一、背景

光纤激光器（Fiber Laser）是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，其表面积／体积比是传统的固体块状激光器的1000倍以上，散热性能良好。对于百瓦量级的光纤激光器而言，自然散热即可满足散热要求。但随着光纤激光器的快速发展，其输出功率逐年提高，甚至达到千瓦量级，由于量子亏损等多种原因，光纤会产生严重的热效应。基质材料热扩散引起应力和折射率变化，低折射率的聚合层容易发生热损伤，严重时会导致光纤热炸裂；随着热量不断累积，掺杂纤芯温度会升高，激光下能级的粒子数增加导致激光器阈值功率提高和斜率效率下降，同时量子效率降低会引起输出波长的变化。为进一步提升激光输出功率，光纤激光器将承受更大功率的泵浦光注入和能量密度更大的信号光输出，解决其热效应是高功率光纤激光系统所面临的严峻挑战。

二、光纤激光器中热效应的来源

2.1量子亏损效应

量子亏损效应是引起光纤芯区发热的主要来源也是固有热量来源。因泵浦波长和信号光波长的固有差异，所有光纤激光系统都会伴随一定比例的量子亏损。以 1080 nm 激光输出波长为例，915 nm 泵浦波长的量子亏损比重约 15.3%。

2.2多种损耗

光纤涂料在 80 ℃ 临界温度以上会产生材料变性或表层皴裂等现象。在高功率连续光纤激光运行时，光纤涂料极有可能超过所能耐受的热负载极限，导致包层光的泄漏，最终能引起激光器的整体烧毁。

光纤的熔接点处有较为严重的热效应，主要来源于两个方面：１）光纤材料及重新涂覆材料对光的吸收转换会产生热量，在较短的长度范围内，几乎完全透明的重涂覆层对光的吸收甚微，但其表面会产生一些微型空洞，空气是热的不良导体，空洞的存在使得热阻变大，因此熔点处容易产生热沉积，导致温度明显偏高；２）熔接参数不合适或者两段光纤结构参数不匹配，会导致熔接处产生损耗，热阻的存在使得熔点处温度上升。温度的升高使光纤发生热损伤，同时对光纤的数值孔径造成较大影响，数值孔径的变化会显著影响光的导向性。

2.3自发辐射效应

在 MOPA结构中，当信号光较弱时，大量泵浦光注入可能会导致光纤自发辐射（ASE）的概率升高。大量随机的自发辐射光从纤芯泄露至玻璃包层以及光纤涂层而使有机涂层过热烧毁。另外，ASE的产生也使量子亏损增大，导致光纤芯区的发热加剧。

图1 MOPA结构光纤光纤激光器系统发热位置

2.4受激拉曼散射效应

随着超高功率光纤激光器的出现，纤芯区域的激光功率密度逐渐增大，受激拉曼散射效应（SRS）逐渐成为功率提升的主要限制因素。在高功率运行过程中，当激光信号光功率达到 SRS 的阈值条件，信号激光会激发并泵浦频率更低的拉曼光，从而产生拉曼光放大过程。同时，伴随着量子亏损，SRS 会加剧光纤芯区的发热问题。

三、热效应解决方案

光纤激光器的热效应对光纤和输出特性都有不可忽略的影响，因此降低热效应带来的负面影响意义重大。热效应的抑制主要集中在以下三方面：

１）根据光纤的温度理论模型合理选择光纤参数；

２）合理选择抽运结构和抽运方式有利于实现温度的均匀分布，减少热效应的产生；

３）选择高效的外部散热方案可以极大地降低热效应带来的负面影响。

3.1光纤参数的优化

影响光纤温度分布的主要因素有纤芯和内外包层的导热系数、径向尺寸、吸收系数以及光纤长度等。合理选择光纤参数可以有效控制光纤的热量分布，保证光纤的正常稳定工作。

纤芯尺寸变大可降低纤芯温度，但过大会则影响光束质量。涂覆层作为光纤热传导的最外层介质，其厚度对光纤的工作温度影响很大。理论上涂覆层的内外表面温差与厚度呈正相关，涂覆层越薄，热传导阻值越小，整个涂覆层的内外表面温差越小，系统可承受的功率越高。但由于光纤表面对流换热的影响，且涂覆层有保护光纤的作用，因而需要合理选择涂覆层厚度。

