CN107591667A - 一种新型高效散热高功率光纤激光输出头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型高效散热高功率光纤激光输出头，带有散热通道的金属结构，散热通道的进出水口，带有传输光纤的铠装结构，以及对铠装结构和输出头金属壳体起紧固作用的紧固件，将传输光纤与锥形石英端帽的熔接点巧妙封装，形成全方位冷却的液冷腔体，不仅实现对承载数千瓦光纤激光的熔点进行散热，还实现对锥形石英端帽的全方位侧面散热，既解决了熔点的热量耗散也解决了锥形石英端帽由于散射和端面反射造成的表面发热问题。本发明在高功率激光输出的情况下，能够有效降低石英端帽玻璃的温度梯度，从而避免激光输出头自身热效应对输出激光稳定性的影响。该方案具有散热高效、结构简单等特点，是实现超高功率激光稳定输出的重要方法。

Description

一种新型高效散热高功率光纤激光输出头

技术领域

本发明属于光纤激光器技术应用领域，涉及一种适用于高功率光纤激光器的制冷式激光输出头。

背景技术

随着大功率光纤激光器输出功率水平的不断提高，热问题已经成为制约光纤激光器输出功率进一步提高的制约因素。其中，光纤激光器中的激光输出头作为高功率激光的最终输出器件，需要承载整个激光器系统中的最高激光能量。因此，激光输出头的热稳定性制约了激光器输出激光的稳定性，如何能够高效地将输出头上的废热快速的带走，成为光纤激光器领域重要的研究课题

当前，高功率光纤激光输出头主要水冷方式进行散热，然而在设计散热结构时都没有对石英端帽进行有效散热。例如专利CN105527679A，一种光纤激光输出头及其制造方法，是利用封装在玻璃套管内的包层光玻璃器消除残余泵浦光和石英端面返回光，再利用冷却液对玻璃套管进行散热，而并没有针对石英端帽进行散热；又如专利CN104882770A，一种具有带光束聚焦特性和功率监测功能的激光输出头，其散热区域也是仅限为模式剥离器所在区域。

上述方法在散热设计上均具有一定的局限性，其石英端帽区域存在散热不充分的问题，特别是在高功率激光连续输出的时候，随着光纤激光输出功率和激光持续输出时间的进一步增加，该类方法很难将石英端帽区域的热量快速带走，从而在石英端帽处产生大量热积累。该热积累可能会进一步引发两方面问题，一是由于石英端帽和后续光纤之间散热条件的不同使二者产生明显的温度差异，进而产生折射率差，最终影响二者的匹配效果；二是由于石英端帽的热积累使其出现较为严重的热效应，从而影响输出激光的稳定性。

发明内容

(一)技术问题

本发明要解决的技术问题是：鉴于光纤激光器输出功率越来越高，对光纤激光输出头的要求也随之升高，而当前光纤激光输出头不仅仅在传输光纤与锥形石英端帽的异型熔点处有热分布存在，而且在锥形石英端帽靠近激光输出端面附近有散射和端面反射的热分布存在，造成散热不足的问题，影响激光输出头实现超高功率激光输出。(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种新型高效散热高功率光纤激光输出头，其包括：输出头封装模块和输出头散热模块，所述输出头封装模块对所述输出头的传输光纤8进行保护封装，所述输出头散热模块设置在所述输出头的传输光纤8与锥形石英头12的连接段，所述输出头散热模块包括：熔点液冷腔壳体2，套设在传输光纤8与锥形石英头12外部，其一端连接输出头封装模块，另一端位于锥形石英头12端部，并设置密封固定片16进行密封；所述熔点液冷腔壳体2上开设进水通道13、环绕锥形石英头端部侧壁的石英头侧壁冷却腔14、多路环绕石英头侧壁的输水通道15、环绕传输光纤8和传输光纤8与锥形石英头12之间熔点11的熔点液冷腔10，进水通道13一端连接外部的进水口3，进水通道13另一端连通石英头侧壁冷却腔14，多路输水通道15一端连通石英头侧壁冷却腔14，多路输水通道15另一端连通熔点液冷腔10，熔点液冷腔10连接出水口4；冷却液依次通过进水口3、进水通道13进入石英头侧壁冷却腔14，然后由石英头侧壁冷却腔14内通过多路输水通道15输送至熔点液冷腔10，再由出水口4排出，冷却液通过与锥形石英头12的侧壁、熔点11和传输光纤8直接接触，进行热交换，达到散热目的。

