高功率光纖激光器及其散熱技術(shù)

高功率光纖激光器及其散熱技術(shù)報告人：張庸閆阿澤2013/7/22報告提綱高功率光纖激光器發(fā)熱機理分析光纖激光器的工作原理高功率光纖激光器的常用散熱技術(shù)一.光纖激光器的工作原理1.激光三要素LD泵浦光LD泵浦光激光輸出光纖光柵100%反射光纖光柵10%反射摻鐿(Yb)光纖增益介質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)諧振腔—摻雜光纖（Er3+、Nd3+、Tm3+、Yb3+）—半導(dǎo)體激光泵浦—光纖光柵（或二向色鏡）LASER：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation即“受激輻射光放大”。單模輸出LaseroutputSingle-mode光纖激光器的工作原理2.雙包層光纖激光泵浦技術(shù)外包層n2內(nèi)包層n1纖芯n0多模泵浦光側(cè)面耦合模塊光纖截面：n0>n1>n2，泵浦光在內(nèi)包層多次全反射，被纖芯內(nèi)的鐿原子反復(fù)吸收，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激輻射。光光效率可達70~80%。光纖激光器的工作原理3.光纖激光模塊的構(gòu)成（以IPG公司YLR-6000為例）大功率多模LD激光輸出全光纖設(shè)計并聯(lián)單芯節(jié)二極管激光模塊組合側(cè)面、并行、雙向泵浦技術(shù)高功率光纖激光器發(fā)熱機理分析IPG公司大功率激光器及其水冷機實物圖二.高功率光纖激光器發(fā)熱機理分析IPG公司大功率激光器及其水冷機配置表部分能量轉(zhuǎn)換成“廢熱”，使節(jié)溫升高閾值升高斜效率下降轉(zhuǎn)換效率降低量子阱增益下降，載流子泄漏和俄歇復(fù)合增加為了保持輸出功率不變，加大驅(qū)動電流產(chǎn)生更多的“廢熱”，節(jié)溫進一步上升2.激光二極管發(fā)熱機理高功率光纖激光器發(fā)熱機理分析3.雙包層光纖發(fā)熱機理（模擬結(jié)果）二.高功率光纖激光器發(fā)熱機理分析abⅠⅡ雙包層光纖截面光纖中的溫度分布：

計算中采用的摻Y(jié)b3+雙包層光纖的參數(shù)為：纖芯半徑a=15μm，包層半徑b=350μm，光纖的長度L=30m。采用波長λp=975nm的激光泵浦，吸收系數(shù)α0=0.5dB/m輸出波長λs=1080nm的激光。熱導(dǎo)率k=1.38×10-2W/cm·K，在空氣自由對流冷卻條件下，傳熱系數(shù)hc=1×10-3W/cm2·K，外界環(huán)境溫度Tc=298K。計算條件：二.高功率光纖激光器發(fā)熱機理分析三.高功率光纖激光器的常用散熱技術(shù)光纖激光器散熱技術(shù)電源LD陣列雙包層光纖中小功率：風(fēng)冷大功率：管道水冷微通道水冷熱沉噴霧冷卻相變冷卻固體傳導(dǎo)冷卻管道水冷金屬槽傳導(dǎo)冷卻三.高功率光纖激光器的常用散熱技術(shù)微通道水冷熱沉

微通道熱沉結(jié)構(gòu)多是多層片的微通道結(jié)構(gòu)，采用的材料有硅、銅或金剛石。每層片上設(shè)計有流通冷卻液的圖形和微通道。將層片組裝起來，構(gòu)成微通道水冷器。

噴霧冷卻是將冷卻介質(zhì)霧化后直接噴射到發(fā)熱物體表面通過液膜蒸發(fā)、強迫對流、核態(tài)沸騰和“二次成核”等機理帶走熱量的一種冷卻方式。噴霧冷卻三.高功率光纖激光器的常用散熱技術(shù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，王亞青等，Spray公司的TG0.3機械霧化圓錐實心噴嘴，對大功率激光器的散熱實驗結(jié)果：體積通量（m3/m2·s）散熱功率（W/cm2）0.0442600.0493200.053376相變冷卻三.高功率光纖激光器的常用散熱技術(shù)利用冷卻劑從液相到氣相的潛熱來實現(xiàn)散熱。

微槽群復(fù)合相變技術(shù)（簡稱MGCP）是巧妙利用大功率電力電子器件發(fā)熱的能量使取熱介質(zhì)蒸發(fā)產(chǎn)生動能和勢能，蒸氣流動到冷凝器放熱冷凝成液體，借助取熱器微槽群的毛細力和液體重力回流到與大功率電力電子器件緊貼的取熱器，從而實現(xiàn)無外加動力的閉式散熱循環(huán)。超導(dǎo)熱能力：導(dǎo)熱系數(shù)大于106

W/(m·℃)，銅為400W/(m·℃)冷卻能力超強：取熱熱流密度可達