CN106711743A - 一种高功率光纤激光器及放大器 - Google Patents

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    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06754—Fibre amplifiers

Abstract

本发明公开了一种高功率光纤激光器、高功率光纤放大器高效散热方法。由刻有光纤槽的水冷光纤盘、低熔点合金、光纤激光器、成型模具构成。当光纤盘绕在水冷光纤盘后，加温将低熔点合金融化成液态，在模具的配合下，可使光纤、低温和金、水冷光纤盘紧密接触。降温成型后，光纤可完全包围在固态的低熔点合金内，从而获得更好的散热效果，保证光纤激光器和光纤放大器安全、稳定的运行。

Description

一种高功率光纤激光器及放大器
技术领域
本发明涉及到一种高功率光纤激光器或高功率光纤放大器，特别是高功率光纤激光器或高功率光纤放大器中光纤冷却的方法。
背景技术
光纤激光器是固体激光器的一种，具有高功率、高光束质量、高效率、小体积等诸多优点。近年来，随着近年来光纤激光器的发展与进步，光纤激光器在光谱、功率、线宽、光束质量等性能显著提高，并在工业加工、通信、医学、军工等方面具有广阔的应用前景。但随着功率的提升，高效冷却作为一类共性关键技术，始终伴随于激光器的研发和工程化过程中。光纤涂覆层温度85℃时为光纤损伤的阈值温度，在高功率情况下，需要对光纤整个圆周的涂覆层进行冷却。而受限于机械加工的精度，无法使整个光纤的圆柱面紧密贴附水冷板，因此，需要在光纤和冷却板之间添加某种安全稳定的介质材料。现有介质材料主要为导热硅脂、导热膏、铜粉、铟箔等。导热硅脂虽然有较高的导热系数，但长期高温使用时，硅脂容易变干，造成导热系数的下降，影响激光器的安全性；导热膏虽然稳定性好，但导热系数低，一般导热系数为低于5W/m·K，不满足2千瓦以上高功率光纤激光器散热需求；铜粉或其他导热粉末因在颗粒间存在间隙，会造成导热性能的下降，并且在填充过程中容易造成人员吸入，影响人员健康，撒漏的铜粉如落在集成后激光器的电路板上，极易造成短路或其他危险；铟箔或其他延展性箔类虽然有着较高的导热系数，但包裹性不强，无法使光纤的圆柱面紧密贴附介质或水冷板。
发明内容
针对高功率光纤激光器、高功率光纤放大器在研发和工程化过程中高效散热问题所面临的介质材料不能紧密贴附光纤、导热系数低、长期稳定性差、不利于整机设备安全及操作人员健康等问题，本发明公开了一种高功率光纤激光器和光纤放大器高效散热的方法，由刻有光纤槽的水冷光纤盘、低熔点合金、光纤激光器、成型模具构成。其中，成型模具作用对低熔点合金进行成型，在成型模具的下端有止流圈，阻止液态低熔点合金的外流，其材料可为工程塑料，金属等。使用方法为当光纤盘绕在水冷光纤盘后，加温将低熔点合金融化成液态，在模具的配合下，可使光纤、低温和金、水冷光纤盘紧密接触。降温成型后，光纤可完全包围在固态的低熔点合金内，从而获得更好的散热效果，保证光纤激光器和光纤放大器安全、稳定的运行。
本发明提供了一种高功率光纤激光器或高功率光纤放大器，包含水冷光纤盘、低熔点合金、光纤激光器或放大器、成型模具，光纤激光器或放大器的光纤盘绕在刻有光纤槽的水冷光纤盘上，外围套有成型模具，低熔点合金填充于成型模具内部。
本发明所述的光纤激光器或光纤放大器，所述低熔点合金包含铋、铟和锡，其熔点为40-85℃，优选50-70℃，最优选60-65℃。
本发明所述低熔点合金优选包含如下重量百分比的组分：铋20％～30％，铟50％～60％，锡10％～20％，镓5％～10％，铜0.5％～5％。
本发明所述低熔点合金更优选包含如下重量百分比的组分：铋24％～27％，铟52％～55％，锡12％～25％，镓4％～6％，铜2％～4％。
本发明所述的光纤激光器或光纤放大器，所述成型模具留有光纤进出口，进出口上装配有对光纤无损伤的柔性材料，同时可阻止液态的低熔点合金外流，成型模具上具有液态低熔点合金的灌注口。
本发明所述的光纤激光器或光纤放大器，所述水冷光纤盘为圆柱形光纤盘、锥面型光纤盘、漏斗形光纤盘、平面型光纤盘。
本发明所述的光纤激光器或光纤放大器，其还包括增益光纤、光纤熔点或无源器件。
本发明提供了所述的光纤激光器或光纤放大器的制造方法，光纤激光器或放大器的光纤盘绕在刻有光纤槽的水冷光纤盘上后，加温将低熔点合金融化成液态，使低温和金与光纤和水冷光纤盘紧密接触，降温成型，光纤完全包围在固态的低熔点合金内。
