CN110698053B - 一种可实现高效弯曲选模的光纤冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现高效弯曲选模的光纤冷却装置，包括光纤和水冷板，所述水冷板上设置光纤槽道；所述光纤槽道为多个弧形槽道两两连接组成的闭合槽道，相邻两个弧形槽道相切并采用圆弧连接；所述光纤槽道内设置容纳光纤的光纤槽，所述光纤槽盘绕在光纤槽道内；所述光纤沿光纤槽道中的光纤槽盘绕于水冷板上。采用本发明的一种可实现高效弯曲选模的光纤冷却装置，能增加高阶模式激光的损耗，实现光纤激光高光束质量输出，具有高紧凑型、高效高阶模滤除、搭建便易性等特点。

Description

一种可实现高效弯曲选模的光纤冷却装置

技术领域

本发明涉及一种可实现高效弯曲选模的光纤冷却装置，属于激光光纤冷却技术领域。

背景技术

光纤激光器具有电光转换效率高，输出光束质量好，热管理方便，工作运行稳定等优点，近些年一直是科研人员研究的热点。自2000年以来，光纤激光器功率得到了速的发展，在功率提高的同时，人们对输出激光光束质量的要求也越来越高。

目前，高功率光纤激光器主要有两种结构，一种是基于光纤布拉格光栅的振荡结构，另一种是低功率种子源的一级或多级功率放大结构。两种结构的光纤激光器为了实现高功率输出都会用到大模场光纤，大模场光纤会带来两方面的问题：一方面大模场光纤存在多个模式，模式耦合会导致光束质量变差，另一方面，采用大模场光纤的光纤激光器功率达到某个阈值后，高热负载会导致光纤激光器系统中会发生模式不稳定效应，进而导致光束质量变差。为了进一步提升光纤激光器的输出功率的同时还能实现优异的光束质量性能，需要对激光器的模式数量进行严格把控。通过将大模场光纤弯曲到合适尺寸能显著增加高阶模的损耗，可大幅改善激光器输出的光束质量。

现有的光纤冷却装置，多采用在圆柱盘绕冷却(例如CN201210362883.1)或冷却板上以圆形(例如CN201010205769.9)或跑道型(例如CN107153241A)盘绕方式对光纤进行冷却的同时可起到一定的弯曲选模作用，但这些装置存在以下缺点：(1)圆柱盘绕冷却方法虽然可以实现较好的弯曲选模效果，但其体积较大，且由于其形状为圆柱体，不便于光纤和信号泵浦功率合束器、泵浦功率剥离器等其他器件一体化集成；(2)圆形盘绕方式随着光纤长度的增加，光纤的外圈半径会急剧增大，不利于后端光纤的弯曲选模；(3)跑道型盘绕方式由于存在直线槽道，导致这部分光纤无法有效的进行弯曲选模。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种可实现高效弯曲选模的光纤冷却装置，本发明可以对所有光纤进行有效的弯曲滤除高阶模来提升光纤激光器光束质量的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种可实现高效弯曲选模的光纤冷却装置，包括光纤和水冷板，所述水冷板上设置光纤槽道；

