CN106848817A - 一种高功率光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高功率光纤激光器，由刻有光纤槽的水冷光纤盘、低熔点导热材料、光纤激光器、成型模具构成。所述低熔点导热材料，包括低熔点合金和金属粉末，光纤可完全包围在固态的低熔点导热材料内，从而获得更好的散热效果，保证光纤激光器安全、稳定的运行。

Description

一种高功率光纤激光器
技术领域
本发明涉及到一种高功率光纤激光器，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、低熔点导热材料、光纤激光器、成型模具构成。其中，成型模具作用对低熔点导热材料进行成型，在成型模具的下端有止流圈，阻止液态低熔点导热材料的外流，其材料可为工程塑料，金属等。在模具的配合下，可使光纤、低熔点导热材料、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导热材料内，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、低熔点导热材料、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，低熔点导热材料填充于成型模具内部。
本发明所述的低熔点导热材料，包括低熔点合金和金属粉末；其中，低熔点合金包括In、Bi、Sn和Ga，其中In的含量为60～65％重量，Bi的含量为25～30％重量，Sn的含量为5-10％重量，Ga的含量为1-4％重量；低熔点合金的含量为总重量的80-90％；金属粉末为银粉和/或铜粉，粉末直径小于40μm；所述金属粉末均匀分散于所述低熔点合金中，其含量为总重量的10～20％。
本发明所述的低熔点导热材料，其中低熔点合金的熔点为55-75℃，优选60-70℃。
低熔点合金中优选In的含量为63～65％重量，Bi的含量为27～30％重量，Sn的含量为5-7％重量，Ga的含量为2～3％重量；低熔点合金的含量优选为总重量的85-90％。
所述金属粉末均匀分散于所述低熔点合金中，粉末直径小于20μm，其含量优选为总重量的10～15％。
本发明所述的光纤激光器，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导热材料外流，成型模具上具有液态低熔点导热材料的灌注口。
本发明所述的光纤激光器，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，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，将低熔点合金熔化，然后加入银粉和/或铜粉，混合均匀得到流质的低熔点导热材料，使其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导热材料内
本发明所述的光纤激光器的制造方法，在液态低熔点导热材料成型前，在液态低熔点导热材料中插入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、低熔点导热材料、成形模具示意图
图2、平面型光纤盘
图3、圆柱形光纤盘、低熔点导热材料、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.低熔点导热材料
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，阻止液态时低熔点导热材料的外流。在光纤盘外装配具有水冷通道的铝制或铜制成型模具并做密封处理。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。
低熔点导热材料，包括低熔点合金和金属粉末；其中，低熔点合金包括In、Bi、Sn和Ga，其中In的含量为64％重量，Bi的含量为29％重量，Sn的含量为5％重量，Ga的含量为2％重量；低熔点合金的含量为总重量的85％；金属粉末为银粉，粉末直径小于20μm；所述金属粉末均匀分散于所述低熔点合金中，其含量为总重量的15％。
制备过程：按配比称重In、Bi、Sn和Ga粉末，均匀混合后，在氮气保护下，加热至熔融，混均匀搅拌，得到低熔点合金，按配比称取银粉，所用银粉的粒径小于20μm，将银粉加入熔融状态的低熔点合金，混合均匀呈流质。将调制好的流质低熔点导热材料，沿灌注口灌注至成型模具中，此时，液态低熔点导热材料的温度不高于85℃，在液态低熔点导热材料成型前，在液态低熔点导热材料中插入TEC制冷片。待低熔点导热材料完全冷却成型后，取下发泡材料或柔性材料。
经监测，激光器大于800W高功率运行30分钟，当采用双面水冷通道冷却的方式时，光纤表面温度为41℃。当采用单面水冷通道冷却，光纤表面温度为45℃，利于激光器的稳定工作。
实施例2：
将光纤激光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，阻止液态时低熔点导热材料的外流。在光纤盘外装配具有水冷通道的铝制或铜制成型模具并做密封处理。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。
低熔点导热材料，包括低熔点合金和金属粉末；其中，低熔点合金包括In、Bi、Sn和Ga，其中In的含量为61.5％重量，Bi的含量为30％重量，Sn的含量为7％重量，Ga的含量为1.5％重量；低熔点合金的含量为总重量的85％；金属粉末为铜粉，粉末直径小于20μm；所述金属粉末均匀分散于所述低熔点合金中，其含量为总重量的15％。
制备过程：按配比称重In、Bi、Sn和Ga粉末，均匀混合后，在氮气保护下，加热至熔融，混均匀搅拌，得到低熔点合金，按配比称取铜粉，所用铜粉的粒径小于20μm，将铜粉加入熔融状态的低熔点合金，混合均匀呈流质。将调制好的流质低熔点导热材料，沿灌注口灌注至成型模具中，此时，液态低熔点导热材料的温度不高于85℃，在液态低熔点导热材料成型前，在液态低熔点导热材料中插入TEC制冷片。待低熔点导热材料完全冷却成型后，取下发泡材料或柔性材料。
经监测，激光器大于800W高功率运行30分钟，当采用双面水冷通道冷却的方式时，光纤表面温度为43℃。当采用单面水冷通道冷却，光纤表面温度为46℃，利于激光器的稳定工作。
对比例1：
根据实施例1的激光器和试验方法，将本发明的低熔点导热材料分别替换为导热硅脂、导热膏、铜粉或铟箔材料。经监测，激光器大于800W高功率运行30分钟，当采用双面水冷通道冷却的方式时，光纤表面温度均高于60℃。当采用单面水冷通道冷却，光纤表面温度均高于65℃，影响激光器的稳定工作。
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 (8)

1.一种高功率光纤激光器，其特征在于：包括低熔点导热材料、水冷光纤盘、光纤激光器或放大器和成型模具，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，低熔点导热材料填充于成型模具内部；所述低熔点导热材料，包括低熔点合金和金属粉末；其中，低熔点合金包括In、Bi、Sn和Ga，其中In的含量为60～65％重量，Bi的含量为25～30％重量，Sn的含量为5-10％重量，Ga的含量为1-4％重量；低熔点合金的含量为总重量的80-90％；金属粉末为银粉和/或铜粉，粉末直径小于40μm；所述金属粉末均匀分散于所述低熔点合金中，其含量为总重量的10～20％。
2.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于：所述低熔点合金的熔点为55-75℃，优选60-70℃。
3.根据权利要求1所述的光纤激光器，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导热材料外流，成型模具上具有液态低熔点导热材料的灌注口。
4.根据权利要求1所述的光纤激光器，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所述的光纤激光器，其特征在于：其还包括增益光纤、光纤熔点或无源器件。
6.一种如权利要求1所述的光纤激光器的制造方法，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，将低熔点合金熔化，然后加入银粉和/或铜粉，混合均匀得到流质的低熔点导热材料，使其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导热材料内。
7.根据权利要求6所述的光纤激光器的制造方法，其特征在于：在流质低熔点导热材料成型前插入TEC制冷片。
8.根据权利要求6所述的光纤激光器的制造方法，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。
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