大于500 W非水冷光纤包层光剥离器

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。     

不同角度包层光剥离的理论与实验研究

光纤激光器中存在传输角度不同的包层光,为研究腐蚀型包层光剥离器(CLS)对各角度包层光的剥离效果,实验测量了光纤腐蚀段的散射系数,仿真分析了不同传输角度下包层光的剥离度与腐蚀长度的关系。为提供角度分布不同的包层光,搭建两套剥离器测试系统,分别对双包层光纤和无芯光纤制作的包层光剥离器进行实验。在双包层光纤实验中,两系统包层光的最大传输角由10°和8°变为3°12'和3°1',接近芯中光的最大传输角度为2°27';在无芯光纤实验中,两系统包层光的最大传输角由11°和8°变为2°9'和2°12',且随剥离度的增加,最大传输角度趋近于0°,即腐蚀型包层光剥离器能够基本剥离包层光。最后在波长为1 018 nm的同带泵浦激光器上对双包层光纤制作的腐蚀型包层光剥离器进行测试,在输入功率为1 136 W情况下,其剥离度为18. 3 d B。     

高功率光子晶体光纤激光器实验研究

从光纤热传导方程出发,研究了不同泵浦光吸收系数对光纤激光器沿光纤长度方向温度分布的影响。结果表明,低吸收系数光纤泵浦端温度相对较低,分布较为平缓,有效减缓光纤的热损伤。根据理论分析结果,实验中选择了吸收系数为1.45 dB/m的掺Yb3+双包层光子晶体光纤作为增益介质,在泵浦光功率为560 W时,获得了428.5 W的高功率单模连续输出,斜率效率为76.5%,光束质量因子M2<1.2。由于泵浦端光纤温度较高,实验中对光纤两端进行了主动冷却,并且在离光纤端面约25 cm处的光纤表面温度进行实时测量,结果发现随着泵浦光功率的增加,光纤表面温度均匀增长,最高温度为310 K,温度正常。     

单轴晶体包层抛物型渐变光纤中基模功率分析

研究了以单轴晶体为包层,纤芯为各向同性非均匀材料光纤的功率传输特性.在纤芯满足弱渐变条件的假定下,按矢量场法进行了分析.针对基模讨论了包层的轴向与横向的介电常量比τ对光纤截面上功率分布的影响.结果表明,τ对低频情况影响显著,而对高频情况则影响很小.当此种结构的光纤用做单模光纤时,选用τ较大的包层材料有利于提高传输效率.     

高功率光子晶体光纤激光器实验研究

 从光纤热传导方程出发,研究了不同泵浦光吸收系数对光纤激光器沿光纤长度方向温度分布的影响。结果表明,低吸收系数光纤泵浦端温度相对较低,分布较为平缓,有效减缓光纤的热损伤。根据理论分析结果,实验中选择了吸收系数为1.45 dB/m的掺Yb³⁺双包层光子晶体光纤作为增益介质,在泵浦光功率为560 W时,获得了428.5 W的高功率单模连续输出,斜率效率为76.5%,光束质量因子M²<1.2。由于泵浦端光纤温度较高,实验中对光纤两端进行了主动冷却,并且在离光纤端面约25 cm处的光纤表面温度进行实时测量,结果发现随着泵浦光功率的增加,光纤表面温度均匀增长,最高温度为310 K,温度正常。     

千瓦级掺Yb3+双包层光纤激光器的热分析

针对千瓦级Yb3+光纤激光器的特殊结构,在同时考虑光纤表面的对流换热和辐射换热条件下建立了热传递模型和一维稳态传热方程.结合该稳态传热方程和光纤激光器的速率方程,数值模拟了正向泵浦1 000 W和双端泵浦两端各500 W的条件下沿光纤纵向和径向的温度分布.计算结果表明,双端泵浦的温度分布比正向泵浦的均匀,且光纤中的最高温度比正向泵浦时下降了135.9℃.将考虑辐射换热时光纤的温度分布和忽略辐射换热时的结果进行对比,后者的温度比前者高得多,表明辐射换热是光纤激光器非常重要的换热方式.最后,分析了双端泵浦以及光纤长度不变的条件下纤芯半径、包层半径以及表面传热系数对光纤内温度分布的影响.结果表明纤芯半径不会影响光纤表面温度,而加大表面传热系数以及增大包层半径可以有效地降低光纤表面及内部温度.     