所述光纤槽道为多个弧形槽道两两连接组成的闭合槽道，相邻两个弧形槽道相切并采用圆弧连接；

所述光纤槽道内设置容纳光纤的光纤槽，所述光纤槽盘绕在光纤槽道内；

所述光纤沿光纤槽道中的光纤槽盘绕于水冷板上。

上述方案中，圆弧连接是指圆弧光滑地连接圆弧或直线；光纤设置于光纤槽中，在光纤槽道内盘绕，光纤槽使光纤以一定的曲率半径进行弯曲。

作为优选，还包括输入光纤槽道和输出光纤槽道，所述输入光纤槽道、输出光纤槽道分别与光纤槽的两端连接。

作为优选，所述输入光纤槽道、输出光纤槽道和光纤槽的横截面为U型凹槽、V型凹槽或矩形凹槽。

作为优选，所述输入光纤槽道、输出光纤槽道均与光纤槽道相切。

作为优选，所述输入光纤槽道和输出光纤槽道的方向，与相连接的光纤槽的方向一致。

作为优选，所述输入光纤槽道、输出光纤槽道除与光纤槽道连接点外，其他部位不与光纤槽道相交。

作为优选，所述光纤槽为多个弧形槽两两相连的盘绕结构，光纤槽沿光纤槽道盘绕。

作为优选，相邻两圈光纤槽的曲率半径之差不小于光纤涂覆层直径。

作为优选，所述光纤槽道中光纤槽的盘绕结构为：从输入光纤槽道(或输出光纤槽道)与光纤槽道的连接点开始，沿光纤槽道盘绕第一圈光纤槽，之后光纤槽由外圈向内圈(或内圈向外圈)盘绕，形成从外至内(或从内至外)盘绕的第1圈、第2圈...第N圈光纤槽，相邻两圈光纤槽之间的间距相等；

所述第一圈光纤槽的长度为L，相邻两圈光纤槽之间的间距为D，D不小于光纤涂覆层直径，第一圈光纤槽上任意一点距输入光纤槽道(或输出光纤槽道)与光纤槽道连接点的光纤槽长度为X，第一圈光纤槽任意一点和相邻光纤槽道边的间距D'＝D*(X/L)，当盘绕至输入光纤槽道(或输出光纤槽道)与光纤槽道相连接的地方时第一圈光纤槽道和相邻光纤槽道边之间的间距为D。

作为优选，所述组成光纤槽道的多个弧形槽道的曲率半径相同。

作为优选，所述组成光纤槽道的多个弧形槽道的曲率半径不同。

作为优选，所述同一圈光纤槽中的弧形槽的最大曲率半径和最小曲率半径的差异≤40％。

作为优选，所述弧形槽道的最小曲率半径≥1.5cm。

作为优选，所述输入光纤槽道和输出光纤槽道的长度为5-20cm，光纤槽的总长度为3-50m。

作为优选，所述弧形槽道的圆心位于多条直线上，圆心所在的所有直线组成一个多边形。

作为优选，光纤熔接点设置于输入光纤槽道及输出光纤槽道内。

作为优选，所述光纤及光纤熔接点通过粘结剂固定在光纤槽道、输入光纤槽道及输出光纤槽道内。

作为优选，所述水冷板内设置水道，水冷板上设置进水口和出水口，进水口位于水道的一端，出水口设置于水道的另一端。

作为优选，所述水冷板上设置固定孔。

作为优选，所述粘结剂为导热胶或导热硅脂。

上述光纤槽道的设计方法，包括以下步骤：

步骤a：制作一个多边形；

步骤b：制作圆心位于多边形边线上的多个圆，其中相邻两圆均相切；

步骤c：去掉多余弧段，将所有相切的弧段采用圆弧连接形成封闭的光纤槽道基本轨迹。

其中，相邻两圆是指同一边线上圆心相邻的两圆，及圆心不在边线交点时指两边线上距交点最近的两圆；当只有一个圆的圆心位于一条边线时，指该圆和圆心位于相邻边线上并距两边线交点最近的圆。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、通过将所有光纤安置于具有一定曲率半径的弧形光纤槽道中，能增加高阶模式激光的损耗，实现光纤激光高光束质量输出；

2、通过控制同一圈弧形槽的数量、曲率半径以及相邻两圈弧形槽之间的间距，来控制用于安置光纤的弧形槽的长度及最小弧形槽与最大弧形槽曲率半径之间的差异，实现对不同长度的光纤的弯曲选模和冷却；

3、将光纤的两个熔接点分别放置在直线光纤槽道内，避免了熔接点处于弧形光纤槽道内，从而防止熔接点因为应力发生折断；

4、通过控制用于安置光纤的弧形槽道的盘绕方式，可以有效的控制光纤槽道在冷板的占用面积、光纤槽道的长度、弧形光纤槽道的最大曲率半径及最大曲率半径与最小曲率半径之差；

