CN111431024A - 一种机载一体化风冷光纤包层功率剥离器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机载一体化风冷光纤包层功率剥离器，包括全反射抛物面镜、激光全吸收面层；全反射抛物面镜置于机身内部；激光全吸收面层与机身蒙皮一体成型；本申请采用包层功率剥离器与机身蒙皮一体化设计，且结合抛物面镜设计原理，将杂散光透过石英玻璃管直接散射到空腔内壁上，极大降低杂散光辐射到内壁吸收面的面热流密度，并将产生的废热全部集中到蒙皮内表面，然后传递到外表面并利用机载环境天然冷源‑高空低温高速气流进行实时散热，能够高效地将光纤包层剥离出的杂散光产生的大量废热实时耗散，以满足包层功率剥离器温控需求，且包层功率剥离器结构简单，整体重量大幅降低，可满足轻量化设计要求。

Description

一种机载一体化风冷光纤包层功率剥离器
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，具体涉及一种机载一体化风冷光纤包层功率剥离器。
背景技术
光纤激光器因其具有光束质量高、稳定性好、结构紧凑、转换效率高等明显的优势，已广泛应用于先进制造、医疗、工业加工、军事应用等领域，如在机载平台中的应用需求越来越迫切。双包层光纤激光器有利于提高激光输出功率和泵浦耦合效率，但其输出光中包含一定的杂散光，这将严重影响激光的光谱特性和光束质量，并直接或间接地影响高功率下激光器的可靠性，需要及时滤除。包层功率剥离器(CladdingPowerStripper,简称CPS)是高功率双包层光纤激光器中的重要器件之一，它具有独特的光学性能，用于去除光纤包层中的杂散光，包括熔接损耗或模式不匹配的纤芯光泄露、未被吸收的抽运光、光纤弯曲导致纤芯中的高阶模泄露、以及放大自发辐射等。CPS就是将在光纤包层内传输的杂散光滤除，从而消除这部分光对激光光束质量的影响，其基本工作原理是：CPS是一种用来滤除光纤中杂散光的无源器件，内部的双包层光纤段被剥成裸纤，将激光器运行时产生的杂散光直接向外散射而不聚集在光纤包层内，这些杂散光散射到CPS壳体内壁并被吸收转化为热，这些热产生的热辐射会使CPS中裸纤温度剧增，当高于200℃时，就会产生光纤纤芯熔融效应，从而导致CPS以及激光器系统受到不可恢复的损伤。因此，CPS散热结构设计是整个器件可靠性设计的关键；另外，考虑到光纤中存在高分子胶体物质，通常应使CPS工作温度小于60℃。
CPS基本工作原理：
CPS是一种用来滤除光纤中包层光的无源器件，内部的双包层光纤段被剥离成裸纤，将激光器运行时产生的杂散光直接向外散射而不聚集在光纤包层内，这些杂散光散射到CPS壳体内壁并被其吸收转化为热，再通过水等介质进行散热。现有CPS技术方案典型结构如图4和图5所示，光纤内套在石英玻璃管中，石英玻璃管内套在壳体柱形内腔中，光纤与玻璃管在两端分别用胶料和密封圈支撑固定。如图4、图5所示，示出了壳体1、空气2、密封圈3、胶料4、石英管5、光纤6。
现有CPS技术方案壳体内壁面面热流密度：
Figure BDA0002473458100000021
在CPS设计中，废热功耗Q与长度L可认为是常数，面热流密度q1与内壁面直径D3成反比。
考虑到机载平台载重能力有限且应用于机载平台的激光器功率较高，光纤激光器轻量化设计及其散热问题(如大功率热耗器件CPS)是亟需解决的关键问题之一，可充分结合平台环境特点与约束解决该问题。基于现有的技术方案，目前应用于机载平台的CPS散热方案主要包括空冷式(自然对流)、液冷式、相变储热式等热管理方案，现有技术方案主要如下：
(1)技术方案一：空冷式CPS。其主要利用CPS金属外壳自身热传导，通过空气中自然对流的方式对CPS进行散热。
(2)技术方案二：液冷式CPS，包括间接液冷和直接液冷。
a)间接液冷式CPS技术方案示意图如图1所示，其工作原理是将CPS安装在热沉上，光纤剥离的废热通过金属外壳吸收并传导至热沉上，再由液冷式热沉将热量带走并耗散。
