CN110416863A - 一种高功率激光系统的合束器封装结构 - Google Patents

一种高功率激光系统的合束器封装结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高功率激光系统的合束器封装结构，包括光纤合束器，金属封装底板、金属封装盖板和封装套管，所述底板上设有输入光纤槽、矩形槽和输出光纤槽，输入光纤槽包括若干个分隔开的小槽，分别放置单根输入光纤；所述金属底板侧面包含至少两组冷却水进出口；所述封装套管与矩形槽空隙内填充有导热材料，本发明选用耐高温、高导热的导热密封胶材料和热层填充导热材料，并选用高导热的金属作为封装盒体，可显著提高封装结构散热效率，解决了高功率激光系统合束器长期工作稳定性差的问题，最大限度的保证了合束器的可靠性和稳定性。

Description

一种高功率激光系统的合束器封装结构
技术领域
本发明涉及光纤激光技术领域，尤其涉及一种高功率激光系统的合束器封装结构。
背景技术
高功率光纤激光器系统具有转换效率高、功率高、可靠性高、寿命长、体积小及成本低等诸多优点，目前在工业加工、生物医疗、国防军事等领域得到了广泛的应用，但随着光纤激光系统输出功率的提升，合束系统变的越来越复杂，对系统的设计和装调都构成了极大的挑战，对装调人员的技能水平也提出了较高的要求，半导体激光器随着光功率的不断增加，注入掺杂区域的电流也不断增加，导致掺杂区域热耗散功率的不断增大，如果不能高效的将高功率半导体激光器工作过程中产生的热量导出，将会引起半导体激光器中结温的升高，结温的升高会引起结区对载流子的束缚减弱和无辐射复合的几率增加从而引起激光器的阈值电流升高、效率降低，此外，结温的升高还会引起输出激光波长发生严重漂移、稳定性变差，更为致命的是激光器的寿命将会受到严重影响，为了保证合束器的输出光束质量和工作稳定性，必须设计散热效果良好的合束器封装结构。
合束器的封装结构主要是将合束器中产生的热高效的从合束器中导出并带走，同时不对合束器的性能产生影响，这就要求封装结构与合束器具有匹配的热膨胀系数、良好的导热率和大的接触面积，同时冷却热层要由足够高的对流速率，目前，光纤泵浦合束器的封装结构普遍较复杂，且散热性能较差，尤其是千瓦级高功率光纤泵浦合束器的封装散热一般采取通水冷却方式，其封装过程和结构均相对复杂，这极大地增加了系统的复杂度和成本。
因此，如何有效提高光纤泵浦合束器的导光、散热性能，并有效简化封装结构从而方便使用已成为需解决的重要问题，这是现有技术所存在的不足之处。
为了解决上述问题，首先需要选取合适的导热密封胶材料、封装材料和热层材料，其次需要选取合理的封装结构设计和热层结构设计，从而保证合束器在高功率工作条件下可靠性和稳定性。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种高功率激光系统的合束器封装结构，通过使用耐高温、高导热的导热密封胶材料和热层填充导热材料，并选用高导热的金属作为封装盒体，以解决现有合束器封装散热效果差，长期稳定性差等问题，从而最大限度的保证合束器的可靠性工作。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种高功率激光系统的合束器封装结构，其特征在于，包括光纤合束器，金属封装底板、金属封装盖板和封装套管，所述底板上设有输入光纤槽、矩形槽和输出光纤槽；所述光纤合束器包括输入光纤束、热缩管、光纤束锥区和输出光纤；所述封装套管套设于热缩管和光纤束锥区外部，并置于金属底板的矩形槽中；所述封装套管两端分别与金属盒体使用导热密封胶固定，封装套管与矩形槽空隙内填充有导热材料；所述金属底板侧面包含至少两组液体进出口，并分别与冷却水循环装置连接。
