高功率散热技术及高功率光纤激光放大器

　　光纤激光器具有结构紧凑、转换效率高、光束质量好、易于散热和易于实现高功率等特点，在很多领域具有广泛应用，如工业加工、通讯、医疗、科学研究和军事等。因为掺镱光纤激光器具有高效率、高掺杂浓度、较大的抽运吸收带等特点，在高功率激光领域得到了巨大发展。双包层光纤（DC0F）结构允许低亮度的高功率抽运光耦合进入光纤的包层里，并基金项目：国家科技重大专项（2010ZX04013）、国家863计划（2011AA030201）、国家自然科学基金（60908011，60907045）和上海市青年科技启明星计划（12QH1401100）资助课题。

　　使其信号光在小纤芯里得到有效放大，可以得到高光束质量的激光。双包层光纤结合高功率抽运源，连续（CW）光纤激光器已经达到千瓦级和数千瓦级。尽管光纤激光器具有大的表面积体积比，但在大功率的激光运转中，热效应已经成为必需考虑的重要问题，直接影响了光纤激光器输出功率的提高和进一步发展。

　　双包层光纤涂覆层的热损伤是高功率连续光纤激光器运转的主要限制因素之，极大地影响了激光器的大输出功率和激光系统稳定性。传统双包层光纤本身的低折射率聚合物涂覆层对温度很敏感，当温度达到150°C200°C时往往会引起热损伤，长时间稳定运行一般要求温度低于80°C.因此，尽管光纤纤芯温度常常低于石英的熔点温度，仍然要对光纤进行冷却以保证涂覆层在安全温度范围来确保激光器的安全运行。

　　2热效应分析虽然已有利用热接触电阻来分析千瓦级光纤激光器的热效应，但并没有使用热界面材料1M）。在光纤与热沉之间填充具有良好的导热系数且对光纤涂覆层没有伤害的热界面材料，这可以等效地提高接触表面的光洁度，于是光纤与热沉之间的热接触电阻大大减小，加强了光纤与热沉之间有效热量传递。为了降低熔点温度，本文分别分析了光纤与不同设计的热沉之间的热接触电阻，从，这些热绝大部分来自于量子亏损。根据热功率密度9、热负荷9以及吸收系数，存在以下关系：代守军等：高功率散热技术及高功率光纤激光放大器纤芯均匀产热的增益光纤描绘图（a）中光纤与热沉间的热接触电阻主要由并联的两部分组成：1）在光纤与热沉相接触的点上存在的传导热阻艮。nd；）在光纤与热沉没有接触的区域上存在的辐射热阻只ar（这个辐射热阻值非常大）。（b）中两界面间填充了理想的TIM，使得原本很大的辐射热阻只ar变成了TIM的传导热阻cond-TIM因此，相较于（a）、（b）的热接触电阻要小得多。增大两接触面间的接触压力会降低热接触电阻，这是因为压力增大会使光纤与热沉间的实际接触面积增加，从而减小热接触电阻；但另方面，压力也不能过大，以免损伤光纤涂覆层。为了提高光纤与热沉间的接触紧密度，可以利用铜皮胶带对光纤施压并固定。由于金属铜具有良好的延展性及导热性，铜胶带可以与光纤有较好的接触；又因为其拥有与热沉相当的良好的热导性，可近似认为它们拥有相同的温度。

　　为3种不同形状的凹槽热沉。同一增益光纤熔点被分别置于3种凹槽内，自然放置不施加外力。参照，为了利用（2）式获得如所示的iC的近似值，需先做一些假设：1）从光纤传递到空气中的热量足够小，小到可以认为空气是一个绝热体；）暴露于空气中的光纤待测表面温度十分接近实际温度，且同半径处的温度相同；3）热接触电阻不随温度变化；4）热沉的温度被认为是始终不变的，并且没有热负荷时7；应该等于了。考虑所有的假设后，可利用（3）式求得热负荷99.5，3dB带宽为1.53nm；FBG2为输出耦合腔镜，对中心波长在1079.85 nm的LPM基模激光的反射率约为10，3dB带宽为0. 79nm.功率放大级由一段长度为12m的大模场面积YDCF（LMA- YDCF）和一个（6+1）X1抽运合束器组成，抽运合束器的信号光纤与种子源输出光纤相熔接。LMA-YDCF（Nufern公司）纤芯直径为25pm，八角形内包层直径为400pm，对976nm抽运光的吸收系数为1. 8dB/m.主放大器由6个尾纤输出中心波长在976nm的LD抽运。为了降低光纤输出端面纤芯处的激光功率密度，使用带传能光纤的准直筒（包输出端进行熔接。

　　含光纤端帽及光束准直透镜）与放大器增益光纤的千瓦级全光纤MOPA结构放大器，种子激光83. 4W时激光放大器输出激光功率及熔点表面温度随抽运功率的变化曲线中心波长为1079.8nm，3dB带宽约为0.99nm，MOPA主放大器输出激光功率1.015kW时激光中心波长为1079.7nm，3dB带宽约为1.大光谱基本没变化，未见异常。

　　输出激光功率随时间变化曲线输出激光光谱图中国激光4结论分别测量了3种槽型下光纤与热沉间的热接触电阻，基于理论与实验提出了一种有效的光纤冷却方法实现热量的传导，即利用铜胶带固定光纤和使用U型槽并引入TIM填充空隙。采用此这种新型散热技术研制出1080nm千瓦级全光纤激光器样机，热熔点表面温度温升仅为0. 0214K/W，高功率时熔点表面温度为327K（54°C），激光器连续运行10min无异常，运行过程中没有非线性效应和热损伤现象出现。