5、具有高紧凑型、高效高阶模滤除、搭建便易性等特点。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是第一种光纤槽道结构示意图；

图2是第一种光纤槽道设计图；

图3是第一种光纤冷却装置结构示意图；

图4是第二种光纤槽道结构示意图；

图5是第二种光纤槽道设计图；

图6是第二种光纤冷却装置结构示意图；

图7是第三种光纤槽道结构示意图；

图8是第三种光纤槽道设计图；

图9是第三种光纤冷却装置结构示意图；

图10是第四种光纤槽道结构示意图；

图11是第四种光纤槽道设计图；

图12是第四种光纤冷却装置结构示意图；。

图中标记：1-光纤槽道、2-输入光纤槽道、3-输出光纤槽道、4-光纤槽、5-冷却板、6-水道、7-进水口、8-出水口、9-固定孔。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

如图1-3所示，本实施例的一种可实现高效弯曲选模的光纤冷却装置，包括光纤和水冷板，所述水冷板上设置光纤槽道、输入光纤槽道和输出光纤槽道；输入光纤槽道和输出光纤槽道，与光纤槽道相切；

光纤槽道为多个弧形槽道两两连接组成的闭合槽道，相邻两个弧形槽道相切并采用圆弧连接；弧形槽道的圆心位于4条直线上，4直线组成一个四边形；

光纤槽道内设置多圈容纳光纤的光纤槽，光纤槽盘绕在光纤槽道内，光纤槽两端分别与输入光纤槽道、输出光纤槽道连接；输入光纤槽道、输出光纤槽道和光纤槽的横截面为V型凹槽；

光纤沿光纤槽道中的光纤槽盘绕于水冷板上，光纤熔接点设置于输入光纤槽道及输出光纤槽道内；光纤及光纤熔接点通过导热胶固定在光纤槽道、输入光纤槽道及输出光纤槽道内；水冷板内设置水道，水冷板上设置进水口和出水口，进水口位于水道的一端，出水口设置于水道的另一端，水冷板上设置固定孔。

输入光纤槽道和输出光纤槽道的方向，与相连接的光纤槽的方向一致；输入光纤槽道、输出光纤槽道除与光纤槽道连接点外，其他部位不与光纤槽道相交。

光纤槽为多个弧形槽两两相连的盘绕结构，光纤槽沿光纤槽道盘绕。

光纤槽道中光纤槽的盘绕结构为：从输入光纤槽道与光纤槽道的连接点开始，沿光纤槽道盘绕第一圈光纤槽，之后光纤槽由外圈向内圈盘绕，形成从外至内盘绕的第1圈、第2圈...第N圈光纤槽，相邻两圈光纤槽之间的间距相等；

第一圈光纤槽的长度为L，相邻两圈光纤槽之间的间距为D，第一圈光纤槽上任意一点距输入光纤槽道与光纤槽道连接点的光纤槽长度为X，第一圈光纤槽任意一点和相邻光纤槽道边的间距D'＝D*(X/L)，当盘绕至输入光纤槽道与光纤槽道相连接的地方时第一圈光纤槽道和相邻光纤槽道边之间的间距为D。

组成光纤槽道的多个弧形槽道的曲率半径相同，曲率半径为1.5cm；输入光纤槽道和输出光纤槽道的长度为5cm，光纤槽的总长度为3m。

上述光纤槽道的设计方法，包括以下步骤：

步骤a：制作一个四边形；

步骤b：制作圆心位于四边形边线交点处的4个圆及圆心位于4条边线上的四个圆，其中相邻两圆均相切；

步骤c：去掉多余弧段，将所有相切的弧段采用圆弧连接形成封闭的光纤槽道基本轨迹。

实施例2

如图4-6所示，本实施例的一种可实现高效弯曲选模的光纤冷却装置，包括光纤和水冷板，所述水冷板上设置光纤槽道、输入光纤槽道和输出光纤槽道；输入光纤槽道和输出光纤槽道，与光纤槽道相切；

