激光与光电子学进展, 2021, 58 (1): 0114009, 网络出版: 2021-01-28   

万瓦级光纤连接器参数设计及热效应数值模拟 下载: 804次

Parameter Design and Thermal Effect Numerical Simulation of 10 kW Fiber Connector
作者单位
北京工业大学激光工程研究院,北京 100124
摘要
针对万瓦级扩束型光纤连接器的准直聚焦透镜在不同冷却方式和不同尺寸参数的情况,进行了数值模拟。通过使用ZEMAX仿真设计,得到耦合透镜尺寸参数(直径为40~60 mm,边缘厚度为5~25 mm)。利用COMSOL Multiphysics模拟透镜的热分布,获得不同输出功率下,透镜使用该冷却方式的表面最高温度和使用该冷却方式透镜尺寸对温度的影响。对20组不同尺寸参数却有着相同光学性能的非球面透镜进行模拟分析,结果表明,在满足光学性能和功率密度的条件下,功率大于20 kW时,透镜可以使用侧面风冷的冷却方式,风速为9 m/s,透镜直径大于50 mm,厚度小于等于5 mm;功率大于7 kW时,透镜可以使用平面风冷的方式,风速为5 m/s,透镜直径大于30 mm,厚度小于等于5 mm;功率小于7 kW时,透镜可以使用边缘水冷的方式,水流速为1 m/s,透镜厚度小于7 mm。
Abstract
Numerical simulation is carried out for the collimating and focusing lens of the 10 kW expanded beam fiber connector under different cooling modes and different parameters. The coupling lens size parameters (diameter of 40 mm to 60 mm and edge thickness of 5 mm to 25 mm) are obtained by using the ZEMAX simulation design. The thermal distribution of the lens is simulated by COMSOL Multiphysics to obtain the maximum surface temperature of the lens using the cooling method and the influence of lens size on temperature under different output powers using this cooling method. The simulation analysis of 20 sets of aspherical lenses with different size parameters but the same optical performance shows that when the power is above 20 kW, the lens can be cooled by side air cooling mode, the wind speed is 9 m/s, the lens diameter is greater than 50 mm, and the thickness is less than or equal to 5 mm. When the power is greater than 7 kW, the lens can be cooled by plane air cooling, the wind speed is 5 m/s, the lens diameter is greater than 30 mm, and the thickness is less than or equal to 5 mm. When the power is lower than 7 kW, the lens can be cooled by edge water cooling, the water flow rate is 1 m/s, and the lens thickness is less than 7 mm.

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图1所示,从输入光纤输出的光束经过准直透镜准直,准直后的光束经过聚焦透镜耦合进输出光纤。

图 1. 扩束型光纤连接器结构图

Fig. 1. Structure of expanding fiber connector

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为了完成耦合,需要满足下式耦合条件[15],如图2所示,聚焦光束才能耦合进入光纤。

din×θin2<dcore×NA,(1)

式中: dcore为光纤纤芯直径; din为耦合光斑直径;NA为光纤数值孔径; θin为入射激光光束发散全角。仿真模拟采用NA=0.22、芯径为0.2 mm的光纤,使用ZEMAX设计平凸偶次非球面镜,使得光学系统弥散圆半径小于0.5 μm,同时耦合光斑直径小于0. 2 mm。

图 2. 光束耦合图

Fig. 2. Beam coupling diagram

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设计如图3所示的边缘水冷结构,非球面透镜被固定在一个铝合金圆筒中,透镜边缘与圆筒之间有一层0.5 mm厚的导热硅脂,其导热系数为13.8 W/(m·K),20 ℃的水流从圆筒左下侧一个直径为6 mm的孔流入,从右上侧直径为6 mm的孔流出,从孔流入的水流速度为1 m/s,流量约为1.7 L/min。设计如图4所示的平面风冷结构,透镜被3颗螺丝固定在铝合金圆筒中间,风向与激光传播方向相同,为了简化结构可以忽略螺丝的影响。设计如图5所示的侧面风冷结构,透镜边缘有一部分用于将其固定在铝合金圆筒中,透镜两侧各有一片圆形熔融石英玻璃,透镜边缘侧面有两个矩形开口,作为风的出入口。

图 3. 边缘水冷结构图

Fig. 3. Structure diagram of edge water cooling

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图 4. 平面散热风冷结构图

Fig. 4. Air cooling structure of planar heat dissipation

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图 5. 侧面散热风冷结构图

Fig. 5. Air cooling structure of side heat dissipation

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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。

dkdt=-wq,(2)

dqdt=wk,(3)

式中: k为波矢量; ω为角频率, ω=ckn; q为位置矢量。

光线对镜片的热作用的表达式为

Q0t=-j=1NQjtδr-qj,(4)

式中: t为时间; Q0为平均热源; δ为狄拉克函数; N为光线数量; Qj为一束光线的能量; qj为位置矢量。

镜片受热的应力方程为[16]

ε=εth+D-1σ,(5)

