的光纤衔接, 长 5 mm, 顶面半径为 0.156 mm, 底面半径为0.1 mm.图3(d)是两段式光纤细节展示图.

表3 中分别记录了剥离器 6, 7和 8剥离150 W包层功率时的整体热性能数据.由表3可以看出, 剥离器 6温度峰值为 309 K, 温度谷值为293 K, 温差为 16 K; 剥离器 7 温度峰值为 320 K,温度谷值为 315 K, 温差为 5 K; 剥离器 8 温度峰值为 298 K, 温度谷值为 293 K, 温差为 5 K.

表3 Pb = 150 W 时剥离器 6, 7, 8 的整体整体热性能数据Table 3.Overall thermal performance data of CPS 6, 7 and 8 when Pb = 150 W.

首先对比表3中剥离器6与表1中剥离器2和3, 可以看出剥离器6的温度峰值相比于剥离器 2 下降了 4 K, 比剥离器 3 下降了 7 K; 剥离器6的温度谷值相比于剥离器2下降了6 K, 比剥离器3下降了2 K.这证明了改变填胶孔的形状可以降低剥离器的温度峰谷值.其次, 对比表3中剥离器7与表1中剥离器4和5, 可以看出剥离器7的温差为 5 K, 相比于剥离器 4 下降了 35 K, 与剥离器5相同.这证明了将高折胶法和酸腐蚀法结合,把光纤分段腐蚀成不均匀的两段可以提升剥离器的热分布均匀性.最后, 对比表3中的剥离器6,7和8, 发现剥离器8的温度峰值相比于剥离器6和7分别下降了11 K和22 K, 其温度谷值与剥离器6相同, 相比于剥离器7下降了22 K; 其温差与剥离器7相同都是5 K, 相比于剥离器6下降了11 K, 性能最优.从而间接证明了上述分析的正确性.

4 结 论

本文对国内外五种CPS的热效应进行研究和对比, 发现剥离器2的温度峰值最低, 剥离器3的温度谷值最低, 剥离器4的切片热分布最均匀, 剥离器5的温差最小.原因在于改变填胶孔的形状可以增大热源与传热介质间的表面积-体积比, 从而降低剥离器的温度峰谷值; 将高折胶法与酸腐蚀法结合, 把光纤分段腐蚀成不均匀的两段, 可以使包层光无规则散射在光纤轴向, 从而使得包层功率均匀剥离以提升整体热分布均匀性.为此本文结合上述分析, 提出了一种新颖的剥离器8.研究表明: 在剥离 150 W 包层功率时, 其温度峰值为 298 K, 温度谷值为 293 K, 温差为 5 K; 相比于引文中的五种CPS, 其温度峰值分别降低了4.8%—11.3%, 温度谷值分别降低了0.7%—8.4%, 温差分别降低了0—87.5%.这证明了其能有效抑制温升及具有热分布均匀性.