光纤槽道为多个弧形槽道两两连接组成的闭合槽道，相邻两个弧形槽道相切并采用圆弧连接；弧形槽道的圆心位于10条直线上，10直线组成一个五角星形的十边形；

光纤槽道内设置多圈容纳光纤的光纤槽，光纤槽盘绕在光纤槽道内，光纤槽两端分别与输入光纤槽道、输出光纤槽道连接；输入光纤槽道、输出光纤槽道和光纤槽的横截面为U型凹槽；

光纤沿光纤槽道中的光纤槽盘绕于水冷板上，光纤熔接点设置于输入光纤槽道及输出光纤槽道内；光纤及光纤熔接点通过导热胶固定在光纤槽道、输入光纤槽道及输出光纤槽道内；水冷板内设置水道，水冷板上设置进水口和出水口，进水口位于水道的一端，出水口设置于水道的另一端，水冷板上设置固定孔。

输入光纤槽道和输出光纤槽道的方向，与相连接的光纤槽的方向一致；输入光纤槽道、输出光纤槽道除与光纤槽道连接点外，其他部位不与光纤槽道相交。

光纤槽为多个弧形槽两两相连的盘绕结构，光纤槽沿光纤槽道盘绕。

光纤槽道中光纤槽的盘绕结构为：从输入光纤槽道与光纤槽道的连接点开始，沿光纤槽道盘绕第一圈光纤槽，之后光纤槽由外圈向内圈盘绕，形成从外至内盘绕的第1圈、第2圈...第N圈光纤槽，相邻两圈光纤槽之间的间距相等；

第一圈光纤槽的长度为L，相邻两圈光纤槽之间的间距为D，第一圈光纤槽上任意一点距输入光纤槽道与光纤槽道连接点的光纤槽长度为X，第一圈光纤槽任意一点和相邻光纤槽道边的间距D'＝D*(X/L)，当盘绕至输入光纤槽道与光纤槽道相连接的地方时第一圈光纤槽道和相邻光纤槽道边之间的间距为D。

组成光纤槽道的多个弧形槽道的曲率半径不同，同一圈光纤槽的弧形槽中的最大曲率半径和最小曲率半径的差异为10％，弧形槽道的最小曲率半径为4cm；输入光纤槽道和输出光纤槽道的长度为10cm，光纤槽的总长度为50m。

上述光纤槽道的设计方法，包括以下步骤：

步骤a：制作一个五角星形的十边形；

步骤b：制作圆心位于十边形边线交点处的10个圆，其中相邻两圆均相切；

步骤c：去掉多余弧段，将所有相切的弧段采用圆弧连接形成封闭的光纤槽道基本轨迹。

实施例3

如图7-9所示，本实施例的一种可实现高效弯曲选模的光纤冷却装置包括光纤和水冷板，所述水冷板上设置光纤槽道、输入光纤槽道和输出光纤槽道；输入光纤槽道和输出光纤槽道，与光纤槽道相切；

光纤槽道为多个弧形槽道两两连接组成的闭合槽道，相邻两个弧形槽道相切并采用圆弧连接；弧形槽道的圆心位于14条直线上，14直线组成一个十四边形；

光纤槽道内设置多圈容纳光纤的光纤槽，光纤槽盘绕在光纤槽道内，光纤槽两端分别与输入光纤槽道、输出光纤槽道连接；输入光纤槽道、输出光纤槽道和光纤槽的横截面为矩形凹槽；

光纤沿光纤槽道中的光纤槽盘绕于水冷板上，光纤熔接点设置于输入光纤槽道及输出光纤槽道内；光纤及光纤熔接点通过导热胶固定在光纤槽道、输入光纤槽道及输出光纤槽道内；水冷板内设置水道，水冷板上设置进水口和出水口，进水口位于水道的一端，出水口设置于水道的另一端，水冷板上设置固定孔。