式中: {ε}=εx,εy,εz,εxy,εyz,εxzT为总应变矢量; εth=ΔTαx,αy,αz,0,0,0T为热应变矢量; D为弹性矩阵; σ=σx,σy,σz,σxy,σyz,σxz为应力。

镜片折射率随温度的变化由以下经验表达式得出[17],

dnx,TdT=n2x,T0-12nλ,T0D0+2D1ΔT+3D2ΔT2+E0+2E1ΔTλ2-λTk2,(6)

Δnλ,T=nx,T0-12nλ,T0D0ΔT+D1ΔT2+D2ΔT3+E0ΔT+E1ΔT2λ2-λTk2,(7)

式中: T0为初始参考温度,用来计算 ΔT=T-T0; λ为波长; n为折射率; D0D1D2只与温度有关,其单位分别为 -1-2-3; E0E1与温度和波长有关,单位分别为 μm2/μm2/2; λTk只与波长有关,单位为 μm

透镜热传导方程为[18-19]

ρCPvT+ρCpTt+-kT=Q,(8)

式中: Cp为比热容; ρ为密度; k为导热系数; Q为热源; v为速度矢量; T为温度。

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

ρt+ρv=0(9)

黏性为常数的不可压缩流体的动量守恒定律为

ρut+ρuv+px-μv=Fx,(10)

ρυt+ρuv+py-μv=Fy,(11)

ρωt+ρuv+pz-μv=Fz,(12)

式中: μ为动力黏度; p为流体微元上的压力; uυω分别是速度矢量在 xyz上的分量; FxFyFz为微元体上的体积力,如果体积力只是受到 z轴重力的影响,则有 Fx= Fy=0, Fz= ρg,忽略重力则有 Fx= Fy= Fz=0。

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 cm-2[21];半导体激光输出功率为12 kW,波长为976 nm;为了保证增透膜的正常使用,取透镜最小直径为40 mm,即通光孔径为40 mm。在保证透镜安装稳定的情况下,模拟了透镜厚度变化对表面最高温度的影响,取透镜边缘最小厚度为5 mm,透镜边缘厚度5~25 mm,步进为2 mm。厚度变化后的透镜由ZEMAX给出,保证双透镜耦合的光学性能和通光孔径不变。

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所示为透镜直径为40 mm、厚度为5~25 mm、步进为2 mm、半导体激光器输出功率为12 kW、边缘水冷中流速为1 m/s、风冷中风速为20 m/s的透镜表面最高温度变化。图7所示为厚度变化时不同冷却方式下透镜表面温度分布的模拟结果。

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

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图6所示,对于边缘水冷方式,透镜边缘厚度的增加会增大水冷接触面积,每增加2 mm的边缘厚度,就会增加水冷接触面积251.33 mm2,同时透镜越厚其热累积越多,在厚度大于7 mm后,透镜表面最高温度开始升高。对于平面风冷的方式,因其散热面积相比边缘水冷增加了1256.64 mm2,所以温度相比于边缘水冷有明显的降低,但是随着透镜厚度的增加,热积累增多,透镜表面最高温度上升。对于侧面风冷的方式,散热面积最大,有着比边缘水冷和平面风冷更低的最高温度,但是随着透镜边缘厚度的增加,透镜表面最高温度也逐渐上升。

图7(a)、(b)可以看出,边缘水冷时透镜表面最高温度在透镜非球面的中心,其边缘温度接近水流温度,所以即使继续提高水流速度,边缘温度也不会有明显降低。从图7(c)、(d)可以看出,对于平面风冷的方式,当透镜较薄时,其温度分布与边缘水冷方式的温度分布类似,最高温度在透镜的非球面中心;而随着厚度的增加,气流在透镜边缘形成湍流,导致透镜非球面温度分布不均匀。从图7(e)、(f)可以看出,侧面风冷时因为透镜是非球面,所以其最高温度先在非球面出风口侧。随着厚度的增加,其表面最高温度也向着透镜的柱面移动,这是因为透镜需要保证其光学性能,所以透镜的非球面参数不停改变。当边缘厚度为11 mm时,表面最高温度在柱面,为76.972 ℃;当边缘厚度为13 mm时,表面最高温度在非球面,为94.732 ℃;当边缘厚度为15 mm时,表面最高温度在柱面,为88.918 ℃;当边缘厚度大于15 mm时,表面最高温度都分布在柱面。

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

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2.2.2 透镜直径变化对表面最高温度的影响

图6可知,透镜厚度和其表面最高温度成正比,取透镜边缘厚度为5 mm,透镜直径为40~60 mm,即透镜的通过孔径为40~60 mm,步长为2 mm。在透镜的厚度和光学性能不变的情况下,透镜直径的变化由ZEMAX给出。其他参数不变,使用CPMSOL Multiphysics进行稳态模拟。图8所示为透镜边缘厚度为5 mm、直径为40~60 mm、步进为2 mm、半导体激光器输出功率为12 kW、边缘水冷中流速为1 m/s、风冷中风速为20 m/s的透镜表面最高温度变化。

