高功率双包层光纤激光器温度分布的数值分析

第卷第期北京理工大学学报

2511Vol.25No.11

TransactionsofBeijingInstituteofTechnology200511NoV.2005

文章编号

:1001-0645(2005)11-0998-05

年月

高功率双包层光纤激光器温度分布的数值分析

高雪松高春清林志锋胡姝玲李家泽魏光辉

99999

摘要对高功率光纤激光器热效应问题进行了理论研究在分析热效应产生原因的基础上建立了一套双包层光

100081)(9

北京理工大学信息科学技术学院光电工程系北京

:99

纤激光器稳态温度分布模型数值模拟了光纤轴向和径向的温度分布得出了不同的光纤长度截面半径和制冷条

99

件下光纤端面中心温度随激光输出功率的变化关系

-9

结果表明单根光纤在输出千瓦级激光情况下对光纤端面附

近区域沿轴向制冷将显著降低热效应的影响

-

关键词光纤激光器热效应双包层掺光纤数值模拟

:9999

Yb

3+

中图分类号文献标识码

:241:

TNA

NumericalAnalysisoftheTemperatureDistribution

ofHighPowerDoubleCladdingfiberlar

GAOXuesongGAOChungingLINZhifeng~UShulingLIJiaZeWEIGuanghui

-9-9-9-9-9-

(99

DepartmentOpticalEngineeringSchoolofInformationScienceandTechnolgyBeijingInstituteof

TechnologyBeijingChina

91000819)

AbstractThethermaleffectofhighpowerfiberlarsisstudiedBadonananalysisofthe

:.

thermaleffectamodelofsteadystatetemperaturedistributionofdoublecladdingfiberlaris

9

establishedTheaxialandradialtemperaturedistributionsarenumericallysimulatedandthe

.9

relationbetweenthecentertemperatureatthefiberfacetandtheoutputpowerareobtainedfor

differentfiberlengthsradiiofcrossctionandcoolingconditionsThesimulatedresults

9.

showedthataxialcoolingofthefiberendregionscansignificantlyreducetheinfluenceofthermal

effectoftheactiVefiberinahighpowersinglecoresystem

-.

KeywordsfiberlarthermaleffectdoublecladdingYbdopedfibernumericalanalysis

:999-9

高功率双包层光纤激光器是一种具有很好发展造成量子亏损发热激光下能级与基态之间的能量

前景的新型激光器单根掺双包层光纤构成的

9

Yb

3+

1;

激光器输出功率可达虽然泵浦半导体激光

1-

W

器光谱特性与掺杂光纤中激光工作物质的吸收光谱

3+

9

差转化为热能激光跃迁荧光过程除产生激光外其

99

2;

余能量由于激光淬灭而转化生热对于几十瓦甚

-

至上百瓦的光纤激光器自然散热可以满足要求当

99

泵浦光足够强单根光纤激光输出功率达到几百瓦

甚至上千瓦时会导致因基质材料热扩散而引起应

9

3;

力和折射率变化由于热量积累掺杂纤芯中温度上能级之间光子能量差以热的形式散入基质晶格

999

体积比大散热性可以实现匹配掺杂光纤表面积

99L

能好但激光器仍存在热效应问题如泵浦光与激光

99

收稿日期

:20050301

基金项目国家部委基金资助项目

:(0467006)

YJ

作者简介高雪松男博士生高春清男教授博士生导师

:(1980;)999-:1980 .9(1968;)999

Emailgxssinacom

第期高雪松等

11:

高功率双包层光纤激光器温度分布的数值分析

999

升高量子效率降低引起输出波长变化式中和分别为纤芯等效内包层和外包层

999:9

[4]

甚至将

基质熔化因此高效散热和抑制光纤内温度差造成

-

热效应的影响是高功率光纤激光器研究中的重要问

题作者建立了一套双包层光纤激光器稳态温度分

-

布模型数值模拟了光纤轴向和径向的温度分布分

99

析了光纤长度截面半径和制冷条件等参数对温度

分布的影响提出了研制千瓦级光纤激光器的制冷问

9

题对高功率光纤激光器的研究具有重要参考价值

9-

GGG

123

任意一点处的热密度和为各区域对应的导

;

