高功率光纤激光器及其散热技术.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2017-2-8,#,高功率光纤激光器及其散热技术,报告人：张 庸 闫阿泽,2013/7/22,报告提纲,高功率光纤激光器发热机理分析,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,一,.,光纤激光器的工作原理,1.,激光三要素,LD,泵浦光,LD,泵浦光,激光输出,光纤光栅100%反射,光纤光栅10%反射,掺镱(,Yb),光纤,增益介质,粒子数反转,谐振腔,掺杂光纤（,Er3+,、,Nd3+,、,Tm3+,、,Yb3+,）,半导体激光泵浦,光纤光栅（或二向色镜）,LASER,：,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,即“受激辐射光放大”。,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,外包层,n,2,内包层,n,1,纤芯,n,0,多模泵浦光,侧面耦合模块,光纤截面：,n,0,n,1,n,2,，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,IPG,公司,YLR-6000,为例）,大功率多模,LD,激光输出,全光纤设计,并联单芯节二极管激光模块组合,侧面、并行、双向泵浦技术,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,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,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,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）,二,.,高功率光纤激光器发热机理分析,a,b,双包层光纤截面,光纤中的温度分布：,计算中采用的掺,Yb,3+,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 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/cm,K,，在空气自由对流冷却条件下，传热系数,h,c,=1 10,-3,W/cm,2,K,，外界环境温度,T,c,=298 K,。,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,散热技术,电源,LD,阵列,双包层光纤,中小功率：风冷,大功率：管道水冷,微通道水冷热沉,喷雾冷却,相变冷却,固体传导冷却,管道水冷,金属槽传导冷却,三,.,高功率光纤激光器的常用散热技术,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。,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“二次成核”等机理带走热量的一种冷却方式。,喷雾冷却,三,.,高功率光纤激光器的常用散热技术,中国科学技术大学，王亚青等，,Spray,公司的,TG0.3,机械雾化圆锥实心喷嘴，对大功率激光器的散热实验结果：,体积通量（,m,3,/m,2,s,）,散热功率（,W/cm,2,）,0.044,260,0049,320,0.053,376,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。,微槽群复合相变技术（简称,MGCP,）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，从而实现无外加动力的闭式散热循环。,超导热能力：导热系数大于,10,6,W/(m,),，铜为,400,W/(m,),冷却能力超强：取热热流密度可达,400W/cm,2,无功耗冷却：被动式冷却，无冷却能耗,三,.,高功率光纤激光器的常用散热技术,固体传导冷却,铜热沉,铜热沉,金刚石箔片,LD,发热单元,三,.,高功率光纤激光器的常用散热技术,双包层光纤的金属槽传导冷却,