CN109655981A - 一种高功率光纤合束器的分区冷却封装结构 - Google Patents

一种高功率光纤合束器的分区冷却封装结构 Download PDF

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Abstract

一种高功率光纤合束器的分区冷却封装结构，包括热沉、光纤合束器、中空圆柱形套管和盖板。热沉由上盖和底座两部分组成，上下两部分用螺钉固定，热沉底座分为输入光纤冷却区和耦合输出冷却区，光纤合束器的耦合区及邻近的输出光纤封装在中空圆柱形套管内，再将套管用盖板封装在热沉的耦合输出冷却区，耦合输出冷却区内设置有液体冷却腔、外壁设有液体进出口，液体进出口与液体循环装置连接。光纤合束器靠近耦合区的输入光纤用光学胶固定在热沉的输入光纤冷却区。本发明的分区冷却封装结构能够对高功率运行的合束器进行有效冷却，同时避免了合束器的锥区及光纤涂覆层与冷却液直接接触，提高了合束器长期运行的稳定性和可靠性。

Description

一种高功率光纤合束器的分区冷却封装结构
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域，具体涉及一种高功率光纤合束器的分区冷却封装结构。
背景技术
光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、热管理方便及结构紧凑等优点，近几年在工业制造、生物医疗、国防安全等领域得到了广泛的应用。光纤合束器是实现高功率光纤激光的核心元器件之一，包括泵浦合束器和信号合束器。泵浦合束器可在单台激光器中将多个高功率泵浦源输出的功率进行合成，为光纤激光器提供更高的泵浦功率；信号合束器可将多个中等功率的光纤激光器的输出信号进行功率合成，以获得更高功率的光纤激光输出。
光纤合束器将多根输入光纤合束、拉锥、再与输出光纤熔接，受制作方法及工艺的限制，其耦合效率不可能达到100％，总会有一部分光在合束器中传输时损耗掉，随着光纤激光器功率水平的不断提升，当输出功率达到千瓦量级时，合束器中损耗的光功率就会产生大量的热，散热效果不好很容易导致光纤合束器性能下降甚至烧毁，因此，合束器封装冷却结构的设计成为了提升其输出功率水平和可靠性的关键技术问题。
目前，合束器的封装散热结构大多采用外部冷却法，即将合束器两端用胶固定在封装外壳上，合束器中间部分悬空在封装外壳内以避免与壳体内部直接接触，热量通过两端的固定连接处传导到封装外壳上，这种方法由于换热面积小，热传导效率不高，悬空耦合区积蓄的热量无法有效导出，在高功率运行情况下热稳定性较差。专利CN103064151A提出了一种流体冷却的光纤耦合器装置，进入冷却区内的流体与光纤耦合区直接接触且在冷却区中形成很强的对流效果，起到直接对光纤耦合器光纤耦合区冷却处理的作用。专利CN103984064A也公开了一种类似的技术方案。这种方法将合束器光纤的拉锥熔接部分浸泡在循环水中，虽然有利于散热，但由于合束器熔锥区的光纤束很细(通常在几十微米至一两百微米量级)，冷却水流的冲击对其可靠性造成威胁，另外，将光纤的涂覆层直接浸泡在水中，也不利于长期运行稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高功率光纤合束器的分区冷却封装结构，以克服现有的冷却封装结构存在的耦合输出段与冷却液直接接触导致的可靠性和稳定性差的缺陷。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：
一种高功率光纤合束器的分区冷却封装结构，包括：热沉、光纤合束器、中空圆柱形套管和盖板，热沉包括上盖和底座，上盖盖在底座上，底座分为输入光纤冷却区和耦合输出冷却区，光纤合束器靠近耦合区的输入光纤用光学胶固定在输入光纤冷却区，光纤合束器的耦合输出段及邻近的输出光纤用光学胶封装在中空圆柱形套管内，耦合输出冷却区内具有液体冷却腔，耦合输出冷却区外壁设有与液体冷却腔相通的液体进出口，液体进出口外接液体循环装置，中空圆柱形套管的两端用光学胶固定在耦合输出冷却区，中空圆柱形套管浸泡在液体冷却腔中的循环冷却液中，盖板盖在耦合输出冷却区上。
作为本发明优选的技术方案，所述热沉由高导热系数的材料制成。
作为本发明优选的技术方案，所述中空圆柱形套管为石英管。
作为本发明优选的技术方案，所述光纤合束器是泵浦合束器或信号合束器。
作为本发明优选的技术方案，所述中空圆柱形套管和盖板均对散射的激光具有高透明度。
作为本发明优选的技术方案，所述冷却液为水。
作为本发明优选的技术方案，所述光学胶为紫外固化胶。
作为本发明优选的技术方案，所述盖板两端与所述热沉接口处填充有防水密封材料。
作为本发明优选的技术方案，所述防水密封材料为硅胶或防水涂料。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的一种高功率光纤合束器的分区冷却封装结构，热沉分为两个冷却区，合束器的输入段与耦合输出段分别采用不同的冷却方式，合束器的耦合输出段封装在透明的中空圆柱形套管内，透明的中空圆柱形套管固定在热沉一端的液体冷却腔内，通过液体的流动将合束器产生的热量带走，合束器输入端的光纤固定在热沉另一端的凹槽内，可对高功率运行的合束器进行有效冷却，同时避免了合束器的锥区及光纤涂覆层与冷却液直接接触，提高了合束器长期运行的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例中的石英管套在合束器输出端上的位置示意图；
图2为本发明实施例中的高功率光纤合束器的分区冷却封装结构的组装示意图；
以上图1-2中，1-光纤合束器；2-中空圆柱形套管；3-耦合输出冷却区；4-底座；5-盖板；6-输入光纤冷却区；7-上盖；8-输入光纤；9-输出光纤；10-液体进出口；11-耦合输出端；12-紫外胶。
具体实施方式：
实施例：
如图1-2所示，一种高功率光纤合束器的分区冷却封装结构，包括：热沉、光纤合束器1、中空圆柱形套管2和盖板5。热沉由高导热系数的材料如铜或铝制成，包括上盖7和底座4，上盖7用螺钉固定在底座4上。作为优选，光纤合束器1是泵浦合束器或信号合束器，中空圆柱形套管2和盖板5均为透明的，对散射的激光具有高透明度，中空圆柱形套管2为尺寸合适(如内径为1100微米，外径为1500微米)的石英管。
底座4分为输入光纤冷却区6和耦合输出冷却区3，光纤合束器1靠近耦合区的输入光纤8用紫外胶12固定在输入光纤冷却区6，光纤合束器1的耦合输出段11及邻近的输出光纤9用紫外胶12封装在中空圆柱形套管2内，中空圆柱形套管2的长度略大于热沉的耦合输出冷却区3的长度。紫外胶为不同折射率的紫外固化胶，优选折射率不影响合束器性能的紫外固化胶。
耦合输出冷却区3内具有液体冷却腔，耦合输出冷却区3外壁设有与液体冷却腔相通的液体进出口10，液体进出口10外接液体循环装置，优选的以水作为冷却液。中空圆柱形套管2的两端用紫外胶12固定在耦合输出冷却区3内，中空圆柱形套管2浸泡在液体冷却腔中的循环冷却液中，盖板5盖在耦合输出冷却区3上，盖板5两端与热沉接口处填充有防水密封材料如硅胶、防水涂料等以防止冷却液流出。
中空圆柱形套管2两端注入紫外胶12可提高合束器1与中空圆柱形套管2之间的导热系数，通过紫外胶将合束器1的热量传导到石英管2上。中空圆柱形套管2再用紫外胶12固定在热沉底座4的耦合输出冷却区3内。光纤合束器1两端的输入光纤8和输出光纤9悬空在热沉之外。冷却过程中，开启液体循环装置，光纤合束器1的热量通过紫外胶12传导到石英管，液体冷却腔内流动的冷却液将耦合区产生的热量带走。

