光纤激光器中包层功率剥离器的研究

论文摘要

随着光纤激光器行业的飞速发展,对用于剥离激光中无用包层光的包层功率剥离器的性能要求也不断提高。折射率匹配胶法是早期处理双包层光纤制造包层功率剥离器的方法,毛化法是如今商业制造包层功率剥离器的主流方法。本文综合两种方法的特点对双包层光纤进行处理,得到未封装的包层功率剥离器裸纤,通过Solidworks CAD软件对包层功率剥离器热沉进行设计,并通过Comsol软件对其工作时的热效应进行仿真模拟,最后将包层功率剥离器进行整体封装并置入光纤激光器系统中进行测试。论文的主要研究成果如下:1.对2 0/4 0 0双包层光纤用不同的的速率进行包层毛化处理,处理后进行对毛化表面进行显微观测,并在毛化处理后进行折射率匹配胶涂覆处理,将处理后的光纤接入LD激光系统及光纤激光器系统中进行封装前预测试。显微观测表明毛化效果均匀,未出现光纤断裂情况。LD激光预实验测得各组处理后光纤对包层光消光比分别为12.22-20.0d B其中第一组在剥离功率90W时发生了熔毁。选用第二组处理后光纤接入光纤激光器系统中测试,测得其对纤芯信号光的损耗为0.001d B左右,并且光剥离均匀性较好。证明用毛化及折射率匹配胶涂覆共同对双包层光纤进行处理能够得到符合要求的包层功率剥离器裸纤。2.综合未封装包层功率剥离器裸纤尺寸及光纤激光器风冷板及水冷板结构,通过CAD软件对包层功率剥离器热沉进行了设计,将模型导入C o m s o l仿真软件中,确定其边界条件、求解方式及材料属性等参数,再将热沉模型进行合理的有限元网格划分并进行仿真模拟。仿真结果表明,在剥离功率为150W、水冷冷却的条件下,热沉材料为生铁时,CPS稳定工作时的最高温度为335K,热沉材料为6063铝时,CPS稳定工作时的最高温度为322K;在剥离功率为100W、热沉材料为6063铝、风冷冷却的条件下,增加翅片结构与未增加翅片结构的CPS热沉稳定工作时的最高温度分别为330K及345K。双包层光纤涂覆层及折射率匹配胶一般可承受最高温度为333.5K左右,故按照仿真结果确定了热沉结构,并确定了热沉材料为6063铝材。3.将标准封装后的包层功率剥离器分别置入1 0 0 0 W连续光纤激光器及500W脉冲光纤激光器中进行测试,测试结果表明CPS在两台激光器中的插入损耗分别为0.001d B、0-0.001d B,包层光消光比分别为19.12d B、1 9.3 5 d B,反向损耗分别为1 9.8 8 d B及2 0.0 5 d B。通过测试结果对仿真模型参数进行校正,并通过校正后的仿真模型对CPS热沉进行进一步优化,通过增大热沉底面散热面积,仿真表明CPS在剥离功率150W的条件下工作温度下降了7-10℃,当热沉稳定工作最高温度为333.5K时,剥离功率大于350W。结果表明封装后CPS完全能够用于千瓦级商用光纤激光器中,校正后的仿真模型可对后续进一步优化CPS热沉提供一定的指导作用。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1. 光纤激光器的发展现状

1.1.1. 连续光纤激光器的原理及发展现状

1.1.2. 脉冲光纤激光器的原理及发展现状

1.2. 包层功率剥离器的发展现状

1.2.1. 高折射率胶法

1.2.2. 腐蚀毛化法

1.2.3. 匹配折射率基质法

1.2.4. 光纤表面微加工法

1.3. 研究目的及主要内容

1.3.1. 研究目的及意义

1.3.2. 研究的主要内容

1.3.3. 技术路线

第二章包层功率剥离器光纤的处理与测试

2.1. 双包层光纤及包层泵浦技术

2.1.1. 包层泵浦技术

2.1.2. 双包层光纤制作包层功率剥离器原理

2.2. 包层毛化处理

2.2.1. 毛化剂的制备

2.2.2. 包层的毛化处理

2.2.3. 毛化包层的原理及表征

2.3. 包层折射率匹配胶涂覆处理

2.3.1. 折射率匹配胶的性能及选取

2.4 LD激光系统中预测试

2.4.1 实验器材的选取

2.4.2 处理后光纤消光比的测量及分析

2.5 本章小结

第三章热沉的仿真模拟优化及加工

3.1 引言

3.2 热沉为强制水冷时的仿真模拟

3.2.1 边界条件及求解方式

3.2.2 有限元网格的划分

3.2.3 热沉底部紧贴水冷板时的仿真模拟

3.2.4 热沉底部及两侧采用强制水冷时的仿真模拟

3.3 热沉为风冷时的仿真模拟

3.3.1 有限元网格的划分

3.3.2 增加热沉翅片结构对风冷热沉热分布的影响

3.3.3 设计并优化适合水冷及风冷条件下的热沉材料及结构设计

3.4 本章小结

第四章高功率光纤激光器置入实验及参数测量与分析

4.1 高功率光纤激光器准备

4.1.1 全光纤连续光纤激光器器件的选择

4.1.2 全光纤脉冲光纤激光器器件的选择

4.2 包层功率剥离器置入准备

4.2.1 包层功率剥离器的封装

4.2.2 包层功率剥离器接入高功率光纤激光器系统

4.2.3 测试平台及设备

4.3 参数的测量及分析

4.3.1 包层功率剥离器插入损耗的测量及分析

4.3.2 包层功率剥离器消光比的测量及分析

4.3.3 包层功率剥离器温度分布的测量及分析

4.3.4 包层功率剥离器正反向损耗的测量及分析

4.4 包层功率剥离器对光束质量的影响

4.4.1 激光光束质量分析

4.4.2 输出激光整体分析

4.5 本章小结

第五章实验与仿真结果对比及优化

5.1 引言

5.2 实验结果与仿真结果的对比

5.2.1 包层功率剥离器温度及温度分布的对比

5.2.2 对仿真模型进行参数校正

5.3 包层功率剥离器的进一步优化

5.3.1 改变热沉材料对热沉进行优化

5.3.2 改变热沉结构对热沉进行优化

5.3.3 使用优化后的热沉材料及结构进行仿真模拟

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文及专利

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 龚凯

导师: 李京波,郝明明

关键词: 包层功率剥离器,毛化法,仿真模拟,光纤激光,温度分布

来源: 广东工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 广东工业大学

分类号: TN248

DOI: 10.27029/d.cnki.ggdgu.2019.000234

总页数: 80

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