小型化光纖激光器熱仿真分析及優(yōu)化設(shè)計*

張 琳，于 淼，鄭 也，李思源，姜詩琦，師紅星，王軍龍

（北京航天控制儀器研究所，北京 100039）

引 言

光纖激光器作為可實現(xiàn)高功率、高可靠性的一種激光光源，可用于空間光通信、工業(yè)加工和激光武器等領(lǐng)域。光纖激光器在工作過程中將電能轉(zhuǎn)換為高能激光，由于電光轉(zhuǎn)換效率較低，輸入的電能很大一部分被轉(zhuǎn)化為耗熱，雖然轉(zhuǎn)換效率不斷提高，但仍有近70%的注入電功率會轉(zhuǎn)換為熱量而被其自身吸收，所以高熱流密度散熱是不可避免的問題。過多的熱損耗會使光纖激光器內(nèi)部器件溫度過高，進(jìn)而影響器件的性能及壽命，嚴(yán)重時還會損壞內(nèi)部器件。

光纖激光器的熱源主要為內(nèi)部的組成器件。文獻(xiàn)[1]對高功率激光裝置高熱流密度散熱技術(shù)進(jìn)行了探討，分析了現(xiàn)有的冷卻技術(shù)，為處理高功率激光器的高熱流密度散熱問題提供了發(fā)展方向；文獻(xiàn)[2]對光纖激光器中的泵浦半導(dǎo)體激光器（Laser Diode, LD，簡稱泵浦LD）進(jìn)行了散熱研究，用熱流密度和溫差2個指標(biāo)評價各種散熱方式的優(yōu)缺點；文獻(xiàn)[3]對光纖激光器中的包層功率剝離器進(jìn)行了散熱優(yōu)化研究，提出一種兩段式剝離結(jié)構(gòu)，有效降低了溫升，提升了溫度分布的均勻性；文獻(xiàn)[4]用解析法計算了矩形通道偏心熱源的擴散熱阻，表明光纖的布局對溫度分布的均勻性有影響。目前光纖激光器的散熱研究集中在器件上，器件的熱量最終會傳導(dǎo)至外殼材料上，如何將器件外殼上的熱量及時傳導(dǎo)出去，是解決激光器熱安全性的主要問題。

隨著激光功率的不斷增大以及激光器的小型化、輕量化、集成化設(shè)計，散熱空間進(jìn)一步縮小，導(dǎo)致熱流密度不斷升高，從而產(chǎn)生折射率梯度、內(nèi)部溫度分布不均和端面效應(yīng)等負(fù)面影響，最終影響激光器的使用及壽命。因此，為了提高光纖激光器的熱安全性及可靠性，完全有必要對光纖激光器進(jìn)行散熱處理，并研究小型化激光器的高效散熱技術(shù)，及時將激光器內(nèi)部的耗熱傳導(dǎo)至外部并消散掉。

1 光纖激光器熱損耗分析

小型化光纖激光器的內(nèi)部器件采取最大化緊密排布，分為上下兩層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。根據(jù)光纖激光器的特點及熱設(shè)計要求，熱源主要包括4部分：泵浦LD、合束器、剝離器和有源光纖[5-7]。泵浦LD將給定的電能轉(zhuǎn)換為特定波長的激光，工作時有源區(qū)內(nèi)的載流子和光子密度很高，會發(fā)生大量的非輻射復(fù)合、輻射吸收以及自發(fā)輻射吸收，因而產(chǎn)生大量耗熱[8]；合束器的熱損耗主要源于光纖熔接損耗及自身在耦合過程中產(chǎn)生的損耗；光功率剝離器主要是在工作過程中將光纖包層中的光剝離出來照射到剝離器的外殼上，轉(zhuǎn)換為熱量耗散掉；有源光纖利用摻入的稀土離子將低亮度的激光轉(zhuǎn)換為高亮度的激光，該光光轉(zhuǎn)換過程存在熱損耗。

圖1 小型化光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖

此外，光纖激光器內(nèi)部的光柵、光纖熔接點等也會因為光損耗而產(chǎn)生熱量，但與泵浦LD、合束器、剝離器和有源光纖相比，這部分熱量可以忽略不計。因此，對激光器進(jìn)行熱設(shè)計時，主要考慮泵浦LD、合束器、剝離器和有源光纖這4部分熱源。

該小型化光纖激光器的尺寸小于420 mm×262 mm×108 mm，質(zhì)量約為22 kg。為了能輸出2 kW以上的激光，安裝了18只泵浦LD、1只可合成3 600 W激光的合束器、2只300 W的光功率剝離器和31 m的有源光纖。激光器滿功率工作時的熱損耗見表1。根據(jù)表中各器件的熱損耗值，考慮一定的裕量，在進(jìn)行熱仿真建模時，取泵浦LD的熱損耗為205 W，合束器熱損耗為110 W，剝離器熱損耗為220 W，有源光纖熱損耗為450 W。18只泵浦LD的熱損耗最大，可認(rèn)為熱量均勻分布在構(gòu)成泵浦LD的無氧銅上。合束器和包層功率剝離器（Cladding Power Stripper, CPS）的損耗集中在光纖合束及剝離位置，均通過外殼結(jié)構(gòu)實現(xiàn)熱傳導(dǎo)，可認(rèn)為熱量均勻分布在外殼結(jié)構(gòu)上。有源光纖通過導(dǎo)熱膠固定于U型槽內(nèi)，視為熱量均勻分布在槽內(nèi)。

