1 kW摻Y(jié)b全光纖放大器的散熱處理

董繁龍,葛廷武,張雪霞,王智勇

(北京工業(yè)大學(xué) 激光工程研究院 國家產(chǎn)學(xué)研激光技術(shù)中心,北京 100124)

·激光器技術(shù)·

1 kW摻Y(jié)b全光纖放大器的散熱處理

董繁龍,葛廷武,張雪霞,王智勇

(北京工業(yè)大學(xué) 激光工程研究院 國家產(chǎn)學(xué)研激光技術(shù)中心,北京 100124)

基于主振蕩功率放大(MOPA)結(jié)構(gòu),搭建了千瓦級摻Y(jié)b全光纖放大器。最大泵浦功率為1496 W的條件下,獲得了1024 W波長1.08 μm的基模連續(xù)激光輸出,光-光轉(zhuǎn)換效率68.5%,光束質(zhì)量M2=1.24。對高功率連續(xù)光纖放大器中的熱效應(yīng)進(jìn)行研究,并對于僅由于涂覆層的熱損傷引起的功率極限給出了理論模擬。不同散熱條件下,對摻Y(jié)b光纖橫截面上徑向的溫度分布進(jìn)行了模擬。通過對20/390 μm無源光纖與20/400 μm摻Y(jié)b光纖的熔接方式進(jìn)行優(yōu)化,解決了模擬結(jié)果與實驗結(jié)果不一致的問題,并對該點的冷卻進(jìn)行了實驗研究。最終,放大級泵浦光注入處熔接點表面最大溫度不超過60 ℃。

光纖激光器；全光纖結(jié)構(gòu)；光纖散熱；光纖熔接

1 引 言

隨著高亮度激光二極管泵浦光纖耦合技術(shù)、大模場面積雙包層摻雜光纖、泵浦合束器、光纖光柵等關(guān)鍵技術(shù)與器件的研究工作取得突破性進(jìn)展,高功率全光纖化的光纖激光器輸出功率不斷提高[1-5]。早在2009年,IPG光子公司就已經(jīng)采用多級放大的方式實現(xiàn)了10 kW的單模單纖激光輸出,光束質(zhì)量M2< 1.3[6]。國內(nèi)高功率光纖激光研究起步相對較晚,但近年來也取得了突破性進(jìn)展,多家單位已經(jīng)成功實現(xiàn)千瓦級以上的輸出[7-9]。

但是,超過2 kW的單纖單模輸出,國內(nèi)尚未見報道。限制高功率光纖激光器進(jìn)一步提升的原因是,由于傳統(tǒng)的高功率光纖激光器采用端面抽運,利用合束器來實現(xiàn)抽運光的注入。泵浦光大量集中在有源光纖和合束器尾纖連接處,由于量子虧損和耦合損耗導(dǎo)致產(chǎn)生了大量的熱量,使得光纖端面的溫度非常高,嚴(yán)重影響了合束器和有源光纖的運行安全。在大功率的激光運轉(zhuǎn)中,熱效應(yīng)已經(jīng)成為必需考慮的重要問題,直接影響了光纖激光器輸出功率的提高和進(jìn)一步發(fā)展[10,11]。尤其是,雙包層光纖涂覆層的熱損傷是高功率連續(xù)光纖激光器運轉(zhuǎn)的主要限制因素之一。傳統(tǒng)雙包層光纖的聚合物涂覆層對溫度很敏感,當(dāng)溫度達(dá)到120 ℃以上時往往會引起熱損傷,長時間穩(wěn)定運行一般要求溫度低于80 ℃。因此,對光纖進(jìn)行冷卻以保證涂覆層在安全溫度范圍內(nèi)是確保激光器的安全運行的關(guān)鍵。另外,導(dǎo)致有源光纖和合束器尾纖連接處的涂覆層溫度過高的原因之一,是該處泵浦光的耦合損耗,這主要是由熔接損耗引起。因此,改善泵浦點處熔接質(zhì)量,可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的輸出功率和穩(wěn)定性。

