一、背景

光纖激光器（Fiber Laser）是指用摻稀土元素玻璃光纖作為(wei) 增益介質的激光器，其表麵積／體(ti) 積比是傳(chuan) 統的固體(ti) 塊狀激光器的1000倍以上，散熱性能良好。對於(yu) 百瓦量級的光纖激光器而言，自然散熱即可滿足散熱要求。但隨著光纖激光器的快速發展，其輸出功率逐年提高，甚至達到千瓦量級，由於(yu) 量子虧(kui) 損等多種原因，光纖會(hui) 產(chan) 生嚴(yan) 重的熱效應。基質材料熱擴散引起應力和折射率變化，低折射率的聚合層容易發生熱損傷(shang) ，嚴(yan) 重時會(hui) 導致光纖熱炸裂；隨著熱量不斷累積，摻雜纖芯溫度會(hui) 升高，激光下能級的粒子數增加導致激光器閾值功率提高和斜率效率下降，同時量子效率降低會(hui) 引起輸出波長的變化。為(wei) 進一步提升激光輸出功率，光纖激光器將承受更大功率的泵浦光注入和能量密度更大的信號光輸出，解決(jue) 其熱效應是高功率光纖激光係統所麵臨(lin) 的嚴(yan) 峻挑戰。

二、光纖激光器中熱效應的來源

2.1量子虧(kui) 損效應

量子虧(kui) 損效應是引起光纖芯區發熱的主要來源也是固有熱量來源。因泵浦波長和信號光波長的固有差異，所有光纖激光係統都會(hui) 伴隨一定比例的量子虧(kui) 損。以 1080 nm 激光輸出波長為(wei) 例，915 nm 泵浦波長的量子虧(kui) 損比重約 15.3%。

2.2多種損耗

光纖塗料在 80 ℃ 臨(lin) 界溫度以上會(hui) 產(chan) 生材料變性或表層皴裂等現象。在高功率連續光纖激光運行時，光纖塗料極有可能超過所能耐受的熱負載極限，導致包層光的泄漏，最終能引起激光器的整體(ti) 燒毀。

光纖的熔接點處有較為(wei) 嚴(yan) 重的熱效應，主要來源於(yu) 兩(liang) 個(ge) 方麵：１）光纖材料及重新塗覆材料對光的吸收轉換會(hui) 產(chan) 生熱量，在較短的長度範圍內(nei) ，幾乎完全透明的重塗覆層對光的吸收甚微，但其表麵會(hui) 產(chan) 生一些微型空洞，空氣是熱的不良導體(ti) ，空洞的存在使得熱阻變大，因此熔點處容易產(chan) 生熱沉積，導致溫度明顯偏高；２）熔接參數不合適或者兩(liang) 段光纖結構參數不匹配，會(hui) 導致熔接處產(chan) 生損耗，熱阻的存在使得熔點處溫度上升。溫度的升高使光纖發生熱損傷(shang) ，同時對光纖的數值孔徑造成較大影響，數值孔徑的變化會(hui) 顯著影響光的導向性。

2.3自發輻射效應

在 MOPA結構中，當信號光較弱時，大量泵浦光注入可能會(hui) 導致光纖自發輻射（ASE）的概率升高。大量隨機的自發輻射光從(cong) 纖芯泄露至玻璃包層以及光纖塗層而使有機塗層過熱燒毀。另外，ASE的產(chan) 生也使量子虧(kui) 損增大，導致光纖芯區的發熱加劇。

圖1 MOPA結構光纖光纖激光器係統發熱位置

2.4受激拉曼散射效應

隨著超高功率光纖激光器的出現，纖芯區域的激光功率密度逐漸增大，受激拉曼散射效應（SRS）逐漸成為(wei) 功率提升的主要限製因素。在高功率運行過程中，當激光信號光功率達到 SRS 的閾值條件，信號激光會(hui) 激發並泵浦頻率更低的拉曼光，從(cong) 而產(chan) 生拉曼光放大過程。同時，伴隨著量子虧(kui) 損，SRS 會(hui) 加劇光纖芯區的發熱問題。

三、熱效應解決(jue) 方案

光纖激光器的熱效應對光纖和輸出特性都有不可忽略的影響，因此降低熱效應帶來的負麵影響意義(yi) 重大。熱效應的抑製主要集中在以下三方麵：

１）根據光纖的溫度理論模型合理選擇光纖參數；

２）合理選擇抽運結構和抽運方式有利於(yu) 實現溫度的均勻分布，減少熱效應的產(chan) 生；

３）選擇高效的外部散熱方案可以極大地降低熱效應帶來的負麵影響。

3.1光纖參數的優(you) 化

影響光纖溫度分布的主要因素有纖芯和內(nei) 外包層的導熱係數、徑向尺寸、吸收係數以及光纖長度等。合理選擇光纖參數可以有效控製光纖的熱量分布，保證光纖的正常穩定工作。

