CN104852258A - 采用微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器，包括热沉，所述热沉包括壳体和置于所述壳体内的内衬，所述壳体上设有冷却水入口和冷却水出口，所述内衬的外壁上设有螺旋形凹槽，所述螺旋形凹槽的两端分别与所述冷却水入口和所述冷却水出口相通连接，所述内衬设有用于光纤穿过的中心通孔。本发明所述千瓦级光纤包层功率剥离器采用微通道水冷方式散热，在剥离包层光功率的同时，可以改进剥离器的温度性能和光功率剥离特性。与传统光纤包层功率剥离器相比，本发明所述千瓦级光纤包层功率剥离器能提高散热均匀性、承受的剥离光功率更高，高达1000W剥离功率的散热要求，还具有结构简单、制作成本低、适合批量生产的优点。

Description

采用微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器

技术领域

本发明涉及一种光纤包层功率剥离器，尤其涉及一种采用微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器。

背景技术

双包层光纤激光器是新型光纤激光器发展的代表,光纤包层功率剥离器是其中重要的器件之一。

光纤包层功率剥离器(Cladding Power Stripper，简称CPS)具有独特的光学性能，在双包层光纤激光器/光纤放大器中用于去除包层残留泵浦光，是从纤芯泄漏到内包层中传输的ASE(光源模块，是专为光纤传感、光器件测试设计的放大自发辐射光源)以及信号光模式的理想器件。光纤包层功率剥离器能够吸收在双包层光纤中内包层部分传输的光，双包层光纤中大的内包层数值孔径和小的纤芯数值孔径波导传输的光都可以被包层功率剥离器“吸收”，而在纤芯中传输的信号光能够被很好的保持，包括信号光功率和光束质量因子(M2)。

这些被吸收的光转化为热的形式，会造成器件温度大幅度升高，进而影响CPS器件甚至整个激光系统的正常工作。因此，CPS的散热非常重要。

CPS的传统散热技术方案有二种：一种是间接水冷，如图1所示，CPS器件的整个外壳11安装在冷板13上，冷板13内设有冷却水通道14，光纤2剥离的热通过外壳11吸收并传到冷板13，由冷板13将热带走并耗散掉，为了便于理解，图1中还示出了外壳11内部且被光纤2穿过的蓝宝石晶体12；另一种是直接水冷，如图2所示，将封装光纤2的玻璃管34置于环形水腔35内的冷却水中，通过水的流动将热带走并耗散掉，为了便于理解，图2中还示出了热沉33(一种散热壳体)，安装于热沉33两端的堵头30、封堵头37和橡胶密封圈31，以及设置于热沉33本体上的冷却水入口32和冷却水出口36。

上述两种传统散热装置存在以下缺陷：

第一种，剥离光转换的热由CPS器件的金属外壳吸收后传导到冷板，再由冷板将热带走，属间接散热，受限于金属壳体的热传导性、冷板的散热性能、CPS器件与冷板接触是否良好等，散热效果差(<300W剥离功率)；另外，安装过程中要求通过CPS器件中心线施加压力以使压力均匀分布在整个接触区域，并且CPS器件与冷板安装接触面对平整面度和光洁度要求高，以使CPS器件和冷板紧密接触，加工成本较高，安装过程繁琐。

第二种，因为其流道换热面积体积比小，对流热传导系数较低，导致传热性能不高(<500W剥离功率)；密封垫圈受激光辐照一段时间后老化，造成密封性能下降甚至失效；冷却水管路接在器件侧面，既零乱又不美观。

未来双包层光纤激光器的发展方向是进一步提高双包层光纤激光器的性能,如继续提高输出功率,提高光束质量等。而随着光纤激光器输出功率的提高，CPS剥离的功率也进一步增大(达千瓦级)，产生的热流密度急剧增加，传统方式已无法及时有效地进行散热，为此必须采用新的散热方式,解决高功率激光器的热效应问题。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种采用微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种采用微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器，包括热沉，所述热沉包括壳体和置于所述壳体内的内衬，所述壳体上设有冷却水入口和冷却水出口，所述内衬的外壁上设有螺旋形凹槽，所述螺旋形凹槽的两端分别与所述冷却水入口和所述冷却水出口相通连接，所述内衬设有用于光纤穿过的中心通孔。

上述结构中，热沉采用分体式结构，其内衬外壁上的螺旋形凹槽使壳体和内衬之间形成螺旋形的冷却水微通道，这种通道与传统的环腔水冷通道具有显著的结构区别和效果区别。

进一步，所述冷却水入口和所述冷却水出口分别设于所述壳体上靠近两端的位置，所述壳体两端的内壁上分别设有环形凹槽，两个所述环形凹槽分别与所述冷却水入口和所述冷却水出口相通连接且同时分别与所述螺旋形凹槽的两端相通连接。环形凹槽作为冷却水入口和冷却水出口分别与螺旋形凹槽两端之间的缓冲池，具有缓冲冷却水使其顺利、均匀流过螺旋形凹槽的作用。