本文對高功率連續(xù)光纖放大器中的熱效應(yīng)進(jìn)行研究,首先,對于僅由于涂覆層的熱損傷引起的功率極限給出了理論模擬,并對摻Y(jié)b光纖橫截面徑向的溫度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬；其次,對有源光纖和無源光纖的熔接進(jìn)行了實驗分析,采用“fire-polish”的方法對該熔接點的熔接質(zhì)量進(jìn)行了優(yōu)化,改善了其散熱效果。搭建了1 kW全光纖主振蕩功率放大結(jié)構(gòu)的光纖放大器。

2 全光纖激光器結(jié)構(gòu)

1 kW光纖放大器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。主振蕩級采用14個尾纖為105/125 μm,泵浦波長為975 nm 最大輸出功率為25 W的半導(dǎo)體激光器作為泵浦源,對20 m的Nufern生產(chǎn)的20/400 μm大模場面積摻Y(jié)b雙包層光纖進(jìn)行前向端面泵浦,采用一對中心波長為1080 nm的光纖光柵作為諧振腔的腔鏡,高反光柵反射率為99%,透射光柵反射率為10%。放大級采用6個DILAS的半導(dǎo)體堆棧激光器作為泵浦源,其輸出尾纖為200/220 μm,最大輸出功率為200 W,最大輸出功率時泵浦波長為976 nm,經(jīng)(6+1)×1泵浦耦合器對放大級17 m的摻Y(jié)b雙包層光纖進(jìn)行泵浦。振蕩級與放大級之間以及放大級后采用包層功率剝離器對包層光進(jìn)行剝除。最后,采用帶QBH端帽結(jié)構(gòu)的20/400 μm傳能光纖作為輸出器件。

圖1 光纖激光器原理圖

3 熱效應(yīng)分析

首先分析受限于光纖涂覆層熱損傷的激光功率極限。若泵浦光與激光間的量子虧損是增益光纖內(nèi)的唯一發(fā)熱因素,理論上單端泵浦的光纖激光器或放大器的最高輸出功率為[12]:

式中,Td為光纖涂覆層所能承受的最高溫度;T∞為周圍環(huán)境的溫度(或者是熱沉的溫度);k3為外包層的導(dǎo)熱系數(shù);b為內(nèi)包層半徑;c為外包層半徑;h為對流換熱系數(shù);αp泵浦光吸收系數(shù);νL為激光頻率;νp為泵浦光頻率;ηabs為光纖吸收的泵浦光比例;ηq為量子效率。

圖2 光纖涂覆層完好時最高輸出功率PLmax與對流換熱系數(shù)h的關(guān)系圖

圖2為Nufern 20/400 μm摻Y(jié)b雙包層光纖理論上所能承受的最高輸出功率PLmax隨對流換熱系數(shù)h的變化曲線。該光纖在975nm波長處αp=1.26dB/m。若要使該光纖在千瓦級輸出功率時無熱損傷的安全運行,h應(yīng)大于1000W/m2·K。但是僅靠風(fēng)冷的方式是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這個數(shù)值的。對于光纖的散熱來說,熱傳導(dǎo)要比空氣對流更加有效[13],于是引入刻了凹槽的金屬熱沉來冷卻光纖,如圖3所示。并在光纖與熱沉之間填充具有良好的導(dǎo)熱系數(shù)且對光纖涂覆層沒有傷害的熱界面材料(Thermalinterfacematerial,TIM),這可以減小光纖與熱沉之間的熱阻[14-16],有利于光纖與熱沉之間的有效熱量傳遞。

