CN110829162A - 基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却装置，包括基底水冷板和盖板水冷板；基底水冷板的上表面设置有放置被灌封胶覆盖的光纤激光器器件和低沸点液体的凹槽；基底水冷板的侧面设置有低沸点液体注液口和低沸点液体排液口；低沸点液体注液口和低沸点液体排液口与凹槽连通；基底水冷板的侧边沿设置有光纤输入输出预留孔；盖板水冷板与凹槽密封连接；盖板水冷板的内部设置有冷却水流动的第一密封空间；盖板水冷板上设置有盖板水冷板冷却水入口和盖板水冷板冷却水出口；盖板水冷板冷却水入口和盖板水冷板冷却水出口与第一密封空间连通。本发明还公开了一种光纤激光冷却方法。本发明能够实现光纤激光器器件各个发热面的全方位冷却。

Description

基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却装置及方法

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域，涉及一种基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却装置及其方法。

背景技术

高功率光纤激光器在激光切割、激光熔覆、3D打印和智能制造等领域有着广泛的应用。近年来，随着双包层光纤制作工艺和高亮度半导体激光器的功率提升，单路高功率光纤激光输出功率得到了飞速的发展，从21世纪初的100瓦提高到目前的20千瓦。由于高功率掺镱光纤激光器的光效率一般在65％-85％，一台1000瓦的光纤激光器，在掺杂光纤内部有150-350瓦的热量存在。

美国劳伦斯-利福摩尔实验室研究人员Dawson等人指出，当掺杂光纤内部的热累积到一定程度时，掺杂光纤会发生纤芯融化(参见Dawson J W,Messerly M J,Beach R J,et al.Analysis of the scalability of diffraction-limited fiber lasers andamplifiers to high average power[J].Opt.Express.2008,16:13240-13266.)。除了掺杂光纤的量子亏损外，由于模式不匹配导致的功率泄漏，也会使得非掺杂传能光纤(后文简称传能光纤)内部热量积累以至烧毁光纤；由于熔接损耗导致激光泄漏，熔点(包括掺杂光纤与掺杂光纤之间、掺杂光纤与传能光纤之间、传能光纤与传能光纤之间的熔点)热量的急剧累积也会导致光纤烧毁。因此，光纤内部的热效应是阻碍光纤激光功率提升的限制因素。为了提高光纤激光输出功率，必须采用有效的措施对光纤激光进行冷却。

当前，为了解决高功率光纤激光器的制冷，主要有两类方法：一类是将增益光纤放置在特定设计的制冷装置中，通过热传导将增益光纤的热量传导到冷却装置，然后由冷却装置内部的液体冷却回路导走，该类冷却方法只能对光纤的部分表面进行直接接触和传导冷却，冷却效率不是非常高；另一类是将增益光纤全部直接浸泡在水中，由于水中氢氧根离子直接与增益光纤接触，随着时间的增加，会导致光纤损耗增加，从而影响激光器输出功率和稳定性。此外，上述两类制冷方法中，大都只强调增益光纤本身的制冷，对于光纤光栅、包层光滤除器和合束器等其他高功率器的制冷，要么涉及不多，要么只能是单面传导冷却；实际上，激光器中除了增益光纤以外，各个光纤器件和光纤之间的熔接点，都可能发热且影响激光器的稳定性。

发明内容

本发明的目的之一，在于提供一种基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却装置，该装置能够实现光纤激光器器件各个发热面的全方位冷却。

本发明的目的之一，在于提供一种基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却方法。

为了达到上述目的之一，本发明采用如下技术方案实现：

一种基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却装置，所述光纤激光冷却装置包括基底水冷板1和盖板水冷板2；

所述基底水冷板1的上表面设置有用于放置被灌封胶1-8覆盖的光纤激光器器件和低沸点液体1-9的凹槽1-2；所述基底水冷板1的侧面设置有低沸点液体注液口5和低沸点液体排液口6；所述低沸点液体注液口5和低沸点液体排液口6与所述凹槽1-2连通；所述基底水冷板1的侧边沿设置有光纤输入输出预留孔1-10；

