一、背景

光纖激光器（Fiber Laser）是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，其表面積／體積比是傳統(tǒng)的固體塊狀激光器的1000倍以上，散熱性能良好。對(duì)于百瓦量級(jí)的光纖激光器而言，自然散熱即可滿足散熱要求。但隨著光纖激光器的快速發(fā)展，其輸出功率逐年提高，甚至達(dá)到千瓦量級(jí)，由于量子虧損等多種原因，光纖會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的熱效應(yīng)?；|(zhì)材料熱擴(kuò)散引起應(yīng)力和折射率變化，低折射率的聚合層容易發(fā)生熱損傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致光纖熱炸裂；隨著熱量不斷累積，摻雜纖芯溫度會(huì)升高，激光下能級(jí)的粒子數(shù)增加導(dǎo)致激光器閾值功率提高和斜率效率下降，同時(shí)量子效率降低會(huì)引起輸出波長(zhǎng)的變化。為進(jìn)一步提升激光輸出功率，光纖激光器將承受更大功率的泵浦光注入和能量密度更大的信號(hào)光輸出，解決其熱效應(yīng)是高功率光纖激光系統(tǒng)所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

二、光纖激光器中熱效應(yīng)的來(lái)源

2.1量子虧損效應(yīng)

量子虧損效應(yīng)是引起光纖芯區(qū)發(fā)熱的主要來(lái)源也是固有熱量來(lái)源。因泵浦波長(zhǎng)和信號(hào)光波長(zhǎng)的固有差異，所有光纖激光系統(tǒng)都會(huì)伴隨一定比例的量子虧損。以 1080 nm 激光輸出波長(zhǎng)為例，915 nm 泵浦波長(zhǎng)的量子虧損比重約 15.3%。

2.2多種損耗

光纖涂料在 80 ℃ 臨界溫度以上會(huì)產(chǎn)生材料變性或表層皴裂等現(xiàn)象。在高功率連續(xù)光纖激光運(yùn)行時(shí)，光纖涂料極有可能超過(guò)所能耐受的熱負(fù)載極限，導(dǎo)致包層光的泄漏，最終能引起激光器的整體燒毀。

光纖的熔接點(diǎn)處有較為嚴(yán)重的熱效應(yīng)，主要來(lái)源于兩個(gè)方面：１）光纖材料及重新涂覆材料對(duì)光的吸收轉(zhuǎn)換會(huì)產(chǎn)生熱量，在較短的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，幾乎完全透明的重涂覆層對(duì)光的吸收甚微，但其表面會(huì)產(chǎn)生一些微型空洞，空氣是熱的不良導(dǎo)體，空洞的存在使得熱阻變大，因此熔點(diǎn)處容易產(chǎn)生熱沉積，導(dǎo)致溫度明顯偏高；２）熔接參數(shù)不合適或者兩段光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)不匹配，會(huì)導(dǎo)致熔接處產(chǎn)生損耗，熱阻的存在使得熔點(diǎn)處溫度上升。溫度的升高使光纖發(fā)生熱損傷，同時(shí)對(duì)光纖的數(shù)值孔徑造成較大影響，數(shù)值孔徑的變化會(huì)顯著影響光的導(dǎo)向性。

2.3自發(fā)輻射效應(yīng)

在 MOPA結(jié)構(gòu)中，當(dāng)信號(hào)光較弱時(shí)，大量泵浦光注入可能會(huì)導(dǎo)致光纖自發(fā)輻射（ASE）的概率升高。大量隨機(jī)的自發(fā)輻射光從纖芯泄露至玻璃包層以及光纖涂層而使有機(jī)涂層過(guò)熱燒毀。另外，ASE的產(chǎn)生也使量子虧損增大，導(dǎo)致光纖芯區(qū)的發(fā)熱加劇。

圖1 MOPA結(jié)構(gòu)光纖光纖激光器系統(tǒng)發(fā)熱位置

2.4受激拉曼散射效應(yīng)

隨著超高功率光纖激光器的出現(xiàn)，纖芯區(qū)域的激光功率密度逐漸增大，受激拉曼散射效應(yīng)（SRS）逐漸成為功率提升的主要限制因素。在高功率運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)激光信號(hào)光功率達(dá)到 SRS 的閾值條件，信號(hào)激光會(huì)激發(fā)并泵浦頻率更低的拉曼光，從而產(chǎn)生拉曼光放大過(guò)程。同時(shí)，伴隨著量子虧損，SRS 會(huì)加劇光纖芯區(qū)的發(fā)熱問(wèn)題。

