黃榜才，張 鵬,龍潤澤,韓桂云,張培培,王曉龍,張雪蓮,梁小紅

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220)

·激光器技術(shù)·

高功率光纖合束器熱阻系數(shù)的研究

黃榜才，張 鵬,龍潤澤,韓桂云,張培培,王曉龍,張雪蓮,梁小紅

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220)

報(bào)道了高功率光纖合束器熱阻系數(shù)的研究。實(shí)驗(yàn)研究了高功率光纖合束器熱阻系數(shù)的測量方法,分別在被動(dòng)制冷、主動(dòng)制冷和消除背向反射光條件下,測量了加拿大ITF公司系列高功率光纖合束器的熱阻系數(shù),分別為0.32 ℃/W,0.15 ℃/W,0.29 ℃/W；比較被動(dòng)制冷和主動(dòng)制冷兩種條件下光纖合束器熱阻系數(shù)的差異,表明主動(dòng)制冷可以明顯降低光纖合束器熱阻系數(shù)；研究了光纖合束器背向反射光對熱阻系數(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)消除背向反射光有利于降低熱阻系數(shù)。研究結(jié)果對高功率光纖激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。

光纖光學(xué);激光器和放大器;光纖合束;主動(dòng)制冷

1 引 言

高功率的雙包層光纖激光器以其優(yōu)越的性能獲得了廣泛關(guān)注并大量應(yīng)用[1-3]。其中,高功率光纖元器件的成熟和使用,是高功率光纖激光器研制的重要保證。高功率光纖合束器是高功率光纖激光器泵浦光耦合的關(guān)鍵器件,在高功率光纖激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大量應(yīng)用,因此國內(nèi)外科研人員對高功率光纖合束器的研制及其性能研究非常重視[4-6]。

熱阻系數(shù)(η,℃/W)是表征高功率光纖合束器耐熱性能的技術(shù)指標(biāo),其定義是通過光纖合束器的光功率(P,W)每損耗1W,在器件外殼所產(chǎn)生的溫度變化值(ΔT,℃)。計(jì)算如式(1)所示:

η=ΔT/ΔP

(1)

根據(jù)定義,高功率光纖合束器熱阻系數(shù)越高,相同光功率損耗產(chǎn)生的熱量越多,光纖合束器越容易發(fā)熱；反之,熱阻系數(shù)越低,光纖合束器產(chǎn)生的熱量越少,耐熱性能越高。因此,高功率光纖激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該選擇熱阻系數(shù)小的合束器產(chǎn)品。但是目前市場上出售的產(chǎn)品都不能提供該技術(shù)指標(biāo),用戶無法了解產(chǎn)品的耐熱性能,因此高功率光纖合束器熱阻系數(shù)的測量非常必要。

本文實(shí)驗(yàn)研究了高功率光纖合束器熱阻系數(shù)的測量方法,分別在被動(dòng)制冷、主動(dòng)制冷和消除背向反射光條件下,測量了加拿大ITF公司系列高功率光纖合束器的熱阻系數(shù),分別為0.32 ℃/W,0.15 ℃/W,0.29 ℃/W；研究了被動(dòng)制冷和主動(dòng)制冷兩種條件下光纖合束器熱阻系數(shù)的差異,表明主動(dòng)制冷可以明顯降低光纖合束器熱阻系數(shù)；研究了光纖合束器背向反射光對熱阻系數(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)消除背向反射光有利于降低熱阻系數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

本實(shí)驗(yàn)測量對象為加拿大ITF公司7×1系列高功率多模光纖合束器,7根輸入光纖是纖芯直徑105 μm、包層直徑125 μm的多模光纖,NA值為0.22；輸出光纖是纖芯直徑200 μm、包層直徑220 μm的多模光纖,NA值為0.22。該系列合束器采用了散熱能力較好的方形小鋁塊封裝方式,根據(jù)廠家產(chǎn)品資料,單根輸入光纖最大承受功率為50 W,據(jù)此估算產(chǎn)品整體承受最大功率350 W,但是均未提供產(chǎn)品熱阻系數(shù)值。