KKK

123

9

热系数只考虑纤芯吸收泵浦光时有

9=/

GP

1T

1

(

T1PLGG

2

9)9==

式中为纤芯吸收功率分布函

T123

1

数为光纤总长度为泵浦光吸收系数

99-

LU

根据实际情况纤芯中心处的温度为有限

9=

1

值

TT1

9( )/= 9

且温度梯度在纤芯与等效内包

88

层的边界以及等效内包层与外包层的边界温度和

9

]

理论模型的建立

对于高功率双包层光纤激光器由于增益光纤

9

长度远大于光纤横截面轴向温度的端面效应和温

9

度变化不能忽略沿轴向光纤内部发热不均匀由于

9-

光纤发热主要来源于纤芯纤芯横截面积远小于内

9

包层横截面积为简化计算将各种形状的内包层等

9

效成圆形内包层如图所示纤芯等效内包层和

91-

外包层半径分别为和上述条件下双包层光

111

123

9-

纤温度梯度分布限于径向与轴向

-

图双包层光纤横截面几何模型

1

FigGeometricalmodelofacrossctionofdoublecladfiber

.1

当激光器达到稳定输出后对应的稳态温度分

9

布应满足方程

[2]

1T(1)G

88

(D

111K

88

1

=--(1)

式中为光纤半径为温度分布为单位体

:;();

1T1G

积热密度为导热系数将式积分得

;-(1)

K

T1aln1Z

()=-++9(2)

1G1

2

4

K

式中为积分常数该式表示了温度沿光纤截面

aZ

9-

半径方向的分布由式得到光纤截面各区域的温

-(2)

度分布

T(1)=-+aln1+Z 1 1

11111

1

G1

1

2

4K

1

2

-

T(1)=-+aln1+Z1 1 1

222212

1

G1

2

4K

2

T(1)=-+aln1+Z1 1 1

333323

1

G1

3

2

4K

3

(3)1911 ;9

温度梯度均连续则边界条件写为

9

T( )

8

8

1

= 9T( )=T

=9T(1)=T(1)-(4)

88

T(1)T(1)

1121

88

11

1121

88

T(1)T(1)

2232

88

11

=9T(1)=T(1)

2232

结合式解得

(3)(4)

T

1

(1)=-+T

1

G1

1

2

4K

1

-

T=-(1)ln-+T

1G1G

22

11

11

2

2K14K

11

111

1G1G

22

T(1)=-ln1+(1-2ln1)+T

1111

31

2K4K

11

(5)

外包层表面与外界环境或制冷设备相连根据牛顿

9

冷却定律

[5]

8

T(1)

33

8

1K

=[-()]-(6)

h

3

TT1

E33

式中为传热系数

:;

hT

E

为环境温度或制冷温度将

-

T

3

()(6)

1

代入式得到纤芯中心温度

TTln

E

=++1.(7)

1G2K1

2

1133

4K1h1

131

(D

+2

联立式得到双包层光纤激光器横截面径向温

(5)(7)

度分布改变光纤总长度即可得到光纤中心温度

9

L

与长度的关系

-

2

数值模拟与分析

实验采用双包层光纤纤芯半径

1

1

=15.259

pm

D1pm

形内包层等效圆形内包层半径涂敷

2

=2 9

层厚度为故外包层半径

15 9=15 +2 =

pm1

3

35 9;976=5/9

pmnmUdBm

该光纤在处吸收系数

长度可认为泵浦光全部被吸收

Lmnm

=1 9976;

采用双端泵浦方式总光纤功率为激光输

91.59

kW

出功率为中心波长由于光纤很细

kWnm

1OOO

北京理工大学学报第

25

卷

可设双包层光纤的纤芯内包层和外包层导热系数的光纤激光器在端头处需要将外包层去除干净并

~

相等即保证光纤端面的平整尽量避免端面缺陷导致激光

KKKWmK

123

===1.4/( );

[6]

环境温度

TK

E

=293.~

2.l

光纤轴向温度分布

假定剩余泵浦功率全部转化成热上述条件下

(

为并且仅依靠光纤表面与空气的热交换散

5OO)

W

热传热系数为根据式

(O.1>1O/( ))

-22

WcmK

(7)

不同光纤长度光纤中心温度

T

O

沿轴向分布如

图所示可见光纤端面处温度很高且轴向变化很

2.