三、熱效應(yīng)解決方案

光纖激光器的熱效應(yīng)對(duì)光纖和輸出特性都有不可忽略的影響，因此降低熱效應(yīng)帶來(lái)的負(fù)面影響意義重大。熱效應(yīng)的抑制主要集中在以下三方面：

１）根據(jù)光纖的溫度理論模型合理選擇光纖參數(shù)；

２）合理選擇抽運(yùn)結(jié)構(gòu)和抽運(yùn)方式有利于實(shí)現(xiàn)溫度的均勻分布，減少熱效應(yīng)的產(chǎn)生；

３）選擇高效的外部散熱方案可以極大地降低熱效應(yīng)帶來(lái)的負(fù)面影響。

3.1光纖參數(shù)的優(yōu)化

影響光纖溫度分布的主要因素有纖芯和內(nèi)外包層的導(dǎo)熱系數(shù)、徑向尺寸、吸收系數(shù)以及光纖長(zhǎng)度等。合理選擇光纖參數(shù)可以有效控制光纖的熱量分布，保證光纖的正常穩(wěn)定工作。

纖芯尺寸變大可降低纖芯溫度，但過(guò)大會(huì)則影響光束質(zhì)量。涂覆層作為光纖熱傳導(dǎo)的最外層介質(zhì)，其厚度對(duì)光纖的工作溫度影響很大。理論上涂覆層的內(nèi)外表面溫差與厚度呈正相關(guān)，涂覆層越薄，熱傳導(dǎo)阻值越小，整個(gè)涂覆層的內(nèi)外表面溫差越小，系統(tǒng)可承受的功率越高。但由于光纖表面對(duì)流換熱的影響，且涂覆層有保護(hù)光纖的作用，因而需要合理選擇涂覆層厚度。

光纖在空氣中冷卻時(shí)，光纖熱傳導(dǎo)阻值Ｒｃｏｎｄ、熱對(duì)流阻值Ｒｃｏｎｖ及總熱阻值Ｒｔｏｔ與涂覆層厚度的關(guān)系如圖2（ａ）所示。涂覆層厚度與Ｒｃｏｎｄ呈正相關(guān)，而與Ｒｃｏｎｖ呈負(fù)相關(guān)，因此需合理選擇涂覆層厚度，以保證總熱阻值較低。光纖長(zhǎng)度與吸收系數(shù)和溫度的關(guān)系如圖2（ｂ）所示，通過(guò)降低光纖吸收系數(shù)，可以有效減少對(duì)抽運(yùn)功率的吸收，對(duì)抽運(yùn)功率吸收的降低意味著熱沉積的減少，從而降低光纖溫度，但要實(shí)現(xiàn)相同的輸出則需要增加光纖長(zhǎng)度。Ｗａｎｇ 等研 究 了 總 抽 運(yùn) 功 率 為 １０００ Ｗ、雙 端 抽 運(yùn) 功 率 均 為 ５００ Ｗ 時(shí)，采 用０．２５ｄＢ吸收系數(shù)的６０ｍ 長(zhǎng)光纖時(shí)輸出功率為６３０Ｗ，而采用１．０ｄＢ２０ｍ 長(zhǎng)的光纖時(shí)輸出功率為７２５Ｗ，但后者光纖最高溫度比前者高約２００ ℃。由于抽運(yùn)端的抽運(yùn)功率最強(qiáng)，雖然降低光纖吸收系數(shù)可以有效減少對(duì)抽運(yùn)功率的吸收，但在兼顧抽運(yùn)吸收效率的前提下，激光器若完全采用低摻雜、低吸收率的光纖，需增加光纖長(zhǎng)度，這樣又會(huì)導(dǎo)致其他問(wèn)題的產(chǎn)生，如非線性效應(yīng)以及輸出效率的下降等。

圖2（a）涂覆層厚度與熱阻的關(guān)系（b）吸收系數(shù)

