CN112038877A - 散热件及光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及激光器技术领域，具体而言，涉及一种散热件及光纤激光器，包括本体和冷却介质；所述本体为筒状，在所述本体的外壁上形成有用于安装器件的平面，在所述本体的外壁上还形成有沿所述本体的周向螺旋延伸的光纤跑道；在所述本体内形成有容纳腔，所述冷却介质设置于所述容纳腔内。本申请的目的在于针对目前主体、椎体等形式的散热装置，没有考虑器件的安装和光纤熔点的放置，无法实现器件和光纤的一体化集成的问题，提供一种散热件及光纤激光器。

Description

散热件及光纤激光器

技术领域

本申请涉及激光器技术领域，具体而言，涉及一种散热件及光纤激光器。

背景技术

光纤激光器具有效率高、光束质量好、结构紧凑等优点，在激光加工（焊接、切割）、医疗、遥感以及军事领域极具应用前景。光纤激光器一般由种子光源、泵浦光源、合束或集束器件及增益光纤构成。根据激光器的产生原理，泵浦光源的能量只有一部分转换为激光，还有一部分的泵浦能量以热的形式通过光纤或其他器件散发出来。合束或者集束器因为工艺问题，也会有一部分光在它们内部转化为热。这些热会引起增益光纤或器件温度过高，从而烧毁增益光纤和器件或者影响光纤和器件性能，因此，如何对增益光纤和器件进行有效的冷却是光纤激光器的关键技术。

目前，光纤激光器散热装置布局主要是将增益光纤盘绕在刻有跑道的金属柱体、椎体外表面上或者内表面上，在散热装置内留有液体通道，通过冷却液的循环带走光纤的热量，实现增益光纤的均匀散热和温度控制。但这种布局只考虑了增益光纤的盘绕，没有考虑器件的安装和光纤熔点的放置，无法实现器件和光纤的一体化集成。

发明内容

本申请的目的在于针对目前主体、椎体等形式的散热装置，没有考虑器件的安装和光纤熔点的放置，无法实现器件和光纤的一体化集成的问题，提供一种散热件及光纤激光器。

为了实现上述目的，本申请采用以下技术方案：

本申请的一个方面提供一种散热件，包括本体和冷却介质；

所述本体为筒状，在所述本体的外壁上形成有用于安装器件的平面，在所述本体的外壁上还形成有沿所述本体的周向呈三维螺旋状延伸的光纤跑道；在所述本体内形成有容纳腔，所述冷却介质设置于所述容纳腔内。

可选地，所述本体的横截面为腰形。

该技术方案的有益效果在于：这使得本体的两侧均形成有较大平面，为更多器件提供安装位置；且，使本体的横截面均为腰型，本体形状相对规则，更容易成型。

可选地，所述冷却介质包括位于所述容纳腔内并相互隔离设置的冷却液和相变介质，以在冷却液与所述相变介质之间进行热量交换，在所述本体上形成有供所述冷却液流入及流出所述容纳腔的开口，所述开口能够闭合。

该技术方案的有益效果在于：无需携带制冷设备持续为冷却液换热，节省了平台设备的空间。

可选地，所述相变介质位于靠近所述外壁的一侧。

该技术方案的有益效果在于：这使得相变介质能够更好的吸收位于外壁上的增益光纤和器件散发出的热量，提高散热效率。

可选地，在所述容纳腔内设置有孔隙支撑结构，所述相变介质填充于所述孔隙支撑结构内。

该技术方案的有益效果在于：这样由于孔隙支撑结构制成各部分相变介质，使相变介质能够较平均的分散于本体内，进而使各部位的增益光纤和器件均能够获得较好的散热效果。

可选地，所述光纤跑道包括直线段跑道和弧线段跑道，所述直线段跑道形成于所述平面上，所述弧线段跑道形成于所述本体的弧形面上；

在轴向上所述本体包括依次连接的第一散热段、过渡段和第二散热段，所述第一散热段上的弧线段跑道在所述本体上的横截面上的投影的半径为R1，所述第二散热段上的弧线段跑道在所述本体上的横截面上的投影的半径为R2，且R1＜R2；