所述盖板水冷板2与所述凹槽1-2密封连接；所述盖板水冷板2的内部设置有冷却水流动的第一密封空间；所述盖板水冷板2上设置有盖板水冷板冷却水入口7和盖板水冷板冷却水出口8；所述盖板水冷板冷却水入口7和盖板水冷板冷却水出口8与所述第一密封空间连通。

进一步的，所述基底水冷板1的底部设置有冷却水流动的第二密封空间；所述基底水冷板1上设置有基底水冷板冷却水入口3和基底水冷板冷却水出口4；

所述基底水冷板冷却水入口3和基底水冷板冷却水出口4与所述第二密封空间连通。

进一步的，所述第一密封空间和第二密封空间为蛇形流道或环形流道。

进一步的，所述凹槽1-2的深度与光纤激光器器件中最高器件高度之差为3～15mm；

所述凹槽1-2内的低沸点液体界面与光纤激光器器件中最高器件的顶端的位置差为1～10mm；

所述灌封胶1-8的厚度为0.01～1mm。

进一步的，所述低沸点液体1-9的沸点低于所述光纤激光器器件工作所许可的最高温度中的最小值。

进一步的，所述低沸点液体注液口5的最低位置高于所述光纤激光器器件中最高器件所对应的位置；

所述低沸点液体排液口6的最高位置低于所述凹槽1-2内部的最低平面所对应的位置。

进一步的，所述低沸点液体注液口5和低沸点液体排液口6均为具有自锁和密封能力的自锁阀。

进一步的，所述基底水冷板冷却水入口3、基底水冷板冷却水出口4、盖板水冷板冷却水入口7和盖板水冷板冷却水出口8均为水冷接头。

为了达到上述目的之二，本发明采用如下技术方案实现：

一种基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却方法，所述光纤激光冷却方法采用上述所述的光纤激光冷却装置冷却，包括如下步骤：

将光纤激光器器件放置在基底水冷板1内的凹槽1-2内后进行光纤熔接；将光纤熔接后的光纤激光器器件的输入光纤从预留光纤孔位1-10伸出后与泵浦源的光纤进行熔接，将光纤熔接后的光纤激光器器件的输出光纤从预留光纤孔位1-10伸出后与光纤端帽进行熔接；对光纤熔接点进行涂覆；

采用灌封胶1-8，将所述光纤激光器器件和涂覆后的光纤熔接点进行灌封后固化；

对所述预留光纤孔位1-10进行密封；并将低沸点液体1-9从低沸点液体注液口5注入到凹槽1-2内，直至完全覆盖待冷却的光纤激光器器件和光纤熔接点；

将盖板水冷板2盖在所述基底水冷板1的上面；并对所述凹槽1-2完全密封；

启动光纤激光器并将冷却水从盖板水冷板冷却水入口7注入到第一密封空间内并进行流动。

进一步的，启动光纤激光器后，所述光纤激光冷却方法还包括：

将冷却水从基底水冷板冷却水入口3注入到第二密封空间内并进行流动。

本发明的有益效果：

1、本发明通过基底水冷板第二密封空间内的流动冷却水、基底水冷板内部凹槽、凹槽内的被灌封胶覆盖的待冷却的光纤激光器器件、凹槽内的低沸点液体以及盖板水冷板内部的第一密封空间内的冷却水，实现了低沸点液体覆盖光纤器件、流动冷却水对光纤器件传导冷却，实现对光纤激光器器件底面其他各个面进行同时有效的全方位制冷；并利用低沸点液体蒸发制冷，能够将与低沸点液体接触面的温度控制在液体沸点的恒定温度值以内。

2、本发明通过对光纤激光器器件的全方位制冷，可以迅速带走光纤激光器器件产生的热量，能够极大降低光纤激光器的各个器件因热负荷导致的可能损伤，极大提高了高功率光纤激光器的稳定性。

附图说明

图1为本发明的基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却装置结构示意图；

图2为本发明中的基底水冷板结构示意图；

图3为本发明中的盖板水冷板结构示意图；

图4为本发明中的基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却装置透视示意图；

图5为本发明中的基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却装置爆炸示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做出详细说明。

