万瓦级光纤连接器参数设计及热效应数值模拟 下载: 804次
1 引言
如今大功率半导体激光器广泛应用于加工制造、生物医疗、**等领域[1-6],同时半导体激光器的输出功率也越来越大,目前连续半导体激光器的功率已经达到40 kW[7]。为了能够在不同领域使用大功率的半导体激光器,大功率的传能光纤耦合连接器的需求越来越紧迫。瑞典的OPTOSKAND公司的光纤耦合器能支持10 kW的连续激光耦合,而IPG的光耦合器的最高耦合功率可达50 kW。对于大功率光纤连接器,主要采用扩束连接结构[8-9],随着输入功率的增加,光纤连接器中的透镜热效应也随之增加,从而导致耦合镜片的形变[10],耦合效率降低[11];而且当透镜受到高温时,会产生很大的热应力,造成透镜上增透膜的脱落,一般增透膜所能承受的温度为200 ℃[12]。为了降低耦合透镜的热变形,保证耦合效率,镜片需要选择低热膨胀系数和耐高温的材料,同时还需对耦合透镜进行冷却,以保证增透膜能连续使用,因此需要控制透镜表面最高温度。透镜的冷却主要包括透镜边缘冷却和整个透镜冷却,常用的主动冷却技术有水冷、相变制冷、半导体制冷等,其中镜片水冷是最广泛的冷却方式[13]。水冷、相变制冷、半导体制冷等技术都是对透镜边缘进行冷却,其冷却效果受到材料的传热导数影响,且透镜表面具有很高的温度梯度;风冷可以对整个透镜进行冷却,温度场分布均匀。基于此,为了得到耦合效率高且工作稳定的万瓦级光纤连接器,本文对镜片风冷散热和透镜边缘水冷散热进行模拟对比分析,在保证透镜光学性能的条件下,改变透镜的尺寸参数,得到不同功率下光纤连接器最佳的散热方式和相应的透镜尺寸参数。
本文使用ZEMAX光学设计软件在不改变透镜光学性能的基础上通过改变透镜的直径和边缘厚度,使用COMSOL Multiphysics模拟分析不同散热方式、不同尺寸、不同功率下透镜的热效应。模拟透镜直径变化分析得出透镜直径不是影响透镜表面最高温度的主要因素,透镜直径只需满足增透膜功率密度和透镜光学性能即可,当激光功率在20 kW以上时,透镜的直径应大于50 mm;通过模拟透镜厚度变化可知,不论何种方式透镜的厚度与透镜的中心温度成正比,考虑结构的稳定性和材料的经济性,边缘水冷透镜厚度应小于7 mm,风冷透镜厚度应小于5 mm;通过模拟功率变化可知,当激光功率在7 kW以下时,使用边缘水冷比较经济;当激光功率在上万瓦时,可以使用风冷来控制镜片中心温度。在模拟之后,本文基于不同光斑大小下功率密度相同的原理,实验验证了该模拟结果的正确性。通过该模拟分析,得到不同功率下光纤连接器的最佳散热方式和最佳透镜参数,为光纤连接器的生产和实验。
2 原理与仿真
2.1 基本原理
熔融石英玻璃具有诸多优点,比如较低的热膨胀系数(0.54×10-6 K-1),耐高温,能在1600 ℃中使用[14]等,因此选择熔融石英为透镜材料。扩束型光纤连接器结构如
为了完成耦合,需要满足下式耦合条件[15],如
式中:
设计如
为了模拟激光对非球面镜的影响,设镜片放在均匀的空气中,激光为几何光束,波长为976 nm,激光从光纤的一端输出,光纤数值孔径为0.22,其光线为圆锥形。光学方程采用COMSOL中的一阶微分方程。
式中:
光线对镜片的热作用的表达式为
式中:
镜片受热的应力方程为[16]
式中:
镜片折射率随温度的变化由以下经验表达式得出[17],
式中:
式中:
流体流动遵守物理守恒定律,包括质量守恒定律、动量守恒定律[20]。其中质量守恒定律为
黏性为常数的不可压缩流体的动量守恒定律为
式中:
2.2 数值模拟结果
2.2.1 透镜厚度变化对表面最高温度的影响
在理论模拟中,结合实际应用要求,所用增透膜的损伤阈值小于等于1000
为了减小风速、流速对结果的影响,取流速为1 m/s,风速为20 m/s,水流和风的温度均为20 ℃。使用COMSOL Multiphysics进行稳态分析,分别模拟边缘水冷、侧面风冷、平面风冷3种不同的冷却方式。
图 6. 透镜表面最高温度随透镜厚度变化
Fig. 6. Maximum temperature of lens surface varies with lens thickness
如
从
图 7. 厚度变化时不同冷却方式下透镜表面温度模拟结果。(a)(c)(e)透镜边缘厚度为5 mm;(b)(d)(f)透镜边缘厚度为25 mm
Fig. 7. Simulation results of lens surface temperature under different cooling modes when thickness changes. (a)(c)(e) Lens edge thickness is 5 mm; (b)(d)(f) lens edge thickness is 25 mm
2.2.2 透镜直径变化对表面最高温度的影响
由
图 8. 透镜表面最高温度随透镜直径变化
Fig. 8. Maximum temperature of lens surface varies with lens diameter
镜片表面最高温度随直径变化如
2.2.3 风冷中风速变化对表面最高温度的影响
综上可知,透镜越薄其风冷散热效果越好,同时透镜直径的变化对温度影响有限,取透镜直径为40 mm、边缘厚度为5 mm、风速为1~19 m/s、步进为2 m/s。使用COMSOL Multiphysics进行稳态分析。
如
