CN107017546A - 可实现模式损耗控制的高功率光纤高效冷却装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种可实现模式损耗控制的高功率光纤高效冷却装置及方法，包括高功率光纤、中空的金属细管、内部具有流动冷却液体的热沉以及导热介质，高功率光纤从金属细管的一端穿插入金属细管内部并从金属细管的另一端穿出；在穿插有高功率光纤的金属细管内，高功率光纤与金属细管内壁间填充有导热介质，通过导热介质将高功率光纤的热量均匀地传导到金属细管上；热沉上设置有供金属细管两端固定的接口，弯曲穿插有高功率光纤的金属细管并将弯曲成型的金属细管置于热沉内的流动冷却液体之中，金属细管的两端分别固定在热沉上设置的接口处。本发明实现高功率光纤径向均匀高效散热，同时通过一定范围内的任意形态地弯曲光纤，实现光纤激光模式损耗的控制。
Description
技术领域
本发明属于光纤激光领域，涉及一种光纤的冷却装置。
背景技术
高功率光纤激光器在3D打印、激光切割、激光熔覆等领域有着广泛的应用。近年来，随着双包层光纤制作工艺和高亮度半导体激光器的功率提升，单路高功率光纤激光输出功率得到了飞速的发展，从21世纪初的100瓦提高到目前的10千瓦。对于特定的光纤激光器，其量子效率是一定的，量子亏损使得损失的功率以热的形式释放到掺杂光纤内部(参见W.Yong,X.Chang-Qing,and P.Hong,"Thermal effects in kilowatt fiber lasers,"IEEE Photonics Technology Letters,2004,16,63-65)；此外，由于光纤的缺陷和熔接损耗等因素，光纤激光器的实际效率将会更低。目前，高功率光纤激光器的光效率一般在70％-85％，一台1000瓦的光纤激光器，在掺杂光纤内部有150-300瓦的热量存在。美国劳伦斯-利福摩尔实验室研究人员Dawson等人指出，当掺杂光纤内部的热累积到一定程度时，掺杂光纤会发生纤芯融化(参见Dawson J W,Messerly M J,Beach R J,et al.Analysis ofthe scalability of diffraction-limited fiber lasers and amplifiers to highaverage power[J].Opt.Express.2008,16:13240-13266.)。除了掺杂光纤的量子亏损外，由于模式不匹配导致的功率泄漏，也会使得非掺杂传能光纤(后文简称传能光纤)内部热量积累以至烧毁光纤；由于熔接损耗导致激光泄漏，熔点(包括掺杂光纤与掺杂光纤之间、掺杂光纤与传能光纤之间、传能光纤与传能光纤之间的熔点)热量的急剧累积也会导致光纤烧毁。因此，光纤内部的热效应是阻碍光纤激光功率提升的限制因素。为了提高光纤激光输出功率，必须采用有效的措施对光纤激光进行冷却。
目前，关于高功率光纤冷却已有公开号为CN101373881A，公开日为2009年2月25日的发明专利文献《光纤整体冷却的循环装置》；公开号为CN101373882A，公开日为2009年2月25日的发明专利文献《筒形光纤整体冷却装置》；公开号为CN101335422A，公开日为2008年12月31日的专利申请文献《用于高功率双包层光纤激光器及其放大器的光纤冷却装置》；公开号为CN101222109A，公开日为2008年7月16日的专利申请文献《高功率光纤激光器的冷却方法》、公开号为CN201397403Y，公开日为2010年2月3日的专利申请文献《光纤冷却装置》等专利。这些专利都是将掺杂光纤放置于加工好的机械热沉结构上，通过热沉与光纤之间的热传导进行冷却。由于放置光纤的机械热沉结构固定，使得光纤的形态也相对固定，针对不同的具体运用，需要设计不同弯曲形态的热沉，成本较高；此外，大部分文献只能对光纤的部分表面进行直接接触和传导冷却(如CN101222109A、CN101373882A)，由于周围的冷却机械结构不能完全等间距地包覆光纤的圆柱面本身，导致光纤径向散射不均匀，制冷效果一定程度受限，从而限制了光纤激光输出功率的进一步提升。
