CN111884020A - 一种适合激光除冰用的高功率单谐振腔风冷激光光源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适合激光除冰用的高功率单谐振腔风冷激光光源，包含光源壳体，在光源壳体内部设置有固定基板、交直流转换电源、直流蓄能电源及激光发生模块，在光源壳体外部设置有交直流转化电源接口、直流蓄能电源充接口及激光光源控制接口；交直流转换电源、直流蓄能电源及激光发生模块均设置在固定基板上，且交直流转换电源分别与交直流转换电源及激光发生模块电连接，直流蓄能电源分别与直流蓄能电源充接口及激光发生模块电连接，激光发生模块与激光光源控制接口电连接。本发明优点是：使用方便，无需外置水冷机；输出功率高、光斑大、除冰效率高；输出功率密度适中，不损伤基材；可形成良好的体吸收效应，适应寒冷环境连续工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光光源，具体的说是涉及一种适合激光除冰用的高功率单谐振腔风冷激光光源。
背景技术
寒冷的冬季，当气温下降至0℃以下，在湿度较大的地方便会在高压线、变电站、电塔、高空基站、风电叶片等电力设备上形成覆冰，风速较高时覆冰往往会很多很重对电力设备的运行产生安全隐患、降低输电/发电效率。在我国发电/输电主要在西北部地区，冬季寒冷而漫长结冰情况比较严重；东南沿海地区虽然冬季结冰时间短，但是其湿度往往比较大也容易在电力设施上形成覆冰。因此，及时去除电力设施设备上的覆冰，对保障冬季时的用电安全，就显得尤为重要。
常见的除冰手段主要有：电热除冰、化学除冰、机械除冰等；其中，电热除冰、机械除冰，通过要求输电设备必须停止供电；而化学除冰则存在化学制剂碰洒和涂抹困难，对于架空的线缆接触面积太小基本去除不了覆冰的目的。另外，很多的输电设备通常都设置在陡峭的山涧、山坡、悬崖等道路环境很差的地方，而且电力设施如高压线塔一般都很高，采用机械除冰不仅难度大而且速度慢，采用化学除冰化学制剂碰洒和涂抹存在很大的困难。而激光以其无接触作用、远距离操作、方向性好、功率和光斑大小灵活可调等特点，可以实现不断电除冰、无需人员设备爬上爬下、可自动化编程、精准可控节约能源等优势，成为了目前比较适合电力设施设备除冰大力发展的方向之一。
一套完整的激光除冰系统主要由：冷却系统、电源系统、激光光源、准直调节系统、跟踪扫描系统、综合控制系统以及载具系统组成；其中，激光光源是整个激光除冰系统的核心，其他所有的子系统都要围绕激光光源进行匹配的配置，决定着整个除冰系统的效率、成本、配置及使用方式等；由此可知，研究一种除冰效率高、配置简单、使用方便，适应寒冷环境可连续工作的激光光源是非常有必要的。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明的目的在于提供一种适合激光除冰用的高功率单谐振腔风冷激光光源。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种适合激光除冰用的高功率单谐振腔风冷激光光源，包含光源壳体，在所述光源壳体内部设置有固定基板、交直流转换电源、直流蓄能电源及激光发生模块，在所述光源壳体外部设置有交直流转化电源接口、直流蓄能电源充接口及激光光源控制接口；所述交直流转换电源、直流蓄能电源及激光发生模块均设置在所述固定基板上，且所述交直流转换电源分别与所述交直流转换电源及激光发生模块电连接，所述直流蓄能电源分别与所述直流蓄能电源充接口及激光发生模块电连接，所述激光发生模块与激光光源控制接口电连接。
进一步，在所述激光发生模块的一端设置有激光发生模块进风口，在所述激光发生模块的另一端设置有激光发生模块出风口，在所述激光发生模块进风口处设置有进风口防尘网，在所述激光发生模块出风口处设置有出风口防尘网。