所述过渡段的一个横截面与所述第一散热段的横截面相重合、所述过渡段的另一个横截面与所述第二散热段的横截面相重合。

该技术方案的有益效果在于：在第一散热段和第二散热段上均可实现光纤等直径盘绕，通过过渡段的连接，实现了对跑道半径的调节，满足了不同种类光纤盘绕半径的需求。

本申请的另一个方面提供一种光纤激光器，包括增益光纤和本申请实施例所提供的散热件，所述增益光纤沿所述光纤跑道布置。

可选地，所述光纤跑道包括直线段跑道和弧线段跑道，所述直线段跑道形成于所述平面上，所述弧线段跑道形成于所述本体的弧形面上；

所述光纤激光器包括器件，所述器件安装于所述平面，所述器件与所述增益光纤熔接并形成熔接点，所述熔接点位于所述直线段跑道内。

该技术方案的有益效果在于：由于可将器件安装于上述平面，并使熔接点置于光纤跑道内，使光纤激光器结构更加紧凑，占据空间较小，更适用于无人机或无人艇等小型平台。

可选地，所述器件位于相邻的所述直线段跑道之间。

该技术方案的有益效果在于：尽量使器件避开光纤跑道设置，使器件能够紧贴平面，进而使相变介质能够更直接的吸收器件散发出来的热量，提高散热效率。

可选地，所述器件的长度方向与所述直线段跑道的延伸方向相平行。

该技术方案的有益效果在于：这样能够在减少器件与直线段跑道重叠的同时，减少器件所占据的本体轴向的空间，进而尽可能布置更多圈数的增益光纤和器件。

本申请提供的技术方案可以达到以下有益效果：

本申请所提供的散热件及光纤激光器，通过设置本体外壁上的平面安装器件，器件与增益光纤之间的熔接点可以放置在光纤跑道内，进而实现器件与光纤的一体化集成。

本申请的附加技术特征及其优点将在下面的描述内容中阐述地更加明显，或通过本申请的具体实践可以了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的光纤激光器的一种实施方式的部分立体结构示意图；

图2为本申请实施例提供的光纤激光器的一种实施方式的部分主视结构示意图。

附图标记：

100-本体；

110-开口；

120-光纤跑道；

121-直线段跑道；

122-弧线段跑道；

130-第一散热段；

140-第二散热段；

150-过渡段；

200-高反光纤光栅；

300-低反光纤光栅；

400-滤波器；

500-集束器。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请的一个方面提供一种散热件，包括本体100和冷却介质；

所述本体100为筒状，在所述本体100的外壁上形成有用于安装器件的平面，在所述本体100的外壁上还形成有沿所述本体100的周向呈三维螺旋状延伸的光纤跑道120；在所述本体100内形成有容纳腔，所述冷却介质设置于所述容纳腔内。

本申请实施例中，光纤跑道120深度和宽度根据光学方案确定，一般宽度和深度分别为0.7mm和0.8mm，相邻跑道间隔大小可以根据光纤盘绕半径需求和本体100的曲面在横截面内的投影半径确定。所述光纤跑道120包括直线段跑道121和弧线段跑道122，所述直线段跑道121形成于所述平面上，所述弧线段跑道122形成于所述本体100的弧形面上；弧线段跑道122的半径可以根据激光器中最小盘绕半径确定，一般为40mm~50mm，以保证激光模式选择的效果。两个弧线段跑道122之间的直线段跑道121的长度为但不限于300mm，用于放置光纤熔接点。

本申请实施例所提供的散热件，通过设置本体100外壁上的平面安装器件，器件与增益光纤之间的熔接点可以放置在光纤跑道内，进而实现器件与光纤的一体化集成。

可选地，所述本体100的横截面为腰形。这使得本体100的两侧均形成有较大平面，为更多器件提供安装位置；且，使本体100的横截面均为腰型，本体100形状相对规则，更容易成型。当然，也可以采用横截面为圆形的圆柱在外表面加工上述平面。

可选地，所述冷却介质包括位于所述容纳腔内并相互隔离设置的冷却液和相变介质，以在冷却液与所述相变介质之间进行热量交换，在所述本体100上形成有供所述冷却液流入及流出所述容纳腔的开口110，所述开口110能够闭合。

