CN105261918B - 一种自动切换散热方式的泵浦耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动切换散热方式的泵浦耦合器，泵浦光纤连接在主光纤上，在泵浦光纤与主光纤的接入点处设置封装外壳；封装外壳包括散热片，导热铜管的外壁上包覆有散热片，散热片内设有水冷管，水冷管内穿有水管；导热铜管内壁上设有导光玻璃层；接入点位于导热铜管的空腔内，在导热铜管的端口处，导光玻璃层与主光纤之间设有光学胶层；导热铜管内嵌有温度传感器，温度传感器与温度控制器相连，根据温度传感器检测到的温度来自动切换散热方式。本发明公开的自动切换散热方式的泵浦耦合器，其制作难度小，生产成本低；能够满足光纤激光器在输出不同功率的情况下长时间稳定地工作，其散热方式更加灵活。

Description

一种自动切换散热方式的泵浦耦合器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种自动切换散热方式的泵浦耦合器。

背景技术

光纤激光器以其光束质量好、转换效率高、泵浦阈值低、散热性能好、体积小重量轻等显著优势，受到各国研究学者的广泛关注，近年来得到了飞速的发展。特别是高功率光纤激光器以其卓越的光束质量、超高的稳定性、简便的使用方法以及真正的免维护等优点，成为了第三代激光技术的代表，被人们广泛应用在汽车、飞机、船舶制造等领域，如蒙皮切割、钢板焊接、零件修复。泵浦耦合器是光纤激光器的关键无源光器件，它将多路由半导体激光器产生的泵浦光耦合进主光纤中，为光纤激光器提供所需的泵浦光功率。其工作原理是光在光纤中传输时，大部分能量集中在纤芯中，只有一少部分在包层中传输。当两根光纤之间的距离足够近时，由于倏逝波的作用，两根光纤中的光场发生耦合，从而影响到光纤中原光场的分布。

由于泵浦耦合器在光纤激光器中处于重要的地位，近年来泵浦耦合器的研制已经成为世界各国高功率光纤激光器领域研究人员的研究热点，并已经有了成熟的泵浦耦合器和高功率光纤激光器产品，IPG公司已经有了2kW、4kW和10kW光纤激光器的报道，其公开的耦合器只能用于IPG公司特定的光纤激光器，由于适用于高功率光纤激光器的泵浦耦合器技术参数指标都很高，这就对生产工艺的精度要求高，制作难度大，生产成本高；

国内目前成熟产品还很少见，大多依赖进口，其需要进口全套的光纤激光器，同时，现有的泵浦耦合器在光纤耦合区设置一个金属外壳，在工作时由于在耦合区泵浦光的泄露容易造成泵浦耦合器温度的升高，当温度升高到一定程度时容易造成泵浦源损坏，不能保证长时间的恒温工作；现有的泵浦耦合器只能适用于单一的高功率光纤激光器或低功率的光纤激光器，由于其泵浦耦合器的散热采用光纤激光器上设置的散热器来统一进行散热，泵浦耦合器本身不能根据温度的不同来调整散热，因此，现有的泵浦耦合器不适用于高中低不同功率的光纤激光器长时间的连续工作。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种自动切换散热方式的泵浦耦合器。

为实现上述目的，本发明提供一种自动切换散热方式的泵浦耦合器，包括：泵浦光纤，主光纤和封装外壳；

所述泵浦光纤连接在所述主光纤上，在泵浦光纤与主光纤的接入点处设置封装外壳；

所述封装外壳包括散热片，导热铜管和导光玻璃层；所述导热铜管的外壁上包覆有散热片，所述散热片内设有水冷管，所述水冷管内穿有水管；所述导热铜管内壁上设有导光玻璃层；

所述主光纤贯穿于所述导热铜管的空腔，所述接入点位于所述导热铜管的空腔内；在所述导热铜管的端口处，所述导光玻璃层与所述主光纤之间设有光学胶层，将接入点密封在导热铜管的空腔内；

