CN107959220A - 一种光纤激光器用圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光纤激光器用圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置和方法，所述光纤盘绕装置包括导热圆桶，圆桶内壁呈上大下小的锥形，锥壁上加工有V型螺纹槽，光纤依V型螺纹槽的锥形轨迹自下而上盘绕在导热圆桶的内壁上，光纤二头采用弹簧压杆固定在螺纹槽里。本发明利用锥形螺纹槽式的光纤盘绕方式，改善了光纤激光器有源光纤的散热条件，规范了光纤盘绕的大小与形状。特别是利用了光纤自身弯曲时往外的张力和自身的地心引力，能使光纤受力均匀地镶嵌在螺纹槽中，与螺纹槽二边双面线面接触，并能随温度变化自由伸缩，从而保证了光纤激光器工作的稳定性，同时弹簧压杆固定光纤，有利于盘绕光纤搬移，减少光纤损伤和内应力产生，属于下一代光纤激光器光纤盘绕技术的发展方向。

Description

一种光纤激光器用圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置和方法

技术领域

本发明涉及光纤激光器领域，具体设计一种有源光纤的盘绕装置和方法。

背景技术

光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有固体和气体激光器无可比拟的优越性，包括体积小、光束质量好、电光转化效率高、运行成本低、加工精度高等特点。光纤激光器已经广泛应用于材料处理与机械加工等高端制造产业，市场前景非常广阔。大功率光纤激光器由种子光源、泵浦激光器和有源光纤组成，种子光源在通过芯径约为100微米的有源光纤时，其光功率在泵浦激光器的帮助下逐步放大。通常有源光纤的光放大效率为40-50％左右，另外50-60％的功率以热量的形式通过光纤表面散发出去。例如，大功率光纤激光器的功率至少在100W以上，也就是说有120W的能量需要以热量的形式从100微米的纤芯中散发出去。光纤激光器的功率越高，通过有源光纤纤芯的功率密度越高，产生的热量也就越高，因此有源光纤的有效散热是光纤激光器的一个关键技术。在使用过程中有源光纤通常以盘绕方式放置散热板(即热沉)上来散热。这样的放置，一方面，如果光纤盘绕不当，极易产生应力，在长期使用过程中，光纤内部容易受损，造成能量局部集中，从而导致光纤烧损。另一方面，如果光纤盘绕不当，光纤与热沉的接触不均匀，光纤的散热不均匀，也极易造成热量局部集中，从而导致光纤烧损。

现在市场上的光纤激光器里的有源光纤的盘绕方法主要有两种。一种是在铝质圆柱体上盘绕光纤的方法，如图1所示。光纤101成螺纹状盘绕在光滑的铝质圆柱体100上，铝质圆柱体100作为热沉可以采用水冷或风冷的方式来进一步散热。为了不让光纤从圆柱体上滑落，光纤与光纤不仅需要直接紧密接触，同时需要给光纤有一定的预紧力，通常是拉力，以保证光纤的每点都与圆柱体均匀紧密接触102来散热。但是作用在光纤上的拉力会在光纤内部产生了应力，而且光纤的石英材质与散热圆柱体的铝材质热膨胀系数不一样，随着工作环境温度的变化，会对光纤产生疲劳应力，从而对光纤激光器的使用寿命产生巨大影响。

另一种盘绕方法是平板式光纤盘绕方式，如图2所示。光纤101成涡状线盘绕在一块铝质散热平板103上，不需要光纤的预紧力，相对圆柱盘绕式来说，这种方式的优点是有效地消除了光纤盘绕过程中的应力，但是由于是自由落体式地摆放在散热铝板104上，有一些光纤并不能完全散落在散热板上，造成光纤散热不均匀。同时光纤盘绕的直径也有随意性。

发明内容

本发明基于上述现有技术缺陷，通过长期的创新试验研究，对传统的光纤盘绕方法进行了创新改造，提出一种全新结构的圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕方法。通过在一圆柱桶中心加工出锥形内壁，锥形直径自下而上逐渐增大，然后在内壁上开出螺纹槽，将有源光纤顺着螺纹槽自下向上盘绕在锥面螺纹槽里。由于光纤绕在桶状锥体的内壁，利用光纤自身的重力，以及光纤与槽的摩擦力，使光纤能均匀嵌在螺纹槽内。同时，利用光纤自身往外的弹力，使光纤嵌在槽内的力度保持均匀。此外，在温度变化时，光纤也能随着园桶内壁的增大变小而产生相应的变化，从而使光纤能有效地均匀散热而不产生内应力。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种光纤激光器用圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置，包括：导热圆桶1，所述圆桶1中心开有锥形内壁2，内壁2上有机加工形成的V型螺纹槽3，所述锥形螺纹槽3内自下而上盘绕着光纤4，圆桶1上下二端安装有弹簧压杆10，来固定光纤4的二头。