进一步的，所述至少两组液体进出口分别设置在输入光纤槽区及矩形槽区，液体进出口通过导管相连，液体导管布满整个金属底板。
进一步的，所述输入光纤槽包括若干个分隔开的小槽，分别放置单根输入光纤。
进一步的，所述输入光纤束置于输入光纤槽中，输出光纤置于输出光纤槽中。
进一步的，所述导热密封胶为端羟基聚硼硅氧烷改性的固化胶。
进一步的，所述导热材料为折射率小于封装套管的材料。
进一步的，所述导热材料为一种绝缘导热硅脂，其组成为：羟基硅油5～20wt%、硅烷偶联剂0.5～1wt%、端羟基聚硼硅氧烷1.5～6wt%、余量为氮化物陶瓷粉体；其中硅烷偶联剂包覆在氮化物陶瓷粉体的表面，再与羟基硅油混合。
进一步的，所述金属封装盒体为铝或紫铜。
进一步的，所述封装套管为石英封装套管。
进一步的，所述金属底板和盖板上设有螺孔，盖板通过螺栓与底板配合锁紧。
进一步的，所述热缩管为石英毛细管，处理步骤如下：
a：将石英毛细管两端用密封胶进行封口；
b：待胶干透后，在密封胶外包裹一层石蜡，使酸性溶液不会腐蚀密封胶，进入毛细管内部；在毛细管一端绑上不会被腐蚀的聚四氟乙烯细绳；
c：将石英毛细管外壁擦拭干净，置于装有酸性溶液的聚四氟乙烯细管中，聚四氟乙烯细绳一端伸出管外；放置6-8h后取出。
有益效果
与现有技术相比，本发明提供的一种功率激光系统的合束器封装结构具有如下有益效果：
（1）本发明使用端羟基聚硼硅氧烷改性的固化胶作为导热密封胶材料，具有耐高温、高导热的优点，抗热老化性能优异，可保持长期良好的密封性能，而且散热效果佳。
（2）本发明在封装底板与封装套管之间的缝隙填充高导热材料，实现封装套管与底板的紧密接触，可显著提高散热效果。
（3）本发明的输入光纤槽将输入光纤分散开，可防止热量囤积，导致严重的热效应，从而降低合束器的耐受功率。
（4）本发明在金属底板上至少设置两组液体进出口，液体导管布满整个金属底板，可加速热量散出，提高散热效率。
（4）本发明封装结构设计合理，封装结构和封装工艺简单，易操作。
附图说明
图1为本发明合束器封装结构的封装底板示意图；
图2为本发明合束器封装结构的封装盖板示意图；
图3为本发明的光纤合束器结构示意图；
图4为输入光纤槽结构；
图中：1为封装底板，2为封装盖板，3为封装套管，4为光纤合束器，5为导热填充材料，6为导热密封胶，111为输入光纤槽，112为矩形槽，113为输出光纤槽，114为螺孔，115 - 116为液体进口，117 - 118为液体出口，41为输入光纤，42为热缩管，43为光纤束锥区，44为输出光纤。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
一种高功率激光系统的合束器封装结构，如图1-4所示，包括光纤合束器，金属封装底板、金属封装盖板和封装套管，所述底板上设有输入光纤槽、矩形槽和输出光纤槽；所述光纤合束器包括输入光纤束、热缩管、光纤束锥区和输出光纤；所述封装套管套设于热缩管和光纤束锥区外部，并置于金属底板的矩形槽中；所述封装套管两端分别与金属盒体使用导热密封胶固定，封装套管与矩形槽空隙内填充有导热材料；所述金属底板侧面包含至少两组液体进出口，并分别与冷却水循环装置连接。