为了使冷却水在各通道中的流速尽量匹配，所述冷却水入口的截面积略大于所述环形凹槽的截面积，所述环形凹槽的截面积略大于所述螺旋形凹槽的总截面积。

为了进一步提高冷却水在螺旋形凹槽中的流速，所述螺旋形凹槽为多个且并列设置于所述内衬的外壁上。

为了使整个剥离器更加实用和美观，所述壳体安装于底座的上面，所述底座内设有两个冷却水通道，所述冷却水入口和所述冷却水出口分别与两个所述冷却水通道对应相通连接。

作为优选，所述壳体和所述内衬均为高导热铝合金，所述壳体的两端和所述内衬的两端之间对应焊接连接。这种结构不但利于高效散热，而且利用焊接保证密封效果，密封可靠的同时避免了传统橡胶密封寿命短的问题。

为了对玻璃管和光纤的位置进行准确定位，所述内衬的两端分别通过封堵头与玻璃管的两端连接，所述光纤穿过所述玻璃管。

本发明的有益效果在于：

本发明所述千瓦级光纤包层功率剥离器采用微通道水冷方式散热，在剥离包层光功率的同时，可以改进剥离器的温度性能和光功率剥离特性。与传统光纤包层功率剥离器相比，本发明所述千瓦级光纤包层功率剥离器能提高散热均匀性、承受的剥离光功率更高，高达1000W剥离功率的散热要求，还具有结构简单、制作成本低、适合批量生产的优点。本发明所述千瓦级光纤包层功率剥离器的具体优点如下：

1、冷却水在热沉的夹层空间内流动，剥离光产生的热被热沉吸收，然后直接被温度较低的冷却水带走，散热效果好，可以满足千瓦级剥离功率的散热需求；

2、采用螺旋切口，尺寸较小，冷却水微通道的结构，其换热面积/体积比大，冷却水表面力和粘性力的影响占主导地位，惯性力的作用大大减弱，可有效增大换热系数大，提高换热效率；

3、冷却水流经的水道为螺旋形凹槽，不仅水流均匀，而且由于螺旋水道长度较长，水流与热沉的接触面积也较大，散热充分，能保持热沉表面温度均匀一致，以免引起CPS器件局部地方热富集，导致激光光谱出现多峰现象，甚至引起激光器局部快速退化乃至失效的问题；

4、螺旋形凹槽的加工在普通车床即可实现，比其他微通道采用线切割或真空钎焊等加工形式成本低；

5、冷却水的密封通过焊接技术保证，不存在橡胶密封圈受激光照射产生老化的问题，安装也更简便；

6、只用封堵头，省去了堵头，装配更简单；

7、封装头能对玻璃管的位置准确定位，避免玻璃管与热沉相对位置发生变动；

8、内设冷却水通道的底座置于在热沉下方且可与热沉的壳体采用一体化设计，热沉的冷却水入口和出口也设于下方，整个功率剥离器外观更简洁美观。

附图说明

图1是第一种传统光纤包层功率剥离器的立体结构示意图；

图2是第二种传统光纤包层功率剥离器的主视剖视图；

图3是本发明所述采用微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器的半剖立体图，图中还示出了底座的示意结构；

图4是本发明所述热沉的主视剖视图；

图5是图4中“A”的放大图；

图6是本发明所述热沉的壳体的主视剖视图；

图7是本发明所述热沉的内衬的主视剖视图；

图8是本发明所述热沉的端头的主视剖视图；

图9是本发明所述封堵头的主视剖视图；

图10是第二种传统光纤包层功率剥离器的热沉的端头的主视剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图3-图8所示，本发明所述采用微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器，包括热沉53，热沉53包括高导热6061铝合金制作的壳体531和置于壳体531内的内衬532，壳体531的两端和内衬532的两端之间对应焊接连接，内衬531的两端分别通过封堵头37与玻璃管34的两端连接，光纤2穿过玻璃管34，壳体531安装于底座52的上面且与底座52一体成型，壳体531上靠近两端的位置分别设有冷却水入口51和冷却水出口55，内衬532的外壁上并列设有多个螺旋形凹槽54，壳体531两端的内壁上分别设有环形凹槽56，两个环形凹槽56分别与冷却水入口51和冷却水出口55相通连接且同时分别与多个螺旋形凹槽54的两端相通连接，底座52内设有两个冷却水通道(不是本发明的重点，图中未标记)，冷却水入口51和冷却水出口55分别与两个冷却水通道对应相通连接，冷却水入口51的截面积略大于环形凹槽56的截面积，环形凹槽56的截面积略大于螺旋形凹槽54的总截面积，内衬532设有用于光纤2穿过的中心通孔(图中未标记)。上述结构中，内衬532的外壁上的螺旋形凹槽54使壳体531和内衬532之间形成螺旋形的冷却水微通道，环形凹槽56作为冷却水入口51和冷却水出口55分别与螺旋形凹槽54两端之间的缓冲池。