发明内容
针对上述已有技术的不足，本发明提供了一种可实现模式损耗控制的高功率光纤高效冷却装置及方法。本发明一方面能够防止高功率光纤外包层老化、降低光纤纤芯温度，提高高功率光纤激光器的工作稳定性；另一方面通过一定范围内的任意形态地弯曲光纤，实现光纤激光模式损耗的控制，为模式不稳定阈值提升、非线性效应抑制提供一种新的技术手段。
本发明的技术方案是：
一种可实现模式损耗控制的高功率光纤高效冷却装置，包括高功率光纤、中空的金属细管、内部具有流动冷却液体的热沉以及导热介质，所述金属细管具有一定的弹性能够在外力作用下实现弯曲形变并保持该弯曲形变，所述高功率光纤从金属细管的一端穿插入金属细管内部并从金属细管的另一端穿出；在穿插有高功率光纤的金属细管内，高功率光纤与金属细管内壁间填充有导热介质，通过导热介质将高功率光纤的热量均匀地传导到金属细管上；所述热沉上设置有供金属细管两端固定的接口，施以外力弯曲穿插有高功率光纤的金属细管能够改变金属细管内穿插的高功率光纤的弯曲半径和形态，将弯曲成型的穿插有高功率光纤的金属细管置于热沉内的流动冷却液体之中，金属细管的两端分别固定在热沉上设置的接口处。
本发明中，所述热沉上设置有冷却液体进口和冷却液体出口，所述热沉内部通以流动的冷却液体，冷却液体从冷却液体进口流入热沉，从冷却液体出口流出，进而在热沉内部流动以带走光纤产生的热量。热沉可以采用铜、铝等高导热材料制成，热沉具体结构根据实际需求设计，可以是圆柱形、方形、长方形等各种规则或不规则的形状。
本发明中：所述金属细管具有一定的弹性能够在外力作用下弯曲并保持形变，在高功率光纤允许的弯曲半径范围内弯曲金属细管能够改变金属细管内穿插的高功率光纤的弯曲半径和形态。进一步地，在高功率光纤允许的弯曲半径范围内，能够将穿插有高功率光纤的金属细管弯曲成二维连续S型、三维螺旋体形等各种形状，以达到改变金属细管内穿插的高功率光纤的弯曲半径和形态的目的。高功率光纤允许的弯曲半径范围根据相应的产品说明书可以查阅到。
本发明中：所述的高功率光纤是用于高功率光纤激光器、放大器中的光纤，包括掺杂光纤和传能光纤，其纤芯直径在10-200微米，外包层直径在250-1000微米之间。
本发明中：所述的金属细管内部为圆形截面的中空结构，金属细管可以采用铜管、铝管等导热系数较高的金属材料制成。金属细管内径在250～1500微米之间、比其内部待穿插的高功率光纤外径大10-500微米。金属细管的长度应比其内部待穿插的高功率光纤的长度短，保证光纤能够与激光器的其他部件有效连接。金属细管的管壁厚度在500～2000微米之间，且能够有效弯曲并保持弯曲形变。
本发明中：所述的导热介质为流动性好、导热系数高的填充介质，可以是导热硅脂、导热灌封胶、纳米石墨粉等高导热的材料。
本发明中：在金属细管与热沉间的接口处设置有防水结构。所述防水结构如防水密封圈，或者直接在接口处涂覆一定厚度的防水涂料。防水结构采用防水材料制成，能起到防止冷却液渗出的作用。
一种可实现模式损耗控制的高功率光纤高效冷却方法，首先将待冷却的高功率光纤插入一中空的金属细管内部，在高功率光纤与金属细管间的间隙中注入导热介质，通过导热介质将光纤的热量均匀地传导到金属细管上；然后在光纤允许的弯曲半径范围内弯曲金属细管以改变金属细管内高功率光纤的弯曲半径和形态；最后把弯曲成型的内置有高功率光纤的金属管置于热沉的流动冷却液体中，通过流动的冷却液体带走高功率光纤产生、金属细管导出的热量。
