CN104953447A - 一种光纤激光器的散热装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤激光器的散热装置和方法，包括散热光纤、光纤支持结构、存储散热介质的储液池和蒸汽通道容器，其中：散热光纤缠绕于光纤支持结构上，散热光纤由温度敏感水凝胶层全包覆或部分包覆的一根或多根光纤构成；储液池为封闭结构，设有出口和可关闭入口，其出口与温度敏感水凝胶层连通；蒸汽通道容器设有与外部环境连通的蒸汽通道，散热光纤、光纤支持结构和储液池均置于蒸汽通道容器内。本发明不损坏光纤的柔性，同时为一种被动散热方式，不会产生振动等不利影响，可显著提高光纤激光器的使用寿命和长期可靠性，尤其适用于超高功率关系激光器的散热。

Description

一种光纤激光器的散热装置和方法

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域，尤其涉及一种光纤激光器的散热装置和方法。

背景技术

光纤激光器广泛应用于微纳结构加工、3D打印、焊接、通讯、国防武器和生物医疗等众多领域。随着应用需求的不断增加，光纤激光器的使用功率也越来越高，从最初的几十瓦到数千瓦，甚至更高。光纤激光器中光纤中不同波长光之间转化存在斯托克斯能量损失，以及光纤杂质对光能吸收损失，损失的能量将以热量的形式消耗。目前光纤激光器中光能效率往往在15%-25%，极少数光纤激光器的效率能够达到30%以上，因此将有70%-80%的能量将以热的形式消耗。对于输入功率达到上千瓦的光纤激光器，光纤需要将数百瓦的热量散失。如此高的热量如若不能够及时散失出去，将导致光效率显著降低，严重者将损坏或者烧毁光纤。因此在高功率下解决光纤激光器散热问题是至关重要的。

为了解决光纤激光器的散热问题，目前，已经提出了多项发明专利，如公告号为CN104037598A的中国专利《一种高功率光纤高效冷却方法》、公告号为CN204103233U的中国专利《高功率光纤激光器微通道匀温冷却板》、公告号为CN101373882A的中国专利《筒形光纤整体冷却装置》等。这些专利的技术方案都是在光纤外增加一套额外的装置来对光纤进行散热降温。而增加的额外装置都是利用刚度大的金属材料制作，缺乏柔性；因此限制了不同形式的光纤激光器制造。还有部分散热方法是采用主动散热途径，即加入风扇和水泵等运动件，这些运动部件往往带来振动，影响了整个激光系统的使用精度和可靠性。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种不损坏光纤的柔韧性、不带来振动的光纤激光器的散热装置和方法。

本发明主要基于温度敏感水凝胶中蒸发液体在特定温度可快速蒸发的特性，利用液体蒸发潜热提高散热效率，将光纤激光器的温度通过被动散热方式降低至正常工作范围。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一、一种光纤激光器的散热装置，包括散热光纤、光纤支持结构、存储散热介质的储液池和蒸汽通道容器，其中：