损伤阈值下降泵浦光对端面的损伤和激光振荡阈

值提高以减小热效应的影响同时需要对光纤沿轴

;

向冷却即增大传热系数

.

h

快而中间部分的温度相对较低与环境温度接近

;

光纤越长光纤散热面积越大表面积体积比越

(/

大越有利于散热和保持激光转换效率掺杂纤芯

)

温度越低可见高功率光纤激光器的热效应主要集

.

中在光纤端头附近区域内对这一部分光纤横截面

温度分布进行分析有助于克服热效应对激光输出的

影响

.

图光纤轴向中心温度沿光纤长度方向的分布

2

T

O

FigCentertemperaturedistributionalongthe

.2

fiberlengthdirection

2.2

光纤端面径向温度分布

对于光纤长度为输出功率为的双

1O 1

mkW

包层光纤激光器根据式光纤端面径向温度分

(5)

布如图所示纤芯温度高达外包层温度

3 1433

K

也高达由于掺杂纤芯温度很高导致激光

1422.

K

下能级粒子数增加使增益变小光纤激光器转换效

率将显著下降在直径的光纤截面上纤芯

;7OO

pm

中心与边缘的温度梯度为左右由热应力引起

1OC

的折射率变化和热致双折射变化虽不明显纤芯也

不会熔化

(

SiOK

2

材料熔点为但由于外包层

1982)

多为聚合物材料构成在端面泵浦耦合情况下端面

和外包层不能承受如此高的泵浦功率此时光纤端

面已经被泵浦光和激光损坏外包层已经被高温熔

化光纤激光器无法正常工作因此对于输出千瓦级

.

图剩余泵浦功率全部被纤芯吸收转化成热时

3

光纤端面径向温度

T1

()

分布

FigFiberradialtemperaturedistributionwithtotalabsorption

.3

ofpumpedresidualpowerbythefibercore

2.3

光纤端头的散热与制冷

上述千瓦级光纤激光器在光纤表面自然散热情

况下光纤端面中心温度升到以上增加纤

1OOO.

K

芯直径可增大总散热面积会使光纤中心温度有所

降低但考虑到纤芯与内包层面积比对吸收效率的

.

影响以及纤芯直径对激光输出模式的影响纤芯直

径不宜过大

.

根据轴向温度分布可知由于光纤端面处所承

受的泵浦功率最高相应的温度也最高光纤端面最

容易损坏自然散热时从长光纤端面到处

1O1

mm

中心温度由急剧下降到轴

1433396(123C)

KK

向温度的端面效应和温度变化非常显著因为一般

.

大功率固体激光器增益介质的正常工作温度可在

1OOC

以上因此只需要对端面附近很短一段光纤

沿轴向制冷

.

如图所示对端面附近光纤采取不同程度的

4

制冷措施水冷或风冷即增大传热系数即使

[2]

() 5OO

W

激光功率全部被纤芯吸收转换为热光纤温度也

会明显降低温度分布随的变化非常明显通过改

.

h

善高功率光纤激光器的冷却条件光纤整体温度降

低的同时径向温差不超过可以忽略径向热

1OC

应力引起的折射率变化和热致双折射变化典型风

.

冷和水冷措施传热系数可以取

2>1O~

-2

3/( )

WcmK

2

可见只要采取少量的制冷就可以

使光纤端面温度降低到接近环境温度

.

第期高雪松等

ll:

高功率双包层光纤激光器温度分布的数值分析

lOOl

和此时由于温度升高而引起的热效应可忽

52l

K

略不计对制冷的要求很低故可以采用相干合成或

.

波长耦合等方法将多路百瓦级或

(lOO2OO)

WW

光纤激光合成为千瓦级激光输出

.

如图所示通过对双包层光纤端头散热或制

6

冷增大传热系数在单根光纤输出激光功

() l

hkW

率情况下对应纤芯中心温度显著降低有效克服了

热效应问题当传热系数大于

.5>lO/( )

-22

WcmK

时光纤中心温度已基本接近环境温度即对光纤端

图不同传热系数下全部被纤芯吸收转换为热时

45OO

W

光纤端面径向温度沿光纤长度分布

T1

()

FigRadialtemperaturedistributiononfiberendcross

.4-

ctionwithtotalabsorptionofWbythefiber

5OO

corehavingdifferenth

3

考虑热效应时千瓦级光纤激光器的

设计

由上述分析可知随着光纤长度增加光纤端面

中心温度明显降低对散热和制冷的要求越低但光

.

