光纖激光器中包層功率剝離器散熱性能的優(yōu)化*

夏情感 肖文波 ? 李軍華 金鑫 葉國敏 吳華明 馬國紅

1) (南昌航空大學(xué), 江西省圖像處理與模式識別重點實驗室, 南昌 330063)

2) (南昌航空大學(xué), 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室, 南昌 330063)

3) (江西省光電檢測技術(shù)工程實驗室, 南昌 330063)

4) (南昌大學(xué), 機電工程學(xué)院, 南昌 330031)

光纖激光器系統(tǒng)中的包層功率剝離器在去除殘余抽運光和高階激光時, 由于光熱轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生大量的熱能, 所以將熱能高效的耗散成為當(dāng)前的研究熱點.本文對國內(nèi)外現(xiàn)有的五種剝離器進行了仿真研究與對比,發(fā)現(xiàn)用高折膠法制作剝離器時, 改變填膠孔的形狀, 可以有效地增大熱源與傳熱介質(zhì)間的表面積-體積比, 從而降低剝離器工作時的溫度峰谷值; 還發(fā)現(xiàn)將高折膠法和酸腐蝕法結(jié)合制備粗細不均勻的兩段式光纖包層結(jié)構(gòu), 可以提升剝離器的熱分布均勻性.根據(jù)上述發(fā)現(xiàn), 提出了一種新穎的剝離器結(jié)構(gòu)并進行了熱效應(yīng)研究.結(jié)果表明: 包層功率為 150 W 時, 該剝離器的溫度峰值為 298 K, 溫度谷值為 293 K, 溫差為 5 K; 相比于上述五種剝離器, 其溫度峰值最多降低了11.3%, 溫度谷值最多降低了8.4%, 溫差最多降低了87.5%, 證明了該剝離器能有效抑制溫升及具有熱分布均勻性.

1 引 言

光纖激光器具有光束質(zhì)量好、轉(zhuǎn)換效率高、使用成本低、可靠性高和體積小等優(yōu)勢, 已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工、光學(xué)傳感、醫(yī)療器械和軍事裝備等領(lǐng)域[1?4].隨著半導(dǎo)體激光器抽運技術(shù)的不斷發(fā)展, 光纖激光器的輸出功率不斷增大.由于增益光纖無法將抽運光完全吸收, 其輸出的激光中會含有在包層中傳輸?shù)臍堄喑檫\光和高階激光等無用光,也稱為包層光, 這些包層光會惡化激光的光束質(zhì)量, 并對系統(tǒng)中的元件造成損害, 所以必須將其剝離[5?7].常見輸出功率為千瓦級的光纖激光器中包層光的功率(簡稱包層功率, 用物理量Pb表示)為數(shù)百瓦[8?10], 國內(nèi)外研究者提出不同的技術(shù)剝離包層功率, 包括高折膠法、酸腐蝕法以及高折射率基質(zhì)法等[11?13].高性能包層功率剝離器 (cladding power stripper, CPS)要求功率衰減系數(shù)大、纖芯光傳輸損耗低和溫升系數(shù)小, 能在激光高功率輸出下安全穩(wěn)定地工作[14], 但現(xiàn)有方法和制備工藝等存在的問題, 會使得包層功率在光纖前端幾毫米范圍內(nèi)大量剝離, 從而導(dǎo)致光纖局部溫度陡升(例如采用高折膠法或酸腐蝕法), 其發(fā)熱集中問題仍無法很好地解決.

為此, 本文對國內(nèi)外已有的五種CPS進行熱效應(yīng)仿真研究.結(jié)果表明, 這些CPS對包層功率的剝離各具特色, 但并非是最優(yōu)的; 通過改進剝離方法并改變填膠孔的形狀, 本文提出了一種低溫度峰谷值且熱分布均勻的包層功率剝離器結(jié)構(gòu).

