·强激光物理与技术·
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刘 玙， 李 敏， 黄 珊， 吴文杰， 冯 曦， 沈本剑，
宋华青， 陶汝茂， 王建军， 景 峰
（中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900）
壳体加工摘 要： 为实现高功率光纤包层光剥离器被动冷却，需要同时对光纤和封装壳体进行有效热管理。采用一种基于铁氟龙毛细管分段化学腐蚀光纤的制备技术，使用紫铜作为壳体材料，并通过有限元分析算法对壳体温度场进行仿真计算，对壳体各个结构参量进行优化分析，设计了满足500 W 散热能力的包层 光剥离器，并开展了实验验证。研究结果表明，采用铁氟龙管分段腐蚀法，包层光剥离比达到23.7 dB ，光纤裸纤上的功率温升速率仅0.007 ℃/W 。采用优化设计的壳体，在540 W 功率注入下，包层光剥离器使用水冷冷板冷却可以连续出光，壳体最高温度58.7 ℃，使用相变冷板冷却可以单次安全出光50 s ，壳体最高温度80 ℃。此研究结果可以为高功率光纤激光设计与研发提供重要参考。
关键词： 包层光剥离器； 模式剥除； 光纤激光； 光纤器件； 双包层光纤 中图分类号： TN248 文献标志码： A doi : 10.11884/HPLPB202133.200182
＞500 W passively-cooled fiber cladding light stripper
Liu Yu ， Li Min ， Huang Shan ， Wu Wenjie ， Feng Xi ， Shen Benjian ，
Song Huaqing ， Tao Rumao ， Wang Jianjun ， Jing Feng
（Laser Fusion Research Center , CAEP , P. O. Box 919-988, Mianyang 621900, China ）
Abstract ： To realize of passive-cooling high power fiber cladding light stripper, it is important to optimize the thermal management of both the fiber and the package. By using Teflon capillaries to make segmental etching configuration on fiber, using copper as the package material, and optimizing the package structure through finite element thermal simulations, claddi
ng light stripper capable of handling 500 W power was designed and fabricated. It was experimentally verified that the stripping efficiency reached 23.7 dB and the temperature increase rate on the bare fiber of cladding light stripper was as low as 0.007 ℃/W. In addition, at 540 W of power injection, cladding light stripper could work continuously if mounted on water-cooled cold plate, and could work for 50 s each time if mounted on cold plate filled with phase-change material, with the maximum temperature of package being 58.7 ℃ and 80 ℃respectively. The researches and results could provide valuable information to the design and development of high power fiber lasers.
