[发明专利]高功率光纤激光器的制冷方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高功率光纤激光器和高功率光纤放大器的制冷方法。

背景技术

光纤激光器是采用掺杂光纤作为激光介质的激光器。它通过在光纤基质材料中掺杂不同的稀土离子，获得所对应波段的激光输出。对于常规的单模光纤激光器，要求注入到纤芯的泵浦光也必须为单模，这限制了泵浦光的入纤效率，导致光纤激光器的输出功率和效率一直较低。上个世纪80年代后期双包层光纤概念的提出，为提高光纤激光器的输出功率和转换效率提供了有效的技术途径，改变了光纤激光器只能作为一种小功率光器件的历史。随着双包层光纤制作工艺和高功率半导体激光泵浦技术的发展，单根双包层光纤激光器的输出功率逐步提高。光纤激光器由于其低阈值、高效率、全固化、结构紧凑等优点，对传统高能激光系统提出了严峻的挑战。目前，单模连续输出功率已经达到3千瓦，单模、窄线宽、偏振输出的高功率光纤放大器的功率也已经超过400W。

当单根光纤激光器的输出功率超过千瓦级以上时，继续提高输出功率将会受到掺杂光纤的非线性效应(受激拉曼散射SRS和受激布里渊散射SBS)、光学损伤、热损伤等物理机制的限制。要想实现百千瓦量级的高功率、高光束质量激光的输出，一种可行的方案是利用光束合成的办法，即把多个相对小功率(单根功率仍为千瓦量级)的激光器排成阵列，对其功率输出进行合成，形成高能激光系统中的激光器系统。光束合成的方法可以分为相干合成、谱合成和非相干合成三种。

无论是单根高功率光纤激光器和百千瓦级的高功率光纤激光器阵列，都面临着一个巨大的工程实际问题：制冷。高功率光纤激光器在运行时会向侧面及直径仅为几十微米的纤芯散发出大量的热量，为了保护外包层和端面不受损坏，维持激光器的持续稳定运行，必须对激光器进行制冷，散发掉这些热量。目前国内虽已研发出千瓦级高功率光纤激光器，但是大多没有配套的制冷设备，激光器只能运行几秒钟。讨论高功率光纤激光器制冷问题的文献也为数不多(参见文献3：楼祺洪，朱洪涛，吴中林，高功率双包层光纤激光器输出端的冷却装置，国家实用新型专利；文献4：周乐平，唐大伟，杜小泽，杨勇平，刘登瀛，大功率激光武器及其冷却系统，激光与光电子学进展，2007年第8期)。文献3提出了高功率双包层光纤激光器输出端的冷却装置，需要将光纤放置于在金属套管上铣出的光纤槽内，如果光纤槽的尺寸大于光纤的尺寸会在光纤和金属套管之间引入空气介质，降低了制冷的效果；如果光纤槽的尺寸小于光纤的尺寸容易给光纤的结构带来损伤，而且金属套管内仅一个冷却液进出管，金属与冷却液的接触面积小，不利于冷却液带走大量的热量；同时文献3的设计思路仅限于单根高功率光纤激光器，未讨论由高功率光纤激光器阵列构成的百千瓦级(以上)高能激光系统的制冷问题。文献4针对化学、气体、固体激光器构成的百千瓦级(以上)高能激光系统进行了讨论与分析，未对由高功率光纤激光器阵列构成的高能激光系统进行分析。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种用于单根高功率光纤激光器和高功率光纤激光器阵列的制冷方法，保护光纤的外包层和端面不受热损，维持激光器的持续稳定运行，延长使用寿命。

本发明技术解决方案的基本原理是：千瓦级高功率光纤激光器在运行时，由于量子效率的限制，泵浦光不能完全转换为激光，并由于掺杂离子的吸收转换为热能，积聚在光纤内部形成温度场，当外包层的温度大于80℃时，外包层会逐渐发生老化，从而失去对内包层光纤的保护作用；同时高功率激光从直径仅为几十微米的纤芯输出，将在输出端沉积大量热量，容易造成端面的热损。为此需要在光纤的外包层外侧再加上热传导系数比较高的物质，及时将高功率运行时的热量带走，使得外包层和端面的温度不会升高到导致光纤热损的程度，这样光纤激光器就能够持续高功率的运行。由于光纤的几何结构呈细长的圆筒状，热传导系数比较高的金属(铜等)不易与其充分接触(此即文献3提出方案的不足之处)，采用流动的液体(水等)可以与光纤接触并带走热量，但可能会引入侧向的应力给光纤带来结构性损伤，另外水的热传导系数也不是很大。为此可以在保持金属与光纤之间有一定的距离，保护光纤不会受到挤压等造成的结构损伤，同时在金属与光纤之间填充乳状液体或固体粉末，避免空气介质引起的散热困难。理论分析与数值模拟表明，将光纤放置于具有冷却液通道(可以是宏通道，也可以是微通道)的金属套筒内，并往金属套筒内填充乳状液体或固体粉末的方法能够有效冷却运行中的高功率光纤激光器。

本发明的技术解决方案如下：