本实施例给出了一种基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却装置，包括基底水冷板1和盖板水冷板2。基底水冷板1的结构参考图1、2、4和5，基底水冷板1的上表面设置有凹槽1-2，该凹槽1-2用于放置和固定光纤激光器的全部器件，包括除了泵浦源以外的光纤振荡器和放大器的其他光纤器件，如高反射光纤光栅1-3、低反射光纤光栅1-4、泵浦合束器1-5、增益光纤1-6和包层光滤除器1-7等器件，并利用灌封胶1-8对待冷却的器件进行灌封，保证待冷却的各个面均被灌封胶覆盖。各个器件依据光纤激光振荡器或者放大器的原理依次通过光纤熔接方式进行连接，熔接点利用标准工艺进行涂覆保护。基底水冷板1的侧面设置有低沸点液体注液口5和低沸点液体排液口6；低沸点液体注液口5和低沸点液体排液口6与凹槽1-2连通。从低沸点液体注液口5注入到该凹槽1-2内的低沸点液体1-9，覆盖光纤激光器器件，从低沸点液体排液口6排出废弃的低沸点液体。

本实施例中，基底水冷板1内的凹槽1-2是沿基底水冷板上表面向下切除一定深度后得到，凹槽1-2的深度比光纤激光器件中最高的器件高度高3-15mm；注入的低沸点液体深度高于被制冷器件高度的1-10mm；如此确保器件能够全部被低沸点液体覆盖，并确保低沸点液体与盖板水冷板2的下面板之间有2-5mm间隙。

为了带走光纤激光器器件产生并传导至基底水冷板1的热量，本实施例的基底水冷板1的底部1-1还设置有第二密封空间。基底水冷板1上设置有基底水冷板冷却水入口3和基底水冷板冷却水出口4，基底水冷板冷却水入口3和基底水冷板冷却水出口4与第二密封空间连通。第二密封空间内通以流动的冷却水，冷却水从基底水冷板冷却水入口3注入到第二密封空间内，再经基底水冷板冷却水出口4流出。基底水冷板1的侧边沿设置有光纤输入输出预留孔1-10，该光纤输入输出预留孔1-10用于将泵浦合束器1-5光纤或激光器输出光纤的伸出，与光耦合半导体激光器的输出光纤或与光纤端帽输入光纤进行熔接；在光纤熔接或放置好后，利用密封胶密封光纤输入输出预留孔1-10，以确保内部的液体和沸腾后的气体不外泄露。

本实施例的盖板水冷板2覆盖在基底水冷板1的上面，将基底水冷板1内部的凹槽1-2完全密封。盖板水冷板2结构参考图1、3、4和5，其内部设置有冷却水流动的第一密封空间；盖板水冷板2上设置有盖板水冷板冷却水入口7和盖板水冷板冷却水出口8；盖板水冷板冷却水入口7和盖板水冷板冷却水出口8与第一密封空间连通。光纤激光器工作时，基底水冷板1内部的凹槽1-2内的低沸点液体沸腾吸热，带走光纤激光器器件产生并传导至导热胶表面的热量。冷却水从盖板水冷板冷却水入口7流入、从盖板水冷板冷却水出口8流出，低沸点液体沸腾上升，遇到盖板水冷板2后被冷凝，冷凝的液体流入凹槽1-2部分实现循环利用，并保证内部密封区域气压基本不变。

本实施例中的第一密封空间和第二密封空间均为冷却水流动的流道，该流道可以是蛇形流道或环形流道。灌封胶1-8一般采用导热胶，其导热系数较高、固化前具有流动性、固化后能够将增益光纤、光纤熔点、光纤光栅等待冷却的器件全部密封。为了兼顾导热性和隔离性，本实施例的灌封胶的厚度控制在0.01～1mm，这样既能够提高光纤激光器器件与基底水冷板1的导热系数，又可以避免光纤和光纤激光器器件直接与低沸点液体直接接触，对光纤激光器器件起到保护作用。

