γ射线作用下光纤激光器的功率特性及热效应分析 下载: 1101次
1 引言
光纤激光器具有结构简单、转换效率高、热管理方便、光束质量好等优点[1-5],目前已经在通信传感、生物医学、工业加工等许多领域得到了广泛的应用,并且其应用领域及场景还在不断丰富中。但是,在辐射环境中,由于辐射效应会使光纤激光器受到辐射损伤,系统性能退化[6-7],因此有必要对光纤激光器的辐射效应及其影响开展相关研究。
近年来,相关研究单位开展了双包层光纤激光器的γ射线辐照实验,观察到在γ射线作用下光纤激光器的输出功率发生了明显的退化[8-11]。在本课题组前期的辐照实验研究中,也同样观察到光纤激光器的输出功率随辐射剂量的增加而急剧下降的现象[12]。以文献[ 8]为例,研究人员对双包层掺镱光纤进行了辐射剂量为745 Gy的γ射线辐照,光纤激光器的光-光转换效率从70.8%退化至15.68%。从能量转换的角度来看,γ射线辐射作用光纤激光器后,有55.12%的泵浦光能量没能参与到有效的激光产生过程,而是沉积到了光纤激光器中(主要是在增益光纤内),沉积的泵浦光能量经过一系列复杂的转移过程,最终通过无辐射跃迁过程转变成热能[3],称这个过程为光纤激光器的辐射致产热过程。辐射致产热成为在辐射环境中工作的光纤激光器的新热量来源,并且随着辐射剂量的累积,越来越多的泵浦能量会通过光纤激光器的辐射致产热过程转换成热能,甚至会远远超过量子亏损产生的热能(掺镱光纤激光器的泵浦光波长通常为976 nm,激光工作波长在1070 nm附近,量子亏损大约为10%),从而导致严重的热效应。增益光纤中过高的温度会引起激光器光束质量退化及模式不稳定现象,这会影响光纤激光器的实际使用[13-14]。并且,因增益光纤涂覆层的安全许可温度为80 ℃,光纤激光器增益光纤内部温度过高会损坏光纤,甚至会烧毁光纤激光器,引发系统性的危害[15]。
目前,光纤激光器辐射效应相关研究工作主要是对辐射作用导致的光纤激光器功率退化进行了实验现象介绍和初步的定性解释,关于辐射作用导致光纤激光器功率退化规律的研究报道并不多。并且,目前辐照实验的研究对象主要是中低功率水平的光纤激光器,光纤激光器的辐射致产热问题尚未引起研究人员足够的重视。掺稀土离子光纤是光纤激光器的增益介质,是光纤激光器的核心器件,同时也是对辐射作用最为敏感的器件。相关研究表明,辐射致增益光纤性能的变化对光纤激光器系统性能,特别是对输出功率的影响是十分明显的。作为初步研究,本文主要集中于分析和探讨γ射线作用增益光纤对激光器的功率特性及热效应的影响。通过建立辐射环境表征参量与光纤激光器增益光纤内功率、热效应和温度分布的关系模型,开展稳态γ射线作用下掺镱双包层光纤激光器功率特性及热效应的数值仿真研究,对不同因素的影响进行分析和讨论。
2 理论模型
一般,不含非线性效应和放大自发辐射(ASE)的线型腔连续波掺镱光纤激光器的稳态速率方程组可简化为[16]
式中:z为增益光纤内轴向某点的坐标;N和N2分别为总的掺杂粒子数密度和激发态粒子数密度;λp与λs分别为泵浦光和信号光的波长;
在辐射环境中使用光纤激光器时,辐致损耗被认为是γ射线作用增益光纤引起的最为明显的宏观性能变化。但是,相关研究显示增益光纤辐致损耗的产生与为改善光纤性能而加入的磷(P)或铝(Al)等共掺剂密切相关,与稀土离子本身关系并不大,γ射线作用并没有破坏掺稀土离子光纤的发光和光放大机制[2-3]。目前,增益光纤辐致损耗的机制尚不完全清楚,研究人员提出用Power-Law定理来预测光纤辐致损耗与辐射剂量等辐射环境表征参数的关系,其具体表达式[17]为α(D)=a·Db,其中α(D)为光纤辐致损耗(单位dB·m-1),D为辐射剂量(单位Gy),a和b为拟合常数。在对γ射线作用下的光纤激光器进行分析时,可将增益光纤的辐致损耗作为新引入的背景损耗项考虑,也即(2)式和(3)式中的损耗系数应修正为α'p[α'p=αp(D)+αp]和α's[α's=αs(D)+αs],联立(1)~(3)式进行求解,可以得到