所述液体进出口分别设置在输入光纤槽区及矩形槽区，液体进出口通过导管相连，液体导管布满整个金属底板。
所述输入光纤槽包括若干个分隔开的小槽，分别放置单根输入光纤。
所述金属底板和盖板上设有螺孔，盖板通过螺栓与底板配合锁紧。
所述金属封装盒体为铝或紫铜，中心封装圆管为石英管。
本发明提供的合束器封装结构的封装原理为：光纤合束器包括输入光纤束、热缩管、光纤束锥区和输出光纤，输入光纤穿入热缩管进行合束，在光纤束锥区进行拉锥熔接，得到输出光纤，合束器在图1的封装底板中的放置状态为：将输入光纤分别置于输入光纤槽中分隔开的小槽，热缩管及光纤束锥区置于封装套管中，输出光纤置于输出光纤槽，然后用导热密封胶密封封装套管两端，并在封装套管与矩形槽空隙内填充有导热材料，最后用螺母将封装底板和图2所示的盖板锁紧，合束器工作过程中，打开冷却水循环装置，从封装底板的进水口和出水口进行循环冷却。
将输入光纤的裸光纤分散开来的目的是为了避免造成热量囤积，因为当输入光纤被捆绑在一起或紧密排列时，导热胶会浸入光纤之间的狭小缝隙，从而形成折射率内高外低的类光纤结构，这样的结构无法有效导光而使得光束聚集在导热胶内而形成热量囤积，这样会引起严重的热效应，从而降低了合束器的耐受功率。
本发明将合束器使用石英封装套管对合束器光纤束锥区及热缩管部分进行密封保护，熔点泄露的光通过透明圆管散射到圆管外的导热材料上，由于矩形槽设计宽度较小，而且缝隙处填充有高导热材料，因此热量能很快传递到导热性更强的金属封装盒体上，使热量快速传递出来，使得合束器的耦合效率高，性能稳定好，散热速度快，不至于在高功率下，热量快速聚集使合束器损毁。
优选地，所述导热密封胶为端羟基聚硼硅氧烷改性的固化胶。
优选地，所述导热材料一种绝缘导热硅脂，其组成为：羟基硅油5～20wt%、硅烷偶联剂0.5～1wt%、端羟基聚硼硅氧烷1.5～6wt%、余量为氮化物陶瓷粉体；其中硅烷偶联剂包覆在氮化物陶瓷粉体的表面，再与羟基硅油混合。
氮化物陶瓷粉体需足量填充，但需防止过量填充，使填料在体系中相互接触、堆积，形成尽可能多的导热网链，导热网链贯穿整个聚合物基体，大部分热量通过该网链传导，可使导热性能大幅提高，但是过高的填充量会导致填料发生团聚，使填料间和缝隙间存在空隙，由于空气的热导率仅为0.0257 W/( m·K)，体系热导率反而会下降，且使用过程中会出现导热硅脂流动性不好、性能不稳定、易分离的情况。
在导热硅脂中添加端羟基聚硼硅氧烷，聚硼硅氧烷与硅油具有良好的相容性，而且聚硼硅氧烷可通过自身的羟基与羟基硅油中的羟基发生脱水缩合反应，接在聚硅氧烷链上，从而提高硅脂的耐高温性，将硅烷偶联剂和氮化物陶瓷粉体充分混合，实现偶联剂在陶瓷粉体表面的包覆，可显著提高陶瓷粉体与硅油的界面相容性，并减少陶瓷粉体的团聚，制备得到的导热材料导热系数高于5 W/( m·K)，极大的提高了封装结构的散热效率。
实施例1
一种高功率激光系统的合束器封装结构，包括光纤合束器，金属铝封装底板、金属铝封装盖板和石英封装套管，所述底板上设有如图4所示的由若干个分隔开的小槽组成的输入光纤槽、矩形槽和输出光纤槽；所述光纤合束器包括输入光纤束、热缩管、光纤束锥区和输出光纤；输入光纤束每根裸光纤分别放入输入光纤槽的小槽中，然后共同穿入热缩管内，热缩管和光纤束锥区放入石英封装套管内，并置于金属底板的矩形槽中，输出光纤置于输出光纤槽中；所述封装套管两端分别与金属盒体使用导热密封胶固定，封装套管与矩形槽空隙内填充有导热材料；所述金属底板侧面包含两组液体进出口，分别设置在输入光纤槽区及矩形槽区，液体进出口通过导管相连，液体导管布满整个金属底板，并分别与冷却水循环装置连接。