本实施例中，基底水冷板冷却水入口3、基底水冷板冷却水出口4、盖板水冷板冷却水入口7和盖板水冷板冷却水出口8均为水冷接头。水冷接头包括快速接头、自锁接头。低沸点液体注液口5的位置高于光纤激光器器件中最高器件所对应的位置，确保低沸点液体注入后可以覆盖全部器件；低沸点液体排液口6的位置低于凹槽1-2内部的最低平面所对应的位置，确保排出低沸点液体时能够将内部的低沸点液体全部排出无遗留。低沸点液体注液口5和低沸点液体排液口6均为具有自锁和密封能力的自锁阀。

本实施例中的低沸点液体1-9的沸点低于光纤激光器器件稳定工作所许可的最高温度中的最小值。比如，增益光纤为例许可的最高温度为80℃，光纤光束最高许可温度为70℃，光纤合束器最高许可温度为60℃，则低沸点液体的沸点至少要低于60℃，如此在全部器件工作温度未达到许可的最高温度时，通过低沸点液体的沸腾，能够将器件的热量带走，由于沸腾是一个恒定温度的相变物理过程，能够确保液体的温度恒定在沸点温度，可以确保器件的温度恒定在该温度值不上升。

本实施例中，基底水冷板1的底部1-1内的第二密封空间、基底水冷板1上的凹槽1-2、盖板水冷板2的第一密封空间构成三明治冷却结构，第一密封空间和第二密封空间内的冷却水对凹槽1-2内放置的光纤激光器器件进行冷却。

本实施例通过第二密封空间内的流动冷却水、基底水冷板内部的凹槽、凹槽内的被灌封胶覆盖的待冷却的光纤激光器器件、凹槽内的低沸点液体以及盖板水冷板的内部的第一密封空间内的冷却水，实现了低沸点液体覆盖光纤器件、流动冷却水对光纤器件传导冷却，实现对光纤激光器器件其他各个面进行同时有效的全方位制冷；并利用低沸点液体蒸发制冷，能够将与低沸点液体接触面的温度控制在液体沸点的恒定温度值以内；本实施例通过对光纤激光器器件的全方位制冷，可以迅速带走光纤激光器器件产生的热量，能够极大降低光纤激光器的各个器件因热负荷导致的可能损伤，极大提高了高功率光纤激光器的稳定性。

另一实施例给出了一种基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却方法，其特征在于，所述光纤激光冷却方法采用上述实施例所述的光纤激光冷却装置冷却，包括如下步骤：

步骤一、将光纤激光器器件放置在基底水冷板1内的凹槽1-2内后进行光纤熔接；并将光纤熔接后的光纤激光器器件的输入光纤从预留光纤孔位(1-10)伸出后与泵浦源输出光纤进行熔接，将光纤熔接后的光纤激光器器件的输出光纤从预留光纤孔位1-10伸出后与光纤端帽输入光纤进行熔接；对光纤熔接点进行涂覆；

步骤二、采用灌封胶1-8，将所述光纤激光器器件和涂覆后的光纤熔接点进行灌封后固化；

步骤三、对所述预留光纤孔位1-10进行密封；并将低沸点液体1-9从低沸点液体注液口5注入到凹槽1-2内，直至完全覆盖待冷却的光纤激光器器件和光纤熔接点；

步骤四、将盖板水冷板2盖在所述基底水冷板1的上面；并对所述凹槽1-2完全密封；

步骤五、启动光纤激光器并将冷却水从盖板水冷板冷却水入口7注入到第一密封空间并进行流动；

步骤六、将冷却水从基底水冷板冷却水入口3注入到第二密封空间内并进行流动。

需要说明的是，本实施例的光纤激光冷却方法，其实现步骤的顺序是可变化的，如步骤五和步骤六的顺序可互换的。

对于本领域技术人员而言，显然本发明实施例不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明实施例的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明实施例。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明实施例内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统、装置或终端权利要求中陈述的多个单元、模块或装置也可以由同一个单元、模块或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却装置，其特征在于，所述光纤激光冷却装置包括基底水冷板(1)和盖板水冷板(2)；