接下来分析光纤激光器的热效应,γ射线作用下增益光纤内的热量来源除了泵浦光向信号光转换过程中的量子亏损Q1,以及增益光纤对泵浦光和信号光的背景吸收产热Q2之外,还有辐射致产热Q3。Q3的产生主要是因为γ射线作用导致增益光纤对泵浦光和信号光有辐射致吸收。在分析γ射线作用下光纤激光器的热效应时,Q1和Q2被认为是背景项,Q3与辐射导致的增益光纤的性能变化有关,被认为是与辐射环境表征参数有关的变量。类比光纤背景损耗产热过程[18],对Q3进行计算,综合Q1、Q2和Q3可获得增益光纤内总的热能分布,各部分的具体表达式为
式中:Ain为光纤内包层截面积。则增益光纤总的热负载为
根据光纤的热传导理论,双包层增益光纤纤芯温升ΔT(0,z)表达式为[18]
式中:H为涂覆层材料的热传递系数;r1为纤芯半径;r2为内包层半径;r3为外包层半径;k1为纤芯导热系数;k2为内包层导热系数;k3为外包层导热系数。
综上,可将辐射对光纤激光器的影响融合进现有的激光器分析模型,从而建立起辐射环境表征参数与激光器增益光纤内功率、热效应以及温度分布的关系模型。
3 数值仿真结果与讨论
根据第 2 节中的数学模型, 对γ射线作用下20/400双包层掺镱光纤激光器的功率特性及热效应进行数值仿真分析,仿真中用到的主要参数如
表 1. 仿真参数
Table 1. Parameters of simulation
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3.1 辐致损耗对输出功率的影响
文献[
17]中列出了几种掺镱光纤的Power-Law定理实验拟合常数,其中a的取值通常在1~10 dB·km-1·Gy-1量级,b的取值在0.7至1.0之间,具体的取值与光纤的结构、尺寸、掺杂以及拉制工艺等因素有关。在辐射剂量为0~1000 Gy的γ射线作用下,a和b取不同值时,增益光纤的辐致损耗曲线如
图 1. 当a和b取不同值时,增益光纤的辐致损耗。(a)辐致损耗曲线;(b)图1 (a)虚线框部分的细节图
Fig. 1. Radiation-induced loss of gain fiber with different a and b. (a) Radiation-induced loss curves; (b) detailed view of dotted frame in Fig.1 (a)
3.2 光纤长度对输出功率的影响
固定Power-Law定理拟合常数a=2 dB·km-1·Gy-1和b=0.8(下同),其他条件不变,计算采用不同长度增益光纤时,光纤激光器受到不同剂量辐射作用后的输出功率,结果如
同时,随着辐射剂量的增加,采用不同长度增益光纤的激光器的输出功率均出现了明显的下降。并且,在受不同剂量的辐射作用时,增益光纤的最优长度也不同。在无辐射作用时,光纤激光器增益光纤的最优长度为13.6 m;但是,在受到100 Gy的γ射线作用后,采用13.6 m长的增益光纤的激光器输出功率比采用8.8 m增益光纤的激光器低了近30 W。相关结果表明,增益光纤的长度对辐射作用下光纤激光器的输出功率也有着显著的影响。这主要是因为光纤越长,光纤总的辐致损耗也越大,而激光器的输出功率是增益与损耗等各个因素综合平衡的结果。这也启发人们,在对辐射环境中使用的光纤激光器进行工程设计时,应该结合整个任务周期的辐射剂量来对增益光纤长度进行综合考虑,无辐射环境中的最优长度并不是好的选择,选择稍短一些的增益光纤可以在工作一定时间后获得相对较高的功率输出。
图 3. 采用不同长度增益光纤时,激光器的输出功率
Fig. 3. Output power of fiber laser with different gain fiber lengths
3.3 泵浦方式对输出功率的影响
固定增益光纤为13.6 m,其他条件不变,计算了不同泵浦方式下光纤激光器受到不同剂量辐射作用后的输出功率,结果如
出功率差异并不大,但受到辐射作用后,采用不同泵浦方式的激光器的输出功率出现了较大的差异。以辐射剂量为0 Gy和1000 Gy两种情形为例,不同泵浦方式下光纤激光器的输出功率和光-光转换效率如