為了匹配合束器參數(shù),實(shí)驗(yàn)采用了7個(gè)最大輸出功率30 W多模單發(fā)射體半導(dǎo)體激光器作為測試光源,工作波長為915 nm,輸出光纖也是纖芯直徑105 μm、包層直徑125 μm的多模光纖,NA值為0.22。多模單發(fā)射體半導(dǎo)體激光器全部安裝在水冷板上,輸出光纖與測試合束器輸入光纖直接熔接。測試合束器輸出光纖輸出到功率計(jì)進(jìn)行測量。合束器的表面溫度采用熱電偶進(jìn)行測量。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 高功率光纖合束器測試裝置圖

實(shí)驗(yàn)時(shí),先行對7只單發(fā)射體半導(dǎo)體激光器加載1～10 A驅(qū)動(dòng)電流I(i=1,2～10),并測量出每個(gè)整數(shù)安培驅(qū)動(dòng)電流下7只單發(fā)射體半導(dǎo)體激光器的總輸出功率,記為Pin(i=1,2～10)；該功率經(jīng)過合束器之后會(huì)有部分損耗,剩余輸出功率記為Pout(i=1,2～10),由此可獲得每個(gè)整數(shù)電流下合束器的損耗為:

ΔP(i)=Pin(i)-Pout(i)

(2)

與此同時(shí),采用熱電偶測量1～10 A每個(gè)整數(shù)電流下光纖合束器的表面溫度,記為T(i=1,2～10),由此可獲得測量合束器的熱阻系數(shù)值為:

(3)

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.2.1 被動(dòng)制冷時(shí)合束器熱阻系數(shù)的測量

首先,在上述實(shí)驗(yàn)裝置中高功率光纖合束器放置在光學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行固定,完全依靠被動(dòng)散熱。按照2.1節(jié)所述實(shí)驗(yàn)方法,測量了編號(hào)為2181941光纖合束器在1～10A整數(shù)驅(qū)動(dòng)電流I時(shí)的Pin(i),Pout(i),T(i)值,并得到ΔP(i),如表1所示。

表1 不同驅(qū)動(dòng)電流時(shí)實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)

根據(jù)公式(3),可得到編號(hào)為2181941光纖合束器的熱阻系數(shù)值η為0.31 ℃/W。在直角坐標(biāo)系中,以T(i,i=1,2～10)為縱坐標(biāo),ΔP(i)為橫坐標(biāo),得到光纖合束器損耗與表面溫度關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 高功率光纖合束器表面溫度與損耗

2.2.2 主動(dòng)制冷對合束器熱阻系數(shù)測量的影響

在高功率光纖合束器的實(shí)際應(yīng)用中,考慮到散熱需要一般都按照主動(dòng)制冷方式對其進(jìn)行安裝。在主動(dòng)制冷條件下,編號(hào)為2181941高功率光纖合束器安裝于(20±1) ℃恒溫制冷片上。實(shí)驗(yàn)其他裝置如圖1所示,按照2.1節(jié)所述實(shí)驗(yàn)方法,測量了1～10A整數(shù)驅(qū)動(dòng)電流I時(shí)的Pin(i),Pout(i),T(i)值,并得到ΔP(i),如表2所示。

表2 主動(dòng)制冷時(shí)不同驅(qū)動(dòng)電流下實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)

根據(jù)公式(3),可得到編號(hào)為2181941光纖合束器的熱阻系數(shù)值η為0.15 ℃/W。在直角坐標(biāo)系中,以T(i,i=1,2～10)為縱坐標(biāo),ΔP(i)為橫坐標(biāo),得到光纖合束器損耗與表面溫度關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 主動(dòng)制冷時(shí)光纖合束器表面溫度與損耗

2.2.3 背向反射光對合束器熱阻系數(shù)測量的影響

在2.2.1小節(jié)中,光纖合束器輸出光纖端面采用了垂直切割的方式,由于輸出端面4%的菲涅爾反射,必然有部分泵浦光重新回到合束器耦合區(qū)域。為了研究背向反射光對高功率光纖合束器熱阻系數(shù)的影響,實(shí)驗(yàn)對光纖合束器輸出端面采用了8°角切割處理以消除端面反射。按照2.1節(jié)所述實(shí)驗(yàn)方法,測量了編號(hào)為2181941光纖合束器在1～10A整數(shù)驅(qū)動(dòng)電流I時(shí)的Pin(i),Pout(i),T(i)值,并得到ΔP(i),如表3所示。

表3 不同驅(qū)動(dòng)電流時(shí)實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)