b)直接液冷式CPS技术方案示意图如图2所示，其工作原理是将封装光纤的石英玻璃管置于冷却液体中，通过液冷系统将热量带走并耗散。在传统液冷式CPS设计基础上，专利ZL201510323874.5提出了一种基于微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器，其仍是基于液冷方式解决高热流密度CPS散热问题。
(3)技术方案三：相变储热式CPS(专利ZL201710567355.2)，其技术方案示意图如图3所示，其工作原理是通过在CPS内部填充泡沫骨架结构及相变材料(石蜡等)，利用相变材料相变储能特性及泡沫骨架结构增大表面换热面积，CPS工作时产生的废热由相变材料吸收并暂存，再由外接冷却液将暂存的废热带走并耗散。
现有技术方案一缺点：利用空气中自然对流方式进行散热，散热效率/效果较差，不适用于空气稀薄以及激光功率较高的情况。
现有技术方案二缺点：采用间接液冷式CPS散热效果较差，一般剥离功率<300W，且受制于冷板的性能；采用直接液冷式CPS虽然比间接液冷式散热效率大大增强，但两者均采取的是主动热控形式，整个冷却系统中包含众多的泵阀组件、管路等，系统较复杂，需要的体积和重量大大增加。
现有技术方案三缺点：相变蓄热式CPS工作时只是利用相变材料对废热进行吸收并暂存，其仍需额外的冷却系统进行废热的耗散(如仍可能采用泵阀组件等进行冷却)，另外，相变蓄热式CPS使用前后一般需要对相变材料进行蓄冷并保温，蓄冷时间一般较长，使用场景受限。
导致原因：
现有技术方案一：空冷式CPS通过CPS金属外壳并利用空气自然对流进行散热，由于金属壳体热容有限且空气中自然对流换热系数较小，空冷式CPS散热能力非常有限，不适用于激光功率较高及空气稀薄的场合。
现有技术方案二：间接液冷式和直接液冷式CPS均采用的是主动热控形式，冷却系统中通常包含众多泵阀组件、管路等，系统比较复杂，导致整体体积、重量大大增加，不利于轻量化设计。
现有技术方案三：相变储热式CPS是利用相变材料的相变潜热对CPS工作时产生的废热进行暂存，其释热过程(如在机载环境下应用时)仍需要额外的冷却系统进行废热的耗散，导致附加体积和重量的增加；另外，为了充分利用相变材料的相变潜热，需要充分考虑相变温度点来进行相变材料选择，导致在使用前后需要对相变材料进行充分蓄冷并保温，CPS工作间隔时间可能较长。
因此急需研发出一种机载一体化风冷光纤包层功率剥离器来解决以上问题。
发明内容
为解决上述背景技术中提出的问题。本发明提供了一种机载一体化风冷光纤包层功率剥离器。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种机载一体化风冷光纤包层功率剥离器，包括：
全反射抛物面镜；全反射抛物面镜形成为弧形板状结构；全反射抛物面镜置于机身内部；
激光全吸收面层；激光全吸收面层与机身蒙皮一体成型，激光全吸收面层形成为弧形板状结构；激光全吸收面层与机身外高速低温风进行热交换；全反射抛物面镜与激光全吸收面层组成管状结构；光纤置于管状结构内，并与管状结构设置方向一致。
优选地，光纤中心点置于抛物面镜焦点位置。
具体地，光纤外部套装有石英管，光纤与石英管之间填充空气。
优选地，全反射抛物面镜与激光全吸收面层的连接处设置有隔热材料。
优选地，激光全吸收面层朝向全反射抛物面镜的一侧涂覆有对光具备高吸收率的热控涂层材料。
进一步地，激光全吸收面层朝向全反射抛物面镜的一侧还经过打毛处理设置。
优选地，激光全吸收面层朝向全反射抛物面镜的一侧涂覆的热控涂层材料为黑镍或有机黑漆。
进一步优选地，激光全吸收面层朝向全反射抛物面镜的一侧涂覆的有机黑漆为S731-SR107黑漆。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、全反射抛物面镜的设计，既可避免杂散光对内部机载设备的辐射，又可将杂散光全部辐射至冷源表面进行实时散热；
2.利用机载高空低温高速(亚音速)的天然冷源进行包层功率剥离器的实时散热，可满足包层功率剥离器长时间工作需求；