进一步，在所述进风口防尘网及出风口防尘网上均还布置有加热电阻丝。
进一步，所述进风口防尘网及出风口防尘网均固设在所述固定基板上，且分别与开设在光源壳体上的进风口和出风口相对应连通。
进一步，所述激光发生模块包含风冷散热腔体、总控制模块、光路系统模块、柔性传输铠缆、风冷激光输出头、直流驱动控制模块和散热风扇；所述总控制模块、光路系统模块、直流驱动控制模块和散热风扇均固设在所述风冷散热腔体上，且总控制模块分别与直流驱动控制模块、散热风扇、交直流转换电源及直流蓄能电源电连接，直流驱动控制模块与光路系统模块电连接，光路系统模块通过柔性传输铠缆与风冷激光输出头相连。
进一步，所述散热风扇的数量为3～8个，且并排固定在风冷散热腔体的散热口处。
进一步，所述光路系统模块包含左泵浦源阵列、右泵浦源阵列、左泵浦源阵列合束器、右泵浦源阵列合束器、中红外种子源、光功率放大器及剥模器；
所述左泵浦源阵列与所述左泵浦源阵列合束器相连，所述左泵浦源阵列用于输出多束泵浦光至左泵浦源阵列合束器，所述左泵浦源阵列合束器用于将左泵浦源阵列输出的多束泵浦光合成一束泵浦光之后从左端输入至光功率放大器中；
所述右泵浦源阵列与所述右泵浦源阵列合束器相连，所述右泵浦源阵列用于输出多束泵浦光至右泵浦源阵列合束器，所述右泵浦源阵列合束器用于将右泵浦源阵列输出的多束泵浦光合成一束泵浦光之后从右端输入至光功率放大器中；
所述光功率放大器分别与所述左泵浦源阵列合束器、右泵浦源阵列合束器、中红外种子源及剥模器相连，光功率放大器用于在左、右输入的泵浦光的激励作用下，将中红外种子源输出的低功率中红外种子光放大至百瓦级别，然后再输入至剥模器中；
所述剥模器用于将光功率放大器输出的激光进行滤除超大发散角后，再通过柔性传输铠缆传输至激光输出头，并由激光输出头最终输出。
进一步，所述左泵浦源阵列及右泵浦源阵列均分别包含有6～18个风冷泵浦源，且每个风冷泵浦源输出的泵浦光功率在10W～30W之间。
进一步，所述中红外种子源输出的中红外种子光波长在1.5～2.1μm之间。
进一步，所述中红外种子源输出的中红外种子光功率在0.2～2W之间，所述光功率放大器的放大系数在50～200之间。
与现有技术相比，本发明的优点有：1)使用方便，无需外置水冷机，成本低廉；2)输出功率高、光斑大、除冰效率高；3)输出功率密度适中，不损伤基材；4)可脉冲输出激光，进行热应力除冰；5)可适应寒冷环境连续工作。
附图说明
图1为本发明风冷激光光源一种实施例的其中一个视角图；
图2为图1中光源实施例的另一个视角图；
图3为图1中光源实施例的内部结构示意图；
图4为图1中光源实施例电路连接示意图；
图5为激光发生模块的结构示意图；
图6为光路系统模块的结构示意图；
附图标记说明：1、光源壳体；2、固定基板；3、交直流转换电源；4、直流蓄能电源；5、激光发生模块；5.1、风冷散热腔体；5.2、总控制模块；5.3、光路系统模块；5.3a、左泵浦源阵列；5.3b、右泵浦源阵列；5.3c、左泵浦源阵列合束器；5.3d、右泵浦源阵列合束器；5.3e、中红外种子源；5.3f、光功率放大器；5.3g、剥模器；5.4、柔性传输铠缆；5.5、风冷激光输出头；5.6、直流驱动控制模块；5.7、散热风扇；6、交直流转化电源接口；7、直流蓄能电源充接口；8、激光光源控制接口；9、进风口防尘网；10、出风口防尘网。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐述本发明是如何实施的。
参阅图1和图2所示，本发明提供的一种适合激光除冰用的高功率单谐振腔风冷激光光源，包含光源壳体1，在光源壳体1内部设置有固定基板2、交直流转换电源3、直流蓄能电源4及激光发生模块5，在光源壳体1外部设置有交直流转化电源接口6、直流蓄能电源充接口7及激光光源控制接口8。