现有激光散热结构的冷却方式是单靠冷却液进行冷却，要外接压缩制冷机等设备实时制冷，这对于无人机、无人艇等空间有限且环境苛刻的运行平台，设备体积、重量、热接口受到十分严格的限制，基于液冷循环的激光器冷却方法无法适用。本申请实施例所提供的散热件无需携带制冷设备持续为冷却液换热，节省了平台设备的空间。具体地，在激光器工作前，外部制冷设备向散热件内注入冷却液，通过冷却液的循环带走相变介质的热量实现蓄冷，将液体蓄冷材料转换为固态蓄冷材料；激光器工作时，制冷设备停止工作，断开与散热件的连接，实现激光器与制冷设备分离。增益光纤和各器件产生的热量通过本体100传导到相变介质，固态蓄冷相变介质吸收废热后转换为液态，实现对增益光纤和器件的温度控制；激光器工作结束后，将制冷设备重新与散热件连接并恢复工作，通过冷却液的循环使相变介质降温，相变介质由液相凝固为固相，废热通过制冷设备传导出去。在本申请实施例中，相变介质可优选地采用石蜡，冷却液优选地采用65#防冻液，当然，相变介质和冷却液还可以采用其他材料。

可选地，所述相变介质位于靠近所述外壁的一侧。这使得相变介质能够更好的吸收位于外壁上的增益光纤和器件散发出的热量，提高散热效率。

可选地，在所述容纳腔内设置有孔隙支撑结构，所述相变介质填充于所述孔隙支撑结构内。这样由于孔隙支撑结构制成各部分相变介质，使相变介质能够较平均的分散于本体100内，进而使各部位的增益光纤和器件均能够获得较好的散热效果。本申请实施例中，孔隙支撑结构优选为泡沫石墨，当然还可以采用其他材料制成。

可选地，所述光纤跑道120包括直线段跑道121和弧线段跑道122，所述直线段跑道121形成于所述平面上，所述弧线段跑道122形成于所述本体100的弧形面上；

在轴向上所述本体100包括依次连接的第一散热段130、过渡段150和第二散热段140，所述第一散热段130上的弧线段跑道122在所述本体100上的横截面上的投影的半径为R1，所述第二散热段140上的弧线段跑道122在所述本体100上的横截面上的投影的半径为R2，且R1＜R2；

所述过渡段150的一个横截面与所述第一散热段130的横截面相重合、所述过渡段150的另一个横截面与所述第二散热段140的横截面相重合。

在第一散热段130和第二散热段140上均可实现光纤等直径盘绕，通过过渡段150的连接，实现了对跑道半径的调节，满足了不同种类光纤盘绕半径的需求。

如图1和图2所示，本申请的另一个方面提供一种光纤激光器，包括增益光纤和本申请实施例所提供的散热件，所述增益光纤沿所述光纤跑道120布置。

本申请实施例所提供的光纤激光器，采用了本申请实施例所提供的散热件，通过设置本体100外壁上的平面安装器件，器件与增益光纤之间的熔接点可以放置在光纤跑道内，进而实现器件与光纤的一体化集成。

可选地，所述光纤跑道120包括直线段跑道121和弧线段跑道122，所述直线段跑道121形成于所述平面上，所述弧线段跑道122形成于所述本体100的弧形面上；

所述光纤激光器包括器件，所述器件安装于所述平面，所述器件与所述增益光纤熔接并形成熔接点，所述熔接点位于所述直线段跑道121内。

由于可将器件安装于上述平面，并使熔接点置于光纤跑道120内，使光纤激光器结构更加紧凑，占据空间较小，更适用于无人机或无人艇等小型平台。

可选地，所述器件位于相邻的所述直线段跑道121之间。尽量使器件避开光纤跑道120设置，使器件能够紧贴平面，进而使相变介质能够更直接的吸收器件散发出来的热量，提高散热效率。

可选地，所述器件的长度方向与所述直线段跑道121的延伸方向相平行。这样能够在减少器件与直线段跑道121重叠的同时，减少器件所占据的本体100轴向的空间，进而尽可能布置更多圈数的增益光纤和器件。