3.包层功率剥离器内部结构不需要任何冷媒介质，也不需要进行密封设计，且包层功率剥离器与机身蒙皮进行一体化设计，结构设计简单，可有效减少包层功率剥离器自身结构重量；
4、利用高空中低温高速气流进行实时废热的耗散，不需要增加额外的冷却系统(如泵阀组件、管路等)，整个散热系统结构简单，系统重量可大大降低，满足未来轻量化设计需要。
附图说明
图1为间接液冷式包层功率剥离器技术方案示意图；
图2为直接液冷式包层功率剥离器技术方案示意图；
图3为相变储热包层功率剥离器技术方案示意图；
图4为现有CPS技术方案典型横截面结构示意图；
图5为现有CPS技术方案典型纵截面结构示意图；
图6为本申请的纵截面结构示意图；
图7为抛物面镜反射原理图；
图8为包层功率剥离器稳态热分析有限元模型；
图中：1-壳体、2-空气、3-密封圈、4-胶料、5-石英管、6-光纤、7-全反射抛物面镜、8-蒙皮、81-激光全吸收面层、9-隔热材料。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供以下技术方案：
如图6所示，一种机载一体化风冷光纤包层功率剥离器，包括：
全反射抛物面镜7；全反射抛物面镜7形成为弧形板状结构；全反射抛物面镜7置于机身内部；
激光全吸收面层81；激光全吸收面层81与机身蒙皮8一体成型，激光全吸收面层81形成为弧形板状结构；激光全吸收面层81与机身外高速低温风进行热交换；全反射抛物面镜7与激光全吸收面层81组成管状结构；光纤置于管状结构内，并与管状结构设置方向一致。
如图6所示，光纤6中心点置于抛物面镜焦点位置。
如图6所示，光纤6外部套装有石英管5，光纤6与石英管5之间填充空气。
如图6所示，全反射抛物面镜7与激光全吸收面层81的连接处设置有隔热材料9。
如图6所示，激光全吸收面层81朝向全反射抛物面镜7的一侧涂覆有对光具备高吸收率的热控涂层材料。
进一步地，激光全吸收面层81朝向全反射抛物面镜7的一侧还经过打毛处理设置。
优选地，激光全吸收面层81朝向全反射抛物面镜7的一侧涂覆的热控涂层材料为(不锈钢电镀)黑镍或有机黑漆。
进一步优选地，激光全吸收面层81朝向全反射抛物面镜7的一侧涂覆的有机黑漆为S731-SR107黑漆。
本申请中，结合机载平台特殊的环境特点与约束，如对于亚音速飞机而言，其在高空飞行时飞行速度较高(可达160～300km/h)，其舱内外环境气温较低(如标准大气在6km高空环境温度约-24℃，8km高空时约-37℃)，在这种高速低温气流的环境下，提出本专利方案。
大热耗器件包层功率剥离器具有高热流密度特点，结合包层功率剥离器基本工作原理，在废热功率Q和光纤长度L确定的情况下，考虑增大杂散光散射到内壁面的孔径(即内壁面直径D3，如图5中所示)，从而降低辐射到内壁面上的热流密度。
如图6所示，本申请中，
(1)包层功率剥离器与机身蒙皮内表面进行一体化共形设计，包层功率剥离器右侧面ABCDEF与蒙皮共用结构，且其内表面为激光全吸收面，表面做发黑/打毛等处理，将辐射到该表面的杂散光全部吸收转化为热，再通过蒙皮内表面传递到外表面并通过蒙皮外高速低温风冷进行实时散热。
(2)为了避免包层功率剥离器内部杂散光辐射机身内部机载设备，包层功率剥离器左侧面FGHIJA采用全反射抛物面镜，光纤中心点O置于抛物面镜焦点位置，光纤辐射到到FGHIJA面的激光将全部平行发射至ABCDEF面被吸收转化为热，再通过蒙皮内表面传递到外表面并通过蒙皮外高速低温风冷进行实时散热。
其中抛物面镜基本原理如图7所示，将发光点放在抛物面镜的主焦点上，光纤经镜面反射后都平行于主轴射出(如追光灯、探照灯内都有一抛物面镜)，使光源位于其焦点就能得到定向照明的平行光束；反之，平行于主轴的入射光经抛物面镜反射后都将会聚在焦点上。
(3)全反射面FGHIJA与全吸收面ABCDEF(内表面)之间在A点和F点处使用隔热材料进行壁面之间隔热，避免辐射到ABCDEF面转化的热传递至全反射抛物面镜上，造成抛物面镜产生较大热变形甚至损坏。