具体的说，作为本发明的一种具体实施例：参阅图3和图4所示，交直流转换电源3、直流蓄能电源4及激光发生模块5均可拆卸式设置在固定基板2上；交直流转化电源接口6、直流蓄能电源充接口7及激光光源控制接口8均嵌设在光源壳体1的外壳上；交直流转换电源3分别与交直流转换电源6及激光发生模块5电连接，直流蓄能电源4分别与直流蓄能电源充接口7及激光发生模块5电连接，激光发生模块5与激光光源控制接口8电连接；
其中，交直流转换电源3的作用是：将交流输入的电流输送至激光发生模块5中，经过激光发生模块5将电能转化为激光进行输出；
直流蓄能电源4可以储存一定的电能，其作用是：将直流输出的电能输入激光发生模块5中，作为补充辅助电源在没有可以对接的外部交流电时，作为交直流转换电源3的补充电源为激光发生模块5供电，其主要适合于在野外、没有发电机、无人机机载等无法使用交流市电的环境下便携使用；
交直流转化电源接口6的作用是：方便交直流转换电源3与外部交流供电系统进行连接，作为转接接口为激光发生模块5进行供电；
直流蓄能电源充接口7的作用是：方便直流蓄能电源4与外部交流供电系统进行连接，为直流蓄能电源4进行充电；
激光光源控制接口8的作用是：方便进行外部通信和控制，便于本发明激光除冰用的高功率单谐振腔风冷激光光源可以自动化编程使用。
在本发明实施例中，上述直流蓄能电源4既可以进行拆卸更换，以便于多块直流蓄能电源4进行交替供电，亦可以经过直流蓄能电源充接口7直接连接外部交流电进行充电，无须拆卸更换。
在本发明实施例中，为了保护激光发生模块5正常运行，防止过多过大的灰尘杂物被吸入，起到阻挡灰尘杂物的作用，参阅图3和图4所示，在激光发生模块5的进风口和出风口位置分别设置有进风口防尘网9及出风口防尘网10，且在进风口防尘网9及出风口防尘网10上均还布置有加热电阻丝，以便于在结冰环境下加热进风口防尘网9和出风口防尘网10防止覆冰堵塞进风口和出风口。
在本发明实施例中，参阅图1和图2所示，进风口防尘网9及出风口防尘网10均固设在固定基板2上，且分别与开设在光源壳体1上的进风口1.1和出风口1.2相对应连通。
具体的说，在本发明实施例中，参阅图5所示，上述激光发生模块5包含风冷散热腔体5.1、总控制模块5.2、光路系统模块5.3、柔性传输铠缆5.4、风冷激光输出头5.5、直流驱动控制模块5.6和散热风扇5.7；其中，总控制模块5.2、光路系统模块5.3、直流驱动控制模块5.6和散热风扇5.7均固设在风冷散热腔体5.1上，且总控制模块5.2分别与直流驱动控制模块5.6、散热风扇5.7、交直流转换电源3及直流蓄能电源4电连接，直流驱动控制模块5.6与光路系统模块5.3电连接，光路系统模块5.3通过柔性传输铠缆5.4与风冷激光输出头5.5相连；
其中，总控制模块5.2可以采用西门子S7-400可编程控制器或其它市售的可编程控制器，直流驱动控制模块5.6由直流控制器及直流驱动器组成，其中，直流驱动器用于与总控制模块5.2相连，直流控制器用于与光路系统模块5.3相连；
总控制模块5.2的作用是：控制直流驱动控制模块5.6工作为光路系统模块5.3进行供电和控制散热风扇5.7运行为风冷散热腔体5.1进行散热；当风冷散热腔体5.1温度较高时，通过增加散热风扇5.7的运转速度来散热，当风冷散热腔体5.1温度较低时，则通过降低散热风扇5.7的运转速度来节约能源；
光路系统模块5.3的作用是：将直流驱动控制模块5.6输出的电流转化为激光，再经由柔性传输铠缆5.4将激光传输至风冷激光输出头5.5最终输出；
其中，柔性传输铠缆5.4采用可以在2～20米之间进行任意调节的柔性铠装光缆，以适应不同的应用场合，这样可使得激光传输较远，进而实现远距离作业；
其中，激光输出头5.5优选为风冷型的标准QBH或QCS接头，这样有便于连接外部光束控制系统进行实际除冰作业。