Key words ： cladding light stripper ； mode stripper ； fiber laser ； optical fiber device ； double cladding fiber
由于转换效率高、光束质量好、热管理方便、易维护等显著优点，光纤激光器近年来在工业加工、光纤传感、精准医疗等领域得到广泛应用[1-2]。随着场景的拓展和平台的升级，许多应用对激光器提出了设备结构精简、环境适应性增强的要求，高功率、小型化、非水冷的便携式光纤激光器成为发展的重要趋势[3-7]。而作为光纤激光光源的关键组成，光纤器件性能水平的提升对光纤激光器的发展至关重要，包层功率剥离器（CPS ），也称为包层光剥离器，就是其中典型的核心器件[8-9]。
CPS 是用在放大级之间或输出端上游用以去除包层光的光纤器件，通常基于双包层或多包层光纤制成。通过破坏光纤表面的光全反射条件，CPS 可以将残余泵浦光、放大自发辐射和因熔接不完美、光纤弯曲/扭曲等因素泄
* 收稿日期：2020-06-30； 修订日期：2020-11-03
基金项目：国家自然科学基金项目（61905226，61805222）；国家重点研发计划项目（2017YFB1104401）作者简介：刘 玙（1987—），女，博士，助理研究员，从事光纤激光器件研究；。通信作者：陶汝茂（1987—），男，博士，副研究员，从事光纤激光技术研究；。
第 33 卷第 2 期强 激 光 与 粒 子 束
Vol. 33，No. 22021 年 2 月
HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS
Feb.，2021
强 激 光 与 粒 子 束
漏到包层中的信号光剥除，使纤芯激光得到提纯、传输激光的光束质量得以提升。另一方面，光纤激光作用于工作件上，会有部分激光回返到激光器的光纤包层中，CPS可以将大部分回返光泄漏，防止上游的光纤和器件被烧毁，提高激光器抗反能力、保证激光器正常工作[10-11]。一般来说，CPS需要剥除的光功率与激光器信号功率之比为数个百分点，而对于窄线宽及其他类型增益光纤长度受限的激光器，CPS的剥光比例更高[12-14]。因此，高热负荷是CPS的重要特征，CPS的热管理能力一定程度上决定了光纤激光器的功率输出水平。
CPS的热管理包括CPS光纤和CPS封装壳体的热管理两部分内容。目前，大部分关于CPS的研究集中在CPS光纤的热管理方面，即通过创新和改进剥光工艺改善CPS光纤的发热情况，提升CPS的功率剥除能力。例如，沿光的传播方向上，使用折射率递增的多种光学胶水依序涂覆于光纤包层[15]，或通过控制化学腐蚀时间使光纤包层表面的毛化程度由浅及深变化[16-17]，或将两者相结合[18]，使得包层光按照数值孔径（NA）大小逐级剥除，防止CPS在较短的距离内大量泄漏功率造成局部过热。对于CPS封装壳体的热管理研究，相对来说关注较少[19-20]。至今公开报导的百W级及以上剥除功率的CPS，大多数是通过直接水冷封装壳体的方式进行释热[15, 18-19, 21]，鉴于循环冷却水会极大地增加系统的体积和质量，不符合激光光源小型化和无水冷却的要求，因此，器件封装实现被动冷却的研究势在必行。
电梯井口门本文从CPS光纤和CPS封装壳体的热管理两方面出发，首先提出一种新的分段腐蚀方法，可以实现CP
S光纤低热沉积剥光。之后对CPS的非水冷封装结构进行热设计优化，以提高封装壳体的散热能力。最后结合CPS制备技术和封装设计，成功制备了剥除功率大于500 W的非水冷CPS。
1 CPS制备技术和封装设计
1.1 制备技术