散热光纤缠绕于光纤支持结构上，散热光纤为温度敏感水凝胶层全包覆或部分包覆的一根或多根光纤，所述的温度敏感水凝胶层的相转变温度为30~80℃；

储液池为封闭结构，设有出口和可关闭入口，其出口与温度敏感水凝胶层连通；

蒸汽通道容器设有与外部环境连通的蒸汽通道，散热光纤、光纤支持结构和储液池均置于蒸汽通道容器内。

上述温度敏感水凝胶层以环形形式全包覆于光纤外表面。

上述温度敏感水凝胶层以平面形式部分包覆于光纤外表面。

上述光纤由光纤芯和光纤芯外包覆的一层或两层低折射率包层构成。

上述温度敏感水凝胶层为丙烯酰胺类聚合物，优选为N-异丙基丙烯酰胺。

上述温度敏感水凝胶层厚度为0.02mm~1mm。

储液池出口与温度敏感水凝胶层连通的一种具体实施方式为：

散热光纤部分置于储液池出口内。

二、一种光纤激光器的散热方法，包括步骤：

步骤1，一根或多根光纤外表面全包覆或部分包覆温度敏感水凝胶层，获得散热光纤，所述的温度敏感水凝胶层的相转变温度为30~80℃；

步骤2，将散热光纤缠绕于光纤支持结构，将温度敏感水凝胶层与散热介质连通，通过温度敏感水凝胶层中散热介质的蒸发带走光纤热量。

步骤1中可采用模具法或沾取涂覆法来获得散热光纤。

上述模具法，具体为：

将光纤置于圆柱形模具空腔中，将用来制备温度敏感水凝胶的反应溶液注入模具，待反应溶液反应生成温度敏感水凝胶层后，剥离模具。

上述沾取涂覆法，具体为：

将光纤置于用来制备温度敏感水凝胶的反应溶液中，使其外表面沾取反应溶液，反应溶液反应即在光纤外表面生成温度敏感水凝胶层。

上述散热介质为水、酒精、丙酮等无毒、无腐蚀、易蒸发的液体。

本发明的工作原理为：

温度敏感水凝胶在相变温度附近会发生相转变过程，当温度低于相转变温度时，温度敏感水凝胶吸水溶胀；当温度高于相转变温度时，温度敏感水凝胶失水。本发明即利用温度敏感水凝胶的上述特性实现。当光纤温度低于相转变温度时，温度敏感水凝胶可吸取储液池内蒸发液体；当光纤温度升高至高于相转变温度时，将激发温度敏感水凝胶中蒸发液体蒸发，液体蒸发潜热可带走热量，降低光纤工作温度，从而实现光纤散热。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1、不损坏光纤的柔性。

2、为被动散热方式，不会产生振动等不利影响，从而不会影响光纤激光器的精度和可靠性。

3、可显著提高光纤激光器的使用寿命和长期可靠性，尤其适用于超高功率关系激光器的散热。

附图说明

图1为温度敏感水凝胶层以环形形式全包覆于光纤外表面的示意图；

图2为温度敏感水凝胶层以平面形式部分包覆于光纤外表面的示意图；

图3为模具法的工艺流程示意图；

图4为沾取涂覆法的工艺流程示意图；

图5为本发明散热装置结构示意图；

图6为散热装置中散热介质的传输示意图。

图中，0010-光纤；0020-温度敏感水凝胶层；0030-模具；0040-反应溶液；0050-器皿； 0060-储液池；0070-散热介质；0080-蒸汽；0090-蒸汽通道；0011-光纤支持结构； 0012-滚筒。

具体实施方式

具体实施中，首先采用图3或图4中所示工艺将温度敏感水凝胶包覆于光纤0010外表面，获得散热光纤，见图1和图2。

图5为本发明散热装置示意图。使用前，将散热介质0070加入储液池0060。该光纤激光器散热装置的具体工作方式为：光纤激光器中通入泵浦光后，光纤0010将产生热量，温度上升，加热温度敏感水凝胶层0020。当温度敏感水凝胶层达到一定温度时，温度敏感水凝胶层中的散热介质0070将快速蒸发，蒸汽0080潜热将热量带走，从而保证光纤0010温度在正常工作范围。易蒸发液体0070蒸发后，温度敏感水凝胶层0020自动将储液池0060中易蒸发液体0070吸收过来，从而始终保持温度敏感水凝胶层0020中易蒸发液体0070量。蒸汽0080将通过蒸发通道0090散失到环境中去，或者通过冷凝装置回收利用。蒸发液体传输过程见图6。

下面将结合实施例进一步说明本发明。

实施例1

见图3，采用模具法将光纤0010外包覆温度敏感水凝胶层0020，具体为：将直径20微米的光纤置于模具0030中心，将制备N-异丙基丙烯酰胺的反应溶液0040注入模具中，本实施例中温反应溶液为异丙醇、二水氯化铜和丙烯腈的混合溶液。待温度敏感水凝胶溶液0040完全反应生成温度敏感水凝胶层0020后，剥离模具0030。模具0040为圆柱形，直径2mm，因此厚度为0.85毫米的温度敏感水凝胶层0020。