更具体的说，在本发明实施例中，散热风扇5.7数量为3～8个，并均分别固定在风冷散热腔体5.1的散热口(含风冷散热腔体的进风口及出风口)处，且每个散热风扇5.7的风扇口直径与风冷散热腔体5.1的高度保持一致，这样有利于将整个风冷散热腔体5.1产生的废热及时带走，保证整个风冷激光光源稳定运行。
更具体的说，在本发明实施例中，参阅图6所示，上述光路系统模块5.3包含左泵浦源阵列5.3a、右泵浦源阵列5.3b、左泵浦源阵列合束器5.3c、右泵浦源阵列合束器5.3d、中红外种子源5.3e、光功率放大器5.3f及剥模器5.3g；其中，左泵浦源阵列5.3a与左泵浦源阵列合束器5.3c相连，右泵浦源阵列5.3b与右泵浦源阵列合束器5.3d相连，左泵浦源阵列合束器5.3c、右泵浦源阵列合束器5.3d及中红外种子源5.3e均与光功率放大器5.3f相连，光功率放大器5.3f与剥模器5.3g相连，剥模器5.3g通过柔性传输铠缆5.4与风冷激光输出头5.5；
其中，左泵浦源阵列5.3a用于输出多束泵浦光至左泵浦源阵列合束器5.3c，左泵浦源阵列合束器5.3c用于将左泵浦源阵列5.3a输出的多束泵浦光合成一束泵浦光之后从左端输入至光功率放大器5.3f中；
右泵浦源阵列5.3b、用于输出多束泵浦光至右泵浦源阵列合束器5.3d，右泵浦源阵列合束器5.3d用于将右泵浦源阵列5.3b输出的多束泵浦光合成一束泵浦光之后从右端输入至光功率放大器5.3f中；
光功率放大器5.3f用于在左、右输入的泵浦光的激励作用下，将中红外种子源5.3e输出的低功率中红外种子光放大至百瓦级别后，再输入至剥模器5.3g中；
剥模器5.3g用于将光功率放大器5.3f输出的激光进行滤除超大发散角后，再通过柔性传输铠缆5.4传输至激光输出头5.5，最后由激光输出头5.5输出。
进一步具体的说，上述左泵浦源阵列5.3a及右泵浦源阵列5.3b均分别包含有6～18个风冷泵浦源，且每个风冷泵浦源均与直流驱动控制模块5.6电连接，并用于输出功率为10W～30W的泵浦光。采用多个较小功率的泵源配置泵浦阵列，不仅有利于将热源分散，保证散热良好，还可以避免某个/些泵源故障时，出现大幅度影响输出功率。
进一步具体的说，上述中红外种子源5.3e输出的中红外种子光波长与光功率放大器5.3f输出的激光放大波长保持一致，且均在1.5～2.1μm之间；处在这个波段的激光有利于冰块的透射和吸收，当其作用在覆冰上时，既可以保证良好的透射又有足够的吸收，能够形成体加热的作用效果，从而大幅度提升除冰效率。
进一步具体的说，上述中红外种子源5.3e输出的中红外种子光功率在0.2～2W之间，光功率放大器5.3f的放大系数在50～200之间，而放大之后由激光输出头5.5最终输出的激光功率则在50～300W之间。
最后说明，以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种适合激光除冰用的高功率单谐振腔风冷激光光源，包含光源壳体(1)，其特征在于：在所述光源壳体(1)内部设置有固定基板(2)、交直流转换电源(3)、直流蓄能电源(4)及激光发生模块(5)，在所述光源壳体(1)外部设置有交直流转化电源接口(6)、直流蓄能电源充接口(7)及激光光源控制接口(8)；所述交直流转换电源(3)、直流蓄能电源(4)及激光发生模块(5)均设置在所述固定基板(2)上，且所述交直流转换电源(3)分别与所述交直流转换电源(6)及激光发生模块(5)电连接，所述直流蓄能电源(4)分别与所述直流蓄能电源充接口(7)及激光发生模块(5)电连接，所述激光发生模块(5)与激光光源控制接口(8)电连接。
2.根据权利要求1所述的适合激光除冰用的高功率单谐振腔风冷激光光源，其特征在于：在所述激光发生模块(5)的一端设置有激光发生模块进风口，在所述激光发生模块(5)的另一端设置有激光发生模块出风口，在所述激光发生模块进风口处设置有进风口防尘网(9)，在所述激光发生模块出风口处设置有出风口防尘网(10)。