CPS的光剥除是基于破坏光纤包层-涂覆层边界的全反射传导条件的原理，一般通过重涂覆[15, 18]或表面微结构处理[21-23]的方法实现。由于表面微结构处理型CPS可避免使用光胶，具有更高的功率拓展能力[17, 21]，本文提出的CPS制备方法就是基于此实现的。对于表面微结构处理型CPS，剥光区域（微结构区）的发热主要源于两个方面，一是由于表面缺陷造成的光致热能，二是制备过程中光纤受到污染导致发热。因此，为得到低热CPS，一方面需要适度延长有效剥光长度，降低光剥除功率密度，平衡长度方向上的热沉积，另一方面需要研究制备工艺，降低工艺过程中发生污染的几率。基于这两点考虑，本文采用铁氟龙毛细管分段腐蚀技术制备CPS[24]：首先把涂覆层去除干净的光纤悬空放置，然后将数段铁氟龙毛细管头尾相接外套在光纤裸纤上，并将KHF2腐蚀液分别在不同的时间灌注到各个铁氟龙管中，最后统一移除铁氟龙管，用高纯水对光纤进行清洗。通过变化各管的长度和管内腐蚀液停留的时间，可以独立控制相应光纤长度上的毛化程度，得到不同的光剥除效果。为防止CPS中大量包层光突然溢出，可沿包层光传播方向作由浅至深的数段腐蚀，使得包层光能够分段逐步
剥出，光剥除功率密度得到抑制。此外，此种方法的另一个优点是基本无杂质残留，不同于使用纸包覆光纤[16]或蜡密封光纤[17]来实现分段/渐变毛化效果，铁氟龙管材料耐腐蚀且结构稳定，能够充分确保CPS光纤腐蚀工艺的洁净度。
为验证分段腐蚀结构的优越性，采用25/400无源光纤制备两种CPS，并搭建轴向光分布测试装置对CPS的有效剥光长度进行分析和比较[24]。实验中使用的铁氟龙毛细管内外径分别为2 mm和4 mm。CPS #1仅含一段腐蚀—120 mm长腐蚀60 min，CPS #2包含两段腐蚀—各60 mm长分别腐蚀30 min和60 min。CPS腐蚀后裸件悬空放置，把光电二极管安装在CPS附近的位移平台上以平行于光纤的方向移动和探测功率，从而得到CPS剥光功率沿长度方向的分布。实验测得，CPS #1中50%的光剥除集中在约10 mm的长度内，而CPS #2中50%的光剥除分布在约18 mm的长度上。这证实了采用逐层递进式毛化结构能够明显平缓包层光剥除的速度，相对应的，分段腐蚀技术制备的CPS在封装壳体上的热压力会有所改善。此外，使用热像仪测得在112 W激光注入光纤包层条件下，CPS #1和CPS #2上的腐蚀区温度分别为22.7 ℃和22.4 ℃，其剥离比为24.5 dB和23.7 dB，这证实了使用铁氟龙管制备CPS能够降低光纤污染的风险，实现低热沉积有效剥光。
1.2 封装设计
为优化CPS封装的热管理能力，采用有限元分析的算法对CPS壳体进行热设计。CPS采用紫铜作为封
装材料以实现高效传导散热。壳体内部设置圆柱形空腔，CPS光纤悬空放置其内，避免裸纤部分接触壳体材料受到污染。此外，空腔内壁进行发黑处理，以最大化壳体对剥除光的吸收。这样，在CPS壳体的热仿真模型中，可将空腔内壁作为热源，其热流密度即为CPS上的剥除光功率密度。为简化仿真计算，仅对壳体横截面上的热传导作二维
热模拟，如图1示。此外，假设壳体底面为散热面（与冷板接触），设置20 ℃恒温，壳体侧面和顶面与外界环境之间绝热。基于这些简化条件以及CPS #2剥除光功率密度的实验数据（由轴向光分布测试曲线得到），可求出壳体横截面的温度分布稳态解，进而分析出各结构参量对壳体温度场的影响，计算结果如图2所示。
r
h
air cavity
copper package
(b) temperature distribution on CPS package in the condition =4 mm, h =10 mm, H =20 mm, W =20 mm, 500 W power injection
−10
−5
0510x /mm
−10
−8−6−4−26568.3605550454035302520Fig. 1 Modeling and thermal simulation of packaged CPS
图 1 CPS 壳体结构建模和热仿真结果示例
Fig. 2 Impact of structural parameters on maximum temperature of packaged CPS, assuming 500 W of power injection
图 2 CPS 壳体结构参数对CPS 封装件最高温度的影响，假定注入功率为500 W
图2给出了空腔半径r 、空腔高度h 、壳体宽度W 以及壳体高度H （含义参见图1（a ））四个结构参量的变化对CPS 壳体散热能力的影响。图2（a ）结果显示，随着空腔占比减小，壳体的最高温先是迅速减小，后从4 mm 半径数值开始改善速度放缓，而在2 mm 左右开始劣化，这是散热路径变短和热流密度增大两个因素相互制约的结果。图2（b ）结果显示，空腔应尽量接近底面，以获得更好的散热效果。图2（c ）结果显示，加宽壳体可以使温度降低，但当壳体宽度超过40 mm 时，其改善作用减弱。图2（d ）结果则表明，在一定范围内，空腔上方壳体材质的减薄对壳