输入光纤槽道和输出光纤槽道的方向，与相连接的光纤槽的方向一致；输入光纤槽道、输出光纤槽道除与光纤槽道连接点外，其他部位不与光纤槽道相交。

光纤槽为多个弧形槽两两相连的盘绕结构，光纤槽沿光纤槽道盘绕。

光纤槽道中光纤槽的盘绕结构为：从输入光纤槽道与光纤槽道的连接点开始，沿光纤槽道盘绕第一圈光纤槽，之后光纤槽由外圈向内圈盘绕，形成从外至内盘绕的第1圈、第2圈...第N圈光纤槽，相邻两圈光纤槽之间的间距相等；

第一圈光纤槽的长度为L，相邻两圈光纤槽之间的间距为D，第一圈光纤槽上任意一点距输入光纤槽道与光纤槽道连接点的光纤槽长度为X，第一圈光纤槽任意一点和相邻光纤槽道边的间距D'＝D*(X/L)，当盘绕至输入光纤槽道与光纤槽道相连接的地方时第一圈光纤槽道和相邻光纤槽道边之间的间距为D。

组成光纤槽道的多个弧形槽道的曲率半径相同，曲率半径为1.5cm；输入光纤槽道和输出光纤槽道的长度为5cm，光纤槽的总长度为5m。

上述光纤槽道的设计方法，包括以下步骤：

步骤a：制作一个十四边形；

步骤b：制作圆心位于十四边形边线交点处的14个圆，其中相邻两圆均相切；

步骤c：去掉多余弧段，将所有相切的弧段采用圆弧连接形成封闭的光纤槽道基本轨迹。

实施例4

如图10-12所示，本实施例的一种可实现高效弯曲选模的光纤冷却装置，包括光纤和水冷板，所述水冷板上设置光纤槽道、输入光纤槽道和输出光纤槽道；输入光纤槽道和输出光纤槽道，与光纤槽道相切；

光纤槽道为多个弧形槽道两两连接组成的闭合槽道，相邻两个弧形槽道相切并采用圆弧连接；弧形槽道的圆心位于12条直线上，12直线组成一个十二边形；

光纤槽道内设置多圈容纳光纤的光纤槽，光纤槽盘绕在光纤槽道内，光纤槽两端分别与输入光纤槽道、输出光纤槽道连接；输入光纤槽道、输出光纤槽道和光纤槽的横截面为V型凹槽；

光纤沿光纤槽道中的光纤槽盘绕于水冷板上，光纤熔接点设置于输入光纤槽道及输出光纤槽道内；光纤及光纤熔接点通过导热胶固定在光纤槽道、输入光纤槽道及输出光纤槽道内；水冷板内设置水道，水冷板上设置进水口和出水口，进水口位于水道的一端，出水口设置于水道的另一端，水冷板上设置固定孔。

输入光纤槽道和输出光纤槽道的方向，与相连接的光纤槽的方向一致；输入光纤槽道、输出光纤槽道除与光纤槽道连接点外，其他部位不与光纤槽道相交。

光纤槽为多个弧形槽两两相连的盘绕结构，光纤槽沿光纤槽道盘绕。

光纤槽道中光纤槽的盘绕结构为：从输入光纤槽道与光纤槽道的连接点开始，沿光纤槽道盘绕第一圈光纤槽，之后光纤槽由外圈向内圈盘绕，形成从外至内盘绕的第1圈、第2圈...第N圈光纤槽，相邻两圈光纤槽之间的间距相等；

第一圈光纤槽的长度为L，相邻两圈光纤槽之间的间距为D，第一圈光纤槽上任意一点距输入光纤槽道与光纤槽道连接点的光纤槽长度为X，第一圈光纤槽任意一点和相邻光纤槽道边的间距D'＝D*(X/L)，当盘绕至输入光纤槽道与光纤槽道相连接的地方时第一圈光纤槽道和相邻光纤槽道边之间的间距为D。