3.根据权利要求2所述的适合激光除冰用的高功率单谐振腔风冷激光光源，其特征在于：在所述进风口防尘网(9)及出风口防尘网(10)上均还布置有加热电阻丝。
4.根据权利要求2所述的适合激光除冰用的高功率单谐振腔风冷激光光源，其特征在于：所述进风口防尘网(9)及出风口防尘网(10)均固设在所述固定基板(2)上，且分别与开设在光源壳体(1)上的进风口和出风口相对应连通。
5.根据权利要求1所述的适合激光除冰用的高功率单谐振腔风冷激光光源，其特征在于：所述激光发生模块(5)包含风冷散热腔体(5.1)、总控制模块(5.2)、光路系统模块(5.3)、柔性传输铠缆(5.4)、风冷激光输出头(5.5)、直流驱动控制模块(5.6)和散热风扇(5.7)；所述总控制模块(5.2)、光路系统模块(5.3)、直流驱动控制模块(5.6)和散热风扇(5.7)均固设在所述风冷散热腔体(5.1)上，且总控制模块(5.2)分别与直流驱动控制模块(5.6)、散热风扇(5.7)、交直流转换电源(3)及直流蓄能电源(4)电连接，直流驱动控制模块(5.6)与光路系统模块(5.3)电连接，光路系统模块(5.3)通过柔性传输铠缆(5.4)与风冷激光输出头(5.5)相连。
6.根据权利要求5所述的适合激光除冰用的高功率单谐振腔风冷激光光源，其特征在于：所述散热风扇(5.7)的数量为3～8个，且并排固定在风冷散热腔体(5.1)的散热口处。
7.根据权利要求5所述的适合激光除冰用的高功率单谐振腔风冷激光光源，其特征在于：所述光路系统模块(5.3)包含左泵浦源阵列(5.3a)、右泵浦源阵列(5.3b)、左泵浦源阵列合束器(5.3c)、右泵浦源阵列合束器(5.3d)、中红外种子源(5.3e)、光功率放大器(5.3f)及剥模器(5.3g)；
所述左泵浦源阵列(5.3a)与所述左泵浦源阵列合束器(5.3c)相连，所述左泵浦源阵列(5.3a)用于输出多束泵浦光至左泵浦源阵列合束器(5.3c)，所述左泵浦源阵列合束器(5.3c)用于将左泵浦源阵列(5.3a)输出的多束泵浦光合成一束泵浦光之后从左端输入至光功率放大器(5.3f)中；
所述右泵浦源阵列(5.3b)与所述右泵浦源阵列合束器(5.3d)相连，所述右泵浦源阵列(5.3b)用于输出多束泵浦光至右泵浦源阵列合束器(5.3d)，所述右泵浦源阵列合束器(5.3d)用于将右泵浦源阵列(5.3b)输出的多束泵浦光合成一束泵浦光之后从右端输入至光功率放大器(5.3f)中；
所述光功率放大器(5.3f)分别与所述左泵浦源阵列合束器(5.3c)、右泵浦源阵列合束器(5.3d)、中红外种子源(5.3e)及剥模器(5.3g)相连，光功率放大器(5.3f)用于在左、右输入的泵浦光的激励作用下，将中红外种子源(5.3e)输出的的低功率中红外种子光放大至百瓦级别，然后再输入至剥模器(5.3g)中；
所述剥模器(5.3g)用于将光功率放大器(5.3f)输出的激光进行滤除超大发散角后，再通过柔性传输铠缆(5.4)传输至激光输出头(5.5)，并由激光输出头(5.5)最终输出。
8.根据权利要求7所述的适合激光除冰用的高功率单谐振腔风冷激光光源，其特征在于：所述左泵浦源阵列(5.3a)及右泵浦源阵列(5.3b)均分别包含有6～18个风冷泵浦源，且每个风冷泵浦源输出的泵浦光功率在10W～30W之间。
9.根据权利要求7所述的适合激光除冰用的高功率单谐振腔风冷激光光源，其特征在于：所述中红外种子源(5.3e)输出的中红外种子光波长为1.5～2.1μm。
10.根据权利要求9所述的适合激光除冰用的高功率单谐振腔风冷激光光源，其特征在于：所述中红外种子源(5.3e)输出的中红外种子光功率在0.2～2W之间，所述光功率放大器(5.3f)的放大系数在50～200之间。
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