其中，所述进水通道13与传输光纤8平行。

其中，多路所述输水通道15间隔布置在锥形石英头12的侧壁，在起到传输冷却液作用的同时，还起到对锥形石英头12侧壁散热的作用。

其中，所述密封固定片16套设在锥形石英头12上，与锥形石英头12之间通过光学胶固定以实现水密封，激光输出头密封固定片16与熔点液冷腔壳体2之间通过螺纹连接并加固定胶实现水密封，从而三者形成了石英头侧壁冷却腔14。

其中，所述熔点液冷腔壳体2外部套设有结构固定环1，结构固定环1上设置安装孔，用于实现激光输出头的固定安装。

其中，所述输出头封装模块包括铠装液冷腔连接件5、铠装保护管6、传输光纤保护内管7、传输光纤连接器9、铠装管紧固件17；传输光纤8穿过传输光纤保护内管7，传输光纤保护内管7穿过铠装保护管6，铠装保护管6与铠装管紧固件17通过螺纹连接，沿激光方向向前拉铠装管6与铠装管紧固件17，将铠装管紧固件17与铠装液冷腔连接件5通过螺纹连接，传输光纤保护内管7与传输光纤连接器9通过胶固定，同时将铠装液冷腔连接件5套设在传输光纤连接器9外部并通过螺纹连接，传输光纤连接器9通过外螺纹与熔点液冷腔壳体2连接。

其中，所述传输光纤连接器9的穿孔内涂光学胶，填充传输光纤8与传输光纤连接器9小孔之间的空隙，然后将传输光纤连接器9的外螺纹涂胶，并通过螺纹与熔点液冷腔壳体2固定。

其中，所述传输光纤保护内管7与传输光纤连接器9通过胶固定。

其中，所述输出头封装模块和输出头散热模块选用金属制作。

其中，所述输水通道15设有四路。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的新型高效散热高功率光纤激光输出头，通过优化散热水道，创新性的设计出环绕锥形石英端帽侧壁的水路，实现进出水水路的巧妙分离，液冷腔体不仅仅能够将高承载功率熔点封装在液冷腔体内，还通过环绕锥形石英端帽侧壁的液冷通道设计，将水路进一步向锥形石英端帽的激光输出端面延伸，尽可能的提高了锥形石英端帽的散热表面积，让冷却液与裸露光纤和石英端帽充分接触，增强了散热能力，为实现光纤激光器更高功率的连续激光输出提供了强有力的支撑。

附图说明

图1为本发明的内部结构剖面图。

图2为本发明的外观结构示意图。

图3为石英头侧壁冷却腔14的截面图。

图中，1-结构固定环，2-熔点液冷腔壳体，3-进水口，4-出水口，5-铠装液冷腔连接件，6-铠装保护管，7-传输光纤保护内管，8-传输光纤，9-连接器，10-熔点液冷腔，11-熔点，12-锥形石英头，13-进水通道，14-石英头侧壁冷却腔，15-输水通道，16-密封固定片，17-铠装管紧固件。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

参照图1所示，激光输出头的发热部位，主要集中在传输光纤8与锥形石英头12的熔点11的前后部位，以及传输光纤8穿过连接器9的固定孔内，因为固定孔内有固定胶，当超高功率的光纤激光通过传输光纤8的时候，以上两处将会是热量的密集区域。因此，本实施例设计熔点液冷腔10，通过制冷液的快速流动，实现对上述热密集区域的散热。

但是，随着光纤输出激光的大幅增加，激光输出头所承载的激光功率越来越高，因此，除了上述两处热密集区域需要散热之外，由于熔点11处激光的损耗和散射，以及锥形石英头12端面的反射，锥形石英头12的侧壁和锥形区域也成为了热密度极高的区域，需要良好的散热，从而将激光输出端头控制在安全的温度，确保激光输出头工作的稳定性和可靠性。

