CN111029891A - 一种激光增益光纤散热装置 - Google Patents

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曾和平
张青山
胡梦云
许帅
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Chongqing Institute of East China Normal University
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East China Normal University
Chongqing Institute of East China Normal University
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Abstract

本发明公开一种增益光纤散热装置，用于高功率超快激光器，包括增益光纤和散热结构；所述散热结构包括金属管、柔性导热层和水冷结构；增益光纤穿过所述金属管，所述金属管与所述增益光纤之间设置有所述柔性导热层；在所述金属管上设置所述水冷结构以降低所述增益光纤的温度。本发明的增益光纤散热装置，通过水冷方式散热，且实现迅速散热，提高了散热效率。

Description

一种激光增益光纤散热装置
技术领域
本发明涉及光纤散热领域，尤其涉及一种激光增益光纤散热装置。
背景技术
近年来随着光纤技术发展，光纤激光器输出的能量与功率得以极大提升，越来越多的应用于科学研究及工业生成领域。相比于传统的固态激光器，光纤激光器具有结构简单、易于搭建、泵浦转换效率高、光束模式好、价格低廉等优势。同时光纤具有极高的表体积比，可以通过风冷和水冷等实现热量快速转移，从而维持激光器的正常运转。但当激光器功率进一步提升时，风冷散热能力难以满足需求，此时通常会引入主动水冷散热，将光纤置于水冷板上，实现将多余的热量转移。现有技术中往往通过在水冷板上刻画V型槽，对光纤进行放置。这种方法带来的弊端主要在于：光纤固定受到外部力的挤压，增加损耗或光纤不可逆损伤风险；光纤外形通常为圆柱体，水冷板接触面积小，散热效率低，散热效果受到极大影响；同时水冷板体积较大，不便于设备集成安装；并且增益光纤为高功率放大时，热量过高累积，自然散热无法保障增益光纤性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过水冷方式散热，并提升散热效率的增益光纤散热装置。
为实现上述目的，本发明提供一种增益光纤散热装置，包括增益光纤和散热结构；所述散热结构包括金属管、柔性导热层和水冷结构；所述增益光纤穿过所述金属管，所述金属管与所述增益光纤之间设置有所述柔性导热层；在所述金属管上设置所述水冷结构以降低所述增益光纤的温度。
进一步，所述水冷结构包括水冷端头和采用金属材质制成的光纤端子，所述水冷端头具有用于盛装循环冷却水并冷却所述光纤端子的密封室，所述密封室设置有第一进水口和第一出水口；所述光纤端子安装在所述水冷端头上且穿过所述密封室，所述增益光纤的两端部中的至少一个端部上设有所述光纤端子，所述增益光纤的两端部伸出到所述金属管的外侧；同侧相邻的所述金属管的端部和所述增益光纤的端部均设置在所述光纤端子中，所述金属管和所述增益光纤与所述光纤端子之间设置有密封胶；所述增益光纤通过所述光纤端子对外传递或接收信号。
进一步，所述增益光纤的两端部上均设置有光纤端子，所述金属管的两端部和所述增益光纤的两端部均设置在对应的所述光纤端子中。