本发明的制冷基本原理如下：
以双包层光纤为例，在大功率掺杂光纤中根据热传导方程(参见Brown D C,Hoffman H J.Thermal,stress,and thermo-optic effects in high average powerdouble-clad silica fiber lasers[J].IEEE Journal ofQuantum Electronics,2001,37(2):207-217)如下：
在掺杂光纤中，热源主要来源于纤芯对泵浦光和信号光的吸收，双包层光纤的热传导方程为：
当环境温度为Tc时，根据牛顿冷却定律和连续性条件，热传导方程的边界条件为：
T1(r＝r1)＝T2(r＝r1)， (3.1)
T2(r＝r2)＝T3(r＝r2)， (3.2)
联立上述方程(2)和(3)，可得掺杂光纤纤芯中心和表面的温度T0、Tb分别为：
在上述各式中，各个参数的物理意义如表1所示。
表1各个物理参数描述
| 符号 | 参数 | 符号 | 参数 |
| r1 | 光纤纤芯半径 | r2 | 光纤内包层半径 |
| r3 | 光纤外包层半径 | r | 极坐标半径 |
| Q | 热功率密度 | q1 | 纤芯热功率密度 |
| h | 光纤表面接触材料的热传递系数 | κ1 | 纤芯导热系数 |
| κ2 | 内包层导热系数 | κ3 | 外包层导热系数 |
| T | 温度 | T0 | 纤芯中心温度 |
| Tc | 环境冷却温度 | Ap | 泵浦光光场面积 |
从式(4)、(5)可知，在掺杂光纤参数一定、泵浦激光波长和功率一定、环境温度一定的情况下，掺杂光纤包层和纤芯的温度与光纤表面接触材料的热传递系数h有关，h越大，光纤包层和纤芯温度越低。根据Brown等人的理论分析(参见Brown D C,Hoffman HJ.Thermal,stress,and thermo-optic effects in high average power double-cladsilica fiber lasers.Quantum Electronics,IEEE Journal of.2001,37(2):207-217)，对掺杂光纤注入1800W的915nm泵浦激光，当h为0.001W/cm2K时，纤芯温度可达360℃；当h为0.1W/cm2K时，纤芯温度仅为33℃左右。因此，增加热传递系数，是降低光纤内部温度、提高光纤激光器和放大器工作稳定性的有效方法。
根据Lapointe等人分析(参见Lapointe M,Chatigny S,PichéM,et al.Thermaleffects in high-power CW fiber lasers[C],Proc.ofSPIE,2009)，要提高热传递系数，一方面要增加光纤与冷却介质的接触面积，另一方面要减小光纤与接触面之间的间隙。本发明就是通过特殊设计冷却方式，将光纤放置于细小的金属细管中，增大光纤与冷却介质的接触面积，减小光纤与接触面之间的间隙，从而提高热传导系数、增加散热能力。
本发明控制模式损耗的基本原理如下：
根据D.Marcuse的经典理论，光纤中LPmn模的弯曲损耗(参见D.Marcuse,Curvatureloss formula for optical fibers[J],J.Opt.Soc.Amer.B,1976,66:216-220)可以表示为：
其中V＝kaNA为归一化频率，U、W、Reff、em表示为：