表1 激光器熱損耗參數(shù)

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 流量計算

激光器上下層結(jié)構(gòu)內(nèi)流道為傳統(tǒng)S型，模擬冷板散熱，對泵浦LD、合束器、剝離器和有源光纖進(jìn)行水冷有限元分析。由于尺寸的小型化，下層冷板結(jié)構(gòu)厚度為12 mm，水路通道直徑為8 mm；上層冷板結(jié)構(gòu)厚度為10 mm，水路通道直徑為6 mm。

由能量守恒定律可知，忽略熱傳遞過程中的熱量損失，功率器件的熱損耗等于冷卻工質(zhì)帶走的熱量，從而可以計算得到所需冷卻工質(zhì)水的流量。流量計算公式為[9]：

式中：ΔT為冷卻水的進(jìn)出口溫升，°C；ρ為冷卻水的密度，kg/m3；V為冷卻水的體積流量，m3/s；Cp為冷卻液的比熱容，J/(kg·°C)；Q為功率器件的熱損耗，W。

取上下層冷卻水的進(jìn)出口溫升均為ΔT= 4°C，密度ρ= 990 kg/m3，比熱容Cp= 4 174 J/(kg·°C)，下層泵浦LD的總熱損耗Q1= 205×18 = 3 690 W，上層器件熱損耗Q2=110+220×2+450=1 000 W，則上下層冷板散熱器所需的水流量V1和V2分別為：

2.2 模型建立

簡化激光器上下層模型，為了計算導(dǎo)入ANSYS Icepak中，修復(fù)模型，填充流體，使用Mesher-HD網(wǎng)格，通過多級網(wǎng)格處理方式可以實現(xiàn)不均勻的網(wǎng)格劃分[10]。對于溫度梯度較大的區(qū)域，網(wǎng)格劃分較細(xì)，以提高計算精度；對于溫度梯度較小的區(qū)域，網(wǎng)格劃分較粗，以提升計算效率[11-13]。

2.3 邊界條件設(shè)置

根據(jù)表1中的參數(shù)來設(shè)置器件熱源，根據(jù)表2中的參數(shù)來設(shè)置冷板及器件外殼材料。泵浦LD根據(jù)本身銅底板厚度建模，考慮到有源光纖的直徑較小且對計算機的算力要求較高，有源光纖采用1 mm厚的薄銅片等效，以確保熱量及時傳至冷板，其余器件均根據(jù)真實器件尺寸和材質(zhì)建模。在ANSYS Icepak中還需設(shè)置模型求解的邊界條件。根據(jù)該激光器的工作條件和模型特點，設(shè)置邊界條件，見表3[14-16]。

表2 冷板及器件外殼材料參數(shù)

表3 邊界條件

2.4 仿真結(jié)果

利用ANSYS Icepak軟件自帶的Fluent求解器進(jìn)行計算[17]，得到溫度梯度分布云圖，如圖2所示。統(tǒng)計出來的相關(guān)仿真數(shù)據(jù)見表4，暫不考慮冷卻流體與冷板之間、器件殼體與冷板之間的熱阻。

圖2 三維溫度分布云圖

表4 仿真分析結(jié)果

從仿真結(jié)果可知：下層冷板的最高溫度為37.59°C，從溫度的角度可滿足使用要求，但表面泵浦LD安裝位置的溫度梯度最高約為7.2°C，可能會使器件內(nèi)部因熱梯度產(chǎn)生局部熱應(yīng)力，影響器件性能，且進(jìn)出水壓降較大，對外部供液設(shè)備的要求較高；上層冷板的最高溫度為46.12°C，主要出現(xiàn)在剝離器安裝位置，不能滿足使用要求。其原因在于：流道面積小，未覆蓋所有器件安裝面，對流換熱面積不夠，導(dǎo)致較高的溫度及較大的溫度梯度；采用S型流道，流道存在過多的直角，且流道截面積小，流阻較大。

3 優(yōu)化設(shè)計

3.1 冷板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

整體采用U型流道結(jié)構(gòu)，以增加流道截面積，在耗熱器件對應(yīng)的正下方位置的流道內(nèi)填充導(dǎo)熱翅片[18]，以增加局部的對流換熱面積，優(yōu)化上下層冷板結(jié)構(gòu)。通過對導(dǎo)熱翅片的尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行多輪優(yōu)化設(shè)計，器件的溫升隨著翅片長度的增加越來越小，在翅片長度超過器件安裝尺寸后，溫升降低的趨勢會逐漸減弱。以此為理論依據(jù)，設(shè)計U型水路，填充翅片。設(shè)計翅片厚度為1 mm，翅片間距為1 mm，如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后的流道結(jié)構(gòu)圖

