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。對于百瓦量級的光纖激光器而言，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，甚至達到千瓦量級，由于量子虧損等多種原因，光纖會產生嚴重的熱效應。基質材料熱擴散引起應力和折射率變化，低折射率的聚合層容易發(fā)生熱損傷，嚴重時會導致光纖熱炸裂；隨著熱量不斷累積，摻雜纖芯溫度會升高，激光下能級的粒子數增加導致激光器閾值功率提高和斜率效率下降，同時量子效率降低會引起輸出波長的變化。為進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光輸出，解決其熱效應是高功率光纖激光系統(tǒng)所面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。

二、光纖激光器中熱效應的來源

2.1量子虧損效應

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

2.2多種損耗

光纖涂料在 80 ℃ 臨界溫度以上會產生材料變性或表層皴裂等現象。在高功率連續(xù)光纖激光運行時，光纖涂料極有可能超過所能耐受的熱負載極限，導致包層光的泄漏，最終能引起激光器的整體燒毀。

光纖的熔接點處有較為嚴重的熱效應，主要來源于兩個方面：１）光纖材料及重新涂覆材料對光的吸收轉換會產生熱量，在較短的長度范圍內，幾乎完全透明的重涂覆層對光的吸收甚微，但其表面會產生一些微型空洞，空氣是熱的不良導體，空洞的存在使得熱阻變大，因此熔點處容易產生熱沉積，導致溫度明顯偏高；２）熔接參數不合適或者兩段光纖結構參數不匹配，會導致熔接處產生損耗，熱阻的存在使得熔點處溫度上升。溫度的升高使光纖發(fā)生熱損傷，同時對光纖的數值孔徑造成較大影響，數值孔徑的變化會顯著影響光的導向性。

2.3自發(fā)輻射效應

在 MOPA結構中，當信號光較弱時，大量泵浦光注入可能會導致光纖自發(fā)輻射（ASE）的概率升高。大量隨機的自發(fā)輻射光從纖芯泄露至玻璃包層以及光纖涂層而使有機涂層過熱燒毀。另外，ASE的產生也使量子虧損增大，導致光纖芯區(qū)的發(fā)熱加劇。

圖1 MOPA結構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

隨著超高功率光纖激光器的出現，纖芯區(qū)域的激光功率密度逐漸增大，受激拉曼散射效應（SRS）逐漸成為功率提升的主要限制因素。在高功率運行過程中，當激光信號光功率達到 SRS 的閾值條件，信號激光會激發(fā)并泵浦頻率更低的拉曼光，從而產生拉曼光放大過程。同時，伴隨著量子虧損，SRS 會加劇光纖芯區(qū)的發(fā)熱問題。

三、熱效應解決方案

光纖激光器的熱效應對光纖和輸出特性都有不可忽略的影響，因此降低熱效應帶來的負面影響意義重大。熱效應的抑制主要集中在以下三方面：

１）根據光纖的溫度理論模型合理選擇光纖參數；

２）合理選擇抽運結構和抽運方式有利于實現溫度的均勻分布，減少熱效應的產生；

３）選擇高效的外部散熱方案可以極大地降低熱效應帶來的負面影響。

3.1光纖參數的優(yōu)化

影響光纖溫度分布的主要因素有纖芯和內外包層的導熱系數、徑向尺寸、吸收系數以及光纖長度等。合理選擇光纖參數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，但過大會則影響光束質量。涂覆層作為光纖熱傳導的最外層介質，其厚度對光纖的工作溫度影響很大。理論上涂覆層的內外表面溫差與厚度呈正相關，涂覆層越薄，熱傳導阻值越小，整個涂覆層的內外表面溫差越小，系統(tǒng)可承受的功率越高。但由于光纖表面對流換熱的影響，且涂覆層有保護光纖的作用，因而需要合理選擇涂覆層厚度。

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

圖2（a）涂覆層厚度與熱阻的關系（b）吸收系數與溫度的關系

3.2抽運方式的選擇

分布如圖3所示。圖3（ｅ）所示的非均勻系數下光纖中間幾段的吸收系數高于兩側，在保證溫度分布基本均勻的情況下，輸出功率與圖3（ｄ）相同時所需光纖縮短了２０ｍ以上；圖3（ｆ）中將抽運功率分成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。抽運方式對光纖激光器而言意義重大。２０１１年耶拿大學利用分布式側面抽運光纖搭建了千瓦量級的側面抽運光纖激光器，２０１４年ＳＰＩ公司推出了千瓦量級側面抽運光纖激光器產品，２０１５年國內報道了國防科學技術大學和中國電子科技集團第二十三研究所聯(lián)合研發(fā)了分布式側面耦合包層抽運光纖，并搭建了全國產化光纖激光器，實現了千瓦量級的功率輸出。采用多段非均勻抽運或分布式側面抽運結構可以保證光纖溫度均勻，降低熱效應影響的同時有效縮短光纖的長度。但分布式側面抽運光纖的拉制、降低各段光纖的熔接耦合損耗并提高效率是技術關鍵。隨著光纖設計、拉制及熔接等關鍵技術的突破和發(fā)展，更多的抽運方式將會應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結合以有效抑制光纖熱效應的產生，實現更高功率激光的穩(wěn)定輸出。