进一步，所述光纤端子由第一夹持件和第二夹持件合围构成；所述第一夹持件的一端部设置有第一安装凹槽，并设置有连通至另一端部的第一夹持凹部；所述第二夹持件上设置有与所述第一安装凹槽对应的第二安装凹槽和与所述第一夹持凹部对应的第二夹持凹部；通过所述第一安装凹槽与所述第二安装凹槽、所述第一夹持凹部与所述第二夹持凹部合围构成夹持通道；所述第一安装凹槽和所述第二安装凹槽用于装配所述金属管的端部，所述第一夹持凹部和所述第二夹持凹部用于夹持所述增益光纤的端部。
进一步，所述第一夹持凹部和所述第二夹持凹部的外端部均形成由内到外角度逐渐增大的锥形凹部。
进一步，所述水冷结构还包括窗片组件，所述窗片组件包括与所述水冷端头过盈配合的柱体、设置在所述柱体的上连接盘和用于隔离外界空气的窗片本体，所述柱体插入所述水冷端头内，直至所述连接盘与所述水冷端头外侧抵接并通过螺钉固定在所述水冷端头上，所述柱体沿其轴向设置有光路输出通道，所述光纤端子的外端部装配到所述光路输出通道中，所述窗片本体设置在所述光路输出通道内且设置在所述光纤端子的外端部的外侧。
进一步，所述水冷端头采用金属材质制成，所述光纤端子的内端部穿过所述水冷端头且与所述水冷端头过盈配合，所述光纤端子与所述水冷端头之间设置有高导热材料。
进一步，所述水冷结构包括套设在所述金属管上的用于盛装循环冷却水并冷却所述金属管的水套，所述水套上设置有第三进水口和第三出水口。
进一步，所述第三进水口和所述第三出水口沿着所述金属管的轴向方向设置在所述水套的两端部上。
进一步，所述金属管的管壁为双层结构，包括内层管壁和外层管壁；所述水冷结构包括所述内层管壁和所述外层管壁之间形成用于盛装循环冷却水的循环水道和与所述循环水道连通的第二进水口和第二出水口，所述第二进水口和所述第二出水口设置在所述外层管壁上。
进一步，所述循环水道包括两个相互连通的子循环水道；所述第二进水口和第二出水口设置在所述外层管壁的一端上，所述第二进水口与其中一个子循环水道连通，所述第二出水口与另一个子循环水道连通，两个所述子循环水道在所述外层管壁的另一端连通。
进一步，还包括用于调整所述水冷端头沿X轴方向或Y轴方向偏移的二维调整架，所述水冷端头安装在所述二维调整架上。
本发明与现有技术相比较具有以下优点：
本发明的增益光纤散热装置，将增益光纤封装在金属管内，利用热管技术实现光纤表层热量快速传递至金属管上加装的水冷结构，并通过水冷，将散热冷端热量迅速带走，集成度高，极大提高了散热效率，保障了增益光纤的性能。由于金属管与增益光纤之间填充的是柔性导热层，增益光纤不会直接受到外部挤压，极大减少了对增益光纤的损伤和损耗；同时对水冷结构加装二维调整架，增加光路自由度，降低空间光路耦合难度，通过调整光纤方向，便于模组空间光路耦合，极大提高模组的易用性及自由度，更容易装配到激光器上。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的增益光纤散热装置的结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的光纤端子的结构示意图；
图3为本发明实施例一提供的光纤端子的装配图；
图4为本发明实施例一提供的增益光纤、金属管连接和光纤端子的结构示意图；
图5为本发明实施例一提供的水冷端头的结构示意图；
图6为图5中水冷端头的装配图；
图7为本发明实施例一提供的水冷端头与二维调整架连接的结构示意图；
图8为本发明实施例一提供的增益光纤和金属管连接的结构示意图；
图9为本发明实施例二提供的增益光纤和金属管连接的结构示意图；
图10为图9中A-A处剖面图；
图11为本发明实施例三提供的增益光纤、金属管与水套连接的结构示意图；
图12为图11在B-B处的剖面图。
图中：
