高功率双包层光纤激光器温度分布的有限元分析

高功率双包层光纤激光器的热效应严重制约光纤激光器的输出功率和光束质量。首先通过求解热传导方程得到简化情况下的温度解析解;然后，利用有限元方法对不同情况下的温度分布进行模拟计算。通过模拟计算得到：外包层聚合物材料的热传导系数对光纤的温度分布影响较小，因而在近似计算时可以认为纤芯及内、外包层热传导系数相等;外包层表面的对流换热系数对温度分布影响较大，增大对流换热系数，可以有效地降低光纤激光器的热效应;外包层光纤半径的大小对光纤激光器的温度分布也有影响。所得的结果为设计实现千瓦级光纤激光器提供了参考。     

掺Yb3+双包层光纤激光器的热效应分析

为了研究高功率双包层光纤激光器的热效应,采用模拟计算的方法,推导了掺Yb3+双包层光纤激光器中的温度分布表达式,计算了光纤激光器中的温度分布特性。分析结果表明,光纤的包层半径、传热系数以及抽运方式对光纤中的温度分布有很大的影响。所得的结果为设计实现千瓦级的光纤激光器提供了参考。     

双包层光子晶体光纤热效应及其影响分析

本文对双包层光子晶体光纤热效应及其模式特性的 影响进行了深入的分析和研究,采 用有限元方法构建了双包层光子晶体光纤的多物理场耦合模型。建立了双包层光子晶体光纤 截面的热传导方程,分别研究了双包层光子晶体光纤径向温度分布与光纤结构参数、换热条 件和热负载的关系。进一步地研究了热效应对光纤基模的有效折射率、有效模场面积和模场 分布的影响。双包层光子晶体光纤的径向温度分布与其结构参数紧密相关。最高温度位于纤 芯的中心,并且随着空气孔比例的增加而增大。同时纤芯的温度随着换热系数和热负载的降 低而降低。光纤的温度梯度随着换热系数和热负载的增加而线性增加。热效应同样影响光纤 基模场的分布。热负载从10 W/m增加到30 W/m 时,基模有效折射率 逐渐增加,基模的有效面积线性降低。并且波长越短,基模场收缩越明显,热效应越严重。     

掺铥双包层光纤激光器的热效应分析和实验研究

为了分析温度对掺铥双包层光纤激光器的影响,本文在模拟了掺铥双包层光纤内泵浦功率密度沿光纤轴向分布的基础上,从热传导方程出发,推导了单端泵浦的掺铥双包层光纤内的温度分布,并数值模拟了其温度沿光纤轴向和径向的分布特性.表明在热传导过程中,热量主要沿光纤径向传输.根据模拟结果在实验中设计合适有效的散热装置,测得熔接一个泵浦模块时,采取散热装置后激光器的输出功率提高了19.3％;在此基础上熔接三个泵浦模块,测得每个模块的泵浦电流为36 A时,激光器的输出功率为23.9 W.     

大功率双包层光纤激光器的非线性和热效应

文章综述了大功率情况下双包层光纤激光器中的非线性和热效应。在较低功率的激 光输出时,光纤内的非线性和热效应对激光输出特性的影响很小,但在高功率的掺Yb3 +双包层光纤激光器中,特别是功率达到千瓦量级时,非线性和热效应已经成为限制功率提升的主要因素。通过增大包层光纤芯径、缩短光纤长度都可以增加非线性阈值,从而可以保证单根光纤信号功率增大时不会出现非线性效应。采用分布式泵浦方案,能够得到沿光纤长度上最低和最均匀的温度分布,并且使激光器有最大的输出功率。     

γ射线作用下光纤激光器的功率特性及热效应分析

在辐射环境中工作的光纤激光器受到的辐射损伤会导致激光器功率退化,进而引起辐射致产热,从而影响到激光器的正常应用和系统安全。基于此,建立一种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的功率特性及热效应的数值模拟仿真。研究了辐致损耗、辐射剂量、光纤长度以及泵浦方式对输出功率的影响,并对不同泵浦方式下增益光纤内的热效应进行了分析。相关结果能够为光纤激光器的辐射效应研究工作及在辐射环境下的工程应用设计提供参考。     

双包层Er3+ /Yb3+共掺光纤激光器粒子数空间分布特性研究

针对双包层光纤激光器内包层和纤芯中光强的不同分布,基于速率方程,研究了不同泵浦方式下双包层Er^3＋／Yb^3＋共掺光纤激光器上能级粒子数的空间分布。结果表明：无论采用何种泵浦方式,沿光纤的径向,越接近于纤芯中心处,上能级粒子数越低;越接近于纤芯边缘,上能级粒子数越高。沿光纤轴向,激光输出端归一化的上能级粒子数总是少于非输出端归一化的上能级粒子数。     

