高功率光纤激光器及其散热技术

1、高功率光纤激光器及其散热技术高功率光纤激光器及其散热技术报告人：张报告人：张 庸庸 闫阿泽闫阿泽 2013/7/22报告提纲报告提纲高功率光纤激光器发热机理分析高功率光纤激光器发热机理分析光纤激光器的工作原理光纤激光器的工作原理高功率光纤激光器的常用散热技术高功率光纤激光器的常用散热技术一.光纤激光器的工作原理1.激光三要素激光三要素LD泵浦光泵浦光LD泵浦光泵浦光激光输出激光输出光纤光栅光纤光栅100%反射反射光纤光栅光纤光栅10%反射反射掺镱掺镱(Yb)光纤光纤增益介质增益介质粒子数反转粒子数反转谐振腔谐振腔掺杂光纤（掺杂光纤（ Er3+、 Nd3+ 、 Tm3+、 Yb3+ ）半导体激光

2、泵浦半导体激光泵浦光纤光栅（或二向色镜）光纤光栅（或二向色镜）LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation即即“受激辐射光放大受激辐射光放大”。单模输出单模输出Laser output Single-mode光纤激光器的工作原理2.双包层光纤激光泵浦技术双包层光纤激光泵浦技术外包层外包层n2内包层内包层n1纤芯纤芯n0多模泵浦光多模泵浦光侧面耦合模块侧面耦合模块光纤截面：光纤截面： n0n1n2，泵浦光在内包层多次全反射，被纤芯内的镱原子反复吸，泵浦光在内包层多次全反射，被纤芯内的镱原子反复吸收，形成粒子数反转，产生

3、受激辐射。光光效率可达收，形成粒子数反转，产生受激辐射。光光效率可达7080%。光纤激光器的工作原理3.光纤激光模块的构成（以光纤激光模块的构成（以IPG公司公司YLR-6000为例）为例）大功率多模大功率多模LD激光输出激光输出全光纤设计全光纤设计并联单芯节二极管激光模块组合并联单芯节二极管激光模块组合侧面、并行、双向泵浦技术侧面、并行、双向泵浦技术光纤激光器的工作原理4.千瓦、万瓦级功率的实现千瓦、万瓦级功率的实现光纤合束光纤合束二.高功率光纤激光器发热机理分析1.光纤激光器热源光纤激光器热源电源：大功率电源发热电源：大功率电源发热LD阵列：斜效率为阵列：斜效率为50%左右，左右，其他电能

4、转化为热能其他电能转化为热能双包层光纤：材料吸收发热，双包层光纤：材料吸收发热，量子亏损发热量子亏损发热 经调研，光纤激光器均需冷却系统。中小功率的一般风冷经调研，光纤激光器均需冷却系统。中小功率的一般风冷即可，千瓦级大功率光纤激光器需配专门的水冷机组。即可，千瓦级大功率光纤激光器需配专门的水冷机组。高功率光纤激光器发热机理分析IPG公司大功率激光器及其水冷机实物图公司大功率激光器及其水冷机实物图二.高功率光纤激光器发热机理分析IPG公司大功率激光器及其水冷机配置表公司大功率激光器及其水冷机配置表部分能量转换成“废热”，使节温升高阈值升高斜效率下降转换效率降低量子阱增益下降，载流子泄漏和俄歇复

5、合增加为了保持输出功率不变，加大驱动电流产生更多的“废热”，节温进一步上升2.激光二极管发热机理激光二极管发热机理高功率光纤激光器发热机理分析3.双包层光纤发热机理（模拟结果）双包层光纤发热机理（模拟结果）二.高功率光纤激光器发热机理分析abzbhaQabkaQkaQrkQTzrTccI020202020exp2ln244,ar 0zbhaQrbkaQTzrTccII02020exp2ln2,bra双包层光纤截面双包层光纤截面光纤中的温度分布：光纤中的温度分布： 计算中采用的掺Yb3+双包层光纤的参数为：纤芯半径a=15 m，包层半径b = 350 m，光纤的长度L=30m。采用波长p=975

6、 nm的激光泵浦，吸收系数0 = 0.5 dB/m输出波长s=1080 nm的激光。热导率k=1.38 10-2 W / cmK，在空气自由对流冷却条件下，传热系数hc=1 10-3W / cm2K，外界环境温度Tc=298 K。计算条件：计算条件：二.高功率光纤激光器发热机理分析三.高功率光纤激光器的常用散热技术光纤激光器光纤激光器 散热技术散热技术电源电源LD阵列阵列双包层光纤双包层光纤中小功率：风冷中小功率：风冷大功率：管道水冷大功率：管道水冷微通道水冷热沉微通道水冷热沉喷雾冷却喷雾冷却相变冷却相变冷却固体传导冷却固体传导冷却管道水冷管道水冷金属槽传导冷却金属槽传导冷却三.高功率光纤激光

7、器的常用散热技术微通道水冷热沉微通道水冷热沉 微通道热沉结构多是多层片的微通道结构，采用的材料微通道热沉结构多是多层片的微通道结构，采用的材料有硅、铜或金刚石。每层片上设计有流通冷却液的图形和有硅、铜或金刚石。每层片上设计有流通冷却液的图形和微通道。将层片组装起来，构成微通道水冷器。微通道。将层片组装起来，构成微通道水冷器。 喷雾冷却是将冷却介质雾化后直接喷射到发热物体表面通过喷雾冷却是将冷却介质雾化后直接喷射到发热物体表面通过液膜蒸发、强迫对流、核态沸腾和液膜蒸发、强迫对流、核态沸腾和“二次成核二次成核”等机理带走热等机理带走热量的一种冷却方式。量的一种冷却方式。喷雾冷却喷雾冷却三.高功率光

8、纤激光器的常用散热技术 中国科学技术大学，王亚青等，中国科学技术大学，王亚青等，Spray公司的公司的TG0.3机械雾化机械雾化圆锥实心喷嘴，对大功率激光器的散热实验结果：圆锥实心喷嘴，对大功率激光器的散热实验结果：体积通量（体积通量（m3/m2s）散热功率（散热功率（W/cm2）0.0442600.0493200.053376相变冷却相变冷却三.高功率光纤激光器的常用散热技术利用冷却剂从液相到气相的潜热来实现散热。利用冷却剂从液相到气相的潜热来实现散热。 微槽群复合相变技术（简称微槽群复合相变技术（简称MGCP）是巧妙利用大功率电力）是巧妙利用大功率电力电子器件发热的能量使取热介质蒸发产生动能和势能，蒸气流动电子器件发热的能量使取热介质蒸发产生动能和势能，蒸气流动到冷凝器放热冷凝成液体，借助取热器微槽群的毛细力和液体重到冷凝器放热冷凝成液体，借助取热器微槽群的毛细力和液体重力回流到与大功率电力电子器件紧贴的取热器，从而实现无外加力回流到与大功率电力电子器件紧贴的取热器，从而实现无外加动力的闭式散热循环。动力的闭式散热循环。超导热能力：导热系数大于超导热能力：导热系数大于106 W/(m)，铜为，铜为400 W/(m)冷却能力超强：取热热流密度冷却能力超强：取热热流密度可达可达400W/cm