Claims (9)

1.一种高功率光纤合束器的分区冷却封装结构，其特征在于，包括：热沉、光纤合束器(1)、中空圆柱形套管(2)和盖板(5)，热沉包括上盖(7)和底座(4)，上盖(7)盖在底座(4)上，底座(4)分为输入光纤冷却区(6)和耦合输出冷却区(3)，光纤合束器(1)靠近耦合区的输入光纤(8)用光学胶固定在输入光纤冷却区(6)，光纤合束器(1)的耦合输出段(11)及邻近的输出光纤(9)用光学胶封装在中空圆柱形套管(2)内，耦合输出冷却区(3)内具有液体冷却腔，耦合输出冷却区(3)外壁设有与液体冷却腔相通的液体进出口(10)，液体进出口(10)外接液体循环装置，中空圆柱形套管(2)的两端用光学胶固定在耦合输出冷却区(3)，中空圆柱形套管(2)浸泡在液体冷却腔中的循环冷却液中，盖板(5)盖在耦合输出冷却区(3)上。
2.根据权利要求1所述的一种高功率光纤合束器的分区冷却封装结构，其特征在于，所述热沉由高导热系数的材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种高功率光纤合束器的分区冷却封装结构，其特征在于，所述中空圆柱形套管(2)为石英管。
4.根据权利要求1所述的一种高功率光纤合束器的分区冷却封装结构，其特征在于，所述光纤合束器(1)是泵浦合束器或信号合束器。
5.根据权利要求1所述的一种高功率光纤合束器的分区冷却封装结构，其特征在于，所述中空圆柱形套管(2)和盖板(5)均对散射的激光具有高透明度。
6.根据权利要求1所述的一种高功率光纤合束器的分区冷却封装结构，其特征在于，所述冷却液为水。
7.根据权利要求1所述的一种高功率光纤合束器的分区冷却封装结构，其特征在于，所述光学胶为紫外固化胶。
8.根据权利要求1所述的一种高功率光纤合束器的分区冷却封装结构，其特征在于，所述盖板(5)两端与所述热沉接口处填充有防水密封材料。
9.根据权利要求8所述的一种高功率光纤合束器的分区冷却封装结构，其特征在于，所述防水密封材料为硅胶或防水涂料。
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