2 五種CPS結(jié)構(gòu)、仿真邊界條件及結(jié)果分析

2.1 五種CPS結(jié)構(gòu)

龔凱等[15]于2017年采用高折膠法制作了一種 CPS, 結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示, 稱其為剝離器 1; 其熱沉材料為鋁, 長 120 mm, 寬 20 mm, 高 20 mm;填膠孔呈圓柱形, 長 120 mm, 半徑為 5 mm; 填膠孔內(nèi)的光纖用折射率為1.68的高折膠涂覆.

圖1 五種 CPS 的結(jié)構(gòu)圖 (a)剝離器 1; (b)剝離器 2;(c)剝離器 3; (d)剝離器 4; (e)剝離器 5Fig.1.Structural diagrams of five CPS: (a) CPS1; (b)CPS2; (c) CPS3; (d)CPS4; (e) CPS5.

Wang等[16]于2013年采用高折膠法制作了一種CPS, 結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示, 稱其為剝離器2;其熱沉材料為鋁, 長 100 mm, 寬 20 mm, 高 20 mm;填膠孔呈半橢球形, 長 100 mm; 將其光纖除去涂覆層后分為三段, 用折射率為1.44, 1.46和1.56的高折膠進行間隔涂覆.

Zhang等[17]于2015年采用高折膠法制作了一種CPS, 結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示, 稱其為剝離器3;其熱沉材料為鋁, 長 100 mm, 寬 20 mm, 高 20 mm;填膠孔是一個V型槽, 長100 mm; V型槽內(nèi)的光纖用折射率為1.68的高折膠涂覆.該CPS將光纖以圓環(huán)形式繞在圓盤上, 本文截取一段作為研究對象.

Reza Poozesh等[18]于2012年采用高折膠法和酸腐蝕法結(jié)合, 制作了一種CPS, 結(jié)構(gòu)如圖1(d)所 示 , 稱 其 為 剝 離 器 4; 其 熱 沉 材 料 為 銅 , 長70 mm, 寬 4 mm, 高 5 mm; 填膠孔是一個方形槽,長 70 mm, 寬 0.6 mm, 高 2 mm; 方形槽中放置用HF酸腐蝕過的光纖, 用折射率為1.56的高折膠涂覆.

Yin等[19]于2017年采用酸腐蝕法制作了一種 CPS, 結(jié)構(gòu)如圖1(e) 所示, 稱其為剝離器 5; 其熱沉材料為鋁, 長 100 mm, 寬 10 mm, 高 10 mm;用HF酸將其光纖包層腐蝕成粗細不均勻的兩段,第一段長 50 mm, 其包層半徑為 0.156 mm, 第二段長 45 mm, 其包層半徑為 0.1 mm; 兩段光纖中間由一段長5 mm的圓錐臺形光纖銜接.

2.2 仿真邊界條件

使用Comsol軟件的固體傳熱模塊對五種CPS進行熱效應(yīng)仿真, 將外部環(huán)境溫度設(shè)為293.15 K.剝離器 1—4 是基于高折膠法制作的, 包層功率主要在高折膠與熱沉金屬界面轉(zhuǎn)化為熱; 由于高折膠固化后的光透過率很高, 界面光熱轉(zhuǎn)化功率近似為包層功率, 所以將邊界熱源設(shè)在膠-熱沉界面.剝離器5采用酸腐蝕法, 包層功率在被腐蝕的光纖表面剝離并轉(zhuǎn)化為熱, 所以將邊界熱源設(shè)在光纖表面.熱通量邊界設(shè)為熱沉的外表面, 包層功率剝離器封裝在光纖激光器中, 故不考慮其熱沉表面對流散熱[20].

2.3 結(jié)果分析

將包層功率設(shè)置為150 W, 對五種CPS進行熱效應(yīng)仿真, 其切片熱分布如圖2所示, 其中剝離器1—5分別對應(yīng)圖中的(a)—(e).切片熱分布圖中每種CPS都有三列溫度標(biāo)示圖, 從左至右分別給出了CPSxy平面、yz平面和zx平面的切片溫度.