1-增益光纤；23-光路输出通道，24-水冷端头，25-窗片组件，251-柱体，252-连接盘；3-金属管，31-内层管壁，32-外层管壁，321-第二进水口，322-第二出水口；4-光纤端子，41-第一夹持件，411-第一安装凹槽，412-第一夹持凹部，42-第二夹持件，43-夹持通道，44-螺栓；5-循环水道，51-子循环水道；6-窗片本体；7-水套，71-第三进水口，72-第三出水口；8-二维调整架；9-锥形凹部；11-第一进水口，12-第一出水口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
实施例一
参见图1所示，本实施例公开一种增益光纤散热装置，包括增益光纤1和散热结构；散热结构包括金属管3、柔性导热层和水冷结构；增益光纤1穿过金属管3，金属管3与增益光纤1之间设置有柔性导热层；在金属管3上设置水冷结构以降低增益光纤1的温度。通过柔性导热层填充光纤与金属管3之间缝隙，实现增益光纤1产生的热量快速传至金属管3的外壁进而通过水冷结构将热量及时带走，从而保证增益光纤正常工作，金属管3与柔性导热层可将增益光纤1产生的热量快速有效导出，避免器件因温度过高而影响性能或损坏器件；柔性导热层既降低了增益光纤1与金属管3之间的界面热阻，又避免由于挤压导致增益光纤1损耗增加或不可逆损伤风险。
在本实施例中，柔性导热层采用柔性的柔性热相变材料或柔性导热材料；柔性导热材料为非矽型高导热硅脂或软性导热硅胶或其他导热材料制成。柔性热相变材料材料受热产生相变，可快速将热量传递至水冷结构。膏状或柔性导热材料具有较高的导热系数，受热不会发生流变及相分离，导热材料与增益光纤和金属管3内壁之间充分接触。
在本实施例中，金属管3的材质为铜，在其他实施例中，也可以为铁或钢或其他金属材质，并不以此为限。
参见图2至图8所示，水冷结构包括水冷端头24和采用金属材质制成的光纤端子4，水冷端头24具有用于盛装循环冷却水并冷却光纤端子4的密封室，密封室设置有第一进水口21和第一出水口22；光纤端子4安装在水冷端头24上且穿过密封室，增益光纤1的两端部中的至少一个端部上设有光纤端子4，增益光纤1的两端部伸出到金属管3的外侧；同侧相邻的金属管3的端部和增益光纤1的端部均设置在光纤端子4中，金属管3和增益光纤1与光纤端子4之间设置有密封胶；增益光纤1通过光纤端子4对外传递或接收信号。增益光纤1与所述光纤端子4之间设置的所述密封胶为导热密封胶。光纤端子4可以采用铜材质制成，在其他实施例中，还可能采用其他金属材质制成，并不以此为限。
在本实施例中，增益光纤1的两端部上均设置有光纤端子4，金属管3的两端部和增益光纤1的两端部均设置在对应的光纤端子4中。
参见图2和图3所示，光纤端子4由第一夹持件41和第二夹持件42合围构成；第一夹持件41的一端部设置有第一安装凹槽411，并设置有连通至另一端部的第一夹持凹部412；第二夹持件42上设置有与第一安装凹槽411对应的第二安装凹槽和与第一夹持凹部412对应的第二夹持凹部；通过第一安装凹槽411与第二安装凹槽、第一夹持凹部412与第二夹持凹部合围构成夹持通道43；第一安装凹槽411和第二安装凹槽用于装配金属管3的端部，第一夹持凹部412和第二夹持凹部用于夹持增益光纤1的端部。
第一夹持件41和第二夹持件42通过螺栓44固定在一起。第一夹持件41和第二夹持件42合围夹持增益光纤1经螺栓锁紧，第一夹持件41和第二夹持件42及增益光纤1之间采用密封胶保障金属管3与增益光纤1的气密性，避免增益光纤1与水进行接触，第一夹持件41和第二夹持件42及增益光纤1之间采用导热密封胶，进一步使得增益光纤1的端部的热量通过导热密封胶传递到光纤端子4上，光纤端子4将热量通过水冷方式进行散热。光纤端子4另一端采用第一安装凹槽411和第二安装凹槽与金属管紧配，并通过密封胶保障气密性。