(4)本申请内壁面热流密度：
Figure BDA0002473458100000081
(本申请设计可认为LFGHIJA≈0)，采用独特的包层功率剥离器设计思路，杂散光透过玻璃管直接散射到空腔内壁上，通过增大LABCDEF、LFGHIJA等内壁尺寸(类比于广义的内壁面直径D3，如图5中所示)，极大降低杂散光辐射到内壁吸收面的热流密度，有利于大热耗包层功率剥离器散热。
(5)亚音速飞机在高空中巡航飞行时可为本申请包层功率剥离器提供天然的冷源(低温高速气流)，可对器件进行实时散热，并从理论上看可以一直持续工作。
(6)本申请采用的是一种被动式热控结构，内部结构设计不需要相变材料、水等冷媒介质进行取热，不需要进行密封设计，结构设计简单(一面采用抛物面镜，一面共用蒙皮结构)；另外，包层功率剥离器释热过程也不需要附加其他冷却系统，如泵阀组件、管路等，系统更简单，整体重量大幅减少，非常有利于轻量化设计。
低温高速气流散热效果初步仿真验证：
假设包层功率剥离器剥离功率为500W(即废热功率Q＝500W)，计算时假设在面ABCDEF上热流密度为余弦分布，两边沿的热流密度为0，中间位置的热流密度为最大值，沿玻璃管长度方向热流密度为均匀分布。
石英玻璃管长度L＝150mm，蒙皮暂时先选取直板平面进行分析，蒙皮厚度为1mm，材料为铝合金6061。考虑到问题的对称性，仅建模机身蒙皮结构的一半，其对称面平行于风速方向，有限云模型如图8所示。
计算时假定风速V＝160km/h(取相对较小风速)，巡航高度分别为H＝2km和H＝7km(标准大气在2km高空环境温度约2℃，7km高空时约-30.5℃)，计算包层功率剥离器稳态时热响应，其包层功率剥离器安装面上最高温度如表1所示。由表可知，除高度H＝2km，安装面长度为100mm，蒙皮厚度为1mm工况外，其余包层功率剥离器最高温度均小于60℃，其可通过增加安装面长度、蒙皮厚度等方式很容易解决；通过初步的仿真验证分析可明显看出，本文机载一体化风冷包层功率剥离器设计完全可以满足大热耗器件散热需求。
表1包层功率剥离器安装面上的最高温度
Figure BDA0002473458100000091
Figure BDA0002473458100000101
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种机载一体化风冷光纤包层功率剥离器，其特征在于，包括：
全反射抛物面镜；全反射抛物面镜形成为弧形板状结构；全反射抛物面镜置于机身内部；
激光全吸收面层；激光全吸收面层与机身蒙皮一体成型，激光全吸收面层形成为弧形板状结构；激光全吸收面层与机身外高速低温风进行热交换；全反射抛物面镜与激光全吸收面层组成管状结构；光纤置于管状结构内，并与管状结构设置方向一致。
2.根据权利要求1所述的一种机载一体化风冷光纤包层功率剥离器，其特征在于，光纤中心点置于抛物面镜焦点位置。
3.根据权利要求1所述的一种机载一体化风冷光纤包层功率剥离器，其特征在于，光纤外部套装有石英管，光纤与石英管之间填充空气。
4.根据权利要求1所述的一种机载一体化风冷光纤包层功率剥离器，其特征在于，全反射抛物面镜与激光全吸收面层的连接处设置有隔热材料。
5.根据权利要求1所述的一种机载一体化风冷光纤包层功率剥离器，其特征在于，激光全吸收面层朝向全反射抛物面镜的一侧涂覆有对光具备高吸收率的热控涂层材料。
6.根据权利要求5所述的一种机载一体化风冷光纤包层功率剥离器，其特征在于，激光全吸收面层朝向全反射抛物面镜的一侧还经过打毛处理设置。
7.根据权利要求5所述的一种机载一体化风冷光纤包层功率剥离器，其特征在于，激光全吸收面层朝向全反射抛物面镜的一侧涂覆的热控涂层材料为黑镍或有机黑漆。
8.根据权利要求7所述的一种机载一体化风冷光纤包层功率剥离器，其特征在于，激光全吸收面层朝向全反射抛物面镜的一侧涂覆的有机黑漆为S731-SR107黑漆。
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