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

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镜片表面最高温度随直径变化如图8所示,对于边缘水冷方式,在镜片直径从40 mm增加到60 mm的过程中,镜片表面的功率密度从955 W/cm2减小到424 W/cm2,表面热累积减小;但是因为透镜直径的增加,镜片中心到镜片边缘的距离增加,热传递更慢,从而导致热量聚集,使得透镜直径从40 mm增加到60 mm,温度仅仅降低了6.12 ℃,相比于透镜直径为40 mm时,温度下降了1.8%。对于平面风冷方式,在透镜直径从40 mm增加到60 mm的过程中,散热面积从1257 mm2增大到2827 mm2,温度随着透镜直径的增加而减小,减小了27.46 ℃,温度降低22.5%。对于侧面风冷方式,其散热效果与透镜非球面有关,因为需要保证透镜的光学性能,所以不同直径的透镜的非球面参数是不同的,从而导致温度跳动,跳动幅度最大为15.655 ℃。

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。图9所示为透镜直径为40 mm、厚度为5 mm、半导体激光器输出功率为12 kW、风冷中风速为1~19 m/s、步进为2 m/s的透镜表面最高温度变化。图10所示为风速变化透镜表面温度分布的模拟结果。

图 9. 透镜表面最高温度随风速变化

Fig. 9. Maximum temperature of lens surface varies with wind speed

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图9所示,对于平面风冷方式,当风速为5 m/s时,温度开始缓慢下降;当风速从1 m/s增加到5 m/s时,温度从198.49 ℃下降到133.89 ℃,降低了32.55%;当风速从5 m/s增加到19 m/s时,温度从133.89 ℃下降到122.37 ℃,降低了8.6%。这是因为在风速大于5 m/s之后,透镜散热面的温度已经接近空气的温度,而非散热面因为熔融石英的热传导效率低,导致热量累积,从而导致透镜非球面温度降低不明显,如图10(a)和(b)所示。对于侧面风冷方式,当风速从1 m/s增加到9 m/s时,温度从307.59 ℃下降到84.105 ℃,降低了72.66%;当风速从7 m/s增加到19 m/s时,温度从84.105 ℃下降到58.823 ℃,降低了30.06%。这是因为透镜的非球面阻碍了空气的流动,空气在非球面背风一侧流动缓慢,从而导致背风一侧的非球面散热不佳,但是随着风速的增加,非球面背风一侧的风速也增加,因此温度降低,如图10(c)和(d)所示。

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

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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。图11所示为透镜表面最高温度随着温度的变化。

图11可以看出,侧面风冷有着比其他两种方式更好的散热效果,即使是20 kW的输出功率也能将透镜的中心温度稳定在100 ℃以内,此时需要使用直径为50 mm的透镜,因为透镜直径对侧面散热的影响不大,所以直径为50 mm的透镜中心温度低于100 ℃。侧面风冷能够用于功率为20 kW以上的光纤连接器,但是为了杜绝空气中灰尘对膜的影响[22],需要将透镜放在无尘的环境中进行风冷,同时侧面风冷使得镜片受到不均匀的压力,如图12和13所示,其安装结构不稳固易造成镜片的振动从而影响耦合效率,导致侧面风冷结构复杂。而平面风冷受力均匀,如图12所示,其能保证镜片表面最高温度在200 ℃以下,相比侧面风冷有着更好的安装稳定性,功率为20 kW以下的光纤连接器可以使用这种方式。边缘水冷不需要透镜在无尘的条件下,但是其散热效果比较差,在功率为8 kW时温度已经超过200 ℃,因此功率为7 kW以下的光纤连接器可以使用这种方式。但是通过降低水流温度,也可以降低透镜最高温度,如果使用的是-50 ℃的制冷剂,则能在输出功率为10 kW时继续使用。

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

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图 12. 侧面风冷透镜非球面压力分布

Fig. 12. Aspheric pressure distribution of side air-cooled lens

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图 13. 平面风冷透镜平面压力分布

Fig. 13. Planar pressure distribution of planar air-cooled lens

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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 ℃,实验原理图如图14所示。

图 14. 实验原理图

Fig. 14. Experimental schematic

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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所示。

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

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由下式可知,温度模拟的是功率为 Phigh的激光照射在面积为 Slens的透镜上的温度。

PlowSspot=PhighSlens,(13)

式中: Plow为实验所用半导体激光器的实际功率; Sspot为照射在石英玻璃上的光斑大小。如图14(b)所示,其相当于功率为893 W的激光照射在直径为40 mm的透镜上的功率密度。因为光斑周围即环境温度,其透镜散热过程与边缘水冷散热相似,都是光斑中心温度高、边缘温度低,图16为测得实验结果与模拟边缘水冷的对比图。

图16可以看出,数值模拟的温度比实际测得温度高,其主要原因是本次实验中光斑比较小,同时实验镜片并没有与外界隔离,温度消散得比较快,但其增长的趋势与软件模拟结果相同,表明该软件模拟方法是合理的。

图 16. 实验和模拟数据对比图

Fig. 16. Comparison of experimental and simulated data

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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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