在本实施例中，第一夹持件41和第二夹持件42均为半圆柱体，第一夹持件41和第二夹持件42合围构成圆柱体。第一安装凹槽411和第二安装凹槽均为半圆柱形凹槽，第一安装凹槽411和第二安装凹槽合围形成的圆柱形孔的大小与金属管紧配，以对金属管进行有效装配；第一夹持凹部412和第二夹持凹部均为半圆柱凹槽，第一夹持凹部412和第二夹持凹部结合的大小与增益光纤1的外径相适应，以对增益光纤1进行有效的装配。
在本实施例中，第一夹持凹部412和第二夹持凹部的外端部均形成由内到外角度逐渐增大的锥形凹部9。第一夹持凹部412和所述第二夹持凹部的外端部采用锥形凹部9设计，便于增益光纤夹持耦合。
在本实施例中，水冷结构还包括窗片组件25，窗片组件25包括与水冷端头24过盈配合的柱体251、设置在柱体251的上连接盘252和用于隔离外界空气的窗片本体6，柱体251插入水冷端头24内，直至连接盘252与水冷端头24外侧抵接并通过螺钉固定在水冷端头24上，柱体251沿其轴向设置有光路输出通道23，光纤端子4的外端部装配到光路输出通道23中，窗片本体6设置在光路输出通道23内且设置在光纤端子4的外端部的外侧。窗片组件25还包括密封圈，密封圈设置在连接盘252与水冷端头24之间。窗片本体6上镀上了有利于增益光纤1产生信号光所在波段的膜层。窗片本体6用于保护增益光纤端面，避免空气中灰尘与增益光纤1的端面接触。窗片组件25与光纤端子4之间设置有密封胶，以防止水冷端头24中的冷却水通过窗片组件25和光纤端子4之间的缝隙影响到增益光纤1。其中光纤端子4的外端部与光路输出通道23过盈配合。
在本实施例中，水冷端头24采用金属材质制成，光纤端子4的内端部穿过水冷端头且与水冷端头24过盈配合，光纤端子4与水冷端头24之间设置有高导热材料。高导热材料为铟箔，在其他实施例中，也可以为其他高导热材料，并不以此为限。水冷端头24内部有水冷多通道，增加水和金属的接触面，所述水冷端头24与光纤端子紧密结合，接触面填充高导热材料，便于热量传递。
在本实施例中，水冷端头24可以采用铜材质制成，在其他实施例中，水冷端头24也可以采用其他金属材质制成，并不以此为限。
参见图11和图12所示，水冷结构包括套设在金属管3上的用于盛装循环冷却水并冷却金属管3的水套7，水套7上设置有第三进水口71和第三出水口72。
在本实施例中，第三进水口71和第三出水口72沿着金属管3的轴向方向设置在水套的两端部上。将第三进水口71和第三出水口72设置在设置在水套的两端部上，增加了水套中冷却水循环的路径，加快了对金属管的散热。
参见图9和图10所示，金属管3的管壁为双层结构，包括内层管壁31和外层管壁32；水冷结构包括内层管壁31和外层管壁32之间形成用于盛装循环冷却水的循环水道5和与循环水道5连通的第二进水口321和第二出水口322，第二进水口321和第二出水口322设置在外层管壁32上。
在本实施例中，循环水道5包括两个相互连通的子循环水道51，外层管壁32的一端部上设置有与其中一个子循环水道51连通的第二进水口321和与另一个子循环水道51连通的第二出水口322，两个子循环水道51在外层管壁32的另一端部连通。将设置第二进水口321和第二出水口322的位置与两个子循环水道51连通部位进行相对设置，增加了循环水道5中冷却水循环的路径，加快了对金属管的散热。
在本实施例中，增益光纤散热装置还包括用于调整水冷端头24沿X轴方向或Y轴方向偏移的二维调整架8，水冷端头24安装在二维调整架8上。通过二维调整架可实现光纤XY两个维度方向调整，便于光路耦合从而降低激光器装配难度；通过调整光纤方向，便于模组空间光路耦合，极大提高模组的易用性及自由度。二维调整架为高精度方形二维调整架，调整增益光纤端面方向，便于激光空间耦合。