热激法光子晶体光纤光栅制备工艺中热传导特性研究

研究了基于结构性改变的光子晶体光纤光栅的热激法制备工艺,理论分析了此种工艺的成栅原理,采用热传导理论和有限元法研究了制备过程中光子晶体光纤中的温度场分布,以及包层空气孔结构和激光参数对成栅效果的影响.研究结果表明,利用光子晶体光纤包层空气孔周期性塌缩可以形成光栅;采用两点热激法时,能够实现能量在光纤径向均匀分布,轴向近似于高斯分布;包层气孔结构加速了成栅过程,相同光斑尺寸下,光纤塌缩所需激光功率随气孔层数和气孔半径的增大而减小;最后,对包层空气孔结构为1层到7层的光子晶体光纤热激过程进行仿真,得到了空气填 关键词： 光纤光栅 光子晶体光纤 热激法 有限元法     

高功率激光运转条件下大模场掺镱石英光纤模式特性的仿真研究

在高功率激光运转条件下,掺杂稀土离子的量子亏损和玻璃材料的本征吸收均会造成光纤放大器中增益光纤温度的整体上升与梯度分布。在热平衡状态下,光纤材料的热光效应将会诱导光纤横向折射率的再分布,引发高功率激光运转条件下增益光纤模式特性的改变。为此,利用多物理场有限元建模的数值计算方法对高功率激光运转条件下大模场掺镱石英光纤的热致模式特性展开系统研究,分析总结大模场增益光纤的模式特性在不同激光运转功率、增益光纤设计参数(纤芯直径、数值孔径、热光系数)和光纤弯曲使用条件下的变化规律。结果表明,随着激光运转功率的增加,纤芯和包层之间的温差会变大,从而导致光纤的归一化参数V值增大,最终使模式的传输损耗系数减小,模式在纤芯区域的功率因子增大。     

高功率光子晶体光纤激光器温度分布研究

对高功率光子晶体光纤激光器温度分布问题进行了理论研究.在分析光纤热产生机理和结构的基础上,建立了双包层光子晶体光纤激光器稳态切面温度分布简单模型,数值模拟了光纤径向的温度分布、纤芯温度和纤芯-表面温差与纤芯热负载的关系,研究了光纤结构对温度分布的影响;并就激光器光纤泵浦端面的冷却方案进行讨论,数值模拟了外界对流系数不同时纤芯温度的大小.结果表明：对高功率光子晶体光纤激光器采用风冷和水冷的方法可以降低热效应的影响.     

基于嵌套三角形包层结构负曲率太赫兹光纤的研究

设计了一种新型负曲率太赫兹光纤,光纤由六条均匀分布在包层内部并嵌套等边三角形结构的包层管组成.通过改变包层管和三角形边的厚度来研究负曲率光纤的有效模场面积、纤芯功率比、限制损耗、色散等性能.当包层管和三角形厚度为90μm时,光纤的限制损耗在2.36 THz时可以达到0.005 d B/cm,当频率范围在2.1—2.8 THz时,色散系数在±0.19 ps/(THz·cm),纤芯功率比达到了99%以上,并且拥有较好的有效模场面积.进一步,将包层管和三角形边厚度保持在90μm不变,调整三角形边的弯曲程度,继续研究以上性能,结果表明在内弯曲的状态下可以将限制损耗降低60%.该工作为高效率、高性能的太赫兹光纤提供了合理的结构设计以及理论分析.     

