CN111082289A - 一种立体制冷且模式可控的高效光纤水冷方法与结构 - Google Patents

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马鹏飞
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王鹏
奚小明
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韩凯
王泽锋
周朴
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Abstract

本发明提供一种立体制冷且模式可控的高效光纤水冷方法与结构，包括顶部盖板、箱体以及底部盖板，箱体的顶部由顶部盖板密封，箱体的底部由底部盖板密封，密封的箱体内设有冷却液，所述冷却液进液口以及冷却液出液口设置在箱体、顶部盖板或者底部盖板上。冷却液从冷却液进口输入到箱体内部，从冷却液出液口输出。所述箱体内设有一个以上的立式的螺旋铜管，立式的螺旋铜管用于穿设光纤。光纤各个面产生的热量全方位的传导到螺旋铜管上，螺旋铜管是完全浸在冷却液中的，流动循环的冷却液能够快速的带走螺旋铜管内的光纤工作时所产生的热量。箱体内的冷却液全方位带走光纤激光器中光纤产生的热量，冷却效率高，能够有效保证光纤激光器工作的稳定性。

Description

一种立体制冷且模式可控的高效光纤水冷方法与结构
技术领域
本发明涉及激光器冷却装置设计技术领域，尤其是涉及一种立体制冷且模式可控的高效光纤水冷方法与结构。
背景技术
光纤激光具有转换效率高、光束质量好和结构紧凑等优点，在工业、科研和国防等领域具有广泛的应用前景。主振荡功率放大(MOPA)结构主要用于高功率光纤激光系统中，MOPA结构通过一级或多级光纤放大器，对中低功率的种子激光进行功率放大，能获得较高功率的激光输出。
随着现有激光放大器输出激光功率的不断提高，激光放大器中的光学器件特别是光纤会产生大量对热，需要对激光放大器中的各学器件特别是光纤进行有效的冷却，不然会影响激光器的正常工作，甚至会烧毁激光放大器。
目前，针对激光放大器的冷却方案，最常见的是将光纤盘绕在冷却板上进行冷却，通过热传导将光纤器件的热量传导到冷却板上，冷却板内部的冷却液循环带走热量。但是这样的冷却方案存在很多弊端，比如其能够盘绕的光纤长度是受限制的。其水冷直径固定，不能一定范围内任意弯曲，不能实现对光束质量的控制。另外，这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，这种冷却效率不是很高，其适应范围是有限的，特别是对于高功率的激光放大器，其工作过程中产生大量的热，这种冷却方案会影响激光器工作的稳定性。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种立体制冷且模式可控的高效光纤水冷方法与结构，通过设计箱式水冷板以及箱体内穿设光纤的螺旋铜管，箱体内的冷却液全方位带走光纤激光器中光纤产生的热量，冷却效率高，能够有效保证光纤激光器工作的稳定性。
为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种立体制冷且模式可控的高效光纤水冷结构，包括顶部盖板、箱体以及底部盖板，箱体的顶部由顶部盖板密封，箱体的底部由底部盖板密封，密封的箱体内设有冷却液，所述箱体内设有一个以上的立式的螺旋铜管，立式的螺旋铜管用于穿设光纤。