进一步的根据本发明所述的圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置，其中所述圆桶1的内壁2自下而上呈倒锥状，即下小上大，锥体的角度5处于30-70度之间。所述内壁2的半径大于光纤4允许的缠绕半径。

进一步的根据本发明所述的圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置，其中所述圆桶锥形内壁上的V型螺纹槽3的截面与锥形内壁2呈等腰或等边三角形，所述V型螺纹槽的下边6与水平面呈0-30°角，所述V型螺纹槽的上边7与下边6形成的三角形的顶角8介于40-80°角，所述螺纹槽上下二边6和7的长度大于光纤4直径的1-2倍。

进一步的根据本发明所述的圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置，其中所述圆桶锥形内壁上的螺纹槽3的螺纹间距9是光纤4直径的1-3倍。

进一步的根据本发明所述的圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置，其中所述圆桶1的上下二端安装有L型弹簧压杆10，用于固定光纤4的二头。L型压杆的一边平行于锥形内壁2，其间隙小于光纤4的直径。

进一步的根据本发明所述的圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置，其中所述圆桶1的高度和大小依据光纤4的长度而设定，所述圆桶1的材质要求具有良好的导热性，如铝，铜等，所述圆桶1壁厚依据光纤4所需散热量的大小而定，同时为了增加散热能力，所述圆桶1的外壁可以缠绕有水冷铜或固定有冷却风扇。

一种使用本发明所述的圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕方法，包括以下步骤：

步骤(1)、将导热圆桶水平防置，并把圆桶上下二端的L型弹簧压杆打开；

步骤(2)、将待盘绕的光纤一头放入下端弹簧压杆处的V型螺纹槽内，并关上下端弹簧压杆，固定光纤一头；

步骤(3)、将未固定的光纤轻轻提起置于圆桶锥形内壁的上部，然后把光纤顺V型螺纹槽的方向从下而上缓慢落在螺纹槽里，直至螺纹槽顶端；

步骤(4)、将圆桶上端的L型弹簧压杆关上，把光纤另一头固定住，完成光纤盘绕过程。

通过本发明的技术方案至少能够达到以下技术效果：

1)、本发明对传统光纤激光器中有源光纤的盘绕装置进行了创新改进，创新地引进圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕方法，光纤顺着螺纹盘绕在螺纹槽里，避免了光纤与光纤之间的直接接触，避免了热点产生；

2)、本发明首创地采用光纤盘绕在V型螺纹槽里，在光纤自身往外的弹力作用下，光纤表面总有两条线面均匀的弹在槽壁上，相比传统的盘绕方法的一线面落在散热体上，增加了一线面散热；

3)、本发明创新了光纤盘绕固定方法，通过创新地采用弹簧压杆固定光纤二头，避免了光纤从固定的散热槽里意外地脱落，便于盘绕光纤的搬移，同时又没有限制光纤二头的自由滑移，能有效减少光纤的内应力产生；

4)、本发明首创的基于光纤顺着螺纹盘绕在螺纹槽里的方法属于对当前光纤激光器中有源光纤的盘绕工艺中的一项重大创新改进，保证了每一个激光器的光纤盘绕的形状与大小的恒定，光纤盘绕的半径随内壁锥体的形状而有规律的变化，避免了平板式光纤盘绕半径的随意性.所述圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置代替传统有源光纤的盘绕装置后所需光纤的缠绕过程可以保持完全一致，不会增加任何额外的设备投资，而且能保证光纤盘绕操作快捷、简便，因此具有广阔的市场推广应用前景。

附图说明

附图1为一种传统的铝质圆柱体上盘绕光纤装置的结构示意图；

附图2为另一种传统的平板式光纤盘绕装置的结构示意图；

附图3为本发明所述全新结构的圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置结构示意图；

附图4为本发明所述圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置的锥形内壁截面和弹簧压杆结构示意图；