圖3 金屬光纖冷卻盤

在光纖與金屬凹槽之間不填充熱界面材料和填充導(dǎo)熱系數(shù)為4.5W/m·K的熱界面材料兩種情況下,對沿光纖徑向的溫度分布進(jìn)行了模擬,結(jié)果如圖4所示。模擬采用的幾個主要參數(shù)包括:光纖纖芯直徑20μm,內(nèi)包層直徑400μm,外包層直徑550μm；空氣的熱傳導(dǎo)導(dǎo)熱系數(shù)0.026W/m·K；熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)4.5W/m·K；銅熱沉的導(dǎo)熱系數(shù)400W/m·K；銅熱沉與冷卻水之間的對流換熱系數(shù)5000W/m2·K；環(huán)境(冷卻水)溫度為20 ℃。

圖4 不同散熱方式下,增益光纖徑向溫度分布

由于增益光纖軸向上某處的溫度與該處的泵浦功率成正比,所以溫度最高處在放大級耦合器輸出尾纖與放大級增益光纖的熔點。數(shù)值模擬中采用的泵浦功率為1200W,從模擬結(jié)果可知,光纖橫截面上的溫度從纖芯到包層呈逐漸降低趨勢；在填充熱界面材料后光纖涂覆層表面的溫度大大降低,僅為40 ℃左右。

但是,實驗所用的耦合器輸出尾纖的內(nèi)包層截面呈圓形,直徑在390～395μm之間,而放大級增益光纖的內(nèi)包層為八邊形,兩者并不完全匹配,所以熔接點處的實際溫度還要考慮熔接損耗的影響。在利用VytranGPX-3400系列光纖熔接機對兩種光纖進(jìn)行熔接時發(fā)現(xiàn),加熱后熔化的增益光纖的石英內(nèi)包層由于表面張力,最終截面呈圓形結(jié)構(gòu),其直徑約為400μm,如圖5所示。

圖5 加熱前后增益光纖內(nèi)包層截面形狀變化

包層的不匹配,導(dǎo)致泵浦光在該處損耗較大,直接影響熔接點的散熱。實驗發(fā)現(xiàn),熔接質(zhì)量的好壞與熔接后光纖包層的過渡是否平滑有關(guān)。熔接區(qū)過渡越平滑,損耗越小,通光時的表面溫度也越低。Vytran光纖熔接機利用石墨火頭對光纖進(jìn)行加熱。選擇合適的加熱時間和加熱區(qū)長度可以有效地實現(xiàn)不同包層直徑光纖間熔接點處的平滑過渡。實驗中,通過控制熔接機火焰的功率及掃描行程,利用火焰掃描拋光“fire-polish”的方法,來“勻化”熔點處的光纖包層突變,降低熔接損耗。如圖6所示,先將包層390μm的無源光纖與包層400μm的摻Y(jié)b光纖直接熔接；再調(diào)節(jié)熔接機火焰的掃描行程,使其以“Z”字形軌跡循環(huán)掃描熔點處,掃描期間其往返行程以熔接點軸對稱逐漸減小,通過調(diào)節(jié)火焰的功率和往返的行程差,可以獲得熔接點處不同的“勻化”效果,針對不同的光纖,火焰功率、行程和勻化次數(shù)都不相同,實驗中采用的擴芯區(qū)域的長度為900μm,火焰的軸對稱行程差為300μm,往返次數(shù)為3次。

圖6 利用火焰掃描對熔接點進(jìn)行“勻化”處理

經(jīng)過“勻化”處理后的熔接點泵浦光插入損耗小于0.05dB,便于散熱和封裝。實驗中實時監(jiān)測此熔接點的溫升情況,以保證系統(tǒng)安全運行。采用直接測量的方法,將測溫紙貼于放大級耦合器輸出尾纖與放大級增益光纖的熔接點處(熔接點處光纖表面與貼紙之間已填充導(dǎo)熱硅脂),觀察測溫紙的不同溫度值處的顏色變化,由于采用了較好的制冷措施,激光器最高功率時熔接點表面溫度約為55 ℃,符合長期穩(wěn)定運行的要求。激光器最大功率下運轉(zhuǎn)60min內(nèi)功率波動量約為1%。