说明：上述结构中，本发明中的封堵头、玻璃管和光纤等同于传统剥离器中的封堵头、玻璃管和光纤，所以采用了相同的名称和数字标记；本发明中的热沉、冷却水入口和冷却水出口不同于传统剥离器中的热沉、冷却水入口和冷却水出口，所以采用了不同的名称和数字标记。

图9还示出了封堵头37的优选结构，在封堵头37的本体上设有扳手插口371、光纤保护弧面外扩口372、玻璃管导引内喇叭口372。

对比图8和图10可知，本发明所述千瓦级光纤包层功率剥离器的热沉53为分体结构，由壳体531和内衬532相互焊接而成，冷却水通道在热沉53的夹层内，玻璃管34未置于冷却水中，而最接近的传统剥离器的热沉33为一体化结构，冷却水通道是热沉33中心的环形水腔35，玻璃管34置于冷却水中；本发明所述千瓦级光纤包层功率剥离器只有封堵头37，没有堵头，而最接近的传统剥离器有封堵头37和堵头30；本发明所述千瓦级光纤包层功率剥离器没有橡胶密封圈，而最接近的传统剥离器有橡胶密封圈31。这些主要结构差异导致了本发明所述千瓦级光纤包层功率剥离器和最接近的传统剥离器的主要效果差异。

结合图3-图8，本发明所述千瓦级光纤包层功率剥离器的散热工作原理为：冷却水依次经底座52的一个冷却水通道、热沉53的冷却水入口51、一个环形凹槽56、螺旋形凹槽54、另一个环形凹槽56、冷却水出口55和底座52的另一个冷却水通道形成循环，冷却水在热沉53的夹层空间内流动，剥离光产生的热被热沉53吸收，然后直接被温度较低的冷却水带走。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (10)

1.一种采用微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器，包括热沉，其特征在于：所述热沉包括壳体和置于所述壳体内的内衬，所述壳体上设有冷却水入口和冷却水出口，所述内衬的外壁上设有螺旋形凹槽，所述螺旋形凹槽的两端分别与所述冷却水入口和所述冷却水出口相通连接，所述内衬设有用于光纤穿过的中心通孔。

2.根据权利要求1所述的采用微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器，其特征在于：所述冷却水入口和所述冷却水出口分别设于所述壳体上靠近两端的位置，所述壳体两端的内壁上分别设有环形凹槽，两个所述环形凹槽分别与所述冷却水入口和所述冷却水出口相通连接且同时分别与所述螺旋形凹槽的两端相通连接。

3.根据权利要求2所述的采用微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器，其特征在于：所述冷却水入口的截面积略大于所述环形凹槽的截面积，所述环形凹槽的截面积略大于所述螺旋形凹槽的总截面积。

4.根据权利要求1、2或3所述的采用微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器，其特征在于：所述螺旋形凹槽为多个且并列设置于所述内衬的外壁上。

5.根据权利要求1、2或3所述的采用微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器，其特征在于：所述壳体安装于底座的上面，所述底座内设有两个冷却水通道，所述冷却水入口和所述冷却水出口分别与两个所述冷却水通道对应相通连接。

6.根据权利要求5所述的采用微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器，其特征在于：所述壳体和所述内衬均为高导热铝合金，所述壳体的两端和所述内衬的两端之间对应焊接连接。

7.根据权利要求6所述的采用微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器，其特征在于：所述内衬的两端分别通过封堵头与玻璃管的两端连接，所述光纤穿过所述玻璃管。

8.根据权利要求1、2或3所述的采用微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器，其特征在于：所述壳体和所述内衬均为高导热铝合金，所述壳体的两端和所述内衬的两端之间对应焊接连接。

9.根据权利要求8所述的采用微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器，其特征在于：所述内衬的两端分别通过封堵头与玻璃管的两端连接，所述光纤穿过所述玻璃管。

10.根据权利要求1、2或3所述的采用微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器，其特征在于：所述内衬的两端分别通过封堵头与玻璃管的两端连接，所述光纤穿过所述玻璃管。