蓄冷型热管搁架传热特性的实验研究

设计一种填充相变材料的热管型搁架改善冷藏陈列柜中温度分布的均匀性。实验表明:该类型的搁架降低了食品中心温度,减少了搁架前后排食品温差,改善了沿柜深及柜长方向温度分布均匀性;由于相变材料的蓄冷特性,也减少了融霜期间食品温度的回升。与未填充相变材料的搁架相比,食品包温度由3.5℃~5.5℃降低到0.5℃~5℃,温度降低10%以上。食品包温度波动约0.5℃~0.7℃,温度波动减小70%~75%。和文献中水和硼砂复合搁架左右侧食品包温差相比,该设计的搁架左右侧食品包温差比文献的温差降低了83.3%。     

热光系数与长周期光纤光栅的温度灵敏度研究

利用受温度影响的光纤的本征方程和相位匹配条件,从理论上研究了长周期光纤光栅(LPFGs)的温度响应特性,给出了LPFGs的温度灵敏度的解析表达式。对利用低模序包层模的LPFG进行了实验研究。结果表明,利用不同包层模的LPFGs具有不同的温度灵敏度。分析了光纤的材料热光系数和模的热光系数的差别。单模光纤导模的热光系数接近纤芯的材料热光系数,而包层模的热光系数比包层的材料热光系数大,模序越大,其值越大。适当调整纤芯和包层的热光系数,并选用不同的包层模,可以得到对温度灵敏或不灵敏的LPFGs。     

储能电池簇液流冷却温控性能优化仿真研究

为了提高储能电站中电池簇的散热效果、改善电池表面温度分布的不均匀性，本文按照实际尺寸建立了电池簇的液冷仿真模型。利用Fluent仿真软件研究了出水口布置在不同位置时的散热效果，选定了最佳的布置方案，最大温差由16 K降低到13 K,降低了18.8%。进一步研究分析了冷板布置在底面和侧面时的散热效果，结果表明，采用冷板布置在电池侧面的方案，电池表面温度分布的不均匀性得到改善，最大温差由13 K减小到3.7 K,减小了71.5%,温差被控制在规定范围内。     

耦合物理场中包层的流动传热和结构安全分析

包层结构是国际热核聚变实验堆(ITER)中的重要组件,它的力学行为与磁-热-流-固多物理场的耦合效应密切相关。本文采用有限体积法和有限元方法,分析了磁场强度和流体入口速度对包层内流动传热效应和包层中流道插件(FCI)结构安全性的影响。对磁场效应的分析表明,虽然MHD效应对流体存在不利影响,但磁场效应引起的M型速度分布改变了流体的传热形式,可以增加流体出口平均温度,提高热效率;同时,射流可降低第一壁最高温度,减小FCI最大结构热应力。此外,磁场效应还降低了FCI的热膨胀趋势,使得侧壁和Hartmann壁的法向位移有所减小。对于入口流速的分析表明,当速度增加时,PbLi流体出口平均温度降低,使其热效率降低,但流道向氦气中的热泄露有所减少,增加了出口输出热功率。当速度超过0.06 m/s时,出口热功率占中子生成热功率的比例将稳定在85%左右,同时考虑到第一壁和FCI的结构安全性,入口速度选择在0.06~0.10 m/s间可使包层达到良好的传热性能和安全性能。     

定向红外条件下光纤布置形式及光源参数对低温靶温度场的影响

惯性约束核聚变成功的关键之一在于靶丸内要形成均匀的燃料冰层,靶丸外表面温度特性对惯性约束聚变低温靶内形成均匀的燃料冰层有着决定性的影响.为使得靶丸外表面温度场尽可能均匀,需采用定向红外的方式对靶丸外表面温度进行局部调控.采用全三维低温靶物理模型,建立定向红外光路追踪与温度场计算耦合计算的光热耦合数值模型,研究了定向红外条件下光纤布置形式及光源参数对低温靶温度场的影响规律.结果表明:在光纤总功率不变的前提下,光纤数量越多,靶丸外表面温度场均匀性越好.光纤数量小于等于2时,靶丸外表面温度场无法得到明显改善;光纤数量大于2时,靶丸外表面最大温差和加权温差降低幅值极限为61.94%和76.33%.光纤投射的光斑向南北两极适量偏移可以改善靶丸外表面温度场均匀性,其他的偏移方式会恶化温度场均匀性.     

