CN104037598A - 一种高功率光纤高效冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高功率光纤高效冷却方法。它由高功率光纤、中空的圆柱形金属套管、内部具有流动冷却液体的热沉、导热介质、防水材料组成。将待冷却的高功率光纤放入适当尺寸的中空的圆柱形金属套管内，在光纤与金属套管的间隙注入高导热系数的导热介质，通过导热介质将光纤的热量传导到金属套管上；金属套管直接放置在热沉的流动冷却液中，通过流动的冷却液带走金属套管的热量；金属套管输入输出端口与热沉接口处填充防水材料以防止冷却液流出。本发明有效增大光纤与冷却介质的接触面积、提高热传导系数，能够降低光纤纤芯和外包层的温度、提高高功率光纤激光器的输出功率，增加系统的稳定性；通过金属套管对光纤允许范围内进行任意半径的弯曲，能够对光纤进行方便的形态控制。

Description

一种高功率光纤高效冷却方法

技术领域

本发明属于光纤激光领域，涉及一种光纤的冷却方法，尤其是一种高功率光纤的高效冷却方法。

背景技术

高功率光纤激光器在3D打印、激光切割、激光熔覆等领域有着广泛的应用。近年来，随着双包层光纤制作工艺和高亮度半导体激光器的功率提升，单路高功率光纤激光输出功率得到了飞速的发展，从21世纪初的100瓦提高到目前的10千瓦。对于特定的光纤激光器，其量子效率是一定的，量子亏损使得损失的功率以热的形式释放到掺杂光纤内部(参见W.Yong,X.Chang-Qing,and P.Hong,"Thermal effects in kilowatt fiber lasers,"IEEE Photonics Technology Letters,2004,16,63-65)；此外，由于光纤的缺陷和熔接损耗等因素，光纤激光器的实际效率将会更低。目前，高功率光纤激光器的光光效率一般在70-85％，一台1000瓦的光纤激光器，在掺杂光纤内部有150-300瓦的热量存在。美国劳伦斯-利福摩尔实验室研究人员Dawson等人指出，当掺杂光纤内部的热累积到一定程度时，掺杂光纤会发生纤芯融化(参见Dawson J W,Messerly M J,Beach R J,et al.Analysisof the scalability of diffraction-limited fiber lasers and amplifiers to high averagepower[J].Opt.Express.2008,16:13240-13266.)。除了掺杂光纤的量子亏损外，由于模式不匹配导致的功率泄露，也会使得非掺杂传能光纤(后文简称传能光纤)内部热量积累以至烧毁光纤；由于熔接损耗导致激光泄露，熔点(包括掺杂光纤与掺杂光纤之间、掺杂光纤与传能光纤之间、传能光纤与传能光纤之间的熔点)热量的急剧累积也会导致光纤烧毁。因此，光纤内部的热效应是阻碍光纤激光功率提升的限制因素。为了提高光纤激光输出功率，必须采用有效的措施对光纤激光进行冷却。

目前，关于高功率光纤冷却已有CN101373881A《光纤整体冷却的循环装置》、CN101373882A《筒形光纤整体冷却装置》、CN101335422A《用于高功率双包层光纤激光器及其放大器的光纤冷却装置》、CN101222109A《高功率光纤激光器的冷却方法》、CN201397403Y《光纤冷却装置》等专利。这些专利都是掺杂光纤放置于加工好的机械热沉结构上，通过热层与光纤之间的热传导进行冷却。由于放置光纤的机械热层结构固定、光纤的形态固定，实际应用中或有不便；此外，大部分文献只能对光纤部分表面进行直接接触和传导冷却(如CN101222109A、CN101373882A)，难以对光纤的整个圆柱状面进行直接传导冷却，实际上限制了光纤激光输出功率的进一步提升。

发明内容

针对上述已有技术的不足，本发明提供了一种高功率光纤的高效冷却方法，防止高功率光纤外包层老化、降低光纤纤芯温度，提高高功率光纤激光器的工作稳定性。该方法不仅能够对高功率光纤的整个圆柱面进行有效地冷却，还能保证光纤能够在一定激光器允许的范围内任意形状弯曲放置。

