高功率光隔离器及其制作过程中的一些共性问题

2012-11-22 17:27

　　(2) 高功率器件的热影响及散热设计。因为高功率器件工作在较高的功率下，与低功率器件相比，更容易发热，不可避免地会受到温度上升的影响，所以器件的性能受到材料热特性以及散热设计的影响比较严重。通常旋光晶体的旋光特性容易受到温度的影响，如果在器件工作时由于所吸收激光能量的积累而导致内部温度出现较大上升，就会使得旋光晶体对光偏振面的旋转角度偏离正常值而导致性能明显下降，严重时甚至会导致器件损坏；另外，永磁体在高温下工作也更容易发生磁场减弱和退磁现象，甚至出现磁场的不可逆损失，所以高温对永磁体的稳定工作也是不利的；而且，在特高光功率的情况下，光学元件的温度会出现较大上升，由于热量从内部向表面传递，其内部的温度必然高于其表面的温度，这样就会在光学元件内部出现温度梯度和热应力，导致光束横截面内部中心的折射率和边缘的折射率变化幅度不同，从而出现折射率差，也就是出现了类透镜效应，这将会改变光束的传播特性，导致光束质量严重下降，严重影响器件正常工作甚至导致损坏。因此，必须采取有效的措施减少对激光的吸收并有效散热。减少对激光的吸收要求选用吸收系数较小的光学材料、减小光在元件内部传输的距离、设计合理的结构，有效散热就要求在热量可能出现积累的地方提供有效的传热路径并散热，根据功率的大小可以采取被动散热或者主动散热的方法。报道中的万瓦级光隔离设计中就采用板条形状的旋光晶体以提高器件的散热控温能力。

　　(3) 高功率隔离器的磁场设计。高功率光隔离器设计中的另一个关键是磁场及磁体的设计及选择。一般情况下，光隔离器都是利用磁致旋光效应工作的，所以必须在旋光晶体上加合适的磁场。为了节能以及方便使用，一般都采用强永磁材料来产生所需的磁场，这时磁场及磁体的选择和设计就非常重要，对器件的性能和成本影响很大。通常情况下都要求在旋光晶体的空间内提供较强的均匀磁场，这样就能够减小旋光晶体的尺寸，获得较高的性能价格比，所以就要求在不明显增加器件体积的情况下设计选择合适的磁体以获得较强的均匀磁场。具体设计中可通过选择磁性能较强的磁体，并采用合适的形状及体积，获得所需磁场。

　　(4) 高功率隔离器的装配工艺。高功率光隔离器要求能够长期稳定工作在恶劣的环境下，这就对器件的结构以及装配等工艺提出了很高的要求。设计良好的结构及装配工艺能够有效减小光学元器件内部的应力，从而提高产品的性能及稳定性，使得器件能够长期稳定可靠工作。隔离器结构设计中主要需要解决两个问题，首先是光学元器件的装配，要求稳定可靠，能够有效散热控温；其次需要牢固可靠装配强永磁铁，随着磁体设计制造能力的提高，器件中可能采用较复杂形状的多块磁体组合来提供较强的均匀磁场，而磁体之间较强的磁力就要求设计合适的装配工艺方法来可靠装配磁体，并要求在装配过程中不会导致磁体损坏或者退磁。这些都需要在实践中积累并提高。

　　上面仅简单介绍了在高功率光隔离器设计制作过程中常遇到的一些共性问题，随着应用的拓展和深化，可能需要对隔离器作相应的改进或者重新设计以适应技术及市场发展，在这个过程中很可能会出现在设计初期可能无法预料的问题，这都要求我们根据具体情况提供相应的解决方案，只有这样才能不断设计制作出性能优良的能满足应用需要的高功率光隔离器。

　　陆继乐，卢建南，陈雪芬，谭正菊，肖正根，胡国绛，雷和清，彭磊
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