所述导热铜管内嵌有温度传感器，所述温度传感器与温度控制器相连，温度控制器根据温度传感器检测到的温度来自动切换散热方式。

所述温度控制器分别与风冷设备和冷却水设备相连，根据温度传感器检测的温度自动切换风冷和水冷两种散热方式。

作为本发明的进一步改进，所述温度控制器与电源控制器相连，所述电源控制器与泵浦源相连。

作为本发明的进一步改进，所述泵浦光纤包括泵浦光纤纤芯，泵浦光纤纤芯外侧依次包覆有包层和涂覆层；所述泵浦光纤纤芯的折射率大于泵浦光纤包层的折射率。

作为本发明的进一步改进，所述主光纤包括主光纤纤芯，主光纤纤芯外侧依次包覆有内包层和外包层；所述主光纤纤芯的折射率大于主光纤内包层的折射率，主光纤内包层的折射率大于主光纤外包层的折射率。

作为本发明的进一步改进，所述导光玻璃层的折射率不小于光学胶层的折射率，所述光学胶层的折射率大于主光纤外包层的折射率。

作为本发明的进一步改进，所述导热铜管与所述导光玻璃层之间设有导热胶层。

作为本发明的进一步改进，所述导光玻璃层上与导热胶层相接触的一面做磨砂处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明公开的一种自动切换散热方式的泵浦耦合器，通过在泵浦光纤与主光纤的接入点处设置封装外壳，封装外壳可以将泄漏的泵浦光导入到导光玻璃层中，并将热量传递到导热铜管中；导热铜管外壁上包覆有散热片，散热片内部嵌有水冷管，水冷管内穿有水管；根据温度传感器检测的温度，自动切换散热方式对导热铜管进行散热；其能够满足光纤激光器在输出不同功率的情况下长时间稳定地工作，其散热方式更加灵活，尤其适用于工厂全天不间断生产的环境；本发明所述的泵浦耦合器适用于用于不同输出功率的光纤激光器的散热，其制作难度小，生产成本低；

温度传感器、温度控制器和电源控制器构成了温度控制系统，嵌入在导热铜管中的温度传感器可以实时监测泵浦耦合器的温度，当工作温度超过阈值时，温度传感器向温度控制器发出信号，使得电源控制器关闭工作温度过高泵浦耦合器的泵浦源，从而保证该泵浦耦合器免受损坏，使整个光纤激光器能继续工作；

导热铜管与导光玻璃层之间设有导热胶层，导热胶层一方面可以吸收导光玻璃层中的泵浦光，另一方面可以将吸收的热量传递给导热铜管；

导光玻璃层上与导热胶层相接触的一面经过磨砂处理，一方面可以对剥除的泵浦光进行漫反射，加快其消耗速度；另一方面增大了与导热胶层的接触面积，能将更多的热量传递给导热铜管。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的自动切换散热方式的泵浦耦合器的结构图；

图2为本发明一种实施例公开的自动切换散热方式的泵浦耦合器的耦合区泄露泵浦光路图；

图3为本发明一种实施例公开的光纤激光器温度监测系统的结构图。

图中：1、泵浦光纤；2、主光纤；3、主光纤外包层；4、主光纤内包层；5、主光纤纤芯；6、光学胶层；7、导光玻璃层；8、导热胶层；9、导热铜管；10、水管；11、水冷管；12：散热片；13、温度传感器；14、温度控制器；15、电源控制器；16、泵浦源。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。

本发明提供一种自动切换散热方式的泵浦耦合器，包括：泵浦光纤，主光纤和封装外壳；泵浦光纤连接在主光纤上，，在泵浦光纤与主光纤的接入点处设置封装外壳；封装外壳包括散热片，导热铜管和导光玻璃层；导热铜管的外壁上包覆有散热片，散热片内设有水冷管，水冷管内穿有水管；导热铜管内壁上设有导光玻璃层；主光纤贯穿于导热铜管的空腔，主光纤上的接入点位于导热铜管的空腔内；在导热铜管的端口处，导光玻璃层与主光纤之间设有光学胶层，将接入点密封在导热铜管的空腔内；导热铜管内嵌有温度传感器，温度传感器与温度控制器相连，温度控制器分别与风冷设备和冷却水设备相连，根据温度传感器检测的温度自动切换风冷和水冷两种散热方式；温度控制器还与电源控制器相连，电源控制器与泵浦源相连。