4 實驗結(jié)果及分析

激光器輸出功率隨泵浦功率的變化曲線如圖7所示。在總泵浦功率為1496W的條件下,獲得了1024W的基模激光輸出,光-光轉(zhuǎn)換效率為68.5%。振蕩級斜效率62%,最大泵浦功率為316W時,輸出激光功率為178W。但種子光進(jìn)入放大級并經(jīng)剝除包層功率后的輸出功率僅為88W,這主要是由泵浦耦合器對種子光“泄露”以及增益光纖對種子光的吸收造成的。放大級斜效率為88%,放大級1180W的泵浦光,產(chǎn)生了936W的激光,光-光轉(zhuǎn)換效率為79.3%。輸出激光光譜如圖8所示。振蕩級輸出激光中心波長為1080.3nm,譜寬(FWHM)為1.8nm。放大后的激光中心波長為1079.7nm,譜寬(FWHM)展寬為3.4nm。另外,我們利用PRIMES光束診斷儀對輸出激光功率為300W時的光束質(zhì)量進(jìn)行了測量,光束質(zhì)量M2=1.24。

圖7 輸出激光功率

圖8 輸出光譜

5 結(jié) 論

基于主振蕩功率放大(MOPA)結(jié)構(gòu),搭建了千瓦級全光纖放大器。最大泵浦功率為1496W的條件下,獲得了1024W波長1.08μm的基模連續(xù)激光輸出。光-光轉(zhuǎn)換效率68.5%,光束質(zhì)量M2=1.24。數(shù)值模擬結(jié)果表明,僅由于涂覆層的熱損傷引起的20/400雙包層摻Y(jié)b光纖的功率極限遠(yuǎn)高于目前在實驗中所達(dá)到的最大功率；采用帶凹槽的金屬冷卻盤,并在填充熱界面材料后光纖涂覆層的溫度僅為40 ℃左右。實驗上采用“勻化”加熱的方式,解決了由于光纖包層不匹配導(dǎo)致的熔接點溫度過高的問題。改善后的放大級泵浦光注入處熔接點,在最大泵浦時表面最大溫度不超過60 ℃,系統(tǒng)運行過程中沒有非線性效應(yīng)和熱損傷現(xiàn)象出現(xiàn)。

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Heat management of 1 kW Yb-doped all-fiber amplifier

DONG Fan-long,GE Ting-wu,ZHANG Xue-xia,WANG Zhi-yong

(National Center of Laser Technology,Institute of Laser Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

Based on the master oscillator power amplifier (MOPA)structure,a kilowatt level Yb-doped all-fiber laser with the output power of 1024 W and the wavelength of 1.08μm is obtained when the maximum pump power is 1496W,and the beam quality testedM2is 1.24 and optical-optical conversion efficiency is 68.5%.The thermal effects for high power fiber lasers are studied,and the power limit of fiber lasers by the thermal degradation of coatings is theoretically simulated.The radial temperature distribution of fibers was simulated under different cooling conditions.To solve the problem that simulated results are inconsistent with experimental results,the fusion splicing method of 20/390 μm passive optical fiber and 20/400 μm Yb-doped fiber is optimized and the cooling technology is studied experimentally.The surface temperature at the pump light launching end splice of the booster amplifier is about 60 ℃.

fiber laser;all-fiber structure;cooling of fiber;fusion splice of fiber

國家科技重大專項(No.2010ZX04013-052);科研基地-科技創(chuàng)新平臺-光纖激光器研究平臺(No.PXM2011-014204-09-000060)資助。

董繁龍(1984-),男,博士,主要從事大功率光纖激光器方面的研究。E-mail:fanlongd@emails.bjut.edu.cn

2014-09-10

1001-5078(2015)07-0790-05

O436;TN252;TN248.1

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.012