圖3（a）~（c）不同抽運結構示意圖（d）~（f）對應的溫度分布圖

3.3 散熱設計

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

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

光纖激光器輸出數百瓦或上千瓦量級的功率時，單純的對流冷卻方式難以滿足散熱需求，需選擇特定的熱傳導方式，將光纖熱量傳導至特定的熱沉上，然后通過熱沉進行高效的熱量傳導或對流擴散。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，會阻礙熱量的傳導。影響光纖與熱沉熱傳導的主要因素是熱阻，熱阻是熱交換界面之間熱傳導水平的衡量標準。

光纖和熱沉之間的熱阻理論模型可簡化為

式中Ｔｓ 為光纖表面溫度，Ｔ∞為熱沉溫度，ｑ″為熱通量（Ｗ／ｍ２），是熱負載ｑ′（Ｗ／ｍ）與周長之比，Ｒｃｏｎｔａｃｔ為熱接觸阻值，Ｒｃｏｎｄ為間隙層的熱阻，Ｌ 為間隙層厚度，ｋ為間隙中填充物質的熱導率，Ａ 為熱流通過的表面積。通過以上述模型可知，保證較小的熱阻可以降低光纖的溫度。由于兩接觸界面的空氣具有極低的熱傳導系數（ｋａｉｒ=０．０２６ Ｗ／ｍＫ），通過填充高熱導率的熱界面材料（ＴＩＭ）可有效減小熱阻，同時間隙層厚度Ｌ越小越好。

圖4 光纖和熱沉之間的熱阻分解示意圖，（a）無填充；（b）理想填充材料

除了減小間隙厚度和提高熱導率以外，還可以通過控制熱沉的形狀來降低光纖表面溫度。圖5所示為常見矩形、Ｖ 型和 Ｕ 型凹槽熱沉散熱結構。針對重涂覆光纖熔點的三種不同凹槽結構進行了熱阻的評估，其他參數均一致的情況下，周長最短的 Ｕ 型槽熱阻最小，冷卻效果較好，而周長最長的 Ｖ 型槽熱阻最大，冷卻效果較差，實際應用中區(qū)別不明顯，Ｕ 型和 Ｖ 型結構使用較多，散熱效果明顯優(yōu)于純平面熱沉。

圖5 三種不同凹槽熱沉示意圖

光纖激光器以較小功率運行時，可以通過半導體致冷模塊（ＴＥＣ）和熱沉進行風冷，當光纖激光器功率較高時，可通過水冷來保證穩(wěn)定的工作溫度。Ｌｉ等將 ＴＥＣ應用 于 ＥＹＤＦＬ 的 外 部 冷 卻，采 用 雙 端 抽 運 結 構，將 ＴＥＣ 用 于 高 功 率 運 行 下 的 前１０．２ｃｍ長光纖外圍鋁熱沉上，采用的 Ｕ 型槽如圖１２（ａ）所示。圖6（ｂ）中藍色曲線表示光纖與熱沉接觸溫度分布，紅色曲線為光纖的理論溫度分布，ＴＥＣ和熱沉的使用有效降低了光纖的溫度。

圖6（a）制冷光纖段示意圖（b）雙端抽運溫度分布

對于高功率 光 纖 激 光 器，大量研究采用有針對性的散熱處理，獲 得 了 千 瓦 量 級 以 上 的 高 輸 出 功率，沒有非線性效應和熱損傷現象出現，良好的熱管理技術保證了光纖激光器的穩(wěn)定運行。研究中主要通過平面纏繞和圓筒纏繞方式進行光纖散熱，采用刻有 Ｕ 型或 Ｖ 型凹槽的金屬熱沉，光纖與凹槽的接觸間隙用導熱硅脂（熱導率一般大于２ Ｗ／ｍＫ）填充，通過水冷的方式帶走熱量，其結構如圖7所示。

圖7增益光纖的冷卻結構（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、半導體抽運、光纖耦合以及包層光濾除等關鍵技術的發(fā)展，熱效應作為功率提升的瓶頸之一，將會得到良好的控制，光纖激光器的功率將會不斷提高。同時有效的熱管理技術還可以促進光纖激光器集成封裝技術的發(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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作者：趙興業(yè) 劉洹銖 趙夢晗 葉童