CN106451041B - 新型模块化防尘防湿高效大功率光纤绕盘结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开的新型模块化防尘防湿高效大功率光纤绕盘结构，包括光纤绕盘，光纤绕盘具有第一、第二面，第一面具有圆圈光面区域和波浪形刻槽区域，波浪形刻槽区域环绕在圆圈光面区域的外围；在光纤绕盘上设有入射光纤口和出射光纤孔，出射光纤孔由第一面贯穿到第二面；由泵浦光源出口端过来的光纤通过入射光纤口进入波浪形刻槽区域，并从外至内以周长逐渐减少方式绕制在波浪形刻槽区域的刻槽中，再由波浪形刻槽区域邻近所述圆圈光面区域的适当位置进入圆圈光面区域，并从外向内以周长逐渐减少方式绕制在圆圈光面区域中，最后光纤末端的出射光纤穿过出射光纤孔至第二面后与外部光学器件连接。本发明具有模块化，结构紧凑，易安装维修等优点。

Description

新型模块化防尘防湿高效大功率光纤绕盘结构

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，特别涉及一种新型模块化防尘防湿高效大功率光纤绕盘结构。

背景技术

大功率连续波光纤激光器主要应用于各种金属钣金加工，包括切割，焊接，表面涂覆等工业应用。输出激光器聚焦光斑大小以及输出功率决定了加工面的能量密度，直接影响金属钣金加工的效果。越小的聚焦光斑就能够提供越精密的加工质量，越大的输出功率就越能够提供更快的加工速度，而且能够加工更厚的金属板材。

随着光纤激光器在各种工业应用中的普及，对单模组光纤激光器输出光束质量和输出功率的要求也不断增加。目前的大部分工业用光纤激光器的电光转化效率在35％左右，光光转换效率在70％左右。单模组光纤激光器输出功率的提高也意味着更严谨的热处理，从而保证增加的热量被有效冷却，不会影响激光器的正常工作。对单模组光纤激光器而言，输出功率增加对热处理方面的最大挑战来自于增益光纤，过热的增益光纤会降低泵浦功率的吸收而影响输出功率。好的光束质量意味着输出光斑模式要尽可能低，即要求光纤激光系统能够有效的滤掉高阶模式。同时，光纤激光器通常在高温，高湿度的环境中进行工业加工，增益光纤及关键焊接点长期在这种环境中容易老化影响光束质量以及输出效率。因此如何有效冷却，隔离，绕盘光纤对于提高光纤激光器的输出功率以及光斑质量有着至关重要的影响。

目前的增益光纤绕盘的设计有如下特点：

1.多为传统的单一圆圈绕盘。这种圆圈绕盘的特点是，弯曲曲率半径基本一致，只能滤掉一些特定的高阶模式。而不同的高阶模式需要在不同的曲率弯曲半径处滤出。

2.设计结构单一。增益光纤绕盘可以分为光面绕盘1(参见图1)和带刻槽绕盘2(参见图2和图3)。光面绕盘的优势是增益光纤长度以及绕圈半径灵活可变，但是由于只有光纤底面与绕线盘接触，因此散热能力有限。带刻槽绕盘2可以将光纤3放置在刻槽4内，因此与绕线盘接触面积更大，使得散热热更大，其缺点是光纤长度及绕圈半径有刻槽决定，无法随意变动，并且绕线盘尺寸通常很大。如果需要将30米的参镱光纤以最小80mm的绕圈直接绕在刻槽宽度为650um，槽壁厚度为1mm的光纤绕线盘上，整个金属盘的直径将会至少需要29.7cm。

3.散热不全面。由于绕圈设计，最后的出射光纤5必须从绕圈表面跳出(如图3所示)。这种设计由于出射光纤无法与绕线盘接触，因此出射光纤可能过热。

4.维修困难。目前多数光纤激光器将增益光纤直接绕盘在水冷板上并进行灌胶，水冷板四周安装光栅，焊接点，及其他器件。这种一体设计导致后期维修非常困难。一但增益光纤发生烧毁，很难将其从水冷板上剥离出来而不影响到其他器件。