本发明所述的光纤激光器或光纤放大器的制造方法，在液态低温和金成型前，在液态低温金属中插入TEC制冷片。
与现有技术相比，本发明提出了一种高功率光纤激光器和光纤放大器及其制造方法，其散热效果好、长期稳定性强、介质材料安全无害。
附图说明
图1、光纤、光纤槽、低熔点合金、成形模具示意图
图2、平面型光纤盘
图3、圆柱形光纤盘、低熔点合金、成形模具示意图
图4、TEC制冷片冷却方案示意图
1.光纤
2.光纤槽
3.低熔点合金
4.成型模具
5.圆柱形光纤盘
6.柔性光纤卡口
7.TEC制冷片
8.水冷板
9.光纤、光纤熔点或无源器件等待冷却对象
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
将光纤激光器或光纤放大器的光纤盘绕在光纤盘上，在光纤盘外装配成型模具并做密封处理，进出光纤分别穿过成型模具上进出孔位后，利用发泡材料或其他柔性材料将光纤固定于孔位中心。
为保护光纤涂覆层，低熔点合金熔点的选择应不高于85℃，在正常工作温度下应保持固态，低熔点合金熔点的选择应大于40℃。选择熔点为62℃的铟锡铋合金，将合金块放置于容器中，采用火焰加热使其融化，放置冷却，此时，液态低熔点合金的温度不高于85℃，在增益光纤某位置覆盖1mm厚度的低熔点合金，冷却低熔点合金至完全成型。
经对比实验，在增益光纤某位置处分别1)裸光纤不覆盖任何介质材料，2)覆盖1mm厚度的低熔点合金，3)覆盖1mm厚度的导热硅脂，4)覆盖1mm厚度的导热膏，5)覆盖1mm厚度的铜粉，6)覆盖1mm厚度的铟箔材料。其中，激光器在中低功率情况下短时间开机5秒后关闭，增益光纤不通冷却水冷却，利用红外热像仪观测上述裸光纤表面和导热介质材料表面的温度，比较几种介质材料对增益光纤的的热传导特性，验证其对光纤的散热能力。
裸光纤不覆盖任何介质材料的最高温度为55℃，覆盖低熔点合金最高温度为47℃，覆盖导热硅脂、导热膏、铜粉、铟箔材料的最高温度均不高于40℃。该对比实验说明，低熔点合金较其他几类介质材料相比，能更好的将光纤的热量导出。
实施例2：
将光纤激光器或光纤放大器的光纤盘绕在光纤盘上，在光纤盘外装配成型模具并做密封处理，进出光纤分别穿过成型模具上进出孔位后，利用发泡材料或其他柔性材料将光纤固定于孔位中心。
为保护光纤涂覆层，低熔点合金熔点的选择应不高于85℃，在正常工作温度下应保持固态，低熔点合金熔点的选择应大于40℃。选择熔点为65℃的低熔点合金，其组分百分比为：铋25％，铟54％，锡14％，镓5％，铜2％。分别称取上述重量的金属粉末，均匀混合后，在氮气保护下，加热至熔融，混均匀搅拌，放置冷却，沿液态低熔点合金灌注口灌注低熔点合金，此时，液态低熔点合金的温度不高于85℃，在增益光纤某位置覆盖1mm厚度的低熔点合金，冷却低熔点合金至完全成型。
经对比实验，在增益光纤某位置处分别1)裸光纤不覆盖任何介质材料，2)覆盖1mm厚度的低熔点合金，3)覆盖1mm厚度的导热硅脂，4)覆盖1mm厚度的导热膏，5)覆盖1mm厚度的铜粉，6)覆盖1mm厚度的铟箔材料。其中，激光器在中低功率情况下短时间开机5秒后关闭，增益光纤不通冷却水冷却，利用红外热像仪观测上述裸光纤表面和导热介质材料表面的温度，比较几种介质材料的热传导特性，验证其对光纤的散热能力。
裸光纤不覆盖任何介质材料的最高温度为55℃，覆盖低熔点合金最高温度为50℃，覆盖导热硅脂、导热膏、铜粉、铟箔材料的最高温度均不高于40℃。本发明所采用的低熔点合金与其他几类介质材料相比，具有更好的散热效果。
实施例3：
将光纤激光器或光纤放大器的光纤盘绕在光纤盘上，在光纤盘外装配成型模具并做密封处理，进出光纤分别穿过成型模具上进出孔位后，利用发泡材料或其他柔性材料将光纤固定于孔位中心，阻止液态时低熔点合金的外流。
选择实施例2所用低熔点合金，在氮气保护下，加热至熔融，混均匀搅拌，放置冷却，沿液态低熔点合金灌注口灌注低熔点合金，此时，液态低熔点合金的温度不高于85℃，待低熔点合金完全冷却后，取下发泡材料或柔性材料。
在光纤表面附近插入一个PT1000测温电阻用于采集光纤表面温度，如采用双面水冷通道冷却的方式，在激光器大于800W高功率运行30分钟，光纤表面温度为46℃，如采用单面水冷通道冷却时，光纤表面温度为50℃，有利于激光器的稳定工作。
上述描述仅作为本发明可实施的技术方案提出，不作为对其技术方案本身的单一限制条件。