新型全光纤结构双包层光纤激光器

基于对双包层光纤的内包层结构、掺杂浓度、剖面折射率分布、外包层的背底损耗等因素对泵浦光吸收效率的影响进行分析的基础上,对掺Yb3 双包层光纤内包层直径对泵浦光的吸收长度和泵浦效率进行了理论模拟.采用半导体激光二极管光纤模块作为泵浦源,采用梅花瓣型双包层光纤与光纤光栅元件连接制作了全光纤结构的光纤激光器,实验获得了6.02W单模光纤激光器,中心波长为1080nm,半高宽为0.11nm,斜率效率为1.7W/A.     

掺镱多模双包层光纤激光器弯曲选模研究

为了使大芯径多模双包层光纤激光器实现基模输出以抑制高功率双层光纤激光器中的非线性效应,采用将大芯径的多模双包层光纤适当弯曲进行选模使双包层光纤激光器获得单模激光输出的方法,进行了理论分析和实验验证,取得了大芯径多模双包层光纤内包层折射率、纤芯半径、光纤内传输信号光波长、光纤弯曲半径等因素对弯曲损耗及激光器输出光场模式影响的数据,并采用国产掺镱多模双包层光纤进行了弯曲选模实验,实现了多模光纤激光器的单模输出.结果表明,激光器最大输出功率达9W,斜率效率达17.3%,输出为基模.这一结果对大芯径多模双包层光纤激光器的选模是有帮助的.     

高功率光纤激光器涂覆层切口热效应的研究

随着光纤激光器迅速发展,单根光纤导光功率的提高对光纤之间的熔接也提出了更高的要求。在光纤的熔接处理中,涂覆层切口处边界条件的变化导致光波泄漏,这种损耗会成为高功率光纤激光器热效应问题的一个因素。本文根据光波传导方向的先后将涂覆层切口分为前切口和后切口。首先理论研究了两种切口处的光模场分布,并分析了引起切口热效应的主要原因:前切口发热原因主要有波导结构突变导致模场不匹配引起损耗和涂覆层光波泄漏引起的损耗,因此切口形状有较大影响;后切口处损耗则是因为耦合损耗引起。其次,实验研究了几种涂层形状在前切口和后切口的发热特征和温度差异,绘制了前切口不同形状引起的漏光和后切口温度与涂覆层剥离长度的关系曲线。     

高功率激光辐照CFRP的温度场和应力场的数值分析

为了研究高功率激光致碳纤维/环氧树脂复合材料的热损伤规律,采用COMSOL软件对多层结构的碳纤维/环氧树脂复合材料的热应力进行模拟计算,取得了不同功率密度激光辐照复合材料的瞬态温度场与应力场的时空分布及变化规律。测量得到不同功率密度的激光作用碳纤维/环氧树脂后的损伤面积和损伤形貌,与数值模拟结果的趋势吻合。结果表明,靶材表面辐照中心点温度在872K时出现温度平台,即相变潜热期与逆相变潜热期,并随着激光功率密度变化;激光辐照靶材对上表面碳纤维产生了极大的轴向压应力,功率密度为293W/cm2时,压应力差值约为1.87MPa;功率密度为3453W/cm2时, 压应力差值约为1.42MPa。这一结果对高功率激光致碳纤维/环氧树脂复合材料的热损伤研究提供了理论基础。     

热容模式下片状激光介质的热畸变

利用有限元数值方法,模拟计算了热容模式下片状激光介质的瞬态温度分布和热应力分布及其波前畸变和应力双折射。结果表明:激光介质中的温度分布和热应力分布与抽运光斑及介质的几何形状密切相关。当抽运光斑未充满激光介质时,介质的表面靠近边缘处会出现大的拉应力集中,并且介质中最大拉应力和表面的最大轴向位移随抽运光斑尺寸缩小而增大;而当抽运光充满介质时,表面是压应力,较小的拉应力存在于介质内部。介质变形和热光效应(折射率随温度变化)是产生波前畸变的主要原因。热应力双折射对光束产生较大的退偏作用,从而影响激光器的输出性能。     

