高功率光纤激光器的光纤热效应及其热处理技术研究

论文摘要

近年来,随着双包层光纤激光器单纤激光输出功率值不断提升,光纤的热负担日益增加,光纤的热效应成为激光器向更高功率发展的瓶颈之一。本文对光纤激光器的光纤发热现象的理论因素进行仿真分析,并搭建实验系统进行验证。通过激光器参数设计、系统优化和热处理方式改良等手段实现高功率的激光稳定输出。分析了光纤激光器有源光纤热效应的影响因素,通过数值仿真模拟了在泵浦方式、泵浦波长和带宽、光纤参数等方面结构不同的激光器的有源光纤发热情况,通过搭建对应的不同结构的激光器,验证了仿真结果。双端均匀泵浦结构优于单端泵浦结构。使用915nm泵浦的激光器发热更加均匀且不受泵浦带宽影响,但在输出功率相同的情况下,由于发热总量高于976nm泵浦激光器,其对散热的要求更高。增加纤芯直径能够降低纤芯温度,但过大的纤芯直径会导致光束质量劣化和光谱展宽现象的加剧。通过对光纤激光器结构进行优化,有源光纤温升得到控制,温度分布更加均匀,激光器得以输出更高功率。无源光纤发热来源可以分为熔接、封装、涂覆层切口三个方面,建立了光纤发热模型和形变对信号光影响模型。仿真和实验结果表明光纤熔接和封装应力导致的光纤形变会造成光纤发热和信号光光束质量总体劣化。激光器输出100W信号光时,相同条件下,使用硬质胶水封装的剥离器最高存在12℃的温度上升,而使用硅橡胶封装的剥离器温升为5℃。光纤受到应力作用时,在特定方向上的M2值由1.23变为1.62,信号光光束质量急剧变差。因此封装时应采用本身固化收缩情况不明显,且能有效隔绝外界应力的固定剂,实验中涂覆硅橡胶导致的M2值增长及其受力后M2值变化都在0.05以内。光纤涂覆层切口的粗糙程度越高,光纤温升越高,使用分段腐蚀的方法,可以对包层光剥离器的大量散射回光进行剥除,使得剥离器前端的涂覆层切口发热情况得到很好的改善。改良无源光纤处理方式可以抑制无源光纤发热和信号光光束质量劣化,激光器输出更加稳定。实验研究了全液态直接冷却、铜质跑道光纤盘冷却两种激光器散热方法。使用全液态冷却的强冷却效果可以使LMA-YDF-20/400-M光纤承受近3kW的输出光而不因纤芯烧熔而损毁,在输出2820W激光时光纤表面温度为35℃,使用胶水抽真空、更换铜材质热沉材料、光纤盘直接水冷等措施改良常规热处理方式,使用LMA-YDF-25/400作为增益光纤的激光器最终输出3237W激光时温度为37.46℃。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•     1.1.1 光纤激光器背景和特点
•     1.1.2 光纤激光器研究现状
•     1.1.3 光纤热效应和热处理技术研究意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 光纤激光器热效应研究现状
•     1.2.2 光纤激光器热处理技术研究现状
•   1.3 本文研究内容
• 2 光纤激光器热效应理论研究
•   2.1 光纤的模式传输理论
•   2.2 光纤激光器的光纤热效应理论
•     2.2.1 激光器中光纤的温度分布
•     2.2.2 激光器中的光纤热应力
•     2.2.3 光纤发热导致的光纤折射率改变
•   2.3 本章小结
• 3 光纤激光器有源光纤热效应研究
•   3.1 有源光纤发热影响因素分析
•     3.1.1 输入功率和热换系数影响
•     3.1.2 泵浦方式影响
•     3.1.3 泵浦波长及带宽影响
•     3.1.4 光纤参数影响
•   3.2 有源光纤温度控制实验
•   3.3 本章小结
• 4 光纤激光器无源光纤热效应研究
•   4.1 光纤熔接热效应
•     4.1.1 光纤熔接发热模型
•     4.1.2 光纤熔接对光束质量影响
•   4.2 光纤封装热应力
•     4.2.1 光纤封装应力对光纤折射率影响
•     4.2.2 光纤封装应力对光束质量影响
•     4.2.3 光纤封装应力实验
•   4.3 光纤涂覆层切口热效应
•     4.3.1 光纤涂覆层发热模型
•     4.3.2 涂覆层切口温度控制实验
•     4.3.3 包层光剥离器热处理方式
•   4.4 本章小结
• 5 高功率光纤激光器散热方式研究
•   5.1 光纤激光器的热传导理论
•   5.2 光纤激光器的散热实验
•     5.2.1 全液态介质直接冷却实验
•     5.2.2 直接冷板冷却实验
•   5.3 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 本文总结
•   6.2 不足与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 於安琪

导师: 朱日宏,韩志刚

关键词: 高功率光纤激光器,双包层光纤,热效应,热处理,光束质量

来源: 南京理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 南京理工大学

分类号: TN248

DOI: 10.27241/d.cnki.gnjgu.2019.000889

总页数: 73

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