圖2 Pb = 150 W 時五種 CPS 的切片熱分布圖 (a)剝離器 1; (b)剝離器 2; (c)剝離器 3; (d)剝離器 4; (e)剝離器 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, 從圖2中可以發(fā)現(xiàn), 剝離器1三個切片的溫度峰值相同, 都是 321 K; 溫度谷值相差 1 K,xy平面和zx平面的相同為 314 K,yz平面的為315 K; 溫度峰值和溫度谷值差,xy平面和zx平面的相同為 7 K,yz平面的為 6 K.剝離器 2 三個切片的溫度峰值相差1 K,xy平面和zx平面的相同為 312 K,yz平面的為 313 K; 溫度谷值相差 1 K,yz平面和zx平面的相同為 299 K,xy平面的為300 K; 溫度峰值和溫度谷值差,xy平面的為 12 K,yz平面的為 14 K,zx平面的為 13 K.剝離器 3 三個切片的溫度峰值相同, 都是316 K; 溫度谷值相差 13 K,xy平面和yz平面的相同為 295 K,zx平面的為 308 K; 溫度峰值和溫度谷值差,xy平面和yz平面的相同為 21 K,zx平面的為 8 K.剝離器4 三個切片的溫度峰值相同, 都是 336 K; 溫度谷值相同, 都是 296 K; 溫度峰值和溫度谷值差,xy平面、yz平面和zx平面的相同, 都是 40 K.剝離器5三個切片的溫度峰值相差1 K,yz平面和zx平面的相同為 325 K,xy平面的為 324 K; 溫度谷值相同, 都是 320 K; 溫度峰值和溫度谷值差,xy平面的為 4 K,yz平面和zx平面的相同為 5 K.

其次, 對比剝離器1—5的溫度峰值及谷值,發(fā)現(xiàn)剝離器2的溫度峰值在五種剝離器中最低, 剝離器3的溫度谷值最低, 所以剝離器2和3的散熱性能更好.原因可能是剝離器2的填膠孔呈半橢球形, 剝離器3的填膠孔呈三棱柱凹槽形; 相比于其他三種剝離器, 剝離器2和剝離器3填膠孔的表面積-體積比更大, 即其熱源與傳熱介質(zhì)間的表面積-體積比更大, 散熱性能更好[21].

對比剝離器1—5的溫度峰值及谷值變化, 再次發(fā)現(xiàn)剝離器4的切片熱分布均勻性最好, 剝離器4三個切片的溫度峰谷值相同.其原因可能是剝離器4將高折膠法和酸腐蝕法結(jié)合, 使用HF酸將光纖的包層腐蝕, 可以使得光纖中的包層功率散射到高折膠中[9], 高折膠吸收來自不同方向的散射光,所以剝離器內(nèi)部由光轉(zhuǎn)化的熱也更加的均勻, 其切片熱分布均勻性也更好.

對比溫度峰值和谷值差, 最后發(fā)現(xiàn)剝離器5的溫差最小, 僅5 K, 說明其整體熱分布均勻性更好;其原因可能是剝離器5采用了分段酸腐蝕法, 相比于傳統(tǒng)的酸腐蝕法, 將光纖包層腐蝕成粗細不均勻的幾段, 可以使包層功率在光纖軸向均勻的剝離,從而使得剝離器內(nèi)部的熱分布更加均勻.

為此研究CPS的整體熱分布性能.包層功率為150 W時, 五種CPS的整體熱性能數(shù)據(jù)記錄在表1.

表1 Pb = 150 W 時五種 CPS 的整體熱性能數(shù)據(jù) Table 1.Overall thermal performance data of five CPS when Pb = 150 W.