进一步地，本发明还包括与箱体内部联通的冷却液进液口以及冷却液出液口，所述冷却液进液口以及冷却液出液口设置在箱体、顶部盖板或者底部盖板上。冷却液从冷却液进口输入到箱体内部，从冷却液出液口输出，可以是去离子水、防冻液等导热流动介质。光纤各个面产生的热量全方位的传导到螺旋铜管上，螺旋铜管是完全浸在冷却液中的，流动循环的冷却液能够快速的带走螺旋铜管内的光纤工作时所产生的热量。
进一步地，本发明的顶部盖板上设有光纤引入口和光纤引出口，光纤从光纤引入口进入箱体内的螺旋铜管，经螺旋铜管穿设出来的光纤从顶部盖板上的光纤引出口引出。
进一步地，为了最大限度的利用箱体内的空间，同时也为了适应不同的光纤长度，本发明所述箱体内可以设有两个以上的立式的螺旋铜管，两个或两个以上的螺旋铜管是相互连接的，一根光纤从光纤引入口进入箱体内，依次穿设两个以上相互连通的螺旋铜管后引出。
进一步地，如果光纤激光器中有多根光纤具有冷却降温需求，或者在冷却板上安装有多个光纤激光器，这样同样有多根光纤具有冷却降温需求。本发明的所述箱体上设有一对以上的光纤引入口和光纤引出口，一根光纤对应一对光纤引入口和光纤引出口，一对光纤引入口和光纤引出口对应两个或两个以上相互连接的螺旋铜管，一根光纤从其所对应的光纤引入口穿入箱体内，依次穿设对应的相互连接的两个或两个以上相互连通的螺旋铜管后从对应的光纤引出口引出。
进一步地，本发明所述顶部盖板以及底部盖板为光纤激光器中的其他组成光纤器件提供了安装平台。顶部盖板或/和底部盖板上布置有用于安装光纤激光器其他光学组成器件的安装位置以及安装件，箱体内部流通的冷却液带走箱体内螺旋铜管中光纤产生的热量，同时也带走顶部盖板或/和底部盖板上全部光学组成器件所产生的热量。
作为本发明的优选方案，本发明所述顶部盖板、箱体以及底部盖板分别为独立成型后密封安装连接为一体；顶部盖板、箱体以及底部盖板的密封连接处设置有密封垫。或者，作为本发明的优选方案，本发明所述顶部盖板与箱体为一体成型构成箱式水冷板后与底部盖板密封安装连接为一体；箱式水冷板后与底部盖板的密封连接处设置有密封垫。或者，作为本发明的优选方案，本发明所述底部盖板与箱体为一体成型构成箱式水冷板后与顶部盖板密封安装连接为一体；箱式水冷板后与底部盖板的密封连接处设置有密封垫。这样的设计，一方面是方便独立生产，另一方面方便组装和检修。
作为本发明的优选技术方案，所述箱体内设置有螺旋铜管定位支架，每个螺旋铜管对应一螺旋铜管定位支架，螺旋铜管由定位支架限位支撑在顶部盖板与底部盖板之间。
进一步地，本发明螺旋铜管定位支架由多根定位支撑柱构成，多根定位支撑柱呈环形均匀分布，各定位支撑柱上设有与螺旋铜管相适应的限位空间，螺旋铜管卡设在各定位支撑柱的限位空间内，实现螺旋铜管的稳定支撑。
进一步地，螺旋铜管的直径可以在一定范围内弯曲不同的直径，并通过定位支架的距离调整来固定螺旋铜管，实现对螺旋铜管内的增益光纤提供不同直径的弯曲，进而实现对模式的损耗和控制。进一步地，本发明所述定位支撑柱包括主定位立柱以及定位压板，主定位立柱的上端固定连接在顶部盖板上或者主定位立柱的下端固定连接在底部盖板上或者主定位立柱的上端以及下端分别固定连接在顶部盖板以及底部盖板上；所述主定位立柱的内侧面设有与螺旋铜管相适应的连续凹槽，所述定位压板的内侧面同样设有与螺旋铜管相适应的连续凹槽，定位压板固定在主定位立柱上且定位压板上的连续凹槽与主定位立柱上的连续凹槽向对应形成螺旋铜管的限位空间。