所述基底水冷板(1)的上表面设置有用于放置被灌封胶(1-8)覆盖的光纤激光器器件和低沸点液体(1-9)的凹槽(1-2)；所述基底水冷板(1)的侧面设置有低沸点液体注液口(5)和低沸点液体排液口(6)；所述低沸点液体注液口(5)和低沸点液体排液口(6)与所述凹槽(1-2)连通；所述基底水冷板(1)的侧边沿设置有光纤输入输出预留孔(1-10)；

所述盖板水冷板(2)与所述凹槽(1-2)密封连接；所述盖板水冷板(2)的内部设置有冷却水流动的第一密封空间；所述盖板水冷板(2)上设置有盖板水冷板冷却水入口(7)和盖板水冷板冷却水出口(8)；所述盖板水冷板冷却水入口(7)和盖板水冷板冷却水出口(8)与所述第一密封空间连通。

2.根据权利要求1所述的光纤激光冷却装置，其特征在于，所述基底水冷板(1)的底部设置有冷却水流动的第二密封空间；所述基底水冷板(1)上设置有基底水冷板冷却水入口(3)和基底水冷板冷却水出口(4)；

所述基底水冷板冷却水入口(3)和基底水冷板冷却水出口(4)与所述第二密封空间连通。

3.根据权利要求2所述的光纤激光冷却装置，其特征在于，所述第一密封空间和第二密封空间均为蛇形流道或环形流道。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的光纤激光冷却装置，其特征在于，所述凹槽(1-2)的深度与光纤激光器器件中最高器件高度之差为3～15mm；

所述凹槽(1-2)内的低沸点液体界面与光纤激光器器件中最高器件顶端的位置差为1～10mm；

所述灌封胶(1-8)的厚度为0.01～1mm。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的光纤激光冷却装置，其特征在于，所述低沸点液体(1-9)的沸点低于所述光纤激光器器件工作所许可的最高温度中的最小值。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的光纤激光冷却装置，其特征在于，所述低沸点液体注液口(5)的位置高于所述光纤激光器器件中最高器件所对应的位置；

所述低沸点液体排液口(6)的位置低于所述凹槽(1-2)内部的最低平面所对应的位置。

7.根据权利要求书1～6中任意一项所述的光纤激光冷却装置，其特征在于，所述低沸点液体注液口(5)和低沸点液体排液口(6)均为具有自锁和密封能力的自锁阀。

8.根据权利要求书1～3中任意一项所述的光纤激光冷却装置，其特征在于，所述基底水冷板冷却水入口(3)、基底水冷板冷却水出口(4)、盖板水冷板冷却水入口(7)和盖板水冷板冷却水出口(8)均为水冷接头。

9.一种基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却方法，其特征在于，所述光纤激光冷却方法采用权利要求1～8中任意一项所述的光纤激光冷却装置冷却，包括如下步骤：

将光纤激光器器件放置在基底水冷板(1)内的凹槽(1-2)内后进行光纤熔接；并将光纤熔接后的光纤激光器器件的输入输出光纤从预留光纤孔位(1-10)伸出后与泵浦源的输出光纤进行熔接，将光纤熔接后的光纤激光器器件的输出光纤从预留光纤孔位(1-10)伸出后与光纤端帽输入光纤进行熔接；对光纤熔接点进行涂覆；

采用灌封胶(1-8)，将所述光纤激光器器件和涂覆后的光纤熔接点进行灌封后固化；

对所述预留光纤孔位(1-10)进行密封；并将低沸点液体(1-9)从低沸点液体注液口(5)注入到凹槽(1-2)内，直至完全覆盖待冷却的光纤激光器器件和光纤熔接点；

将盖板水冷板(2)盖在所述基底水冷板(1)的上面；并对所述凹槽(1-2)完全密封；

启动光纤激光器并将冷却水从盖板水冷板冷却水入口(7)注入到第一密封空间内并进行流动，从而实现光纤激光冷却。

10.根据权利要求9所述的光纤激光冷却方法，其特征在于，启动光纤激光器后，所述光纤激光冷却方法还包括：

将冷却水从基底水冷板冷却水入口(3)注入到第二密封空间内并进行流动。

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