本发明的基本原理如下：

以双包层光纤为例，在大功率掺杂光纤中根据热传导方程(参见Brown D C,Hoffman H J.Thermal,stress,and thermo-optic effects in high average powerdouble-clad silica fiber lasers[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,2001,37(2):207-217)：

$\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left[r\frac{\∂T\left(r\right)}{\∂r}\right]=-\frac{Q}{\mathrm{\κ}},---\left(1\right)$

在掺杂光纤中，热源主要来源于纤芯对泵浦光和信号光的吸收，双包层光纤的热传导方程为：

$\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left[r\frac{\∂T_1\left(r\right)}{\∂r}\right]=-\frac{q_1}{\mathrm{\κ}},0\≤r\≤r_1---\left(2.1\right)$

$\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left[r\frac{\∂T_2\left(r\right)}{\∂r}\right]=0,r_1\≤r\≤r_2---\left(2.2\right)$

$\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left[r\frac{\∂T_3\left(r\right)}{\∂r}\right]=0,r_2\≤r\≤r_3---\left(2.3\right)$

当环境温度为T_c时，根据牛顿冷却定律和连续性条件，热传导方程的边界条件为：

T₁(r＝r₁)＝T₂(r＝r₁)，      (3.1)

T₂(r＝r₂)＝T₃(r＝r₂)，      (3.2)

$\frac{\∂T_1\left(r\right)}{\∂r}{|}_{r=0}=0,---\left(3.3\right)$

$\frac{\∂T_1}{\∂r}{|}_{(r=r_1)}=\frac{\∂T_2}{\∂r}{|}_{(r=r_1)},---\left(3.4\right)$

$\frac{\∂T_2}{\∂r}{|}_{(r=r_2)}=\frac{\∂T_3}{\∂r}{|}_{(r=r_2)},---\left(3.5\right)$

${\mathrm{\κ}}_3\frac{\∂T_3}{\∂r}{|}_{r=r_3}=h[T_c-T_3(r=r_3)],---\left(3.6\right)$

联立上述方程(2)和(3)，可得掺杂光纤纤芯中心和表面的温度T₀、T_b分别为：

$T_0(0,z)=T_c(r_3,z)+\frac{q_1\left(z\right)r_1^2}{2h{r}_3}+\frac{q_1\left(z\right)r_1^2}{4{\mathrm{\κ}}_1}+\frac{q_1\left(z\right)r_1^2}{2{\mathrm{\κ}}_2}\ln \left(\frac{r_2}{r_1}\right)+\frac{q_1\left(z\right)r_1^2}{2{\mathrm{\κ}}_3}\ln \left(\frac{r_3}{r_2}\right),---\left(4\right)$

$T_b(r_3,z)=T_c(r_3,z)+\frac{q_1\left(z\right)r_1}{2h{r}_3},---\left(5\right)$

在上述各式中，各个参数的物理意义如表1所示。

表1 各个物理参数描述

符号	参数	符号	参数
				r1	光纤纤芯半径	r2	光纤内包层半径
r3	光纤外包层半径	r	极坐标半径
				Q	热功率密度	q1	纤芯热功率密度
h	光纤表面接触材料的热传递系数	κ1	纤芯导热系数
				κ2	内包层导热系数	κ3	外包层导热系数
T	温度	T0	纤芯中心温度
				Tc	环境冷却温度	Ap	泵浦光光场面积

从式(4)、(5)可知，在掺杂光纤参数一定、泵浦激光波长和功率一定、环境温度一定的情况下，掺杂光纤包层和纤芯的温度与光纤表面接触材料的热传递系数h有关，h越大，光纤包层和纤芯温度越低。根据Brown等人的理论分析(参见Brown D C，Hoffman H J.Thermal，stress，and thermo-optic effects in highaverage power double-clad silica fiber lasers.Quantum Electronics.IEEE Journal of.2001，37(2)：207-217)，对掺杂光纤注入1800W的915nm泵浦激光，当h为0.001W/cm²K时，纤芯温度可达360℃；当h为O.1W/cm²K时，纤芯温度仅为33℃左右。因此，增加热传递系数，是降低光纤内部温度、提高光纤激光器和放大器工作稳定性的有效方法。