附图5为本发明所述圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕方法示意图。

图中各附图标记的含义如下：

100-铝质圆柱体，101-有源光纤，102-光纤与圆柱体接触点，103-铝质平板，104-光纤与平板接触点；

1-导热圆桶，2-圆桶锥形内壁，3-V型螺纹槽，4-光纤，5-锥形内壁半锥角，6-V型螺纹槽下边，7-V型螺纹槽上边，8-V型螺纹槽顶角，9-螺纹槽间距，10-L型弹簧压杆，11-张紧弹簧，12-光纤压套，13-固定螺钉，14-圆桶上端，15-圆桶下端，16-弹簧压杆张开，17-弹簧压杆关闭。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。

结合附图3至附图4说明本发明创新提出的光纤盘绕装置的结构。本发明提出的圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置包括导热圆桶1、圆桶锥形内壁2、V型螺纹槽3、光纤4和L型弹簧压杆10。所述导热圆桶1作为有源光纤的散热主体，采用导热性好、易加工、重量轻的材料加工制作，如铝、铜、镁等金属材料，优选的所述导热圆桶1是由重量轻成本低耐腐蚀的铝合金6061加工而成，整体形状为圆柱体结构，圆柱体直径150-200mm，圆柱体高度10-30mm，圆柱体中心开一个锥形内壁2，上大下小，锥形内壁直径小于圆柱体直径，大于光纤盘绕所要求的最小直径，优选100-190mm。所述圆桶锥形内壁半锥角5应加工成30°-75°角之间，优选45°角。锥形内壁高度小于或等于圆柱体高度。锥形内壁上用数控机床加工有V型螺纹槽3，螺纹槽下边6是承载光纤4的。为了方便所述光纤4顺利、有效并可靠地盘绕在V型螺纹槽3里，所述螺纹槽下边6的长度应大于光纤直径，通常为光纤直径的1-2倍；它与水平面的夹角应保持在0°-30°角之间，优选15°角，可以有效防止光纤4从V型螺纹槽3中的滑落。所述V型螺纹槽上边7与V型螺纹槽下边6是相对应的，它们与锥形内壁2形成一个等腰或等边三角形，有利于采用现有的刀具进行加工。所述V型螺纹槽顶角8是这个等腰三角形的顶角，其角度可选40°-80°角，优选60°角，以保证光纤能够与上下边都保持有效接触，同时减少V型螺纹槽的加工量。所述V型螺纹槽间距9大于光纤的直径，以便光纤盘绕时上下光纤互不干扰，同时间距9不宜过大，以尽量减少圆桶的高度。通常螺纹槽间距9以2-3倍的光纤直径为宜。此外，为了防止光纤盘绕或搬移时光纤二头从螺纹槽里弹出，圆桶上下端都固定有一个L型弹簧压杆10。所述L型弹簧压杆10的连接处由不锈钢张紧弹簧11连接，其L型角度可依据张紧弹簧11的张开角来调节。L型弹簧压杆可以用金属(如铝，不锈钢等)或塑料(如ABS塑料、PVC塑料等)加工制造而成。L型弹簧压杆一边与锥形内壁2平行，其顶端套有光纤压套12，压套12的大小(或直径)可以确保压套12与锥形内壁2的缝隙小于光纤直径，同时没有直接压在光纤4上，这样既可保证光纤不会从V型螺纹槽中滑落，又没有对光纤产生压力，使光纤二头依据自身的张力在螺纹槽里自由上下滑移；压套12的长度可以保证压杆能够压在1-3根光纤的范围内。所述有光纤压套12可以用PVC塑料加工制造而成，从而避免了光纤盘绕时压杆对光纤的划伤。L型弹簧压杆另一边用固定螺钉13固在圆桶上端14(或圆桶的下端15)。所述光纤4在锥形内壁2上从下往上依次盘绕在V型螺纹槽3里，其二头用圆桶上下二端的L型弹簧压杆固定在螺纹槽里而不会脱落。

在实际应用中，为了提高散热效果，所述圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置可以固定在一块更大的散热板(或器、或块)上，导热圆桶低端与大散热板的缝隙可以填充导热硅脂或其他导热材料，同时导热圆桶的外圆柱面可以连接冷却管或圆柱状散热片。这些变换都属于本发明的保护范畴。