Reff＝1.28Rcoil， (7.3)
这里Rcoil是弯曲半径，a是纤芯半径，β是模式对应的传播常数，k为真空中的波数，ncore和nclad分别为纤芯和包层折射率；m表示模式LPmn的阶数。
根据式(6)，当光纤中激光的模式确定时，该模式的损耗由光纤的弯曲半径Rcoil决定。因此，通过改变光纤弯曲半径，就能够控制光纤模式的损耗。传统的光纤弯曲方法要么通过设计特殊的光纤槽等固定的结构来实现光纤的弯曲、要么利用胶带等方式固定光纤实现弯曲；本发明将光纤放置于细小的金属细管内，通过金属细管的弯曲来改变光纤的弯曲，在不损坏光纤的前提下，能够在一定弯曲半径范围内任意弯曲光纤，实现不同需求的模式损耗控制。
本发明将光纤放置于金属细管的中间，并在光纤和金属细管间隙填充导热介质，使得光纤的整个外表面都与冷却介质接触、光纤径向可以均匀地高效散热，增大了光纤与冷却介质的接触面积、提高了热传导系数；通过控制金属细管的内壁直径，减小光纤外表面与铜管之间的距离，以降低热阻；由于金属细管能够在光纤允许的弯曲半径内自由弯曲，通过金属细管的弯曲改变光纤弯曲半径和弯曲形态，从而起到模式损耗控制的效果。
采用本发明可以达到以下技术效果：
1、实现高功率光纤径向均匀高效散热，降低光纤纤芯和外包层的温度，提高光纤激光器的输出功率，增加系统的稳定性。
2、通过金属细管对高功率光纤允许的半径范围内进行任意弯曲，能够对光纤进行一定范围内任意形态的控制，实现模式损耗控制，起到抑制模式不稳定和非线性效应的效果。
3、对光纤的关键熔接点进行有效冷却，降低熔接点光纤纤芯和涂覆层的温度，提高熔接点的功率承受能力和稳定性。
附图说明
图1是本发明一种可实现模式损耗控制的高功率光纤高效冷却装置的结构示意图；
图2是本发明一种可实现模式损耗控制的高功率光纤高效冷却方法的实施流程图；
图3是本发明实施例1的结构示意图；
图4是未采用本发明方法和采用本发明方法的光纤横截面与外部冷却结构示意图；
图5是未采用本发明方法和采用本发明方法的高功率光纤温度场分布；
图6是本发明提供的冷却高功率光纤及熔接点的示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1为本发明一种可实现模式损耗控制的高功率光纤高效冷却装置的结构示意图，包括待冷却的高功率光纤11、中空的金属细管12、内部具有流动冷却液体14的热沉13以及导热介质15，所述金属细管12本身具有一定的弹性，其能够在外力作用下实现弯曲形变并保持该弯曲形变。所述高功率光纤11从金属细管12的一端穿插入金属细管12内部并从金属细管12的另一端穿出；在穿插有高功率光纤11的金属细管12内，高功率光纤11与金属细管12内壁间填充有导热介质15，通过导热介质15将高功率光纤的热量均匀地传导到金属细管12上，导热介质15提高了高功率光纤与金属细管之间的导热系数。所述热沉13上设置有供金属细管12两端固定的接口。施以外力，在高功率光纤允许的弯曲半径范围内弯曲穿插有高功率光纤11的金属细管12能够改变金属细管12内穿插的高功率光纤11的弯曲半径和形态，将弯曲成型的穿插有高功率光纤11的金属细管12置于热沉13内的流动冷却液体14之中。金属细管12的两端分别固定在热沉13上设置的接口处。在金属细管12与热沉13间的接口处设置有防水结构16。所述防水结构16如防水密封圈，防水结构16采用防水材料制成，能起到防止冷却液渗出的作用。