3.2 散熱效果分析

優(yōu)化后的三維溫度分布云圖如圖4所示，優(yōu)化后的仿真分析數(shù)據(jù)見表5。

表5 優(yōu)化后仿真分析結(jié)果

圖4 優(yōu)化后的三維溫度分布云圖

從仿真結(jié)果可知：優(yōu)化后下層冷板的最高溫度為35.79°C，相比S型流道降低了1.8°C左右，并且表面泵浦LD安裝位置的溫度梯度最高為3.75°C，降低了3.5°C左右，達(dá)到了均溫的效果。在增加了流道截面尺寸后，壓損也相應(yīng)降低了。上層冷板的最高溫度為33.65°C，相比S型流道降低了12.5°C左右，主要表現(xiàn)在器件安裝位置處的溫度大幅度降低，且上下層冷板的進(jìn)出水壓降得到了改善。

3.3 鰭翅式冷板散熱分析

基于流道中增加翅片的結(jié)構(gòu)方式，本文同時對流道中增加圓形針肋結(jié)構(gòu)的冷板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了散熱性能研究。圓形針肋的直徑D為4 mm，間隔L為5 mm，圓形針肋錯開排布，形成鰭翅狀，如圖5所示。本文僅對下層泵浦LD散熱的鰭翅狀冷板進(jìn)行仿真分析，鰭翅狀冷板的散熱效果如圖6所示。

圖5 鰭翅式冷板結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 鰭翅式冷板溫度分布云圖

從圖6 可知，鰭翅狀冷板的溫度分布最高為34.6°C，相比翅片式冷板，其溫度降低了1.2°C左右，冷板表面的溫度梯度分布更均勻，具有更好的散熱效果。其原因主要是鰭翅式冷板更好地實現(xiàn)了冷卻水在流道內(nèi)的紊流狀態(tài)，使冷卻水內(nèi)部的對流換熱更高效。

4 試驗驗證

對光纖激光器的散熱優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行試驗驗證。由于鰭翅狀冷板加工的費用高于翅片狀，且兩者的溫度分布相差較小，故試驗驗證的冷板為翅片狀，采用攪拌摩擦焊的方式加工形成密閉流道。圖7為試驗過程中由紅外熱像儀拍攝測量的光纖激光器內(nèi)部器件及其安裝位置附近的溫度分布情況。由圖7可知：在水冷溫度為22°C、溫度達(dá)到平衡、激光器持續(xù)輸出2.2 kW高功率激光時，泵浦LD表面的最高溫度為43.5°C，安裝位置附近的最高溫度約為32.1°C；有源光纖的表面溫度約為30°C；合束器表面的最高溫度為37.6°C，安裝位置附近的溫度約為30°C；CPS表面的最高溫度為32.3°C，安裝位置附近的溫度約為25°C。

圖7 關(guān)鍵器件溫度分布

為了分析該小型化光纖激光器的光學(xué)性能，輸入泵浦功率3.2 kW，光-光轉(zhuǎn)換效率為68%；采用光譜分析儀對輸出激光光譜進(jìn)行測量，輸出激光中心波長為1 080.18 nm，譜寬為3.31 nm；采用光束質(zhì)量分析儀對輸出功率為2.2 kW時的光束質(zhì)量進(jìn)行測量。如圖8所示，光束質(zhì)量M2x為1.712，M2y為1.734。通過分析可知，光束質(zhì)量M2＜2，光纖激光器的溫度得到了良好控制。

圖8 輸出激光2.2 kW時的光束質(zhì)量測量圖

經(jīng)計算，仿真與實際測量的器件安裝位置附近的溫度接近，誤差在2%以內(nèi)，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相吻合，故可知鰭翅式水冷結(jié)構(gòu)具有更好的散熱效果。由圖7和圖8可知，本文的優(yōu)化設(shè)計方法可行，有效。

5 結(jié)束語

本文基于ANSYS Icepak軟件對小型化光纖激光器進(jìn)行了熱設(shè)計建模、仿真分析和優(yōu)化設(shè)計。在不改變激光器總體體積和核心設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化水冷板的結(jié)構(gòu)，降低整體溫度，緩解了局部溫度分布不均的問題，取得了較好的設(shè)計效果，成功實現(xiàn)了2.2 kW連續(xù)光纖激光器的小型化和輕量化。對比市場上同等功率的水冷激光器產(chǎn)品，該激光器的體積減小約45%，質(zhì)量減小約50%。

采用翅片狀的肋結(jié)構(gòu)優(yōu)化激光器冷板水道，增大了散熱面積，提高了換熱效率，降低了冷板表面的溫度，減小了器件安裝表面的溫度梯度；采用鰭翅狀的肋結(jié)構(gòu)冷板水道，在增大散熱面積的同時提高了冷卻液體的紊流狀態(tài)，實現(xiàn)了更高效的對流換熱。通過對優(yōu)化后的水冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗，驗證了優(yōu)化設(shè)計的可靠性。本文的仿真和優(yōu)化設(shè)計可供小型化光纖激光器散熱設(shè)計參考。