本发明可以广泛应用于各种光纤激光放大器，对于中大功率光纤激光放大器也具有特别好的冷却效果，能够保证中大功率光纤激光器的稳定运行。另一方面，本发明提供一种立体制冷且模式可控的高效光纤水冷方法，将光纤激光器安装在上述任意一种立体制冷且模式可控的高效光纤水冷结构上，其中光纤激光器的光纤从光纤引入口进入箱体内的螺旋铜管，经螺旋铜管穿设出来的光纤从顶部盖板上的光纤引出口引出，光纤激光器的其他光学器件设置在顶部盖板或/和底部盖板上，箱体内部冷却液带走箱体内螺旋铜管中光纤产生的热量，同时也带走顶部盖板或/和底部盖板上光纤激光器的其他光学器件所产生的热量。进一步地，所述螺铜铜管的直径在一定范围内可调，通过调整螺旋铜管的直径，并相应调整定位支撑柱之间的间距来固定螺旋铜管，为螺旋铜管内的增益光纤提供不同直径的弯曲，进而实现对模式的损耗和控制。本发明中的螺旋铜管的直径可以在一定范围内弯曲成不同的直径，并通过定位支撑柱之间的距离调整来固定螺旋铜管，实现对螺旋铜管内的增益光纤提供不同直径的弯曲，进而实现对模式的损耗和控制。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明兼顾普通冷却方案对光纤激光器全部光学器件的制冷要求。本发明包括顶部盖板、箱体以及底部盖板，光纤激光器中的光纤采用浸入式的冷却方案，通过穿设在浸入在箱体内冷却液中的立式螺旋铜管中，实现全方位的冷却。而顶部盖板和底部盖板也为光纤激光器的其他所有光纤器件提供了相应的安装位置，便于对工作中的光纤激光器的所有光纤器件进行冷却。
(2)本发明可以通过改变内部穿有光纤的铜管的直径来改变光纤的直径，通过弯曲光纤对高阶模式的损耗，在提供全方位制冷的同时实现激光器的模式控制，使得该结构可以适合不同纤芯直径、不同模式控制要求的光纤激光器的冷却和模式控制。
(3)本发明能够广泛应用于各种光纤激光器，有利于提高高功率光纤激光器的稳定性和可靠性：本发明对光纤器件的全方位制冷，可以迅速带走光纤器件产生的热量，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为本发明一实施例的结构示意图。
图2为一实施例中去掉箱式水冷板后箱体内部结构图。
图3为一实施例中去掉底部盖板后的箱体内部结构图。
图4为本发明一实施例的结构示意图。
图5为本发明一实施例的结构示意图。
图6为一实施例中箱式水冷板的结构示意图。
图7为一实施例中箱式水冷板的内部结构示意图。
图8为一实施例中底部盖板的结构示意图。
图9为一实施例中密封垫的结构示意图，
图10为一实施例中立式的螺旋铜管的结构示意图。
图11为一实施例中定位支撑柱的结构示意图。
图中标号：
1、顶部盖板；2、箱体；3、底部盖板；4、螺旋铜管；5、冷却液进液口；6、冷却液出液口；7、光纤引入口；8、光纤引出口；9、定位支撑柱；10、限位空间；11、主定位立柱；12、定位压板；13、连续凹槽；14、安装定位块；15、密封垫；16、光纤。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，一种立体制冷且模式可控的高效光纤水冷结构，包括顶部盖板1、箱体2以及底部盖板3，箱体2的顶部由顶部盖板1密封，箱体2的底部由底部盖板3密封。密封的箱体2内设有冷却液，所述箱体2内设有一个以上的立式的螺旋铜管4，立式的螺旋铜管4用于穿设光纤。将螺旋铜管4设计为立式的有以下好处：一方面，螺旋铜管4可以全方面的与箱体内的冷却液接触，光纤工作时产生的热量传导到螺旋铜管上，冷却液全方位带走热量，提高冷却效率。另一方面，立式的螺旋铜管能够有效的利用箱体内的高度方向的空间，使得其能够冷却的光纤长度大大增大，而不受箱体横截面面积的局限。更重要的是，所述螺铜铜管的直径在一定范围内可调，通过调整螺旋铜管的直径，可为螺旋铜管内的增益光纤提供不同直径的弯曲，进而实现对模式的损耗和控制。