本实施例合束器封装方法为：光纤合束器的制备：将输入光纤穿入热缩管进行合束，在光纤束锥区进行拉锥熔接，得到输出光纤；合束器封装：将输入光纤分别置于图4所示的输入光纤槽中分隔开的小槽，热缩管及光纤束锥区置于封装套管中，输出光纤置于输出光纤槽中，然后用导热密封胶密封石英封装套管两端，并在石英封装套管与矩形槽空隙内填充导热材料，最后用螺母将封装底板和图2所示的盖板锁紧，合束器工作过程中，打开冷却水循环装置，从封装底板的进水口和出水口进行循环冷却。
利用上述方法封装的光纤合束器测试结果为：将光纤合束器接入功率为200W的泵浦光源，总耐受功率达2 kW，稳定工作1小时以上时，输入端导热密封胶的温度上升低于28℃，输出端导热密封胶的温度上升低于25℃。
实施例2
实施例2提供的一种高功率激光系统的合束器封装结构，与实施例相比，不同之处在于，所述导热密封胶为端羟基聚硼硅氧烷改性的固化胶，所述导热材料为一种绝缘导热硅脂，其组成为：羟基硅油10wt%、硅烷偶联剂0.6wt%、端羟基聚硼硅氧烷4wt%、余量为氮化物陶瓷粉体；其中硅烷偶联剂包覆在氮化物陶瓷粉体的表面，再与羟基硅油混合；所述热缩管通过以下步骤制备：
a：将石英毛细管两端用密封胶进行封口；
b：待胶干透后，在密封胶外包裹一层石蜡，使酸性溶液不会腐蚀密封胶，进入毛细管内部；在毛细管一端绑上不会被腐蚀的聚四氟乙烯细绳；
c：将石英毛细管外壁擦拭干净，置于装有酸性溶液的聚四氟乙烯细管中，聚四氟乙烯细绳一端伸出管外；放置6-8h后取出。
实施例2合束器封装方法与实施例1相同。
本实施例有益效果为：选取端羟基聚硼硅氧烷改性的固化胶作为导热密封胶，具有优异的耐高温性和良好的导热性，可及时将输入光纤产生的热量传递给冷却水和金属盒体，并随之散出，在长期高温状态下，密封性能仍保持良好；选取改进的绝缘导热硅脂作为导热填充材料，导热系数高达6.7 W/( m·K)，热量不易囤积。
利用上述方法封装的光纤合束器测试结果为：将光纤合束器接入功率为200W的泵浦光源，总耐受功率达2 kW，稳定工作1小时以上时，输入端导热密封胶的温度仅上升25.2℃，输出端导热密封胶的温度仅上升23.4℃。
实施例3
实施例3与实施例1相比，不同之处在于，所述金属盒体为紫铜，其他与实施例1均相同。
实施例4
实施例4与实施例1相比，不同之处在于，所述金属铝底板包含3组液体进出口，分别设置在输入光纤区、矩形槽区和输出光纤区，其他与实施例1均相同。
实施例5
实施例5与实施例2相比，不同之处在于，所述金属铝底板包含3组液体进出口，分别设置在输入光纤区、矩形槽区和输出光纤区，其他与实施例2均相同。
实施例6
实施例6与实施例2相比，不同之处在于，所述导热密封胶是以端羟基聚硼硅氧烷与端羟基聚二甲基硅氧烷为基料，正硅酸乙酯为交联剂，二丁基二月桂酸为催化剂，固化交联所得，其他与实施例2均相同，制备得到的导热密封胶高温粘结性好，且导热系数高。
实施例7
实施例7与实施例2相比，不同之处在于，所述导热材料组成为：羟基硅油5wt%、硅烷偶联剂0.8wt%、端羟基聚硼硅氧烷6wt%、余量为氮化物陶瓷粉体；其中硅烷偶联剂包覆在氮化物陶瓷粉体的表面，再与羟基硅油混合，其他与实施例2均相同。
实施例8