图 10. 风速变化时透镜表面温度分布的模拟结果。(a)(c)风速为1 m/s;(b)(d)风速为19 m/s
Fig. 10. Simulation results of temperature distribution on lens surface when wind speed changes. (a)(c)Wind speed is 1 m/s; (b)(d) wind speed is 19 m/s
3 结果分析
3.1 温度随功率的变化
综上可知,对于3种散热方式,透镜的厚度增加都会导致透镜表面最高温度增加。对于边缘水冷散热方式,边缘厚度从5 mm增加到25 mm,温度上升了41.85 ℃,相比边缘厚度为5 mm时的温度上升了12.52%;当边缘厚度为7 mm时,相比边缘厚度为5 mm时的温度上升了0.08%,因此对于边缘水冷来说透镜边缘厚度不大于7 mm最佳。对于平面风冷和侧面风冷方式,边缘厚度从5 mm增加到25 mm,温度分别上升了76.876 ℃和134.15 ℃,相比边缘厚度为5 mm时的温度分别上升了110.78%和118.26%,因此对于平面风冷和侧面风冷方式,透镜边缘厚度均需小于5 mm。
透镜直径对表面最高温度的影响相比于透镜厚度对表面最高温度的影响要小得多,对于边缘水冷散热方式,透镜直径从40 mm增加到60 mm,温度仅下降了1.8%;对于平面风冷方式,透镜直径增加2 mm,温度下降3 ℃;对于侧面风冷方式,透镜直径从40 mm增加到60 mm,温度上下起伏,其温度最大相差15 ℃。因此透镜的直径不是影响透镜表面最高温度的主要因素,考虑其经济性,透镜直径只需满足所镀膜的功率密度要求即可。
对于边缘水冷方式,当水流量为1.7 L/min时,透镜边缘散热已经饱和。对于平面风冷方式,风速从1 m/s增加到19 m/s时,温度从198.49 ℃下降到122.37℃,降低了38.45%;当风速从1 m/s增加到5 m/s时,温度下降了32.55%,考虑其经济性,平面风冷最佳风速为5 m/s。对于侧面风冷方式,风速从1 m/s增加到19 m/s,温度从307.59 ℃下降到58.823 ℃,降低了80.88%;当风速从1 m/s增加到9 m/s时,温度下降了72.66%,考虑其经济性,侧面风冷的最佳风速为9 m/s。
综上,可以得到3种不同散热方式的透镜最佳直径、最佳厚度和流速。在功率为12 kW的情况下,对于边缘水冷方式,取透镜直径为40 mm、边缘厚度小于7 mm,此时具有最好的散热性能,当水流量为1.7 L/min时,水对透镜边缘散热已经饱和,因此取水流速度为1 m/s;对于平面风冷方式,透镜直径增加2 mm,温度下降3 ℃,考虑其经济性,取透镜直径为40 mm、边缘厚度小于5 mm,当风速大于5 m/s时,温度趋于稳定,因此取风速为5 m/s;对于侧面风冷方式,取透镜直径为40 mm、边缘厚度小于5 mm,由于风速对透镜散热有着十分明显的影响,考虑其经济性,所以取风速为9 m/s。
从
图 11. 透镜表面最高温度随着温度的变化
Fig. 11. Maximum temperature of lens surface varies with temperature
3.2 温度随功率变化实验
本文主要是对大功率半导体激光器的光纤耦合器进行模拟分析,所以实验采用功率为100 W半导体激光器,不能使用脉冲调Q激光。
实验采用波长为976 nm、功率为100 W的半导体激光器,使用一块直径为20 mm镀抗反射膜的熔融石英镜片。实验室环境温度为19.1 ℃,实验原理图如
纤芯直径为30 μm、包层直径为250 μm的双包层光纤射出的光束照射在镜片上,其包层直径为400 μm,纤芯数值孔径为0.46,距离D=10 mm,由此可以计算得到光斑直径d=10.8 mm。激光最高输出功率为100 W,以10 W为一个步长,每一个步长激光照射透镜的时间均为20 min,使用FLIR红外测温仪测量熔融石英表面温度,测得10个数据。如
图 15. 熔融石英玻璃表面温度图。(a)功率为10 W;(b)功率为70 W
Fig. 15. Surface temperature diagram of fused quartz glass. (a) Power is 10 W;(b) power is 70 W
由下式可知,温度模拟的是功率为
式中:
从
4 结论
本文对不同散热方式的万瓦级扩束型光纤连接器进行了热分析,并在保证透镜的光学性能条件下,合理地改变透镜的厚度和直径然后进行模拟。根据模拟结果可知,在增透膜工作温度为200 ℃以及水流、风速都是常温的条件下,对于边缘水冷散热方式,透镜的直径对散热效果影响不大,透镜边缘厚度小于7 mm时,散热效果饱和,能够运用在功率为7 kW以下的光纤连接器中;对于风冷散热方式,考虑其经济性,透镜直径仅与增透膜所能承受的功率密度有关,透镜厚度应小于5 mm。其中平面风冷的最佳风速为5 m/s,能够运用在功率小于20 kW的光纤连接器中;而侧面风冷的最佳风速为9 m/s,能够运用在功率大于20 kW的光纤连接器中。通过改变光斑大小,在保证功率密度相同的条件下来进行实验验证,验证实验结果和理论模拟相符合,说明该理论模拟是合理的。本文为实际工程中,高功率扩束型光纤连接器选取合适的透镜尺寸参数和透镜的散热方式提供了理论模拟,为实际加工制造光纤连接器,提供了参考依据。
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