环形激光二极管抽运激光棒的热致退偏分析

利用自行编制的热效应模拟软件，采用光线追迹方法获得激光棒内的热沉积分布，在此基础上利用热传导模型和热力光学模型，对高功率环形激光二极管阵列抽运的棒状激光放大器中动态热致退偏进行了详细模拟计算．并比较了不同输入功率下的热致退偏情况。结果表明，采用基于光线追迹的发热模型，可以很好地计算环形激光二极管抽运激光棒中的热效应问题；瞬态下的光程差分布和同消色线退偏图案的环数与棒内瞬态温升分布有关；输入功率越高，热效应引起的相对光程差就越大，波前畸变就越大，引起的热致退偏也就越严重，在同消色线图案中的环数就越多。     

热容模式下片状激光介质瞬态温度及热应力分析

为了研究激光介质热畸变对固体热容激光器的影响,数值计算了高功率激光二极管阵列抽运片状激光介质的瞬态温度场和热应力分布。结果表明,在相同的抽运功率密度下,激光介质中的温度分布和热应力分布不仅与激光介质几何构型及抽运光空间分布有关,还与抽运光斑在介质表面的填充因子密切相关。当抽运光斑未充满激光介质时,介质的表面靠近边缘处会出现大的拉应力集中,并且介质表面的最大轴向位移和最大拉应力随光斑填充因子增大而增大;而当抽运光充满介质时,表面是压应力,较小的拉应力存在于介质内部。     

水柱导引抽运光纤激光器端面热效应分析

为了解决大功率光纤激光器严重的端面热效应问题,采用水柱导引抽运光的抽运新方法。在该抽运形式中,抽运光被耦合进由喷嘴喷出的高速水柱中,水柱以波导形式导引抽运光进入光纤。对普通端面抽运和水柱导引抽运两种抽运形式的双包层光纤激光器的抽运端的热效应进行了理论计算和分析比较,抽运功率为800W时,光纤端面温度从普通端面抽运时的250℃下降到30℃,基本接近环境温度,光纤侧面的温度也大大地降低。结果表明,水柱导引抽运冷却效果显著,特别是光纤的抽运端得到了很好的冷却,可有效地解决大功率光纤激光器的端面热损伤问题。     

布拉格光纤激光器热效应研究

提出了布拉格光纤激光器的稳定热模型,并通过热传输方程和数值有限元方法对其温度分布特点进行了分析,并对布拉格光纤激光器的温度分布不均匀产生的热应力分布进行了计算,结果显示该型激光器的热应力小于熔点时石英的临界应力。     

工件形状对激光相变硬化温度场和应力场的影响

利用Sysweld有限元软件建立三维有限元模型,采用三维高斯热源,考虑材料热物性能随温度的变化,对平板和回转体内壁进行了激光相变硬化数值模拟。分析了温度场、残余应力以及马氏体分布的异同,研究了工件形状对激光相变硬化温度场和残余应力的影响规律。结果表明,在表层方向上,平板模型和回转体内壁模型的热循环相似;截面方向上,内壁模型峰值温度高于平板模型。处理后相变区组织均主要以马氏体为主,其体积分数约为90%。相变区边缘及热影响区产生残余拉应力,相变区存在残余压应力;与内壁模型相比,平板模型相变区中心残余压应力数值较大。     

脉冲激光辐照金属板温度场应力场数值分析

为了研究脉冲激光加热金属板的温度场和应力场的特点,基于弹塑性力学理论,采用有限元分析方法,对脉冲激光扫描过程中金属板的温度场和应力场进行了3维数值模拟,得到了温度场与应力场在时间和空间上的分布和变化规律。结果表明,在脉冲激光扫描加热作用下,金属表面发生多次熔化和凝固,温度时间曲线呈锯齿形;重熔区域应力场变化剧烈,随间歇的激光脉冲发生强烈的拉-压应力波动;金属基体冷却后在重熔区域留有高值残余拉应力,纵向应力达799MPa,横向应力达700MPa。     

掺Yb3+双包层光纤激光器的研究进展

光纤激光器以其独特的优势得到快速发展,其应用范围已经扩展到工业加工、国防军事、医疗等领域。综述了连续、脉冲掺Yb3+双包层光纤激光器的国内外研究进展,介绍了利用能承受高功率的合束器、光纤光栅的全光纤激光器,利用种子光主振荡光纤放大技术产生高光束质量、高平均功率、高峰值功率的脉冲光纤激光器。分析了影响光纤激光器功率提高的因素,如光纤的损伤、非线性性效应、热效应。最后,对掺Yb3+双包层光纤激光器的发展前景进行了展望。