與溫度的關(guān)系

3.2抽運(yùn)方式的選擇

分布如圖3所示。圖3（ｅ）所示的非均勻系數(shù)下光纖中間幾段的吸收系數(shù)高于兩側(cè)，在保證溫度分布基本均勻的情況下，輸出功率與圖3（ｄ）相同時(shí)所需光纖縮短了２０ｍ以上；圖3（ｆ）中將抽運(yùn)功率分成７段，溫度分布更為均勻，且溫度可控制在十分理想的范圍內(nèi)。抽運(yùn)方式對(duì)光纖激光器而言意義重大。２０１１年耶拿大學(xué)利用分布式側(cè)面抽運(yùn)光纖搭建了千瓦量級(jí)的側(cè)面抽運(yùn)光纖激光器，２０１４年ＳＰＩ公司推出了千瓦量級(jí)側(cè)面抽運(yùn)光纖激光器產(chǎn)品，２０１５年國(guó)內(nèi)報(bào)道了國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中國(guó)電子科技集團(tuán)第二十三研究所聯(lián)合研發(fā)了分布式側(cè)面耦合包層抽運(yùn)光纖，并搭建了全國(guó)產(chǎn)化光纖激光器，實(shí)現(xiàn)了千瓦量級(jí)的功率輸出。采用多段非均勻抽運(yùn)或分布式側(cè)面抽運(yùn)結(jié)構(gòu)可以保證光纖溫度均勻，降低熱效應(yīng)影響的同時(shí)有效縮短光纖的長(zhǎng)度。但分布式側(cè)面抽運(yùn)光纖的拉制、降低各段光纖的熔接耦合損耗并提高效率是技術(shù)關(guān)鍵。隨著光纖設(shè)計(jì)、拉制及熔接等關(guān)鍵技術(shù)的突破和發(fā)展，更多的抽運(yùn)方式將會(huì)應(yīng)用于高功率光纖激光器的研發(fā)中，與有效的外部散熱技術(shù)結(jié)合以有效抑制光纖熱效應(yīng)的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)更高功率激光的穩(wěn)定輸出。

圖3（a）~（c）不同抽運(yùn)結(jié)構(gòu)示意圖（d）~（f）對(duì)應(yīng)的溫度分布圖

3.3 散熱設(shè)計(jì)

熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射是三種主要的傳熱方式，由于熱輻射系數(shù)較小，一般情況下可以忽略其影響，傳導(dǎo)和對(duì)流為主導(dǎo)性散熱方式。對(duì)于功率較小的光纖激光器，通常只考慮光纖自然對(duì)流散熱，熱輻射影響較小，可適當(dāng)予以考慮。

對(duì)流換熱主要包括自然對(duì)流換熱和強(qiáng)制對(duì)流換熱。對(duì)流散熱的決定因素為對(duì)流換熱系數(shù)的大小。對(duì)流換熱系數(shù)ｈ與流體性質(zhì)、流速及對(duì)流面積有關(guān)。如表１所示，在同等條件下，強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)高于自然對(duì)流換熱系數(shù)，水的對(duì)流換熱系數(shù)是空氣對(duì)流換熱系數(shù)的數(shù)倍。對(duì)流換熱系數(shù)越大，光纖的散熱越好。自然空氣對(duì)流散熱一般應(yīng)用于功率較低的光纖激光器中。

光纖激光器輸出數(shù)百瓦或上千瓦量級(jí)的功率時(shí)，單純的對(duì)流冷卻方式難以滿足散熱需求，需選擇特定的熱傳導(dǎo)方式，將光纖熱量傳導(dǎo)至特定的熱沉上，然后通過(guò)熱沉進(jìn)行高效的熱量傳導(dǎo)或?qū)α鲾U(kuò)散。光纖和熱沉的接觸形狀或者加工表面不完全貼合，如圖4所示，在接觸界面存在空隙，會(huì)阻礙熱量的傳導(dǎo)。影響光纖與熱沉熱傳導(dǎo)的主要因素是熱阻，熱阻是熱交換界面之間熱傳導(dǎo)水平的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

光纖和熱沉之間的熱阻理論模型可簡(jiǎn)化為

圖4 光纖和熱沉之間的熱阻分解示意圖，（a）無(wú)填充；（b）理想填充材料

圖5 三種不同凹槽熱沉示意圖

圖6（a）制冷光纖段示意圖（b）雙端抽運(yùn)溫度分布

圖7增益光纖的冷卻結(jié)構(gòu)（a）散熱平板（b）散熱圓筒

隨著高功率光纖激光器熱管理技術(shù)、半導(dǎo)體抽運(yùn)、光纖耦合以及包層光濾除等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，熱效應(yīng)作為功率提升的瓶頸之一，將會(huì)得到良好的控制，光纖激光器的功率將會(huì)不斷提高。同時(shí)有效的熱管理技術(shù)還可以促進(jìn)光纖激光器集成封裝技術(shù)的發(fā)展，使高功率光纖激光器能適用于更為廣泛的環(huán)境中。

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