组成光纤槽道的多个弧形槽道的曲率半径不同，同一圈光纤槽的弧形槽中的最大曲率半径和最小曲率半径的差异为5％，弧形槽道的最小曲率半径为2cm；输入光纤槽道和输出光纤槽道的长度为8cm，光纤槽的总长度为40m。

上述光纤槽道的设计方法，包括以下步骤：

步骤a：制作一个8条长边线4条短边线组成的十二边形；

步骤b：制作圆心位于十二边形边线交点处的12个圆，及圆心位于8条长边线上的8个圆，其中相邻两圆均相切；

步骤c：去掉多余弧段，将所有相切的弧段采用圆弧连接形成封闭的光纤槽道基本轨迹。

综上所述，采用本发明的一种可实现高效弯曲选模的光纤冷却装置，能增加高阶模式激光的损耗，实现光纤激光高光束质量输出，具有高紧凑型、高效高阶模滤除、搭建便易性等特点。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种可实现高效弯曲选模的光纤冷却装置，包括光纤和水冷板，其特征在于：所述水冷板上设置光纤槽道；

所述光纤槽道为多个弧形槽道两两连接组成的闭合槽道，相邻两个弧形槽道相切并采用圆弧连接；

所述光纤槽道内设置容纳光纤的光纤槽，所述光纤槽盘绕在光纤槽道内；

所述光纤沿光纤槽道中的光纤槽盘绕于水冷板上；

同一圈光纤槽中的弧形槽的最大曲率半径和最小曲率半径的差异≤40%；

光纤槽道的设计方法，包括以下步骤：

步骤a：制作一个多边形；

步骤b：制作圆心位于多边形边线上的多个圆，其中相邻两圆均相切；

步骤c：去掉多余弧段，将所有相切的弧段采用圆弧连接形成封闭的光纤槽道基本轨迹。

2.如权利要求1所述的可实现高效弯曲选模的光纤冷却装置，其特征在于：还包括输入光纤槽道和输出光纤槽道，所述输入光纤槽道、输出光纤槽道分别与光纤槽的两端连接。

3.如权利要求2所述的可实现高效弯曲选模的光纤冷却装置，其特征在于：所述输入光纤槽道、输出光纤槽道和光纤槽的横截面为U型凹槽、V型凹槽或矩形凹槽。

4.如权利要求2所述的可实现高效弯曲选模的光纤冷却装置，其特征在于：所述输入光纤槽道、输出光纤槽道均与光纤槽道相切。

5.如权利要求2所述的可实现高效弯曲选模的光纤冷却装置，其特征在于：所述光纤槽道中光纤槽的盘绕结构为：从输入光纤槽道/输出光纤槽道与光纤槽道的连接点开始，沿光纤槽道盘绕第一圈光纤槽，之后光纤槽由外圈向内圈/内圈向外圈盘绕，形成从外至内/从内至外盘绕的第1圈、第2圈...第N圈光纤槽，相邻两圈光纤槽之间的间距相等；

所述第一圈光纤槽的长度为L，相邻两圈光纤槽之间的间距为D，D不小于光纤涂覆层直径，第一圈光纤槽上任意一点距输入光纤槽道/输出光纤槽道与光纤槽道连接点的光纤槽长度为X，第一圈光纤槽任意一点和相邻光纤槽道边的间距D'=D*(X/L)。

6.如权利要求1所述的可实现高效弯曲选模的光纤冷却装置，其特征在于：组成所述光纤槽道的多个弧形槽道的曲率半径不同。

7.如权利要求1所述的可实现高效弯曲选模的光纤冷却装置，其特征在于：所述弧形槽道的最小曲率半径≥1.5cm。

8.如权利要求2所述的可实现高效弯曲选模的光纤冷却装置，其特征在于：所述输入光纤槽道和输出光纤槽道的长度为5-20cm，光纤槽的总长度为3-50m。

9.如权利要求1所述的可实现高效弯曲选模的光纤冷却装置，其特征在于：所述水冷板内设置水道，水冷板上设置进水口和出水口，进水口位于水道的一端，出水口设置于水道的另一端。

Images