下面结合附图1-3对本发明做进一步的详细描述：

如图1～3所示：本发明所述的一种自动切换散热方式的泵浦耦合器，包括：泵浦光纤1，主光纤2和封装外壳；

封装外壳包括散热片12，导热铜管9和导光玻璃层7；导热铜管9的外壁上包覆有散热片12，散热片12内嵌有水冷管11，水冷管11的设置数目和设置的结构可以根据散热效果进行合理的设计；水管10依次穿过所有水冷管11，水管与冷却水设备相连，用于通入冷却水；导热铜管9中嵌有温度传感器13，可以实时监测泵浦耦合器的工作温度；温度传感器13与温度控制器14相连，温度控制器14接收温度传感器检测到的工作温度；温度控制器14分别与风冷设备和冷却水设备相连；当检测到泵浦耦合器的工作温度低于设定的散热方式切换的临界值(其中散热方式切换的临界值可以设定为35℃)时，温度控制器控制风冷设备打开，选择风冷对泵浦耦合器进行散热；当检测到泵浦耦合器的工作温度高于设定的散热方式切换的临界值(其中散热方式切换的临界值可以设定为35℃)时，温度控制器控制冷却水设备开启，向水管中通入冷却水，选择水冷对泵浦耦合器进行散热；导热铜管9外部的散热片12可在光纤激光器输出低功率时对泵浦耦合器进行风冷散热。水管10和水冷管11可在光纤机器输出高功率时对泵浦耦合器进行水冷散热。本发明能够满足光纤激光器在输出不同功率的情况下长时间稳定地工作，其散热方式更加灵活，尤其适用于工厂全天不间断生产的环境。

导热铜管9内壁上通过导热胶层8固定有导光玻璃层7；泵浦光纤1连接在主光纤2上，连有泵浦光纤1的主光纤2贯穿于导热铜管9的空腔，其中使泵浦光纤1与主光纤2的接入点位于导热铜管9的空腔内；在导热铜管9的端口处，导光玻璃层7与主光纤1之间设有光学胶层6，通过光学胶将接入点密封在导热铜管9的空腔内；封装外壳的设计可以将泄漏的泵浦光导入到导光玻璃层中，并将热量传递到导热铜管中。

泵浦光纤1包括泵浦光纤纤芯，泵浦光纤纤芯外侧依次包覆有包层和涂覆层；泵浦光纤纤芯的折射率大于泵浦光纤包层的折射率；泵浦光在泵浦光纤纤芯中按照全反射原理传输；泵浦光纤涂覆层起到保护包层、免受外界损伤的作用。主光纤2包括主光纤纤芯5，主光纤纤芯5外侧依次包覆有主光纤内包层4和主光纤外包层3；主光纤纤芯5的折射率大于主光纤内包层的折射率4，主光纤内包层4的折射率大于主光纤外包层3的折射率。将主光纤2外包层3剥除并清理干净，泵浦光纤1从侧面熔接到主光纤2的内包层4上，在接入点处形成耦合区；当泵浦光在泵浦光纤1中传输到耦合区时，由于倏逝波的作用，泵浦光纤1和主光纤2中的光场发生耦合，泵浦光耦合进主光纤1中传输。由于泵浦光纤1与主光纤2的直径不同，是非对称波导，泵浦光不能完全耦合进主光纤2中；泄露的泵浦光A会在空间中传播进入到导光玻璃层7中，泄露的泵浦光B在空间中传播进入到光学胶层6中，泄露的泵浦光C在空间中传播进入到主光纤的外包层3中，即使耦合进主光纤2中的泵浦光，也会有泄部分露的泵浦光D会因不符合主光纤2的全反射条件而再次进入到外包层3中。

光学胶层6将主光纤外包层3和导光玻璃层7黏结为一体，由于导光玻璃层7的折射率不小于光学胶层6的折射率，光学胶层6的折射率大于主光纤外包层3的折射率；主光纤外包层3和光学胶层6中的泵浦光B、C、D最终会进入到导光玻璃层7中，所以光学胶层6可以剥除在主光纤外包层3中传输的泵浦光并最终穿到导光玻璃层7中。导光玻璃层7面积大，受热能力高于光学胶层6，可以承受功率很高的泄露泵浦光。