实施例8与实施例2相比，不同之处在于，所述导热材料组成为：羟基硅油20wt%、硅烷偶联剂1wt%、端羟基聚硼硅氧烷1.5wt%、余量为氮化物陶瓷粉体；其中硅烷偶联剂包覆在氮化物陶瓷粉体的表面，再与羟基硅油混合，其他与实施例2均相同。
实施例9
实施例9与实施例2相比，不同之处在于，所述导热材料组成为：羟基硅油10wt%、氨丙基三乙氧基硅烷0.6wt%、端羟基聚硼硅氧烷4wt%、氮化硅85.4wt%，制备方法为：（1）准确称取预定质量的氮化硅陶瓷粉体和氨丙基三乙氧基硅烷，将偶联剂加入粉体质量25%的乙醇溶液中溶解，持续搅拌，待溶解后，加入粉体，继续搅拌；调整溶液的pH 值在10 左右，置于60℃水浴中，搅拌3 h，在烘箱中120 ℃烘干，取出待用，（2）按照组成配比，将改性好的氮化硅粉体加入到羟基硅油和端羟基聚硼硅氧烷混合液中，然后在对辊研磨机中薄通10 遍，至细腻均匀、无肉眼可见颗粒，得到导热材料。
利用上述方法封装的光纤合束器测试结果为：将光纤合束器接入功率为200W的泵浦光源，总耐受功率达2 kW，稳定工作1小时以上时，输入端导热密封胶的温度仅上升23.3℃，输出端导热密封胶的温度仅上升21.5℃。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高功率激光系统的合束器封装结构，其特征在于，包括光纤合束器，金属封装底板、金属封装盖板和封装套管，所述底板上设有输入光纤槽、矩形槽和输出光纤槽；所述光纤合束器包括输入光纤束、热缩管、光纤束锥区和输出光纤；所述封装套管套设于热缩管和光纤束锥区外部，并置于金属底板的矩形槽中；所述封装套管两端分别与金属盒体使用导热密封胶固定，封装套管与矩形槽空隙内填充有导热材料；所述金属底板侧面包含至少两组液体进出口，并分别与冷却水循环装置连接。
2.根据权利要求1所述的一种高功率激光系统的合束器封装结构，其特征在于，所述液体进出口分别设置在输入光纤槽区及矩形槽区，液体进出口通过导管相连，液体导管布满整个金属底板。
3.根据权利要求1所述的一种高功率激光系统的合束器封装结构，其特征在于，所述输入光纤槽包括若干个分隔开的小槽，分别放置单根输入光纤。
4.根据权利要求1所述的一种高功率激光系统的合束器封装结构，其特征在于，所述输入光纤束置于输入光纤槽中，输出光纤置于输出光纤槽中。
5.根据权利要求1所述的一种高功率激光系统的合束器封装结构，其特征在于，所述导热密封胶为端羟基聚硼硅氧烷改性的固化胶。
6.根据权利要求1所述的一种高功率激光系统的合束器封装结构，其特征在于，所述导热材料为折射率小于封装套管的材料。
7.根据权利要求6所述的一种高功率激光系统的合束器封装结构，其特征在于，所述导热材料为一种绝缘导热硅脂，其组成为：羟基硅油5～20wt%、硅烷偶联剂0.5～1wt%、端羟基聚硼硅氧烷1.5～6wt%、余量为氮化物陶瓷粉体；其中硅烷偶联剂包覆在氮化物陶瓷粉体的表面，再与羟基硅油混合。
8.根据权利要求1所述的一种高功率激光系统的合束器封装结构，其特征在于，所述金属封装盒体为铝或紫铜。
9.根据权利要求1所述的一种高功率激光系统的合束器封装结构，其特征在于，所述封装套管为石英封装套管。
10.根据权利要求1所述的一种高功率激光系统的合束器封装结构，其特征在于，所述金属底板和盖板上设有螺孔，盖板通过螺栓与底板配合锁紧。
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