将包覆温度敏感水凝胶层0020的一根光纤0010，缠绕到圆柱形光纤支持结构0011上，将储液池0060一接口与光纤0010外的温度敏感水凝胶层0020连通，并将储液池0060、光纤支持结构0011及缠绕其上的光纤0010置于蒸汽通道容器内。将储液池0060中加入易蒸发液体水0070。

在光纤激光器工作中，随着易蒸发液体的蒸发，当储液池0060中易蒸发液体水0070容量低于预设量时，外部向储液池0060补充易蒸发液体。

实施例2

见图4所示，采用沾取涂覆法将光纤0010外包覆温度敏感水凝胶层0020，具体为：将一根直径1mm光纤0010置于滚筒0012，上，通过滚筒0012将光纤0010传输至盛放反应溶液0040的器皿0050内，经浸润后取出，反应溶液0040即沾涂于光纤0010外表面，最终在光纤0010外表面形成温度敏感水凝胶层0020。所得包覆温度敏感水凝胶层0020的光纤0010直径为2mm。

将包覆温度敏感水凝胶层0020的一根光纤0010，缠绕到圆柱形光纤支持结构0011上，将储液池0060一接口与光纤0010外的温度敏感水凝胶层0020连通将储液池0060、光纤支持结构0011及缠绕其上的光纤0010置于蒸汽通道容器内。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种光纤激光器的散热装置，其特征在于，包括：

散热光纤、光纤支持结构、存储散热介质的储液池和蒸汽通道容器，其中：

散热光纤缠绕于光纤支持结构上，散热光纤为温度敏感水凝胶层全包覆或部分包覆的一根或多根光纤，所述的温度敏感水凝胶层的相转变温度为30~80℃；

储液池为封闭结构，设有出口和可关闭入口，其出口与温度敏感水凝胶层连通；

蒸汽通道容器设有与外部环境连通的蒸汽通道，散热光纤、光纤支持结构和储液池均置于蒸汽通道容器内。

2.如权利要求1所述的光纤激光器的散热装置，其特征在于：

所述的温度敏感水凝胶层以环形形式全包覆于光纤外表面。

3.如权利要求1所述的光纤激光器的散热装置，其特征在于：

所述的温度敏感水凝胶层以平面形式部分包覆于光纤外表面。

4.如权利要求1所述的光纤激光器的散热装置，其特征在于：

所述的温度敏感水凝胶层为丙烯酰胺类聚合物。

5.如权利要求4所述的光纤激光器的散热装置，其特征在于：

所述的丙烯酰胺类聚合物为N-异丙基丙烯酰胺。

6.如权利要求1所述的光纤激光器的散热装置，其特征在于：

储液池出口与温度敏感水凝胶层连通具体为：散热光纤部分置于储液池出口内。

7.一种光纤激光器的散热方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，一根或多根光纤外表面全包覆或部分包覆温度敏感水凝胶层，获得散热光纤，所述的温度敏感水凝胶层的相转变温度为30~80℃；

步骤2，将散热光纤缠绕于光纤支持结构，将温度敏感水凝胶层与散热介质连通，通过温度敏感水凝胶层中散热介质的蒸发带走光纤热量。

8.如权利要求7所述的光纤激光器的散热方法，其特征在于：

步骤1中采用模具法获得散热光纤，具体为：

将光纤置于圆柱形模具空腔中，将用来制备温度敏感水凝胶的反应溶液注入模具，待反应溶液反应生成温度敏感水凝胶层后，剥离模具。

9.如权利要求7所述的光纤激光器的散热方法，其特征在于：

步骤1中采用沾取涂覆法获得散热光纤，具体为：

将光纤置于用来制备温度敏感水凝胶的反应溶液中，使其外表面沾取反应溶液，反应溶液反应即在光纤外表面生成温度敏感水凝胶层。

10.如权利要求7所述的光纤激光器的散热方法，其特征在于：

所述的散热介质为水、酒精或丙酮。