下面进一步具体给出本发明创新提出的光纤激光器用有源光纤的盘绕方法，尤其是使用本发明创新提出的圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕过程。首先描述整个光纤盘绕方法的基本原理过程，最后给出具体的方法步骤。

在光纤激光器中起光功率放大作用的有源光纤，其核心材料是高纯SiO2(石英)，其弹性模量(杨氏模量)高(>80GPa)，刚性大，不易变形和弯折，如果弯折不当易产生断裂，而且表面容易划伤。通常为了使种子光源的光功率从0.1W放大到100W或甚至更大，有源光纤的长度须至少大于5-10米或甚至更长。如此长的光纤在光纤激光器中的放置只能是通过盘绕的方式。光纤盘绕对盘绕直径有一定要求，一方面如果盘绕直径太大，光纤占地面积大，不利于设备小型化；另一方面如果盘绕直径太小，弯曲过程会对刚性光纤产生过大的应力，影响光在光纤中的传输性能和光纤使用寿命。通常要求光纤盘绕直径大于30倍的光纤直径，如光纤直径为0.45毫米，光纤盘绕直径至少大于14毫米。实际生产过程中，光纤盘绕直径多是在50-80毫米之间。盘绕后的光纤，由于自身的刚性比较大，会产生向外弹开的张力，所以盘绕的光纤都是放在一个圆槽里，已确保光纤不会由于向外的弹力而产生乱线现象。使用本发明所述的圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置对有源光纤进行实际盘绕操作时，首先将导热圆桶1平放在桌面上，打开圆桶上下二端的L型弹簧压杆16，把待盘绕的光纤4的一头放入圆桶下端锥形内壁2的V型螺纹槽里，然后把下端的弹簧压杆关上17，固定住光纤一头。光纤从圆桶下端的处开始盘绕，利用光纤的自重和弯曲张力让光纤沿圆桶锥形内壁2自下而上地盘绕在V型螺纹槽里，当光纤盘绕到达圆桶顶端时，把上端的弹簧压杆关上17，固定光纤另一头。这样光纤有规律地按预定轨迹进行盘绕，不会产生乱线线性。

综上，本发明所述圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕方法包括以下步骤：

步骤(1)、将导热圆桶水平防置，并把圆桶上下二端的L型弹簧压杆打开；

步骤(2)、将待盘绕的光纤一头放入下端弹簧压杆处的V型螺纹槽内，并关上下端弹簧压杆，固定光纤一头；

步骤(3)、将未固定的光纤轻轻提起置于圆桶锥形内壁的上部，然后把光纤顺V型螺纹槽的方向从下而上缓慢落在螺纹槽里，直至螺纹槽顶端；

步骤(4)、将圆桶上端的L型弹簧压杆关上，把光纤另一头固定住，完成光纤盘绕过程。

实施例1

下面进一步给出采用本发明所述方法进行光纤盘绕的具体实施例，包括以下步骤：

步骤1、选用光纤激光器常用的镱铒共掺的有源光纤10米用作光纤盘绕，如NufernPLMA-EYDF-25/300光纤，其芯径为25微米，外包层直径300微米，覆层直径450微米；

步骤2、选用6061铝合金材料，用机械加工方法加工出一圆柱体，圆柱体高30毫米，直径180毫米；

步骤3、在铝合金圆柱体中心开直径为100毫米的直通孔，做成圆桶。圆桶上端中心开直径150毫米，深度4毫米的台阶；

步骤4、沿圆桶内壁从下端4毫米处开始，加工出半锥角为45°角、上大下小的锥形内壁。锥形内壁高度比圆柱体高度小8毫米。然后在锥形内壁上用数控机床加工出V型螺纹槽，V型螺纹槽二边与锥形内壁成一个等边三角形，边长0.7毫米，螺纹槽顶角为60°角。V型螺纹槽间距为1.0毫米。

步骤5、在圆桶上下二端，沿直径方向，从圆桶内壁边处开一长30毫米宽5毫米深3毫米的槽，以便安装L型弹性压杆。

步骤6、L型弹簧压杆用304不锈钢加工而成。L型弹簧压杆的长边为长方体，尺寸为长25毫米宽5毫米厚3毫米，其上开有螺纹孔，以便用螺钉固定在圆桶的上下二端。L型弹簧压杆的短边为圆杆，直径为3毫米。圆杆上套有0.2毫米厚5毫米长的PVC光纤压套，用于固定光纤。L型弹簧压杆二边用直径0.3毫米的张紧弹簧固定，此张紧弹簧一方面可以给光纤压套提供一定的弹力，又能方便L型弹簧压杆的张角在30°-140°角可调。