光纤在空气中冷却时，光纤热传导阻值Ｒｃｏｎｄ、热对流阻值Ｒｃｏｎｖ及总热阻值Ｒｔｏｔ与涂覆层厚度的关系如图2（ａ）所示。涂覆层厚度与Ｒｃｏｎｄ呈正相关，而与Ｒｃｏｎｖ呈负相关，因此需合理选择涂覆层厚度，以保证总热阻值较低。光纤长度与吸收系数和温度的关系如图2（ｂ）所示，通过降低光纤吸收系数，可以有效减少对抽运功率的吸收，对抽运功率吸收的降低意味着热沉积的减少，从而降低光纤温度，但要实现相同的输出则需要增加光纤长度。Ｗａｎｇ 等研 究 了 总 抽 运 功 率 为 １０００ Ｗ、双 端 抽 运 功 率 均 为 ５００ Ｗ 时，采 用０．２５ｄＢ吸收系数的６０ｍ 长光纤时输出功率为６３０Ｗ，而采用１．０ｄＢ２０ｍ 长的光纤时输出功率为７２５Ｗ，但后者光纤最高温度比前者高约２００ ℃。由于抽运端的抽运功率最强，虽然降低光纤吸收系数可以有效减少对抽运功率的吸收，但在兼顾抽运吸收效率的前提下，激光器若完全采用低掺杂、低吸收率的光纤，需增加光纤长度，这样又会导致其他问题的产生，如非线性效应以及输出效率的下降等。

图2（a）涂覆层厚度与热阻的关系（b）吸收系数

与温度的关系

3.2抽运方式的选择

分布如图3所示。图3（ｅ）所示的非均匀系数下光纤中间几段的吸收系数高于两侧，在保证温度分布基本均匀的情况下，输出功率与图3（ｄ）相同时所需光纤缩短了２０ｍ以上；图3（ｆ）中将抽运功率分成７段，温度分布更为均匀，且温度可控制在十分理想的范围内。抽运方式对光纤激光器而言意义重大。２０１１年耶拿大学利用分布式侧面抽运光纤搭建了千瓦量级的侧面抽运光纤激光器，２０１４年ＳＰＩ公司推出了千瓦量级侧面抽运光纤激光器产品，２０１５年国内报道了国防科学技术大学和中国电子科技集团第二十三研究所联合研发了分布式侧面耦合包层抽运光纤，并搭建了全国产化光纤激光器，实现了千瓦量级的功率输出。采用多段非均匀抽运或分布式侧面抽运结构可以保证光纤温度均匀，降低热效应影响的同时有效缩短光纤的长度。但分布式侧面抽运光纤的拉制、降低各段光纤的熔接耦合损耗并提高效率是技术关键。随着光纤设计、拉制及熔接等关键技术的突破和发展，更多的抽运方式将会应用于高功率光纤激光器的研发中，与有效的外部散热技术结合以有效抑制光纤热效应的产生，实现更高功率激光的稳定输出。

图3（a）~（c）不同抽运结构示意图（d）~（f）对应的温度分布图

3.3 散热设计

热传导、热对流和热辐射是三种主要的传热方式，由于热辐射系数较小，一般情况下可以忽略其影响，传导和对流为主导性散热方式。对于功率较小的光纤激光器，通常只考虑光纤自然对流散热，热辐射影响较小，可适当予以考虑。

对流换热主要包括自然对流换热和强制对流换热。对流散热的决定因素为对流换热系数的大小。对流换热系数ｈ与流体性质、流速及对流面积有关。如表１所示，在同等条件下，强制对流换热系数高于自然对流换热系数，水的对流换热系数是空气对流换热系数的数倍。对流换热系数越大，光纤的散热越好。自然空气对流散热一般应用于功率较低的光纤激光器中。

光纤激光器输出数百瓦或上千瓦量级的功率时，单纯的对流冷却方式难以满足散热需求，需选择特定的热传导方式，将光纤热量传导至特定的热沉上，然后通过热沉进行高效的热量传导或对流扩散。光纤和热沉的接触形状或者加工表面不完全贴合，如图4所示，在接触界面存在空隙，会阻碍热量的传导。影响光纤与热沉热传导的主要因素是热阻，热阻是热交换界面之间热传导水平的衡量标准。

光纤和热沉之间的热阻理论模型可简化为

图4 光纤和热沉之间的热阻分解示意图，（a）无填充；（b）理想填充材料

图5 三种不同凹槽热沉示意图

图6（a）制冷光纤段示意图（b）双端抽运温度分布

图7增益光纤的冷却结构（a）散热平板（b）散热圆筒

随着高功率光纤激光器热管理技术、半导体抽运、光纤耦合以及包层光滤除等关键技术的发展，热效应作为功率提升的瓶颈之一，将会得到良好的控制，光纤激光器的功率将会不断提高。同时有效的热管理技术还可以促进光纤激光器集成封装技术的发展，使高功率光纤激光器能适用于更为广泛的环境中。

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