刘 玙等： 大于500 W 非水冷光纤包层光剥离器
强 激 光 与 粒 子 束
体温度的影响有限。综合考虑图2的分析结果、封装壳体加工的难度以及CPS安装的可操作性，最终选取空腔半径4 mm，空腔高度6 mm，壳体宽度40 mm，壳体高度16 mm，热仿真计算壳体最高温为42.7 ℃。
2 实验验证
为检测CPS光纤的发热情况，使用级联的泵浦合束器将7只915 nm激光二极管（LD）中的泵浦光合束注入到CPS #2的入纤包层中，如图3示，并用热像仪探测CPS #2裸件上光剥除区域的温度随功率的变化。
图 3 CPS功率和温度测试光路图
测试结果如图4（a）所示，其中横坐标为CPS #2上剥除的功率，即为图3光路CPS前后的功率差值。在520 W 剥除功率时，CPS #2毛化区最高温度为25.4 ℃，此时室温21.5 ℃，温升速率约为0.007 ℃/W。此实验证明，使用铁氟龙管分段腐蚀法制备的CPS热沉积极低。为检测CPS制备工艺的可重复
性，使用CPS #2相同的构型连续制备了10支CPS并进行了功率温度测试，实验结果如图4（b）所示，在520 W剥除功率时，最高温度平均值为25.1 ℃，标准方差仅2.35 ℃。
图 4 CPS毛化区温升曲线
为检测CPS封装壳体的发热情况，把CPS #2封装在结构优化过的紫铜壳体中，然后将壳体安装在冷板上进行
功率验证。测试光路同图3，使用热像仪对壳体表面的稳态温度进行测量。冷板内通循环冷却水，水温20 ℃，壳
体和冷板之间的间隙使用铟膜填充。测试结果如图5红圆点线所示，壳体的温升速率为0.066 ℃/W，在540 W功
率注入时，壳体最高温度为58.7 ℃。实验测得的壳体温度比热仿真计算值要高，这是因为在实际情况中，由于机
械加工平整度、间隙材料的热导率等因素的影响使得壳体与冷板之间的换热速率受限造成。此外，图5蓝方点
线展示了CPS的残余功率-注入功率关系曲线，通过计算曲线斜率s并使用−10 lg10（s）公式即可求得CPS对包层光
的衰减，也称为剥离比，用以表征CPS光剥除的彻底程度。此处CPS #2剥离比为23.7 dB。
图5是使用水冷冷板冷却CPS壳体的测试结果，由于冷板中有流动冷却水，CPS可以长时间稳定工作，CPS的
产热和冷却水的吸热维持平衡，壳体温度基本不变。为验证此CPS应用于非水冷光纤激光器的可能性，将CPS壳
体安装在相变蓄冷板上再次进行测试。相变蓄冷板采用泡沫石墨作为强化传热骨架，其内填充相变温度为16 ℃
的石蜡，蓄冷量设计值为500 W ，实验结果如图6显示。在540 W 功率注入下，50 s 工作时间内，CPS 的剥离比始终保持稳定，壳体的温度最终上升至80 ℃，仍处于可靠的工作范围[25]。
3 结 论
本文采用铁氟龙管对光纤分段化学腐蚀的方法制备CPS ，并采用有限元方法对CPS 的封装壳体进行热仿真优化，设计了非水冷剥除500 W 激光的CPS 散热结构方案，并开展了实验验证。结果表明，制备的CPS 可以在540 W 功率下正常工作：使用水冷冷板可实现连续出光，壳体最高温度为58.7 ℃，剥离比为23.7 dB ；使用相变冷板可实现单次50 s 安全出光，壳体最高温度为80 ℃，剥离比不变。本文工作可以为高功率激光的设计和研制提供重要参考。参考文献：
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(b) thermal image at 540 W power
Fig. 5 Test results of packaged CPS mounted on water-cooled cold plate
图 5 CPS 封装件安装于水冷冷板测试结果
Fig. 6 Test results of packaged CPS mounted on cold plate filled with phase-change material
图 6 CPS 封装件安装于相变蓄冷板测试结果
裤衩裙刘 玙等： 大于500 W 非水冷光纤包层光剥离器
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