5.缺少密封考虑。多数光纤激光器绕线盘内部空气与外部具有流通性。因此工作性能受环境影湿度和温度影响较大，同时也容易引起灰尘累积。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有增益光纤绕盘所存在的上述技术问题而提供一种新型模块化防尘防湿高效大功率光纤绕盘结构。这种绕盘方式具有模块化，散热全面，光纤长度灵活，易于维修等优点。

本发明所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现：

新型模块化防尘防湿高效大功率光纤绕盘结构，包括一光纤绕盘，所述光纤绕盘具有相对设置第一面和第二面，所述第一面具有一圆圈光面区域和一波浪形刻槽区域，所述圆圈光面区域位于所述第一面的中间位置，所述波浪形刻槽区域环绕在所述圆圈光面区域的外围；在所述光纤绕盘上设有入射光纤口和出射光纤孔，出射光纤孔由第一面贯穿到第二面；由泵浦光源出口端过来的光纤通过所述入射光纤口进入所述波浪形刻槽区域，并从外至内以周长逐渐减少方式绕制在所述波浪形刻槽区域的刻槽中，再由所述波浪形刻槽区域邻近所述圆圈光面区域的适当位置进入所述圆圈光面区域，并从外向内以周长逐渐减少方式绕制在所述圆圈光面区域中，最后所述光纤末端的出射光纤穿过所述出射光纤孔至所述第二面后与外部光学器件连接。

在本发明的一个优选实施例中，在所述第一面上还设置有一直线刻槽区域，由泵浦光源出口端过来的光纤通过所述入射光纤口后，先通过所述直线刻槽区域再进入所述波浪形刻槽区域，焊接点放置在所述直线刻槽区域中。

在本发明的一个优选实施例中，还包括一盖板和一密封圈，在所述光纤绕盘的第一面上设置有一圈密封圈槽，所述密封圈槽环绕在所述波浪形刻槽区域的外围，所述密封圈放置在所述密封圈槽中，所述盖板盖在所述光纤绕盘的第一面上并通过紧固件与所述光线绕盘固定连接，所述密封圈介于所述盖板与所述光纤绕盘的第一面之间，使所述盖板与所述光纤绕盘之间形成一个密封隔离空间，绕制在所述圆圈光面区域和波浪形刻槽区域内的光纤位于所述密封隔离区域内。

在本发明的一个优选实施例中，在所述光纤绕盘的第二面上设置有出射光纤刻槽，所述出射光纤设置在所述出射光纤刻槽内并顺着出射光纤刻槽与所述外部光学器件连接。

在本发明的一个优选实施例中，还包括一水冷盘，所述光纤绕盘通过紧固件固定在所述水冷板上，所述光纤绕盘的第二面与所述水冷板接触，所述外部光学器件安装在所述水冷板上。

由于采用了如上的技术方案，本发明具有如下优点：

1.热负载平衡。光纤温度通常沿着泵浦光源传播方向逐渐降低，因此在此创新绕盘设计中将泵浦光源入口端光纤放在刻槽区域，为热负荷较重区域提供更好的散热，而将热负荷较少的光纤放置在光面区域，使得整体的热负载平衡。

2.结构紧凑，光纤长度灵活可变。本设计将光面绕线盘和刻槽绕线盘结合在一起：光纤长度可以通过内部光面绕线盘区域调节，而热负载较高区域光纤由于放置在刻槽区域因此也得到了有效的冷却。绕线盘的尺寸也比单一的全刻槽绕线盘设计要紧凑一些。

3.波浪形绕圈设计，有效去除高阶模式。不同的绕圈半径，可以有效滤出不同的特定高阶模式，因此输出光斑质量会更接近单模，降低聚焦光板半径，提高激光器切割质量。

4.独特双面冷却设计，对增益光纤全面散热。与传统设计不同，出射光纤不是从光纤上表面绕出，而是从绕线盘底部刻槽绕出，这种设计让出射光纤可以有效散热，避免了散热盲点。