纤越长光纤激光器非线性效应越显著由于

;

Yb

3+

离子吸收谱线很宽过长的光纤还会对激光产生二

次吸收限制激光功率的提高因此要从对泵浦光

.

的吸收减小非线性效应和有效散热等方面综合考

~

虑确定高功率光纤激光器最佳光纤长度

.

如图所示自然散热条件下单根长光纤

5 lO

m

输出和时端面中心温度分别为

lOO2OO4O7

WWK

图

5=l>lO

h

-32

WcmK

/( )

不同光纤长度时端面中心温度

随激光输出功率的变化

FigTherelationshipbetweentemperatureatfiberendcenter

.5-

andoutputpowerwithdifferentfiberlengthof

hWcmK

=l>lO/( )

-32

头采用风冷或少量水冷就可以消除热效应的影响

.

可见光纤散热主要是沿轴向对高功率光纤激光器

光纤端面附近采取整体制冷的方式具有重要意义

.

图不同制冷条件下光纤端面处中心温度

6=lO

Lm

随激光输出功率的变化

FigTherelationshipbetweentemperatureatfiberend

.6-

centerandoutputpoweratdifferentcooling

conditionsofLm

=lO

4

结论

建立了一套双包层光纤激光器稳态温度分布模

型结合双包层光纤激光器的具体参数数值

l

kW

模拟了光纤轴向与截面径向温度分布结果表明光

.

纤中心温度随制冷量的不同传热系数变化明显

().

h

在设定条件下研究了不同光纤长度和不同冷

却条件下纤芯中心温度随激光输出功率的变化关

系结果表明在自然散热条件下可采用多束光纤相

.

干合成的方法实现千瓦级光纤激光输出对于单根

;

光纤输出能量为千瓦量级的光纤激光器应沿轴向

对光纤端面附近区域散热保护光纤端面免受泵浦

光与激光能量的损伤抑制轴向温度的端面效应和

温度变化保持激光器的转换效率和输出功率不受

影响径向热应力引起的折射率变化和热致双折射

;

变化对激光输出的影响随光纤中心温度的升高而愈

1002

北京理工大学学报第卷

fiberlarsJIEEEJournalofGuantum

[4],.-

[].

25

加显著在采取制冷措施的情况下可以将其忽略这

,.

一结论为同类高功率双包层光纤激光器的研制提供

了重要的参考依据

.

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上接第面

方法对估计的收敛时间约为稳态误差约为

ls

160,

3.10/.

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[3],,-.

KongXiaoyingNebotEMDurrantWhyte~

misalignmenterrorsanditsapplicationinINS

alignmentAandcalibrationInternational

[].

DeVelopmentofanonlinearpsianglemodelforlarge

--

4

结论

SRUKFCholeskyGR

采用了和矩阵分解方

法其算法的计算量和滤波性能与算法基本一

,

UKF

致在传播和更新中以因子形式表示协

,,

Cholesky

方差矩阵方根保证了方法的数值稳定性

,.

SRUKF

对静动基座情况下惯性导航系统初始对准蒙特卡

~

罗仿真表明和在滤波精度和

,,

EKFUKFSRUKF

收敛速度上基座圆周运动情况优于静止和直线加

,

速运动情况和在滤波性能上基本一

,

UKFSRUKF

致并且均优于但种方法都存在滤波精度依

,,3

EKF

赖于系统模型准确性的问题

.

参考文献

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高功率双包层光纤激光器温度分布的数值分析

作者：高雪松， 高春清， 林志锋， 胡姝玲， 李家泽， 魏光辉， GAO Xue-song， GAO Chun-

作者单位：北京理工大学,信息科学技术学院光电工程系,北京,100081

刊名：

英文刊名：TRANSACTIONS OF BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY

年，卷(期)：2005,25(11)

被引用次数：2次

qing， LIN Zhi-feng， HU Shu-ling， LI Jia-ze， WEI Guang-hui

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本文链接：/Periodical_