鉴于此，本发明提供一种新型高效散热高功率光纤激光输出头，参照图1至图3所示，所述输出头包括：输出头封装模块和输出头散热模块，所述输出头封装模块对所述输出头的传输光纤8进行保护封装，所述输出头散热模块设置在所述输出头的传输光纤8与锥形石英头12的连接段，所述输出头散热模块包括：熔点液冷腔壳体2，套设在传输光纤8与锥形石英头12外部，其一端连接输出头封装模块，另一端位于锥形石英头12端部，并设置密封固定片16进行密封；所述熔点液冷腔壳体2上开设进水通道13、环绕锥形石英头端部侧壁的石英头侧壁冷却腔14、多路环绕石英头侧壁的输水通道15、环绕传输光纤8和传输光纤8与锥形石英头12之间熔点11的熔点液冷腔10，进水通道13一端连接外部的进水口3，进水通道13另一端连通石英头侧壁冷却腔14，多路输水通道15一端连通石英头侧壁冷却腔14，多路输水通道15另一端连通熔点液冷腔10，熔点液冷腔10连接出水口4；冷却液依次通过进水口3、进水通道13进入石英头侧壁冷却腔14，然后由石英头侧壁冷却腔14内通过多路输水通道15输送至熔点液冷腔10，再由出水口4排出，冷却液通过与锥形石英头12的侧壁、熔点11和传输光纤8直接接触，进行热交换，达到散热目的。

本实施例中，进水通道13与传输光纤8平行。多路输水通道15间隔布置在锥形石英头12的侧壁，在起到传输冷却液作用的同时，还起到对锥形石英头12侧壁散热的作用。本实施例中设置四路输水通道15。

本实施例冷却液从传输光纤8外部延伸到锥形石英头12的端面，增加了锥形石英头12的侧壁和锥形侧壁区域与冷却液的接触表面积，大幅提高锥形石英头12的散热能力，为实现更高功率的激光输出提供了良好的散热结构。

其中，密封固定片16套设在锥形石英头12上，与锥形石英头12之间通过光学胶固定以实现水密封，激光输出头密封固定片16与熔点液冷腔壳体2之间通过螺纹连接并加固定胶实现水密封，从而三者形成了石英头侧壁冷却腔14。

熔点液冷腔壳体2外部套设有结构固定环1，结构固定环1上设置安装孔，用于实现激光输出头的固定安装。

所述输出头封装模块包括铠装液冷腔连接件5、铠装保护管6、传输光纤保护内管7、传输光纤连接器9、铠装管紧固件17；传输光纤8穿过传输光纤保护内管7，传输光纤保护内管7穿过铠装保护管6，铠装保护管6与铠装管紧固件17通过螺纹连接，沿激光方向向前拉铠装管6与铠装管紧固件17，将铠装管紧固件17与铠装液冷腔连接件5通过螺纹连接，传输光纤保护内管7与传输光纤连接器9通过胶固定，同时将铠装液冷腔连接件5套设在传输光纤连接器9外部并通过螺纹连接，传输光纤连接器9通过外螺纹与熔点液冷腔壳体2连接。

为了实现密封性，传输光纤连接器9的穿孔内涂光学胶，填充传输光纤8与传输光纤连接器9小孔之间的空隙，然后将传输光纤连接器9的外螺纹涂胶，并通过螺纹与熔点液冷腔壳体2固定。

传输光纤保护内管7与传输光纤连接器9通过胶固定。

本实施例中，输出头封装模块和输出头散热模块选用金属制作，尤其是传热性能号的金属，如铝。

本发明基于冲刷式对流散热原理，设计了一种一体化的高效散热水路，让冷却液与裸露光纤和石英端帽充分接触，大幅提高了散热表面积，增强了散热能力，从而实现高功率激光的持续输出。

液冷腔体不仅仅能够将高承载功率熔点封装在液冷腔体内，还通过环绕锥形石英端帽侧壁的液冷通道设计，将水路进一步向锥形石英端帽的激光输出端面延伸，尽可能的提高了锥形石英端帽的散热表面积，大幅提高了散热能力，确保承载输出激光功率的进一步提高。裸露光纤和石英端帽的锥区长度可根据具体情况调整。