单级大功率斯特林型脉管制冷机模拟与实验研究

为了研究大功率斯特林型脉管制冷机中存在的流动的不均匀性、回热器和脉管内的温度不均匀性、制冷机与压缩机的阻抗匹配等问题,本文基于模拟软件Sage设计制造了一台单级大功率斯特林型脉管制冷机并对其进行了初步试验研究。在60 Hz工作频率,充气压力为1.9 MPa时,800 W输入功率下达到最低无负荷制冷温度56.9 K;充气压力为2.0MPa,输入功率为4 kW时制冷量为41.2 W@77 K,与理论模拟结果存在较大差距。实验发现回热器存在严重的温度不均匀性,中部最大温差高达120 K。     

侧边抛磨光纤波导传输特性的理论分析

在建立侧边抛磨光纤D型光纤边界条件的基础上,用三维有限差分光束传输法计算和分析了侧边抛磨光纤器件的光功率衰减随光纤的侧边抛磨长度、光纤侧边抛磨后剩余包层的厚度、以及填充聚合物材料折射率三个参量变化的特性.结果表明,侧边抛磨光纤器件的光功率衰减随着抛磨长度的增加而增大;当抛磨长度等于9 mm时,光功率衰减随着剩余包层厚度的增大而单调递减.而当抛磨长度大于9 mm时,剩余包层厚度小于3 μm的范围内,光衰减随着剩余包层厚度的增加出现振荡;当聚合物折射率与纤芯折射率相同时,光功率衰减最大.     

以UV胶为纤芯本底的CdSe/ZnS量子点光纤光致荧光光谱的传光特性

制备了一种以紫外(UV)固化胶为纤芯本底的CdSe/ZnS量子点掺杂光纤.通过测量不同掺杂浓度和光纤长度下的量子点光致荧光光谱,得到了荧光峰值强度与量子点掺杂光纤浓度和长度的关系,确定了UV胶纤芯本底下的量子点的吸收系数、合适的掺杂浓度和光纤长度.结果表明:UV胶在光纤中具有吸收小、收缩率低、与石英光纤包层折射率匹配、...     

热光效应对星敏感器测量准确度的影响

运用"热-结构-光"耦合分析方法,计算典型星敏感器光学系统(6透镜光具组,f=56 mm,相对孔径1/1.3)恒星像斑理想质心位移和亚像元内插质心偏移量,研究温度分布对星敏感器测量准确度的影响.以20℃为光学系统标定温度,计算光学系统均匀温度分布、轴向温差分布和上下侧温差分布三种条件下,星敏感器测量误差.均匀分布温度变化20℃时,星敏感器测量误差约0.07″;轴向温差10℃和20℃时,测量误差分别约为0.17″和0.31″;上下侧温差仅2℃时,测量误差就高达1.46″.计算结果表明,上下侧温差分布对星敏感器准确度影响最大,均匀温度分布影响最小.     

非线性包层光纤中TE0模的传播特性分析

本文对具有Kerr非线性包层和线性匀芯的光纤在不同光功率下的传播特性进行了理论分析和数值计算.结果表明,在适当光功率下,当模折射率N等于芯折射率n_f时,芯场变得相当均匀,而包层场迅速衰减.对于自聚焦包层,当从N<n_f逐渐变到N>n_f时,芯场剖面越过N=n_f从凸变凹.在拐点,芯场成为均匀的.论文给出了模场分布和光功率与模折射率的关系.指出纤芯出现匀场预期会在光纤器件、光电子器件、光子器件中得到应用.