纖芯尺寸變大可降低纖芯溫度，但過大會(hui) 則影響光束質量。塗覆層作為(wei) 光纖熱傳(chuan) 導的最外層介質，其厚度對光纖的工作溫度影響很大。理論上塗覆層的內(nei) 外表麵溫差與(yu) 厚度呈正相關(guan) ，塗覆層越薄，熱傳(chuan) 導阻值越小，整個(ge) 塗覆層的內(nei) 外表麵溫差越小，係統可承受的功率越高。但由於(yu) 光纖表麵對流換熱的影響，且塗覆層有保護光纖的作用，因而需要合理選擇塗覆層厚度。

光纖在空氣中冷卻時，光纖熱傳(chuan) 導阻值Ｒｃｏｎｄ、熱對流阻值Ｒｃｏｎｖ及總熱阻值Ｒｔｏｔ與(yu) 塗覆層厚度的關(guan) 係如圖2（ａ）所示。塗覆層厚度與(yu) Ｒｃｏｎｄ呈正相關(guan) ，而與(yu) Ｒｃｏｎｖ呈負相關(guan) ，因此需合理選擇塗覆層厚度，以保證總熱阻值較低。光纖長度與(yu) 吸收係數和溫度的關(guan) 係如圖2（ｂ）所示，通過降低光纖吸收係數，可以有效減少對抽運功率的吸收，對抽運功率吸收的降低意味著熱沉積的減少，從(cong) 而降低光纖溫度，但要實現相同的輸出則需要增加光纖長度。Ｗａｎｇ 等研 究 了 總 抽 運 功 率 為(wei) １０００ Ｗ、雙 端 抽 運 功 率 均 為(wei) ５００ Ｗ 時，采 用０．２５ｄＢ吸收係數的６０ｍ 長光纖時輸出功率為(wei) ６３０Ｗ，而采用１．０ｄＢ２０ｍ 長的光纖時輸出功率為(wei) ７２５Ｗ，但後者光纖最高溫度比前者高約２００ ℃。由於(yu) 抽運端的抽運功率最強，雖然降低光纖吸收係數可以有效減少對抽運功率的吸收，但在兼顧抽運吸收效率的前提下，激光器若完全采用低摻雜、低吸收率的光纖，需增加光纖長度，這樣又會(hui) 導致其他問題的產(chan) 生，如非線性效應以及輸出效率的下降等。

圖2（a）塗覆層厚度與(yu) 熱阻的關(guan) 係（b）吸收係數

與(yu) 溫度的關(guan) 係

3.2抽運方式的選擇

分布如圖3所示。圖3（ｅ）所示的非均勻係數下光纖中間幾段的吸收係數高於(yu) 兩(liang) 側(ce) ，在保證溫度分布基本均勻的情況下，輸出功率與(yu) 圖3（ｄ）相同時所需光纖縮短了２０ｍ以上；圖3（ｆ）中將抽運功率分成７段，溫度分布更為(wei) 均勻，且溫度可控製在十分理想的範圍內(nei) 。抽運方式對光纖激光器而言意義(yi) 重大。２０１１年耶拿大學利用分布式側(ce) 麵抽運光纖搭建了千瓦量級的側(ce) 麵抽運光纖激光器，２０１４年ＳＰＩ公司推出了千瓦量級側(ce) 麵抽運光纖激光器產(chan) 品，２０１５年國內(nei) 報道了國防科學技術大學和中國電子科技集團第二十三研究所聯合研發了分布式側(ce) 麵耦合包層抽運光纖，並搭建了全國產(chan) 化光纖激光器，實現了千瓦量級的功率輸出。采用多段非均勻抽運或分布式側(ce) 麵抽運結構可以保證光纖溫度均勻，降低熱效應影響的同時有效縮短光纖的長度。但分布式側(ce) 麵抽運光纖的拉製、降低各段光纖的熔接耦合損耗並提高效率是技術關(guan) 鍵。隨著光纖設計、拉製及熔接等關(guan) 鍵技術的突破和發展，更多的抽運方式將會(hui) 應用於(yu) 高功率光纖激光器的研發中，與(yu) 有效的外部散熱技術結合以有效抑製光纖熱效應的產(chan) 生，實現更高功率激光的穩定輸出。