图 4. 采用不同泵浦方式时,激光器的输出功率
Fig. 4. Output power of fiber laser with different pumping configurations
表 2. 激光器的输出功率及光-光转换效率
Table 2. Output power and optical-to-optical conversion efficiency of fiber lasers
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3.4 光纤激光器热效应分析
接下来对采用不同泵浦方式的光纤激光器受到辐射作用后的热效应进行数值仿真分析。激光器的仿真参数与3.3节保持一致,涂覆层材料的热传递系数H取值1000 W/(m2·K)。第2节中 (4)~(6)式表明,增益光纤内的热分布与泵浦光和信号光的功率分布有着密切联系。故计算了不同辐射剂量γ射线作用下增益光纤内泵浦光和信号光的功率,以及纤芯温升随增益光纤位置的分布情况,具体结果如
图 5. 前向泵浦激光器增益光纤的特性曲线。(a)信号光和泵浦光功率;(b)纤芯温升
Fig. 5. Characteristic curves of gain fiber in forward-pumped lasers. (a) Power of signal light and pump light; (b) temperature rise in the fiber core
图 6. 双端泵浦激光器增益光纤的特性曲线。(a)信号光和泵浦光功率;(b)纤芯温升
Fig. 6. Characteristic curves of gain fiber in bi-direction pumped lasers. (a) Power of signal light and pump light; (b) temperature rise in the fiber core
图 7. 后向泵浦激光器增益光纤的特性曲线。(a)信号光和泵浦光功率;(b)纤芯温升
Fig. 7. Characteristic curves of gain fiber in backward-pumped lasers. (a) Power of signal light and pump light; (b) temperature rise in the fiber core
以γ射线辐射剂量为0 Gy和1000 Gy两种情形为例,三种泵浦方式下纤芯最高温升以及纤芯温升最高点位置如
表 3. 纤芯最高温升及其位置
Table 3. Max temperature rise and the corresponding position
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4 结论
通过抓住增益光纤的辐致损耗这一光纤激光器性能最主要的影响因素,初步建立了辐射环境表征参数与光纤激光器增益光纤输出功率、热效应和温度分布的关系模型。数值模拟仿真了辐致损耗、辐射剂量、光纤长度以及泵浦方式对激光器输出功率的影响,并对不同泵浦方式下光纤激光器增益光纤内的热效应开展了分析。相关结果表明:增益光纤的辐致损耗对光纤激光器的功率特性有着较大的影响,与激光器的输出功率具有负相关性;辐射剂量、增益光纤的长度也会对激光器的输出功率产生影响,但其本质可以归结为辐射剂量、光纤长度的变化导致了光纤总辐致损耗的变化;泵浦方式对激光器的输出功率、增益光纤内泵浦光和信号光功率以及纤芯温升随增益光纤位置的分布情况也会造成显著的影响。基于以上的研究结果,为确保光纤激光器能够在辐射环境中安全、稳定的运行,首先应采用耐辐射的光纤器件,同时需要根据辐射环境参数、任务周期、光纤器件的辐射响应特性,对激光器增益光纤长度、泵浦方式等因素综合考虑,进行优化设计。
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