根據(jù)公式(3),可得到編號(hào)為2181941光纖合束器的熱阻系數(shù)值η為0.29 ℃/W。與未消除背向反射光被動(dòng)制冷時(shí)測量的光纖合束器熱阻系數(shù)相比,消除背向反射光測量的熱阻系數(shù)值更低。

3 結(jié)果分析

通過2.1節(jié)中實(shí)驗(yàn)裝置和方法,實(shí)驗(yàn)分別獲得了被動(dòng)制冷、主動(dòng)制冷和消除背向反射光條件下,高功率光纖合束器熱阻系數(shù)的大小,研究結(jié)果對了解高功率光纖合束器的耐熱性能具有重要意義。根據(jù)熱阻系數(shù)的定義,熱阻系數(shù)越大,表明相同功耗情況下引起的溫度上升越高,合束器表面越熱。因此,熱阻系數(shù)定量地描述了一個(gè)光纖合束器的耐熱特性。

與此同時(shí),依據(jù)光纖合束器熱阻系數(shù)的測量值,可以準(zhǔn)確地計(jì)算和預(yù)測合束器的內(nèi)部溫度情況,這對高功率光纖激光器研究設(shè)計(jì)工作具有重要參考價(jià)值。根據(jù)有關(guān)研究,光纖合束器內(nèi)部熱阻系數(shù)是其表面熱阻系數(shù)的兩倍關(guān)系[7]。以編號(hào)為2181941光纖合束器為例,其表面熱阻系數(shù)為0.31 ℃/W,則內(nèi)部熱阻系數(shù)為0.62 ℃/W。根據(jù)式(1)可知,編號(hào)2181941光纖合束器表面溫度、內(nèi)部溫度與功耗關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 高功率光纖合束器表面溫度、內(nèi)部溫度與損耗關(guān)系

圖4表明:在已知熱阻系數(shù)的情況下,光纖合束器表面溫度、內(nèi)部溫度隨著功率損耗的增加單調(diào)遞增,具有良好的線性關(guān)系。光纖合束器內(nèi)部溫度的上限值為70 ℃,如果環(huán)境溫度為20 ℃,當(dāng)光纖合束器功耗達(dá)到80 W時(shí),其內(nèi)部溫度上升50 ℃后將達(dá)到70 ℃的上限值,存在燒毀的危險(xiǎn)。

在2.2.2小節(jié)中研究了主動(dòng)制冷條件下光纖合束器熱阻系數(shù)的測量。研究發(fā)現(xiàn):主動(dòng)制冷時(shí)光纖合束器的熱阻系數(shù)降低到0.15 ℃/W,明顯比被動(dòng)制冷條件下的測量值低。分析認(rèn)為:主動(dòng)制冷條件下,光纖合束器熱量被迅速散發(fā),因此溫度上升現(xiàn)象可以得到一定程度的改善,表2中T值的測量與此吻合。上述結(jié)果表明對于一個(gè)特定的光纖合束器,采用主動(dòng)制冷安裝可以提高產(chǎn)品的耐熱性能。因此,在高功率光纖激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),光纖合束器建議采用水冷等控溫方式安裝。

根據(jù)2.2.3小節(jié)中研究結(jié)果,與未消除背向反射光被動(dòng)制冷時(shí)測量的光纖合束器熱阻系數(shù)相比,消除背向反射光測量的熱阻系數(shù)值更低。這表明由于光纖端面反射造成的回光反向經(jīng)過光纖合束器時(shí)產(chǎn)生損耗,并引起光纖合束器的溫度上升。分析原因與光纖合束器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。7×1系列高功率多模光纖合束器的7根輸入光纖經(jīng)過拉錐后形成如圖5所示截面,7根光纖纖芯外面是摻氟石英包層,當(dāng)單根光纖內(nèi)的返回光與上述光纖錐區(qū)耦合時(shí),部分光會(huì)進(jìn)入摻氟石英包層并從封裝材料中泄露出去從而形成損耗,因此引起光纖合束器溫度的上升,對于承受功率達(dá)到1000W以上的高功率光纖合束器,減少甚至消除后向傳輸光損耗是器件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