步骤7、光纤盘绕之前把上下二端的L型弹簧压杆打开，然后把待盘绕的光纤的一头放入圆桶下端锥形内壁2的V型螺纹槽里，再把下端的弹簧压杆关上，固定住光纤一头。光纤从圆桶下端处开始盘绕，利用光纤的自重和弯曲张力让光纤沿圆桶锥形内壁自下而上地盘绕在V型螺纹槽里，当光纤盘绕到达圆桶顶端时，把上端的弹簧压杆关上，固定光纤另一头。这样光纤有规律地按预定轨迹进行盘绕，不会产生乱线线性。

本实发明所述圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置在使用中能直接安装在原光纤盘绕的位置处，不需要额外设备投资，没有改变光纤激光器的任何结构尺寸，对客户不造成额外负担，且本发明所述圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置引入V型螺纹槽和弹簧压杆结构，一方面V型槽能确保光纤表面总有两条线面均匀地弹在槽壁上，增加散热面，又能有效避免光纤使用过程中产生应力，提高光纤使用寿命；另一方面弹簧压杆能把光纤有效固定在锥形螺纹槽里，便于盘绕后光纤的搬移，避免操作过程对光纤的损伤。因此本发明所提出的圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置代表了有源光纤盘绕的最佳改进方案，可广泛应用于光纤激光器领域的制作过程之中。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。

Claims (8)

1.一种光纤激光器用圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置，其特征在于，包括：导热圆桶(1)和固定在圆桶上下二端的L型弹簧压杆(10)。所述导热圆桶(1)的中心形成有上大下小的锥形内壁(2)，所述内壁(2)上加工有V型螺纹槽(3)。光纤自下而上盘绕在所述螺纹槽里，光纤的二头分别用所述L型弹簧压杆(10)固定在所述螺纹槽(3)内。

2.根据权利要求1所述的圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置，其特征在于，所述V型螺纹槽(3)与所述圆桶锥形内壁(2)成等腰三角形或等边三角形，三角形的腰长大于光纤直径，三角形的顶角为40-80°角。且所述V型螺纹槽(3)的三角形下边(6)用于承载光纤，与水平面成0-30°角。

3.根据权利要求2所述的圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置，其特征在于，所述V型螺纹槽(3)的螺纹间距(9)大于光纤直径，但不超过光纤直径的3倍。

4.根据权利要求1所述的圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置，其特征在于，所述圆桶锥形内壁(2)的半锥角(5)为30-75°角，锥形内壁高度小于或等于圆柱体高度。

5.根据权利要求1所述的圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置，其特征还包括有：张紧弹簧(11)，光纤压套(12)和固定螺钉(13)。通过固定螺钉(13)将所述L型弹簧压杆(10)的一端固定于所述导热圆桶(1)的底端(或顶端)。所述L型弹簧压杆(10)的另一端与锥形内壁2平行，并套有光纤压套(12)。所述压套(12)与所述锥形内壁(2)的缝隙小于光纤直径，但没有直接压在光纤上。

6.根据权利要求5所述的圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置，其特征在于，所述L型弹簧压杆(10)的连接处安装有张紧弹簧(11)；所述张紧弹簧(11)的弹力大小利于光纤从V型螺纹槽(3)的上线和下线。

7.根据权利要求1-6任一项所述的圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕装置，其特征在于，所述导热圆桶(1)的底端可以固定在其他的散热板(或块、或器)上，且在述导热圆桶(1)的外圆柱面上可以安装有冷却管或散热片。

8.一种使用权利要求1-7任一项所述圆桶式锥形螺纹槽的光纤盘绕方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)、将导热圆桶水平防置，并把圆桶上下二端的L型弹簧压杆打开；

步骤(2)、将待盘绕的光纤一头放入下端弹簧压杆处的V型螺纹槽内，并关上下端弹簧压杆，固定光纤一头；

步骤(3)、将未固定的光纤轻轻提起置于圆桶锥形内壁的上部，然后把光纤顺V型螺纹槽的方向从下而上缓慢落在螺纹槽里，直至螺纹槽顶端；

步骤(4)、将圆桶上端的L型弹簧压杆关上，把光纤另一头固定住，完成光纤盘绕过程。