本实施通过柔性导热层填充光纤与金属管之间缝隙，实现增益光纤产生的热量快速传至金属管的外壁，通过在金属管3两端设置光纤端子4和水冷端头24，金属管3上的热量通过传递到光纤端子4上，并通过水冷端头24上的密封室内的循环水将热量及时带走，从而保证增益光纤正常工作。
实施例二
实施例二与实施例一的区别在于：水冷结构结构不同。参见图9和图10所示，金属管3的管壁为双层结构，包括内层管壁31和外层管壁32；水冷结构包括内层管壁31和外层管壁32之间形成用于盛装循环冷却水的循环水道5和与循环水道5连通的第二进水口321和第二出水口322，第二进水口321和第二出水口322设置在外层管壁32上。
在本实施例中，循环水道5包括两个相互连通的子循环水道51；第二进水口321和第二出水口322设置在外层管壁32的一端上，第二进水口321与其中一个子循环水道51连通，第二出水口322与另一个子循环水道51连通，两个子循环水道51在外层管壁32的另一端连通。将设置第二进水口321和第二出水口322的位置与两个子循环水道51连通部位进行相对设置，增加了循环水道5中冷却水循环的路径，加快了对金属管的散热。
本实施通过柔性导热层填充光纤与金属管之间缝隙，实现增益光纤产生的热量快速传至金属管的外壁，通过在金属管3上的循环水道5内的循环水将热量及时带走，从而保证增益光纤正常工作。
实施例三
实施例三与实施例二和实施例一的区别在于：水冷结构结构不同。参见图11和图12所示，水冷结构包括套设在金属管3上的用于盛装循环冷却水并冷却金属管3的水套7，水套7上设置有第三进水口71和第三出水口72。
在本实施例中，第三进水口71和第三出水口72沿着金属管3的轴向方向设置在水套的两端部上。将第三进水口71和第三出水口72设置在设置在水套的两端部上，增加了水套中冷却水循环的路径，加快了对金属管的散热。
本实施通过柔性导热层填充光纤与金属管之间缝隙，实现增益光纤产生的热量快速传至金属管的外壁，通过在金属管3外设置的水套7内的循环水将热量及时带走，从而保证增益光纤正常工作。
本发明的增益光纤散热装置，将增益光纤封装在金属管内，利用热管技术实现光纤表层热量快速传递至金属管上加装的水冷结构，并通过水冷，将散热冷端热量迅速带走，集成度高，极大提高了散热效率，保障了增益光纤的性能。由于金属管与增益光纤之间填充的是柔性导热层，增益光纤不会直接受到外部挤压，极大减少了对增益光纤的损伤和损耗；同时对水冷结构加装二维调整架，增加光路自由度，降低空间光路耦合难度，通过调整光纤方向，便于模组空间光路耦合，极大提高模组的易用性及自由度，更容易装配到激光器上。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种增益光纤散热装置，其特征是：包括增益光纤（1）和散热结构；所述散热结构包括金属管（3）、柔性导热层和水冷结构；所述增益光纤（1）穿过所述金属管（3），所述金属管（3）与所述增益光纤（1）之间设置有所述柔性导热层；在所述金属管（3）上设置所述水冷结构以降低所述增益光纤（1）的温度。
2.根据权利要求1所述的增益光纤散热装置，其特征是：所述水冷结构包括水冷端头（24）和采用金属材质制成的光纤端子（4），所述水冷端头（24）具有用于盛装循环冷却水并冷却所述光纤端子（4）的密封室，所述密封室设置有第一进水口（21）和第一出水口（22）；所述光纤端子（4）安装在所述水冷端头（24）上且穿过所述密封室，所述增益光纤（1）的两端部中的至少一个端部上设有所述光纤端子（4），所述增益光纤（1）的两端部伸出到所述金属管（3）的外侧；同侧相邻的所述金属管（3）的端部和所述增益光纤（1）的端部均设置在所述光纤端子（4）中，所述金属管（3）和所述增益光纤（1）与所述光纤端子（4）之间设置有密封胶；所述增益光纤（1）通过所述光纤端子（4）对外传递或接收信号。