圖5 7根輸入光纖拉錐后形成的端面圖

4 結(jié) 論

本文利用自己搭建的光纖合束器熱阻系數(shù)測試實(shí)驗(yàn)裝置,分別在被動(dòng)制冷、主動(dòng)制冷和消除背向反射光條件下,測量了加拿大ITF公司系列高功率光纖合束器的熱阻系數(shù),分別為0.32 ℃/W,0.15 ℃/W,0.29 ℃/W；利用測量的熱阻系數(shù)值,可以準(zhǔn)確計(jì)算出光纖合束器內(nèi)部溫度。通過比較被動(dòng)制冷和主動(dòng)制冷兩種條件下光纖合束器熱阻系數(shù)的差異,表明主動(dòng)制冷可以明顯降低光纖合束器熱阻系數(shù)；研究了光纖合束器背向反射光對熱阻系數(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)消除背向反射光有利于降低熱阻系數(shù)。研究結(jié)果對高功率光纖合束器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用具有重要意義。

[1] Y Jeong,J K Sahu,D N Payne,et al.Ytterbium-doped large-core fiber laser with 1.36 kW continuous-wave output power[J].Opt.Express,2004,12(25):6088-6092.

[2] HUANG Bangcai,LIU Fengnian,XU Lingling,et al.Distributed side-pump double-clad fiber amplifier[J].Laser & Infrared,2008,38(9):879-882.(in Chinese) 黃榜才,劉豐年,徐玲玲,等.側(cè)面分布式泵浦雙包層脈沖光纖放大器[J].激光與紅外,2008,38(9):879-882.

[3] ZHANG Liming,ZHOU Shouheng,ZHAO Hong,et al.Study of 1kw all-fiber laser experience[J].Laser & Infrared,2012,42(10):1127-1130.(in Chinese) 張利明,周壽桓,趙鴻,等,1kW全光纖激光器實(shí)驗(yàn)研究[J].激光與紅外,2012,42(10):1127-1130.

[4] A Wetter,M Faucher,M Lovelady.Tapered fused-bundle splitter capable of 1kW CW operation[J].Proceeding of SPIE,Fiber lasers IV:Technology,systems,and Applications,photonics west 2007,6453:645301.

[5] HUANG Bangcai,ZHANG Peng,DUAN Yunfeng,et al.Side-pump fiber coupler for high power fiber amplifiers[J].Chinese Journal of lasers,2008,35(s2):155-157.(in Chinese) 黃榜才,張鵬,段云峰,等.一種用于高功率光纖放大器的側(cè)面抽運(yùn)耦合器[J].中國激光,2008,35(s2):155-157.

[6] ZHANG Peng,DUAN Yunfeng,HUANG Bangcai，et al.Side-pump fiber coupler for the Er3+/Yb3+-codoped fiber amplifiers[C].Nanjing：OFCIO，2009：395-397.(in Chinese) 張鵬,段云鋒,黃榜才，等.用于雙包層Er3+/Yb3+共摻光纖放大器的側(cè)面抽運(yùn)耦合器[C].南京：OFCIO,2009：395-397.

[7] F Seguin,A Wetter,L Martineau,et al.Taper fused bundle coupler package for reliable high optical power dissipation[J].SPIE，2006，6102：61021N.

Study on thermal resistivity of high power fiber combiner

HUANG Bang-cai,ZHANG Peng,LONG Run-ze,HAN Gui-yun,ZHANG Pei-pei,WANG Xiao-long,ZHANG Xue-lian,LIANG Xiao-hong

(Institute 46th of Chinese Electronic Technology Group Company,Tianjin 300220,China)

The research on thermal resistivity of high power fiber combiner is reported.The measurement method of thermal resistivity is studied.The thermal resistivity of high power fiber combiner of the Canadian ITF company is 0.32 ℃/W,0.15 ℃/W,0.29 ℃/W respectively under the conditions of passive cooling,active cooling and without the backward reflected light.Comparing the measured results between passive cooling and active cooling,it will be founded that the thermal resistivity under active cooling is lower.When the backward reflected light is eliminated,the thermal resistivity will be decreased also.The results are very important for the design of high power fiber laser.

fiber optics;laser and amplifier;fiber bundle;active heat sinking

黃榜才(1976-)，男，博士，工程師，主要研究方向?yàn)楦吖β使饫w激光器及放大器研制技術(shù)。E-mail:huangbangcai@sohu.com

2014-10-20

1001-5078(2015)07-0786-04

TN253;TN248

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.011