CN106785828A - 一种用于光纤激光器的梯级冷却散热管 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电器件技术领域，涉及一种用于光纤激光器的梯级冷却散热管。为内壁带有肋片的圆管，圆筒内用于放置光纤，光纤和圆筒内壁之间的孔道流动冷却介质；所述的肋片有三级，第一级为均匀分布的4个肋片，第二级为均匀分布的8个肋片，第三级为均匀分布的16个肋片。光纤外包层依次与三级冷却管进行强制对流换热，带走大部分热量，降低了有源光纤各处的温度梯度，从而实现带肋冷却管梯级均温的效果。本发明的新型整体散热管能够有效控制高功率光纤放大器各段的温度，噪声小、冷却迅速，具有较高的可靠性和可操作性等优点。

Description

一种用于光纤激光器的梯级冷却散热管

技术领域

本发明属于光电器件技术领域，涉及一种用于光纤激光器的梯级冷却散热管。本发明有利于显著提高光纤激光器的使用功率和长期使用可靠性。

背景技术

近几年，双包层光纤激光器获得了快速的发展，其输出功率逐年提高，引起人们的广泛关注。特别是掺杂增益介质双包层光纤激光器，由于量子效率高，更是人们研究的重点，目前单根掺镱双包层光纤已经实现了数千瓦功率的激光输出。对于双包层光纤激光器来说，由于采用细长的掺杂光纤本身作为增益介质，表面积/体积比很大，因此散热性能非常好。但是掺杂光纤的温度升高，也会降低量子效率，如果泵浦光足够强，泵浦引起的高温将导致严重的问题，如基质材料热扩散形成的热应力和折射率变化，热透镜效应等，高温甚至将玻璃熔化，导致光纤熔断。

在实际应用的过程中，大部分光纤激光器的泵浦热源为LD半导体二极管，有源光纤纤芯的轴向温度呈指数型分布，且光纤前段1至2米的温度梯度非常大，可达到1500K/m。激光连续泵谱运行的过程中，排除光纤剥离和熔接质量的因素后，熔接点处的光纤经常发生熔断，严重影响了激光系统长期运行的安全性。当单根光纤激光器的输出功率为几百瓦甚至上千瓦时，有必要采取特殊的冷却措施解决其散热问题。因此，本发明为光纤放大器提出一种梯级均温冷却方案，以降低光线前段的温度梯度，防止光纤因温度梯度过大而出现局部高温。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于光纤激光器的梯级冷却散热管，用于解决高功率光纤激光器的散热。

该散热管主要基于微通道管内强化传热原理，用普通圆管作毛胚，在管内拉削形成轴向凸起的肋片。肋片在径向横截面的形状可以是矩形、梯形、三角形等。当管内流体流经肋片时，管壁附近形成漩涡，增加了边界层的扰动，使边界层分离，有利于热量的传递。当漩涡将要消失时流体又经过下一组肋片，因此不断产生的涡流保持了稳定的强化传热作用。

一种用于光纤激光器的梯级冷却散热管，为内壁带有肋片的圆管，圆筒内用于放置光纤，光纤和圆筒内壁之间的孔道流动冷却介质；所述的肋片有三级，第一级为均匀分布的4个肋片，第二级为均匀分布的8个肋片，第三级为均匀分布的16个肋片。

所述梯级冷却散热管的材质是铝，也可以是铜、硅、合金等高导热系数的金属或非金属材质。

所述肋片在径向上的横截面的形状可以为矩形、梯形或三角形等。

光纤和圆筒内壁之间的孔道流动的冷却介质可以是水、乙醇、纳米流体等。

每级肋片在轴向上可以是直线平行排列，也可以螺旋平行排列。

一种用于光纤激光器的梯级冷却散热管结构中包括三级带肋冷却管。光纤放在有肋片的散热器的圆筒里面。连续泵谱的光纤运行过程中，纤芯温度升高后，光纤外包层依次与散热管的三组肋片进行强制对流换热，带走大部分热量，特别是光纤熔接点处的局部高温热点在三级冷却管的强化换热过程中，散失大量的热量，降低有源光纤的轴向温度梯度，使得光纤前段外表面的温度比较均匀，从而实现带肋冷却管梯级均温的效果。本发明的新型散热方案能够保证不降低高功率光纤功率损耗的特点，噪声小、温度场均匀等优点，具有高可靠性和操作性。

附图说明

图1为整体散热结构图；

图2为第1级冷却管结构图；

图3为第2级冷却管结构图；

图4为第3级冷却管结构图。

具体实施方式

在实施中，首先将一根长约1m，直径约10~20mm的普通圆管按图1加工成内壁光滑的通管。按图2在通管壁面拉削出4个肋片，肋片厚约1mm，高约2~3mm，长约20mm。按图3在通管壁面拉削出8个肋片，肋片厚约1mm，高约2~3mm，长约30mm。按图4在通管壁面拉削出16个肋片，肋片厚约1mm，高约2~3mm，长约50mm。将双包层光纤（包括尾纤和增益光纤，光纤的数量不限）放入通道中，通管的一端为冷却流体的进口，另一端为冷却流体的出口。

该光纤放大器散热管的具体工作方式为，连续泵浦光激发光纤纤芯的增益介质后，光纤生热，温度将上升，光纤端部的热量与第1级冷却管内的冷却流体发生对流换热，形成充分均匀的层流或紊流。光纤熔接点的局部高温产生的热量与第2级冷却管内的冷却流体发生对流换热，当管内流体流经下一级肋片时，由于肋片数量的增加，在两级交接处的管壁附近形成轴向漩涡，增加了边界层的扰动，使边界层分离，有利于热量的传递，充分降低了光纤熔接点处的温度。在第3级冷却管中，由于第3级的肋片数量继续增加，此时第2和第3级交接处的漩涡将要消失时流体又形成轴向漩涡，不断产生的涡流保持了稳定的强化传热作用。经过以上三部分的梯级冷却，光纤各处的温度梯度明显减小，从而保证整根光纤温度均匀，并且在正常工作范围内。

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修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种用于光纤激光器的梯级冷却散热管，为内壁带有肋片的圆管，圆筒内用于放置光纤，光纤和圆筒内壁之间的孔道流动冷却介质；所述的肋片有三级，第一级为均匀分布的4个肋片，第二级为均匀分布的8个肋片，第三级为均匀分布的16个肋片。

2.根据权利要求1所述的梯级冷却散热管，其特征在于，所述梯级冷却散热管的材质是铝、铜、硅或合金。

3.根据权利要求1所述的梯级冷却散热管，其特征在于，所述肋片在径向上的横截面的形状为矩形、梯形或三角形。

4.根据权利要求1所述的梯级冷却散热管，其特征在于，光纤和圆筒内壁之间的孔道流动的冷却介质是水、乙醇或纳米流体。

5.根据权利要求1所述的梯级冷却散热管，其特征在于，每级肋片在轴向上直线平行排列或螺旋平行排列。