5.绕线盘模块化，易于组装和维修。光纤输入端为直线设计，此区域用于放置高反光栅与增益光纤的焊接点。这段直线区域在20cm左右，可以进行多次焊接而不用担心因为光纤过短导致重新绕盘。整个光纤绕线盘可以通过螺钉固定在水冷板上，需要更换的时候可以整体取下而不会影响到其他光学器件。

6.独特的密封设计，降低外部环境影响。本设计采用密封圈和盖板将内部光纤和焊接点密封在绕线盘模块里。因此对于外部坏境温度以及湿度有一定的隔绝性，可以降低结露发生，并防止灰尘进入提高激光器的稳定性。

7.与水冷板接触紧密，提高导热效果。绕线盘四周有8个固定孔，中间有一个固定孔。通过这种设计保证绕线盘底部与水冷盘紧密接触，提高热传导，易于光纤散热。

8.防光纤过度弯曲设计，降低弯曲损耗。光纤过度弯曲会导致额外损耗，引发光纤过热最终导致烧毁。由于光纤入射端和出射端为绕线盘模块与外部过渡区域，容易引起光纤弯曲曲率过小。基于这种考虑，如图所示在此设计中为入射光纤提供加大刻槽区域，让光纤在入射区域可以自然弯曲。而绕线盘中间有椭圆形柱体，不仅用于盖板支撑，同时也可以用于引导限制出射光纤绕线半径。

综上所述，这种新型的绕盘模块设计全面的考虑目前工业激光器光纤绕线结构的缺陷，并结合目前已有设计的优点，在提高光束质量及散热效果的同时，还具有模块化，结构紧凑，易安装维修等优点。

附图说明

图1为现有光面绕盘的结构示意图。

图2为现有带刻槽绕盘的结构示意图。

图3为光纤绕制在现有带刻槽绕盘上的示意图。

图4为本发明光纤绕盘第一面的结构示意图。

图5为本发明光纤绕盘第二面的结构示意图。

图6为本发明盖板、光纤绕盘和水冷板的安装示意图。

具体实施方式

参见图4和图5，图中给出的新型模块化防尘防湿高效大功率光纤绕盘结构，包括一光纤绕盘100，该光纤绕盘100具有相对设置第一面110和第二面120，在第一面110设置有圆圈光面区域111和波浪形刻槽区域112，圆圈光面区域111位于第一面110的中间位置，波浪形刻槽区域112环绕在圆圈光面区域111的外围。

在光纤绕盘100上设有入射光纤口130和出射光纤孔140，出射光纤孔140贯穿第一面110和第二面120。

由泵浦光源出口端过来的光纤通过入射光纤口130进入波浪形刻槽区域112，并从外至内以周长逐渐减少方式绕制在波浪形刻槽区域112的刻槽112a中，再由波浪形刻槽区域112邻近圆圈光面区域111的适当位置进入圆圈光面区域111，并从外向内以周长逐渐减少方式绕制在圆圈光面区域111中，最后光纤末端的出射光纤穿过出射光纤孔140至第二面120后与外部光学器件连接。

在第一面110上还设置有一直线刻槽区域113，由泵浦光源出口端过来的光纤通过入射光纤口130后，先通过直线刻槽区域113再进入波浪形刻槽区域112，焊接点放置在直线刻槽区域113中。

在光纤绕盘100的第二面120上设置有出射光纤刻槽121，出射光纤设置在出射光纤刻槽121内并顺着出射光纤刻槽121与外部光学器件连接。

结合参见图6，本发明的新型模块化防尘防湿高效大功率光纤绕盘结构还包括一盖板200和一密封圈(图中未示出)，在光纤绕盘100的第一面110上设置有一圈密封圈槽114，密封圈槽114环绕在波浪形刻槽区域112的外围，密封圈放置在该密封圈槽114中，盖板200盖在光纤绕盘100的第一面110上并通过紧固件210与光线绕盘100固定连接，密封圈介于盖板200与光纤绕盘100的第一面110之间，使盖板200与光纤绕盘100之间形成一个四周与外部空气隔离开来的密封隔离空间，绕制在圆圈光面区域111和波浪形刻槽区域112内的光纤位于密封隔离区域内，以减少环境干扰。