参照图1和图6，顶部盖板1设置有与箱体2内部联通的冷却液进液口5以及冷却液出液口6，冷却液从冷却液进口4输入到箱体内部，从冷却液出液口6输出，该冷却液可以是去离子水、防冻液等导热流动介质。
顶部盖板1上设有光纤引入口7和光纤引出口8，光纤从光纤引入口7进入箱体内的螺旋铜管4，经螺旋铜管4穿设出来的光纤从顶部盖板1上的光纤引出口8引出。
所述顶部盖板1为光纤激光器中的其他组成光纤器件提供了安装平台。顶部盖板1上布置有用于安装光纤激光器其他光学组成器件的安装位置以及安装件，箱体2内部流通的冷却液带走箱体内螺旋铜管中光纤产生的热量，同时也带走顶部盖板或/和底部盖板上全部光学组成器件所产生的热量。如图1所示，顶部盖板1上设置有包层光滤除器、泵浦合束器等光学组成器件。
参照图2，为去掉箱式水冷板后箱体内部结构图。箱体2内可以设有两个以上的立式的螺旋铜管4。图2中包括两个相互连通的螺旋铜管4,，一根光纤从光纤引入口7进入箱体2内，依次穿设两个以上相互连通的螺旋铜管4后从引出光纤引出口8引出。这样的设计使得箱体内能够冷却的光纤长度大大增长。参照图10，图10为一实施例中立式的螺旋铜管的结构示意图，其由两个相互连通的螺旋铜管4组成，这样可以充分利用箱体内的空间，同时也使得其能够冷却的光纤长度大大增大。
参照图2和图3，所述箱体2内设置有螺旋铜管定位支架，每个螺旋铜管对应一螺旋铜管定位支架，螺旋铜管由定位支架限位支撑在顶部盖板1与底部盖板2之间。螺旋铜管定位支架由多根定位支撑柱9构成，多根定位支撑柱9呈环形均匀分布，各定位支撑柱9上设有与螺旋铜管4相适应的限位空间10，螺旋铜管4卡设在各定位支撑柱9的限位空间10内，实现螺旋铜管4的稳定支撑和限位。
参照图11，为定位支撑柱的结构示意图，所述定位支撑柱7包括主定位立柱11以及定位压板12，主定位立柱11的上端固定连接在顶部盖板1上或者主定位立柱11的下端固定连接在底部盖板2上或者主定位立柱11的上端以及下端分别固定连接在顶部盖板1以及底部盖板2上.。所述主定位立柱11的内侧面设有与螺旋铜管4相适应的连续凹槽13，所述定位压板12的内侧面同样设有与螺旋铜管4相适应的连续凹槽13，定位压板12的两端分别通过螺钉(也可以采用其他可拆卸或者不可拆卸的方式固定连接)固定安装在主定位立柱11上且定位压板12上的连续凹槽13与主定位立柱11上的连续凹槽13向对应形成螺旋铜管的限位空间10。参照图2、3和图7，所述顶部盖板1以及底部盖板2上设置有用于与定位支撑柱7固定安装的安装定位块14。定位支撑柱7与顶部盖板1以及底部盖板2之间通过卡接或螺接等方式可拆卸安装在顶部盖板1或底部盖板2上。
参照图4、图8，本发明所述底部盖板3也能单独作为一光纤激光器的安装平台。光纤激光器中的所有组成光纤器件包括光纤16、光栅、激光源、合束器等都可以直接排布安设在底部盖板3上。光纤激光器工作时各组成光纤器件所产生的热量能够传导到底部盖板3上，箱体2内流动的冷却液能够带走底部盖板3上的热量。参照图4以及图5，底部盖板3上排布有光纤以及为光纤激光器中的其他组成光纤器件。
本发明所述顶部盖板1、箱体2以及底部盖板3分别为独立成型后密封安装连接为一体，顶部盖板1、箱体2以及底部盖板3的密封连接处设置有密封垫15。参照图8，为密封垫的结构示意图。
另外，本发明所也可以采用这种方案，所述顶部盖板1与箱体2为一体成型构成箱式水冷板后与底部盖板3密封安装连接为一体；箱式水冷板与底部盖板3的密封连接处设置有密封垫15。参照图8，为密封垫的结构示意图。