由表1可以看出, 剝離器1溫度峰值為321 K,溫度谷值為 314 K, 溫差為 7 K; 剝離器 2 溫度峰值為 313 K, 溫度谷值為 299 K, 溫差為 14 K; 剝離器 3 溫度峰值為 316 K, 溫度谷值為 295 K, 溫差為 21 K; 剝離器 4 溫度峰值為 336 K, 溫度谷值為 296 K, 溫差為 40 K; 剝離器 5 溫度峰值為 325 K,溫度谷值為 320 K, 溫差為 5 K.剝離器 2 的溫度峰值在五種剝離器中最低, 剝離器3的溫度谷值最低, 剝離器5的溫差最小.該結(jié)果與切片熱分布圖得出的結(jié)果一致, 進一步證明了上述結(jié)論.

為了更進一步驗證以上結(jié)論, 將包層功率設(shè)為200 W, 五種CPS的整體熱性能數(shù)據(jù)見表2.

表2 Pb = 200 W 時五種 CPS 的整體熱性能數(shù)據(jù) Table 2.Overall thermal performance data of five CPS when Pb = 200 W.

由表2可以看出, 包層功率為200 W時, 剝離器 1 溫度峰值為 326 K, 溫度谷值為 318 K, 溫差為 8 K; 剝離器 2 溫度峰值為 319 K, 溫度谷值為301 K, 溫差為 18 K; 剝離器 3 溫度峰值為 324 K,溫度谷值為 295 K, 溫差為 29 K; 剝離器 4 溫度峰值為 350 K, 溫度谷值為 296 K, 溫差為 54 K; 剝離器 5 溫度峰值為 335 K, 溫度谷值為 328 K, 溫差為7 K.由此可知, 剝離器2的溫度峰值在五種剝離器中最低, 剝離器3的溫度谷值最低, 剝離器5的溫差最小.上述結(jié)論與包層功率為150 W時得出的結(jié)論一致, 進一步證明了本文結(jié)論.

3 剝離器優(yōu)化及結(jié)果分析

根據(jù)上述結(jié)論, 為了進一步降低CPS的溫度峰谷值, 結(jié)合剝離器2和3的優(yōu)點制作了剝離器6,如圖3(a)所示; 該剝離器熱沉材料為鋁, 長100 mm, 寬 20 mm, 高 20 mm; 填膠孔設(shè)計為圓錐臺形, 以獲得更大的表面積-體積比, 長 100 mm,頂面半徑為 6 mm, 底面半徑為 4 mm.

圖3 剝 離 器 6, 7, 8 的 結(jié) 構(gòu) 圖 及 兩 段 式 光 纖 細 節(jié) 圖(a)剝離器 6; (b)剝離器 7; (c) 剝離器 8; (d) 兩段式光纖細節(jié)圖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.

根據(jù)上述結(jié)論, 為了進一步提升CPS的熱分布均勻性, 結(jié)合剝離器4和5的優(yōu)點制作了剝離器 7, 如圖3(b) 所示; 該剝離器熱沉材料為鋁, 長100 mm, 寬 10 mm, 高 10 mm; 填膠孔呈方形, 長100 mm, 寬 4 mm, 高 5 mm.剝離器 7 將高折膠法和酸腐蝕法結(jié)合, 其內(nèi)部光纖用HF酸腐蝕成粗細不均勻的兩段, 粗端光纖呈圓柱形, 長 50 mm,半徑為 0.156 mm; 細端光纖也呈圓柱形, 長 45 mm,半徑為0.1 mm; 兩段光纖由一段呈圓錐臺形的光纖銜接, 長 5 mm, 頂面半徑 0.156 mm, 底面半徑0.1 mm.