本发明的新型模块化防尘防湿高效大功率光纤绕盘结构还包括一水冷盘300，光纤绕盘100通过紧固件310固定在水冷板300上，光纤绕盘100的第二面120与水冷板300接触，光栅等其他外部光学器件安装在水冷板300的光栅等其他光学器件安装孔320上。光栅等其他光学器件安装孔320分布在水冷板300的四周。

光纤绕盘100与水冷板300的安装方式是：在光纤绕盘100的四周设置有一些光纤绕盘模块周边固定孔150并在光纤绕盘100的中心设置有光纤绕盘模块中心固定孔160，在水冷板300上也设置有光纤绕盘模块周边安装螺孔330，水冷板300的中心也设置有光纤绕盘模块中心安装螺孔，用紧固件310例如螺钉穿过光纤绕盘100上的光纤绕盘模块周边固定孔150、光纤绕盘模块中心固定孔160旋入到水冷板300上的光纤绕盘模块周边安装孔330、光纤绕盘模块中心安装孔即可。

另外，在圆圈光面区域111内绕制光纤时，可以采用光纤绕圈引导椭圆柱400进行引导。

Claims (3)

1.模块化防尘防湿高效大功率光纤绕盘结构，包括一光纤绕盘，所述光纤绕盘具有相对设置第一面和第二面，其特征在于，所述第一面具有一圆圈光面区域和一波浪形刻槽区域，所述圆圈光面区域位于所述第一面的中间位置，所述波浪形刻槽区域环绕在所述圆圈光面区域的外围；在所述光纤绕盘上设有入射光纤口和出射光纤孔，出射光纤孔由第一面贯穿到第二面；由泵浦光源出口端过来的光纤通过所述入射光纤口进入所述波浪形刻槽区域，并从外至内以周长逐渐减少方式绕制在所述波浪形刻槽区域的刻槽中，再由所述波浪形刻槽区域邻近所述圆圈光面区域的适当位置进入所述圆圈光面区域，并从外向内以周长逐渐减少方式绕制在所述圆圈光面区域中，最后所述光纤末端的出射光纤穿过所述出射光纤孔至所述第二面后与外部光学器件连接；在圆圈光面区域内绕制光纤时，采用光纤绕圈引导椭圆柱进行引导；将泵浦光源入口端光纤放在刻槽区域，为热负荷较重区域提供更好的散热，而将热负荷较少的光纤放置在光面区域，使得整体的热负载平衡；

在所述第一面上还设置有一直线刻槽区域，这段直线刻槽区域长度为20cm；由泵浦光源出口端过来的光纤通过所述入射光纤口后，先通过所述直线刻槽区域再进入所述波浪形刻槽区域，焊接点放置在所述直线刻槽区域中；

在所述光纤绕盘的第二面上设置有出射光纤刻槽，所述出射光纤设置在所述出射光纤刻槽内并顺着出射光纤刻槽与所述外部光学器件连接。

2.如权利要求1所述的模块化防尘防湿高效大功率光纤绕盘结构，其特征在于，还包括一盖板和一密封圈，在所述光纤绕盘的第一面上设置有一圈密封圈槽，所述密封圈槽环绕在所述波浪形刻槽区域的外围，所述密封圈放置在所述密封圈槽中，所述盖板盖在所述光纤绕盘的第一面上并通过紧固件与所述光纤绕盘固定连接，所述密封圈介于所述盖板与所述光纤绕盘的第一面之间，使所述盖板与所述光纤绕盘之间形成一个密封隔离空间，绕制在所述圆圈光面区域和波浪形刻槽区域内的光纤位于所述密封隔离区域内。

3.如权利要求2所述的模块化防尘防湿高效大功率光纤绕盘结构，其特征在于，还包括一水冷板，所述光纤绕盘通过紧固件固定在所述水冷板上，所述光纤绕盘的第二面与所述水冷板接触，所述外部光学器件安装在所述水冷板上。

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