Claims (9)

1.一种高功率光纤激光器或高功率光纤放大器，其特征在于：包含水冷光纤盘、低熔点合金、光纤激光器或放大器、成型模具，光纤激光器或放大器的光纤盘绕在刻有光纤槽的水冷光纤盘上，外围套有成型模具，低熔点合金填充于成型模具内部。
2.根据权利要求1所述的光纤激光器或光纤放大器，其特征在于：所述低熔点合金包含铋、铟和锡，其熔点为40-85℃，优选50-70℃，最优选60-65℃。
3.根据权利要求1或2所述的光纤激光器或光纤放大器，其特征在于：所述成型模具留有光纤进出口，进出口上装配有对光纤无损伤的柔性材料，同时可阻止液态的低熔点合金外流，成型模具上具有液态低熔点合金的灌注口。
4.根据权利要求1或2所述的光纤激光器或光纤放大器，其特征在于：所述水冷光纤盘为圆柱形光纤盘、锥面型光纤盘、漏斗形光纤盘、平面型光纤盘。
5.根据权利要求1或2所述的光纤激光器或光纤放大器，其特征在于：所述成型模具内部导通有冷却管道，具备主动散热能力。
6.根据权利要求1或2所述的光纤激光器或光纤放大器，其特征在于：其还包括增益光纤、光纤熔点或无源器件。
7.根据权利要求1或2所述的光纤激光器或光纤放大器，其特征在于：其还包括低熔点合金中的TEC制冷片。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的光纤激光器或光纤放大器的制造方法，其特征在于光纤激光器或放大器的光纤盘绕在刻有光纤槽的水冷光纤盘上后，加温将低熔点合金融化成液态，使低温和金与光纤和水冷光纤盘紧密接触，降温成型，光纤完全包围在固态的低熔点合金内。
9.根据权利要求8所述的光纤激光器或光纤放大器的制造方法，其特征在于：在液态低熔点合金成型前，在液态低熔点合金中插入TEC制冷片。
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