图2是本发明一种可实现模式损耗控制的高功率光纤高效冷却方法的流程图。首先将待冷却的高功率光纤11插入一中空的金属细管12内部，在高功率光纤11与金属细管12间的间隙中注入导热介质15，通过导热介质15将光纤的热量均匀地传导到金属细管12上。然后在光纤允许的弯曲半径范围内弯曲金属细管12以改变金属细管内高功率光纤11的弯曲半径和形态；图2中给出了两种弯曲后的示意图，一种是将金属细管弯曲成连续的二维S形，一种是弯曲成向上不断螺旋的三维螺旋体形。其中，二维的S形即蛇形弯曲便于光纤的二维排布，螺旋体形弯曲则便于提高光纤中高阶模式的损耗，有利于提高模式不稳定效应的阈值。最后把弯曲成型的内置有高功率光纤的金属细管置于热沉13的流动冷却液体14中，通过流动的冷却液体14带走高功率光纤和金属细管的热量。在金属细管12与热沉13间的接口处设置有防水结构16。所述防水结构16如防水密封圈或者涂覆的防水涂料层，防水结构16采用防水材料制成，能起到防止冷却液渗出的作用。
实施例1
图3为本发明提供的一种金属套管蛇形弯曲的高功率光纤冷却详细示意图。图中，首先将待冷却的高功率光纤11插入到尺寸合适(比如对于外包层为600微米的高功率光纤，金属细管的内径可为1000微米，外径为2000微米)的金属细管12中，金属细管12与高功率光纤11之间填充导热介质15(比如导热硅脂)以提高导热系数；将内部穿插有高功率光纤的金属细管12弯曲成二维连续S型(也即蛇形)，放置于热沉13中，热沉13内部通以流动冷却液体14(比如冷却水)，金属细管12与热沉接口处填充注入防水材料(比如防水涂料)，防止冷却液渗出。高功率光纤11冷却过程中，光纤的热量首先通过导热介质15传递到金属细管12的内表面，再由金属细管内表面传递到外表面，金属细管外表面的热量通过循环流动的冷却液14带走。
图4是未采用本发明和采用本发明的光纤横截面与外部冷却结构示意图。图4(a)中，未采用本发明时，为了便于高功率光纤11制冷，一般将热沉13刻槽，将高功率光纤11放置于热沉13的槽内，并填充导热介质15，通过热沉内部的流动冷却液体14带走光纤的热量。该方案中，由于光纤上半部分没有直接与热沉接触，需要通过光纤的下表面制冷，光纤径向导热不均匀。图4(b)中，采用本发明时，高功率光纤11外表面全部被导热介质15包覆，光纤产生的热量通过导热介质15均匀地导入到合适尺寸金属细管12(比如对于外包层为600微米的高功率光纤，金属细管的内径可为1000微米，外径为2000微米)中，然后由金属细管12中的流动的冷却液14带走，采用本发明的方案，光纤径向能够通过最短的路径均匀导热，提高了制冷效果。
图5为与图4对应的未采用本发明和采用本发明的高功率光纤增益光纤温度场分布。如图5(a)所示，若不采用本发明提供的冷却方法，光纤径向散热不均匀，总体制冷效果较差，当光纤激光器双包层增益光纤熔接点处纤芯中热负荷为300W时，纤芯的温度为272.87℃，外包层温度达120℃，长时间工作会导致光纤外包层老化损坏；如图5(b)所示，若采用本发明提供的冷却方法，由于光纤径向散热均匀，同样纤芯热负荷下，该熔接点处纤芯的温度降到233.68℃，外包层温度降到70℃；考虑到商用光纤外包层的长时间温度工作温度为80℃，采用本发明后，激光器可以长时间工作而不会由于热和高温导致老化损坏。
图6为本发明冷却高功率光纤及熔接点的示意图。图6中，待冷却的高功率光纤11及涂覆后的熔接点17插入尺寸合适(比如对于外包层为600微米的高功率光纤，金属细管12的内径可为1000微米，外径为2000微米)的金属细管12中；施以外力，在高功率光纤允许的弯曲半径范围内弯曲穿插有高功率光纤11的金属细管12能够改变金属细管12内穿插的高功率光纤11的弯曲半径和形态，将弯曲成型的穿插有高功率光纤11的金属细管12放置在热沉13内部的流动冷却液体14(比如冷却水)中；待冷却的高功率光纤11和熔接点17与金属细管12之间注入导热介质15(比如导热硅脂)提高掺杂光纤与铜管之间的导热系数，热沉13内通以流动的冷却液体14；金属细管12与热沉接口处填充注入防水材料(比如防水涂料)，防止冷却液渗出。