为了进一步说明前述实施例中提及的散热件及光纤激光器，本申请还提供一种散热件及光纤激光器的具体应用实例，在该应用实例中，器件有多个，多个器件分别为高反光纤光栅200、低反光纤光栅300、滤波器400和集束器500，高反光纤光栅200安装在本体100上的平面，一段增益光纤与高反光纤光栅200熔接后盘绕在光纤跑道120内，其中熔点放置在某一直线段跑道121内。增益光纤与低反光纤光栅300的输入光纤熔接，从而增益光纤、高反光纤光栅200和低反光纤光栅300构成激光器的振荡级。

振荡级光纤盘绕半径为40mm，因此以此为基础设计曲面水平投影圆弧半径为40mm，振荡级跑道间距设计为2mm。

低反光纤光栅300的输出光纤和滤波器400的输入光纤熔接，熔点放置在直线段跑道121内，光纤盘绕在弧线段跑122道内。滤波器400的输出光纤与增益光纤熔接，增益光纤沿着光纤跑道盘绕在本体100上，之后与集束器500的输入光纤熔接，熔接点放置在直线段跑道121内，至此形成完整的主光路结构。

放大级的增益光纤盘绕半径为50mm，因此设计放大级所在第二散热段的投影半径为50mm。

激光器工作前，外部制冷设备与散热件相连，制冷设备工作，向散热件内注入冷却液。正常工作的激光器增益光纤温度不大于35℃，光栅和滤波器400的温度不大于35℃，集束器500的温度不大于55℃。根据激光器工作时长和设定的温度极限估算其产生的热量，将相变介质降至对应的温度。开启激光器，增益光纤和光纤器件产生的热量通过冷板传导到相变介质，固态蓄冷相变介质吸收废热后转换为液态，实现对增益光纤和光纤器件的温度控制；激光器工作结束后，制冷设备重新与散热件连接并恢复工作，通过冷却液的循环使相变介质降温，相变介质由液相凝固为固相，废热通过制冷设备传导出去。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.散热件，其特征在于，包括本体和冷却介质；

所述本体为筒状，在所述本体的外壁上形成有用于安装器件的平面，在所述本体的外壁上还形成有沿所述本体的周向呈三维螺旋状延伸的光纤跑道；在所述本体内形成有容纳腔，所述冷却介质设置于所述容纳腔内。

2.根据权利要求1所述的散热件，其特征在于，所述本体的横截面为腰形。

3.根据权利要求1所述的散热件，其特征在于，所述冷却介质包括位于所述容纳腔内并相互隔离设置的冷却液和相变介质，以在冷却液与所述相变介质之间进行热量交换，在所述本体上形成有供所述冷却液流入及流出所述容纳腔的开口，所述开口能够闭合。

4.根据权利要求3所述的散热件，其特征在于，所述相变介质位于靠近所述外壁的一侧。

5.根据权利要求4所述的散热件，其特征在于，在所述容纳腔内设置有孔隙支撑结构，所述相变介质填充于所述孔隙支撑结构内。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的散热件，其特征在于，所述光纤跑道包括直线段跑道和弧线段跑道，所述直线段跑道形成于所述平面上，所述弧线段跑道形成于所述本体的弧形面上；

在轴向上所述本体包括依次连接的第一散热段、过渡段和第二散热段，所述第一散热段上的弧线段跑道在所述本体上的横截面上的投影的半径为R1，所述第二散热段上的弧线段跑道在所述本体上的横截面上的投影的半径为R2，且R1＜R2；

所述过渡段的一个横截面与所述第一散热段的横截面相重合、所述过渡段的另一个横截面与所述第二散热段的横截面相重合。

7.光纤激光器，其特征在于，包括增益光纤和如权利要求1-6中任意一项所述的散热件，所述增益光纤沿所述光纤跑道布置。

8.根据权利要求7所述的光纤激光器，其特征在于，所述光纤跑道包括直线段跑道和弧线段跑道，所述直线段跑道形成于所述平面上，所述弧线段跑道形成于所述本体的弧形面上；

所述光纤激光器包括器件，所述器件安装于所述平面，所述器件与所述增益光纤熔接并形成熔接点，所述熔接点位于所述直线段跑道内。

9.根据权利要求8所述的光纤激光器，其特征在于，所述器件位于相邻的所述直线段跑道之间。

10.根据权利要求9所述的光纤激光器，其特征在于，所述器件的长度方向与所述直线段跑道的延伸方向相平行。

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