导热胶层8将导光玻璃层7和导热铜管9黏结为一体，导热胶层8一方面可以吸收导光玻璃层7中的泵浦光，另一方面可以将吸收的热量传递给导热铜管9。导光玻璃层7的外表面经过磨砂处理，一方面可以对剥除的泵浦光进行漫反射，加快其耗散速度，另一方面增加与导热胶层8的接触面积，将更多的热量传递给导热铜管9。

温度控制器14还与电源控制器15相连，电源控制器15与泵浦原16相连；温度传感器13实时监测泵浦耦合器的工作温度；当工作温度超过关闭泵浦源的温度阈值时，温度传感器13向温度控制器14发出信号；温度控制器14向电源控制器15中发出指令，使得电源控制器15关闭工作温度过高泵浦耦合器的泵浦源16，从而保护该泵浦耦合器免受损坏，使整个光纤激光器能够继续工作。

本发明所述的一种自动切换散热方式的泵浦耦合器，通过导热铜管、冷却水散热和温度控制系统，可以对泵浦耦合器进行风冷和水冷两种散热方式，温度传感器监测泵浦耦合器的工作温度并通过温度控制器自动切换风冷和水冷散热方式，此种封装结构可以使泵浦耦合器能够在高功率光纤激光器中长时间地稳定工作，其散热方式更加灵活。尤其适用于工厂全天不间断生产的环境；同时，制作难度小，生产成本低。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自动切换散热方式的泵浦耦合器，其特征在于，包括：泵浦光纤，主光纤和封装外壳；

所述泵浦光纤连接在所述主光纤上，在泵浦光纤与主光纤的接入点处设置封装外壳；

所述封装外壳包括散热片，导热铜管和导光玻璃层；所述导热铜管的外壁上包覆有散热片，所述散热片内设有水冷管，所述水冷管内穿有水管，所述导热铜管内壁上设有导光玻璃层；

所述主光纤贯穿所述导热铜管的空腔，所述接入点位于所述导热铜管的空腔内；

在所述导热铜管的端口处，所述导光玻璃层与所述主光纤之间设有光学胶层，将接入点密封在导热铜管的空腔内；

所述导热铜管内嵌有温度传感器，所述温度传感器与温度控制器相连，温度控制器根据温度传感器检测到的温度来自动切换散热方式；

所述温度控制器分别与风冷设备和冷却水设备相连，根据温度传感器检测的温度自动切换风冷和水冷两种散热方式；水管依次穿过所有水冷管，水管与冷却水设备相连，用于通入冷却水。

2.如权利要求1所述的自动切换散热方式的泵浦耦合器，其特征在于，所述温度控制器与电源控制器相连，所述电源控制器与泵浦源相连。

3.如权利要求1所述的自动切换散热方式的泵浦耦合器，其特征在于，所述泵浦光纤包括泵浦光纤纤芯，泵浦光纤纤芯外侧依次包覆有包层和涂覆层；所述泵浦光纤纤芯的折射率大于泵浦光纤包层的折射率。

4.如权利要求1所述的自动切换散热方式的泵浦耦合器，其特征在于，所述主光纤包括主光纤纤芯，主光纤纤芯外侧依次包覆有内包层和外包层；所述主光纤纤芯的折射率大于主光纤内包层的折射率，主光纤内包层的折射率大于主光纤外包层的折射率。

5.如权利要求4所述的自动切换散热方式的泵浦耦合器，其特征在于，导光玻璃层的折射率不小于光学胶层的折射率，光学胶层的折射率大于主光纤外包层的折射率。

6.如权利要求1所述的自动切换散热方式的泵浦耦合器，其特征在于，所述导热铜管与所述导光玻璃层之间设有导热胶层。

7.如权利要求6所述的自动切换散热方式的泵浦耦合器，其特征在于，所述导光玻璃层上与导热胶层相接触的一面做磨砂处理。