高功率光纤冷却过程中，光纤和熔接点的热量首先通过导热介质传递到金属细管的内表面，再由金属细管内表面传递到外表面，金属细管外表面的热量通过循环流动的冷却液带走。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种可实现模式损耗控制的高功率光纤高效冷却装置，其特征在于，包括高功率光纤、中空的金属细管、内部具有流动冷却液体的热沉以及导热介质，所述金属细管具有一定的弹性能够在外力作用下实现弯曲形变并保持该弯曲形变，所述高功率光纤从金属细管的一端穿插入金属细管内部并从金属细管的另一端穿出；在穿插有高功率光纤的金属细管内，高功率光纤与金属细管内壁间填充有导热介质，通过导热介质将高功率光纤的热量均匀地传导到金属细管上；所述热沉上设置有供金属细管两端固定的接口，施以外力弯曲穿插有高功率光纤的金属细管能够改变金属细管内穿插的高功率光纤的弯曲半径和形态，将弯曲成型的穿插有高功率光纤的金属细管置于热沉内的流动冷却液体之中，金属细管的两端分别固定在热沉上设置的接口处。
2.根据权利要求1所述的可实现模式损耗控制的高功率光纤高效冷却装置，其特征在于，所述热沉上设置有冷却液体进口和冷却液体出口，所述热沉内部通以流动的冷却液体，冷却液体从冷却液体进口流入热沉，从冷却液体出口流出，进而在热沉内部形成流动以带走光纤产生的热量。
3.根据权利要求1或2所述的可实现模式损耗控制的高功率光纤高效冷却装置，其特征在于，在高功率光纤允许的弯曲半径范围内弯曲穿插有高功率光纤的金属细管。
4.根据权利要求3所述的可实现模式损耗控制的高功率光纤高效冷却装置，其特征在于，在高功率光纤允许的弯曲半径范围内，能够将穿插有高功率光纤的金属细管弯曲成二维连续S型或三维螺旋体形。
5.根据权利要求1所述的可实现模式损耗控制的高功率光纤高效冷却装置，其特征在于，所述高功率光纤是用于高功率光纤激光器、放大器中的光纤，包括掺杂光纤和传能光纤，其纤芯直径在10-200微米，外包层直径在250-1000微米之间。
6.根据权利要求1所述的可实现模式损耗控制的高功率光纤高效冷却装置，其特征在于，所述金属细管内部为圆形截面的中空结构，金属细管采用铜管或铝管。
7.根据权利要求6所述的可实现模式损耗控制的高功率光纤高效冷却装置，其特征在于，金属细管内径比其内部待穿插的高功率光纤外径大10-500微米，内径在250～1500微米之间；金属细管的长度比其内部待穿插的高功率光纤的长度短，金属细管的管壁厚度在500～2000微米之间。
8.根据权利要求1所述的可实现模式损耗控制的高功率光纤高效冷却装置，其特征在于，所述的导热介质是导热硅脂、导热灌封胶或纳米石墨粉。
9.根据权利要求1所述的可实现模式损耗控制的高功率光纤高效冷却装置，其特征在于，在金属细管与热沉间的接口处设置有防水结构，所述防水结构为防水密封圈或者涂覆在接口处的防水涂料。
10.一种可实现模式损耗控制的高功率光纤高效冷却方法，首先将待冷却的高功率光纤插入一中空的金属细管内部，在高功率光纤与金属细管间的间隙中注入导热介质，通过导热介质将光纤的热量均匀地传导到金属细管上；然后在光纤允许的弯曲半径范围内弯曲金属细管以改变金属细管内高功率光纤的弯曲半径和形态；最后把弯曲成型的内置有高功率光纤的金属管置于热沉的流动冷却液体中，通过流动的冷却液体带走高功率光纤和金属细管的热量。
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