根據(jù)上述結(jié)論, 為了進一步降低CPS的溫度峰谷值并提升其熱分布均勻性, 結(jié)合剝離器2, 3,4, 5 的優(yōu)點制作了剝離器 8, 如圖3(c)所示; 該剝離器熱沉材料為 鋁 , 長 100 mm, 寬 20 mm, 高20 mm; 其填膠孔形狀與剝離器 6 相同, 呈圓錐臺形, 長 100 mm, 頂面半徑為 6 mm, 底面半徑為4 mm; 剝離方法與剝離器 7 相同, 將高折膠法和酸腐蝕法結(jié)合, 其內(nèi)部光纖用HF酸腐蝕成粗細不均勻的兩段, 粗端光纖呈圓柱形, 長 50 mm, 半徑為 0.156 mm; 細端光纖也呈圓柱形, 長 45 mm, 半徑為0.1 mm; 兩段光纖由一段呈圓錐臺形的光纖銜接, 長 5 mm, 頂面半徑為 0.156 mm, 底面半徑為0.1 mm.圖3(d)是兩段式光纖細節(jié)展示圖.

表3 中分別記錄了剝離器 6, 7和 8剝離150 W包層功率時的整體熱性能數(shù)據(jù).由表3可以看出, 剝離器 6溫度峰值為 309 K, 溫度谷值為293 K, 溫差為 16 K; 剝離器 7 溫度峰值為 320 K,溫度谷值為 315 K, 溫差為 5 K; 剝離器 8 溫度峰值為 298 K, 溫度谷值為 293 K, 溫差為 5 K.

表3 Pb = 150 W 時剝離器 6, 7, 8 的整體整體熱性能數(shù)據(jù)Table 3.Overall thermal performance data of CPS 6, 7 and 8 when Pb = 150 W.

首先對比表3中剝離器6與表1中剝離器2和3, 可以看出剝離器6的溫度峰值相比于剝離器 2 下降了 4 K, 比剝離器 3 下降了 7 K; 剝離器6的溫度谷值相比于剝離器2下降了6 K, 比剝離器3下降了2 K.這證明了改變填膠孔的形狀可以降低剝離器的溫度峰谷值.其次, 對比表3中剝離器7與表1中剝離器4和5, 可以看出剝離器7的溫差為 5 K, 相比于剝離器 4 下降了 35 K, 與剝離器5相同.這證明了將高折膠法和酸腐蝕法結(jié)合,把光纖分段腐蝕成不均勻的兩段可以提升剝離器的熱分布均勻性.最后, 對比表3中的剝離器6,7和8, 發(fā)現(xiàn)剝離器8的溫度峰值相比于剝離器6和7分別下降了11 K和22 K, 其溫度谷值與剝離器6相同, 相比于剝離器7下降了22 K; 其溫差與剝離器7相同都是5 K, 相比于剝離器6下降了11 K, 性能最優(yōu).從而間接證明了上述分析的正確性.

4 結(jié) 論

本文對國內(nèi)外五種CPS的熱效應(yīng)進行研究和對比, 發(fā)現(xiàn)剝離器2的溫度峰值最低, 剝離器3的溫度谷值最低, 剝離器4的切片熱分布最均勻, 剝離器5的溫差最小.原因在于改變填膠孔的形狀可以增大熱源與傳熱介質(zhì)間的表面積-體積比, 從而降低剝離器的溫度峰谷值; 將高折膠法與酸腐蝕法結(jié)合, 把光纖分段腐蝕成不均勻的兩段, 可以使包層光無規(guī)則散射在光纖軸向, 從而使得包層功率均勻剝離以提升整體熱分布均勻性.為此本文結(jié)合上述分析, 提出了一種新穎的剝離器8.研究表明: 在剝離 150 W 包層功率時, 其溫度峰值為 298 K, 溫度谷值為 293 K, 溫差為 5 K; 相比于引文中的五種CPS, 其溫度峰值分別降低了4.8%—11.3%, 溫度谷值分別降低了0.7%—8.4%, 溫差分別降低了0—87.5%.這證明了其能有效抑制溫升及具有熱分布均勻性.