根据Lapointe等人分析(参见Lapointe M，Chatigny S，Pich6 M，et a1.Thermaleffects in high-power CW fiber lasers[C]，Proc.of SPIE，2009)，要提高热传递系数，一方面要增加光纤与冷却介质的接触面积，另一方面要减小光纤与接触面之间的间隙。本发明就是通过特殊设计冷却方式增大光纤与冷却介质的接触面积，减小光纤与接触面之间的间隙。

本发明的技术解决方案如下：

一种高功率光纤的高效冷却方法，其特点是它由高功率光纤(后文简光纤)、中空的圆柱形金属套管(后文简称金属套管)、内部具有流动冷却液体的热沉(后文简称热沉)、导热介质、防水材料组成。将待冷却的高功率光纤放入适当尺寸的金属套管内，在光纤与金属套管的间隙注入高导热系数的导热介质，通过导热介质将光纤的热量传导到金属套管上；金属套管直接放置在热沉的流动冷却液中，通过流动的冷却液带走金属套管的热量，金属套管输入输出端口与热沉接口处填充防水材料以防止冷却液流出。

所述的高功率光纤是用于高功率光纤激光器、放大器中的光纤，包括掺杂光纤和传能光纤，其纤芯直径在10-200微米，外包层直径在250-1000微米之间。

所述的金属套管内部为中空圆形结构金属套管可以是铜管、铝管等导热系数较高材料，金属套管内直径比光纤外径大10-500微米，直径在250～1500微米之间；金属套管的长度应比待冷却的光纤的长度长；金属套管的管壁厚度在0.5～1毫米之间，且能够有效弯曲。

所述热沉内部通以流动的低温冷却液，热沉材料可以是铜、铝等高导热材料制成，热沉具体结构根据实际需求设计。

所述的导热介质为流动性好、导热系数高的填充介质,可以是导热硅脂、导热灌封胶、纳米石墨粉等高导热的材料。

所述的防水材料为能防止冷却液渗出的材料。

本发明将光纤放置于金属套管内，使得光纤的整个外表面都与冷却介质接触，增大了光纤与冷却介质的接触面积、提高了热传导系数；通过控制金属套管的内壁直径，减小光纤外表面与铜管之间的距离，以降低热阻；由于金属套管直径较小，具有可弯曲能力，还可以控制光纤的放置形态。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1、降低光纤纤芯和外包层的温度，提高光纤激光器的输出功率，增加系统的稳定性。

2、对光纤的关键熔接点进行有效冷却，降低熔接点光纤纤芯和涂覆层的温度，提高熔接点的功率承受能力和稳定性。

3、通过金属套管对光纤允许范围内进行任意半径的弯曲，能够对光纤进行较为方便的形态控制，在特定情况还可以实现模式控制(比如弯曲放大器前级的光纤，可以改变后级放大器的激光模式)。

附图说明

图1本发明提供的冷却高功率光纤示意图。

图2本发明提供的冷却高功率光纤及熔接点示意图。

图3未采用本发明和采用本发明的高功率光纤熔接点处温度场分布。

图4本发明提供的一种金属套管蛇形弯曲的光纤冷却示意图。

图5未采用本发明和采用本发明的高功率光纤增益光纤温度场分布。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

附图1为本发明冷却高功率光纤的示意图。图中，待冷却光纤11插入金属套管12中，金属套管放置在热沉13的内部的流动冷却液14中，光纤与金属套管之间注入导热介质15提高光纤与铜管之间的导热系数，热沉内通以流动的冷却液14，通过冷却液带走高功率光纤的热量；金属套管与热层接口处填充注入防水材料16，防止冷却液渗出。