3.根据权利要求2所述的增益光纤散热装置，其特征是：所述增益光纤（1）的两端部上均设置有光纤端子（4），所述金属管（3）的两端部和所述增益光纤（1）的两端部均设置在对应的所述光纤端子（4）中。
4.根据权利要求2所述的增益光纤散热装置，其特征是：所述光纤端子（4）由第一夹持件（41）和第二夹持件（42）合围构成；所述第一夹持件（41）的一端部设置有第一安装凹槽（411），并设置有连通至另一端部的第一夹持凹部（412）；所述第二夹持件（42）上设置有与所述第一安装凹槽（411）对应的第二安装凹槽和与所述第一夹持凹部（412）对应的第二夹持凹部；通过所述第一安装凹槽（411）与所述第二安装凹槽、所述第一夹持凹部（412）与所述第二夹持凹部合围构成夹持通道（43）；所述第一安装凹槽（411）和所述第二安装凹槽用于装配所述金属管（3）的端部，所述第一夹持凹部（412）和所述第二夹持凹部用于夹持所述增益光纤（1）的端部。
5.根据权利要求4所述的增益光纤散热装置，其特征是：所述第一夹持凹部（412）和所述第二夹持凹部的外端部均形成由内到外角度逐渐增大的锥形凹部（9）。
6.根据权利要求2所述的增益光纤散热装置，其特征是：所述水冷结构还包括窗片组件（25），所述窗片组件（25）包括与所述水冷端头（24）过盈配合的柱体（251）、设置在所述柱体（251）的上连接盘（252）和用于隔离外界空气的窗片本体（6），所述柱体（251）插入所述水冷端头（24）内，直至所述连接盘（252）与所述水冷端头（24）外侧抵接并通过螺钉固定在所述水冷端头（24）上，所述柱体（251）沿其轴向设置有光路输出通道（23），所述光纤端子（4）的外端部装配到所述光路输出通道（23）中，所述窗片本体（6）设置在所述光路输出通道（23）内且设置在所述光纤端子（4）的外端部的外侧。
7.根据权利要求2或6所述的增益光纤散热装置，其特征是：所述水冷端头（24）采用金属材质制成，所述光纤端子（4）的内端部穿过所述水冷端头且与所述水冷端头（24）过盈配合，所述光纤端子（4）与所述水冷端头（24）之间设置有高导热材料。
8.根据权利要求1所述的增益光纤散热装置，其特征是：所述水冷结构包括套设在所述金属管（3）上的用于盛装循环冷却水并冷却所述金属管（3）的水套（7），所述水套（7）上设置有第三进水口（71）和第三出水口（72）；进一步，所述第三进水口（71）和所述第三出水口（72）沿着所述金属管（3）的轴向方向设置在所述水套（7）的两端部上。
9.根据权利要求1所述的增益光纤散热装置，其特征是：所述金属管（3）的管壁为双层结构，包括内层管壁（31）和外层管壁（32）；所述水冷结构包括所述内层管壁（31）和所述外层管壁（32）之间形成用于盛装循环冷却水的循环水道（5）和与所述循环水道（5）连通的第二进水口（321）和第二出水口（322），所述第二进水口（321）和所述第二出水口（322）设置在所述外层管壁（32）上；进一步，所述循环水道（5）包括两个相互连通的子循环水道（51）；所述第二进水口（321）和第二出水口（322）设置在所述外层管壁（32）的一端上，所述第二进水口（321）与其中一个子循环水道（51）连通，所述第二出水口（322）与另一个子循环水道（51）连通，两个所述子循环水道（51）在所述外层管壁（32）的另一端连通。
10.根据权利要求2所述的增益光纤散热装置，其特征是：还包括用于调整所述水冷端头（24）沿X轴方向或Y轴方向偏移的二维调整架（8），所述水冷端头（24）安装在所述二维调整架（8）上。
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