另外，还有一种方案是：所述底部盖板3与箱体2为一体成型构成箱式水冷板后与顶部盖板1密封安装连接为一体；箱式水冷板后与底部盖板3的密封连接处设置有密封垫15。这样的设计，一方面是方便独立生产，另一方面方便组装和检修。参照图8，为密封垫的结构示意图。
本发明密封垫的材质不限，可以是密封胶、橡胶密封圈、硅胶密封圈等，保证箱体内的冷却液不会外渗。
如果光纤激光器中有多根光纤具有冷却降温需求，或者在冷却板上安装有多个光纤激光器，这样同样有多根光纤具有冷却降温需求。本发明的所述箱体上设有一对以上的光纤引入口和光纤引出口，一根光纤对应一对光纤引入口和光纤引出口，一对光纤引入口和光纤引出口对应两个或两个以上相互连接的螺旋铜管，一根光纤从其所对应的光纤引入口穿入箱体内，依次穿设对应的相互连接的两个或两个以上相互连通的螺旋铜管后从对应的光纤引出口引出。
本发明可以广泛应用于各种光纤激光放大器，对于中大功率光纤激光放大器也具有特别好的冷却效果，能够保证中大功率光纤激光器的稳定运行。
本发明提供一种光纤激光器，所述光纤激光器设置在上述任一种立体制冷且模式可控的高效光纤水冷结构上，其中光纤激光器的光纤从光纤引入口进入箱体内的螺旋铜管，经螺旋铜管穿设出来的光纤从顶部盖板上的光纤引出口引出，光纤激光器的其他光学器件设置在顶部盖板或/和底部盖板上，箱体内部冷却液带走箱体内螺旋铜管中光纤产生的热量，同时也带走顶部盖板或/和底部盖板上光纤激光器的其他光学器件所产生的热量。
本发明提供一种立体制冷且模式可控的高效光纤水冷方法，将光纤激光器安装在上述任意一种立体制冷且模式可控的高效光纤水冷结构上，其中光纤激光器的光纤从光纤引入口进入箱体内的螺旋铜管，经螺旋铜管穿设出来的光纤从顶部盖板上的光纤引出口引出，光纤激光器的其他光学器件设置在顶部盖板或/和底部盖板上，箱体内部冷却液带走箱体内螺旋铜管中光纤产生的热量，同时也带走顶部盖板或/和底部盖板上光纤激光器的其他光学器件所产生的热量。进一步地，所述螺铜铜管的直径在一定范围内可调，通过调整螺旋铜管的直径，并相应调整定位支撑柱之间的间距来固定螺旋铜管，为螺旋铜管内的增益光纤提供不同直径的弯曲，进而实现对模式的损耗和控制。本发明中的螺旋铜管的直径可以在一定范围内弯曲成不同的直径，并通过定位支撑柱之间的距离调整来固定螺旋铜管，实现对螺旋铜管内的增益光纤提供不同直径的弯曲，进而实现对模式的损耗和控制。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种立体制冷且模式可控的高效光纤水冷结构，其特征在于：包括顶部盖板、箱体、底部盖板、冷却液进液口以及冷却液出液口，箱体的顶部由顶部盖板密封，箱体的底部由底部盖板密封，密封的箱体内设有冷却液，所述冷却液进液口以及冷却液出液口设置在箱体、顶部盖板或者底部盖板上；冷却液从冷却液进口输入到箱体内部，从冷却液出液口输出；所述箱体内设有一个以上的立式的螺旋铜管，立式的螺旋铜管用于穿设光纤。
2.根据权利要求1所述的立体制冷且模式可控的高效光纤水冷结构，其特征在于：顶部盖板上设有光纤引入口和光纤引出口，光纤从光纤引入口进入箱体内的螺旋铜管，经螺旋铜管穿设出来的光纤从顶部盖板上的光纤引出口引出。
3.根据权利要求2所述的立体制冷且模式可控的高效光纤水冷结构，其特征在于：箱体内设有两个以上的立式的螺旋铜管，两个或两个以上的螺旋铜管是相互连接的，一根光纤从光纤引入口进入箱体内，依次穿设两个以上相互连通的螺旋铜管后引出。