实施例1

附图2为本发明冷却高功率光纤及熔接点的示意图。图中，待冷却光纤21及涂覆后的熔接点22插入尺寸合适(比如对于外包层为600微米的高功率光纤，金属套管的内径可为1000微米，外径为2000微米)的金属套管23中，；金属套管放置在热沉24内部的流动冷却液(比如冷却水)25中；光纤和熔接点与金属套管之间注入导热介质(比如导热硅脂)26提高掺杂光纤与铜管之间的导热系数，热沉内通以流动的冷却液25；金属套管与热层接口处填充注入防水材料(比如防水涂料)27，防止冷却液渗出。高功率光纤冷却过程中，光纤的热量首先通过导热介质传递到金属套管的内表面，再由金属套管内表面传递到外表面，金属套管外表面的热量通过循环流动的冷却液带走。

如图3(a)所示，若不采用本发明提供的冷却方法，当双包层光纤熔接点处功率损耗为200W时，纤芯的温度为172度，外包层温度达120度，长时间工作会导致光纤熔点处外包层老化损坏；如图3(b)所示,若采用本发明提供的冷却方法，同样熔点损耗下，纤芯的温度降到小于100度，外包层温度降到60度，激光器可以长时间工作会而不会由于热导致老化损坏。

实施例2

图4本发明提供的一种金属套管蛇形弯曲的高功率光纤冷却示意图。图中，首先将待冷却的光纤31插入到尺寸合适(比如对于外包层为600微米的高功率光纤，金属套管的内径可为1000微米，外径为2000微米)的金属套管32中，金属套管与光纤之间填充导热介质(比如导热硅脂)34以提高导热系数；将内部包含光纤的金属套管弯曲成蛇形，放置于热沉33中，热沉内部通以冷却液(比如冷却水)35，金属套管与热层接口处填充注入防水材料(比如防水涂料)36，防止冷却液渗出；高功率光纤冷却过程中，光纤的热量首先通过导热介质传递到金属套管的内表面，再由金属套管内表面传递到外表面，金属套管外表面的热量通过循环流动的冷却液带走。

如图5(a)所示，若不采用本发明提供的冷却方法，当光纤激光器双包层增益光纤纤芯中热负荷为300W时，纤芯的温度为272.87度，外包层温度达120度，长时间工作会导致光纤外包层老化损坏；如图5(b)所示，若采用本发明提供的冷却方法，同样纤芯热负荷下，纤芯的温度降到233.68度，外包层温度降到70度，激光器可以长时间工作会而不会由于热导致老化损坏。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高功率光纤高效冷却方法，包括高功率光纤(11)、中空的圆柱形金属套管(12)、内部具有流动冷却液体(14)的热沉(13)，其特征在于：待冷却的高功率光纤(11)放入金属套管(12)内，在高功率光纤(11)与金属套管(12)的间隙注入导热介质(15)，金属套管(12)直接放置在热沉(13)的流动冷却液(14)中，金属套管(12)输入输出端口与热沉(13)接口处填充防水材料(16)防止冷却液(14)流出，通过导热介质(15)将高功率光纤(11)的热量传导到金属套管(12)上，通过流动的冷却液(14)带走金属套管(12)的热量。

2.如权利要求1所述的高功率光纤高效冷却方法，其特征在于：所述的高功率光纤(11)是用于高功率光纤激光器、放大器中的光纤，为掺杂光纤或传能光纤，其纤芯直径在10～200微米，外包层直径在250～1000微米之间。

3.如权利要求1所述的高功率光纤高效冷却方法，其特征在于：所述的中空圆柱形结构金属套管(12)是由导热系数较高金属材料制成；金属套管内直径比高功率光纤外径大10～500微米，直径在250～1500微米之间；金属套管的长度应比待冷却的光纤的长度长。

4.如权利要求1所述的高功率光纤高效冷却方法，其特征在于：所述热沉材料由导热系数较高金属材料制成，所述冷却液(14)是水或乙二醇。

5.如权利要求1所述的高功率光纤高效冷却方法，其特征在于：所述的导热介质(15)为导热硅脂、导热灌封胶或纳米石墨粉。

6.如权利要求1所述的高功率光纤高效冷却方法，其特征在于：所述的防水材料(16)为防水胶或防水涂料。

7.如权利要求3所述的高功率光纤高效冷却方法，其特征在于：所述金属套管的管壁厚度在0.5～1毫米之间，金属套管能够有效弯曲。