圖3（a）~（c）不同抽運結構示意圖（d）~（f）對應的溫度分布圖

3.3 散熱設計

熱傳(chuan) 導、熱對流和熱輻射是三種主要的傳(chuan) 熱方式，由於(yu) 熱輻射係數較小，一般情況下可以忽略其影響，傳(chuan) 導和對流為(wei) 主導性散熱方式。對於(yu) 功率較小的光纖激光器，通常隻考慮光纖自然對流散熱，熱輻射影響較小，可適當予以考慮。

對流換熱主要包括自然對流換熱和強製對流換熱。對流散熱的決(jue) 定因素為(wei) 對流換熱係數的大小。對流換熱係數ｈ與(yu) 流體(ti) 性質、流速及對流麵積有關(guan) 。如表１所示，在同等條件下，強製對流換熱係數高於(yu) 自然對流換熱係數，水的對流換熱係數是空氣對流換熱係數的數倍。對流換熱係數越大，光纖的散熱越好。自然空氣對流散熱一般應用於(yu) 功率較低的光纖激光器中。

光纖激光器輸出數百瓦或上千瓦量級的功率時，單純的對流冷卻方式難以滿足散熱需求，需選擇特定的熱傳(chuan) 導方式，將光纖熱量傳(chuan) 導至特定的熱沉上，然後通過熱沉進行高效的熱量傳(chuan) 導或對流擴散。光纖和熱沉的接觸形狀或者加工表麵不完全貼合，如圖4所示，在接觸界麵存在空隙，會(hui) 阻礙熱量的傳(chuan) 導。影響光纖與(yu) 熱沉熱傳(chuan) 導的主要因素是熱阻，熱阻是熱交換界麵之間熱傳(chuan) 導水平的衡量標準。

光纖和熱沉之間的熱阻理論模型可簡化為(wei)

圖4 光纖和熱沉之間的熱阻分解示意圖，（a）無填充；（b）理想填充材料

圖5 三種不同凹槽熱沉示意圖

圖6（a）製冷光纖段示意圖（b）雙端抽運溫度分布

圖7增益光纖的冷卻結構（a）散熱平板（b）散熱圓筒

隨著高功率光纖激光器熱管理技術、半導體(ti) 抽運、光纖耦合以及包層光濾除等關(guan) 鍵技術的發展，熱效應作為(wei) 功率提升的瓶頸之一，將會(hui) 得到良好的控製，光纖激光器的功率將會(hui) 不斷提高。同時有效的熱管理技術還可以促進光纖激光器集成封裝技術的發展，使高功率光纖激光器能適用於(yu) 更為(wei) 廣泛的環境中。

參考文獻：

[1] 林傲祥, 彭昆, 俞娟, 等. 高功率連續光纖激光係統熱效應及其抑製措施[J]. 強激光與(yu) 粒子束, 2022, 34(1): 011005.

[2] 胡誌濤,何兵,周軍(jun) ,張建華.高功率光纖激光器熱效應的研究進展[J].激光與(yu) 光電子學進展,2016,53(08):14-24.

[3] ＷａｎｇＹ，ＸｕＣＱ，ＨｏｎｇＰ．Ｔｈｅｒｍａｌｅｆｆｅｃｔｓｉｎｋｉｌｏｗａｔｔｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＰｈｏｔｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬｅｔｔｅｒｓ，２００４，１６（１）：６３－６５

[4] ＬｉＬ，ＬｉＨ，ＱｉｕＴ，ｅｔａｌ．３－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｔｈｅｒｍａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄａｃｔｉｖｅｃｏｏｌｉｎｇｏｆｓｈｏｒｔ－ｌｅｎｇｔｈｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｓ［Ｊ］．ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ，２００５，１３（９）：３４２０－３４２８

[5] ＺｈｕＨｏｎｇｔａｏ，ＬｏｕＱｉｈｏｎｇ，ＺｈｏｕＪｕｎ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｔｕｄｙｏｎｄｅｓｉｇｎｉｎｇｏｆｃｏｏｌｉｎｇｄｅｖｉｃｅｆｏｒｔｈｅｋｉｌｏｗａｔｔ－ｌｅｖｅｌｄｏｕｂｌｅｃｌａｄｄｉｎｇｆｉｂｅｒｌａｓｅｒ［Ｊ］．ＡｃｔａＰｈｙｓｉｃａＳｉｎｉｃａ，２００８，５７（８）：４９６６－４９７１．朱洪濤，樓祺洪，周 軍(jun) ，等．千瓦級雙包層光纖激光器冷卻方案設計理論和實驗研究 ［Ｊ］．物 理 學 報，２００８，５７（８）：

４９６６－４９７１

[6] 陳金寶，曹澗秋，潘誌勇，等．全國產(chan) 分布式側(ce) 麵抽運光纖激光器實現千瓦輸出［Ｊ］．fun88官网平台，２０１５，４２（２）：０２１９００２．