环绕锥形石英端帽侧壁的水路，实现进出水水路的巧妙分离，形成高效散热激光输出头，其中，所述散热通道的形状为圆柱形或梯形槽结构，也可以增加通道数量，或者形状。在散热能力足够的条件下，冷却液可替换成任何液冷散热剂。

本发明将传输光纤与锥形石英端帽的熔接点巧妙的封装起来，形成了一个全方位冷却的液冷腔体，不仅可以实现对承载数千瓦光纤激光的熔点进行散热，还可以实现对锥形石英端帽的全方位侧面散热，既解决了熔点的热量耗散也解决了锥形石英端帽由于散射和端面反射造成的表面发热问题。本发明与普通的制冷式激光输出头相比，通过一体化结构设计，实现了对石英端帽的冲刷式对流散热，在高功率激光输出的情况下，能够有效降低石英端帽玻璃的温度梯度，从而避免激光输出头自身热效应对输出激光稳定性的影响。该方案散热结构巧妙，具有散热高效、结构简单等特点，是实现超高功率激光稳定输出的重要方法。

基于上述激光输出头结构，其装配过程如下：

(1)按照图1和图2所示的结构图加工出熔点液冷腔壳体2、铠装液冷腔连接件5、传输光纤连接器9、铠装管紧固件17，激光输出头密封固定片16。

(2)将传输光纤保护内管7穿过铠装保护管6，再把传输光纤8穿过传输光纤保护内管7，如图1所示。

(3)传输光纤8依次穿过铠装管紧固件17、铠装液冷腔连接件5、传输光纤连接器9、熔点液冷腔壳体2；

(4)把传输光纤8从铠装保护管6拉出足够熔接的长度，与锥形石英头12的激光输入端熔接；

(5)把锥形石英头12与熔点液冷腔壳体2进行结构配合组装，如图3所示，熔点液冷腔壳体2与锥形石英头12之间的连接处涂光学胶固定；将激光输出头密封固定片16与熔点液冷腔壳体2通过螺纹装配，并在螺纹处涂胶，实现水密封；同时，在激光输出头密封固定片16与锥形石英头12之间涂光学胶，固定并实现水密封。

(6)在连接器9的穿孔内涂光学胶，填充传输光纤8与传输光纤连接器9小孔之间的空隙，然后将传输光纤连接器9的外螺纹涂胶，并通过外螺纹与熔点液冷腔壳体2固定。

(7)将传输光纤保护内管7与传输光纤连接器9通过胶固定。同时，将铠装液冷腔连接件5与传输光纤连接器9通过螺纹紧固，如图1所示。

(8)将铠装保护管6与铠装管紧固件17通过螺纹固定，然后沿着激光方向向前拉铠装管6与铠装管紧固件17，将铠装管紧固件17与铠装液冷腔连接件5通过螺纹固定起来。

由此，就完成了一种新型高效散热高功率光纤激光输出头的制备。

由上述技术方案可以看出，本发明具有以下显著特点：

1、设计了环绕锥形石英端帽侧壁的水路，实现进出水水路的巧妙分离，液冷腔体不仅仅能够将高承载功率熔点封装在液冷腔体内，还通过环绕锥形石英端帽侧壁的液冷通道设计，将水路进一步向锥形石英端帽的激光输出端面延伸，尽可能的提高了锥形石英端帽的散热表面积，让冷却液与裸露光纤和石英端帽充分接触，不仅实现了光纤熔点区域的高效散热，还实现了对锥形石英头12的高效散热。