4.根据权利要求1所述的立体制冷且模式可控的高效光纤水冷结构，其特征在于：所述箱体上设有一对以上的光纤引入口和光纤引出口，一根光纤对应一对光纤引入口和光纤引出口，一对光纤引入口和光纤引出口对应两个或两个以上相互连接的螺旋铜管，一根光纤从其所对应的光纤引入口穿入箱体内，依次穿设对应的相互连接的两个或两个以上相互连通的螺旋铜管后从对应的光纤引出口引出。
5.根据权利要求1所述的立体制冷且模式可控的高效光纤水冷结构，其特征在于：所述顶部盖板以及底部盖板为光纤激光器中的其他组成光纤器件提供了安装平台；顶部盖板或/和底部盖板上布置有用于安装光纤激光器其他光学组成器件的安装位置以及安装件，箱体内部流通的冷却液带走箱体内螺旋铜管中光纤产生的热量，同时也带走顶部盖板或/和底部盖板上全部光学组成器件所产生的热量。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的立体制冷且模式可控的高效光纤水冷结构，其特征在于：所述顶部盖板、箱体以及底部盖板分别为独立成型后密封组装为一体；顶部盖板、箱体以及底部盖板的密封连接处设置有密封垫；
或者，所述顶部盖板与箱体为一体成型构成箱式水冷板后与底部盖板密封组装为一体；箱式水冷板后与底部盖板的密封连接处设置有密封垫；
或者，所述底部盖板与箱体为一体成型构成箱式水冷板后与顶部盖板密封组装为一体；箱式水冷板后与底部盖板的密封连接处设置有密封垫。
7.根据权利要求6中所述的立体制冷且模式可控的高效光纤水冷结构，其特征在于：所述箱体内设置有螺旋铜管定位支架，每个螺旋铜管对应一螺旋铜管定位支架，螺旋铜管由定位支架限位支撑在顶部盖板与底部盖板之间。
8.根据权利要求7中所述的立体制冷且模式可控的高效光纤水冷结构，其特征在于：螺旋铜管定位支架由多根定位支撑柱构成，多根定位支撑柱呈环形均匀分布，各定位支撑柱上设有与螺旋铜管相适应的限位空间，螺旋铜管卡设在各定位支撑柱的限位空间内，实现螺旋铜管的稳定支撑。
9.根据权利要求8中所述的立体制冷且模式可控的高效光纤水冷结构，其特征在于：所述定位支撑柱包括主定位立柱以及定位压板，主定位立柱的上端固定连接在顶部盖板上或者主定位立柱的下端固定连接在底部盖板上或者主定位立柱的上端以及下端分别固定连接在顶部盖板以及底部盖板上；所述主定位立柱的内侧面设有与螺旋铜管相适应的连续凹槽，所述定位压板的内侧面同样设有与螺旋铜管相适应的连续凹槽，定位压板固定在主定位立柱上且定位压板上的连续凹槽与主定位立柱上的连续凹槽向对应形成螺旋铜管的限位空间。
10.一种立体制冷且模式可控的高效光纤水冷方法，其特征在于，将光纤激光器安装在如权利要求1至9中任意一种立体制冷且模式可控的高效光纤水冷结构上，其中光纤激光器的光纤从光纤引入口进入箱体内的螺旋铜管，经螺旋铜管穿设出来的光纤从顶部盖板上的光纤引出口引出，光纤激光器的其他光学器件设置在顶部盖板或/和底部盖板上，箱体内部冷却液带走箱体内螺旋铜管中光纤产生的热量，同时也带走顶部盖板或/和底部盖板上光纤激光器的其他光学器件所产生的热量，所述螺铜铜管的直径在一定范围内可调，通过调整螺旋铜管的直径，并相应调整定位支撑柱之间的间距来固定螺旋铜管，为螺旋铜管内的增益光纤提供不同直径的弯曲，进而实现对模式的损耗和控制。
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CN114447740A (zh) * 2022-01-29 2022-05-06 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种冷却装置及光纤激光器

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