2、激光输出头密封固定片16的设计，使得石英头侧壁冷却腔14的进水通道13和输水通道15的结构可以多样化设计，确保水流流量均衡、散热均匀，实现良好的散热，提高高功率光纤激光输出头的输出承载功率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型高效散热高功率光纤激光输出头，其特征在于，包括：输出头封装模块和输出头散热模块，所述输出头封装模块对所述输出头的传输光纤(8)进行保护封装，所述输出头散热模块设置在所述输出头的传输光纤(8)与锥形石英头(12)的连接段，所述输出头散热模块包括：熔点液冷腔壳体(2)，套设在传输光纤(8)与锥形石英头(12)外部，其一端连接输出头封装模块，另一端位于锥形石英头(12)端部，并设置密封固定片(16)进行密封；所述熔点液冷腔壳体(2)上开设进水通道(13)、环绕锥形石英头端部侧壁的石英头侧壁冷却腔(14)、多路环绕石英头侧壁的输水通道(15)、环绕传输光纤(8)和传输光纤(8)与锥形石英头(12)之间熔点(11)的熔点液冷腔(10)，进水通道(13)一端连接外部的进水口(3)，进水通道(13)另一端连通石英头侧壁冷却腔(14)，多路输水通道(15)一端连通石英头侧壁冷却腔(14)，多路输水通道(15)另一端连通熔点液冷腔(10)，熔点液冷腔(10)连接出水口(4)；冷却液依次通过进水口(3)、进水通道(13)进入石英头侧壁冷却腔(14)，然后由石英头侧壁冷却腔(14)内通过多路输水通道(15)输送至熔点液冷腔(10)，再由出水口(4)排出，冷却液通过与锥形石英头(12)的侧壁、熔点(11)和传输光纤(8)直接接触，进行热交换，达到散热目的。

2.如权利要求1所述的新型高效散热高功率光纤激光输出头，其特征在于，所述进水通道(13)与传输光纤(8)平行。

3.如权利要求1所述的新型高效散热高功率光纤激光输出头，其特征在于，多路所述输水通道(15)间隔布置在锥形石英头(12)的侧壁，在起到传输冷却液作用的同时，还起到对锥形石英头(12)侧壁散热的作用。

4.如权利要求1所述的新型高效散热高功率光纤激光输出头，其特征在于，所述密封固定片(16)套设在锥形石英头(12)上，与锥形石英头(12)之间通过光学胶固定以实现水密封，激光输出头密封固定片(16)与熔点液冷腔壳体(2)之间通过螺纹连接并加固定胶实现水密封，从而三者形成了石英头侧壁冷却腔(14)。

5.如权利要求1所述的新型高效散热高功率光纤激光输出头，其特征在于，所述熔点液冷腔壳体(2)外部套设有结构固定环(1)，结构固定环(1)上设置安装孔，用于实现激光输出头的固定安装。

6.如权利要求1所述的新型高效散热高功率光纤激光输出头，其特征在于，所述输出头封装模块包括铠装液冷腔连接件(5)、铠装保护管(6)、传输光纤保护内管(7)、传输光纤连接器(9)、铠装管紧固件(17)；传输光纤(8)穿过传输光纤保护内管(7)，传输光纤保护内管(7)穿过铠装保护管(6)，铠装保护管(6)与铠装管紧固件(17)通过螺纹连接，沿激光方向向前拉铠装管(6)与铠装管紧固件(17)，将铠装管紧固件(17)与铠装液冷腔连接件(5)通过螺纹连接，传输光纤保护内管(7)与传输光纤连接器(9)通过胶固定，同时将铠装液冷腔连接件5套设在传输光纤连接器9外部并通过螺纹连接，传输光纤连接器(9)通过外螺纹与熔点液冷腔壳体(2)连接。

7.如权利要求1所述的新型高效散热高功率光纤激光输出头，其特征在于，所述传输光纤连接器(9)的穿孔内涂光学胶，填充传输光纤(8)与传输光纤连接器(9)小孔之间的空隙，然后将传输光纤连接器(9)的外螺纹涂胶，并通过螺纹与熔点液冷腔壳体(2)固定。

8.如权利要求1所述的新型高效散热高功率光纤激光输出头，其特征在于，所述传输光纤保护内管(7)与传输光纤连接器(9)通过胶固定。

9.如权利要求1所述的新型高效散热高功率光纤激光输出头，其特征在于，所述输出头封装模块和输出头散热模块选用金属制作。

10.如权利要求1所述的新型高效散热高功率光纤激光输出头，其特征在于，所述输水通道(15)设有四路。