CN112119546B - 具有可变盘绕光纤的光纤激光器 - Google Patents
具有可变盘绕光纤的光纤激光器 Download PDFInfo
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Abstract
一些实施例可以包括光纤激光器，所述光纤激光器包括：可变盘绕光纤，其中所述可变盘绕光纤包括：第一长度，所述第一长度布置在多个第一环中，在所述第一环中的相继的第一环之间具有第一分离距离；以及第二长度，所述第二长度布置在多个第二环中，在所述第二环中的相继的第二环之间具有第二分离距离；其中在所述第一环中的相继的第一环之间的第一分离距离大于在所述第二环中的相继的第二环之间的第二分离距离；以及封装，以去除在光纤激光器的操作期间由光纤激光器的光纤产生的热量，其中可变盘绕光纤可固定地安装到封装的热导体的表面。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器，并且更具体地涉及一种具有可变盘绕光纤的光纤激光器。
背景技术
光纤激光器广泛用于工业过程(例如切割、焊接、覆层、热处理等)，并且存在功率增加的趋势。在光纤激光器中，光增益介质由一根或多根光纤组成，所述光纤的芯掺杂有稀土元素。该稀土元素被来自一个或多个半导体激光源的光光激发(被“泵浦”)。在光纤激光器的持续发展和功率缩放中的关键挑战是增益光纤的热管理，增益光纤在吸收泵浦光之后产生热。增益光纤的过度加热可导致激光器的性能特性(例如光谱特性、效率等)的不期望的变化。更明显地，过度加热可导致用于涂覆和可能地灌封增益光纤的聚合物材料以及其他光纤和附近部件的损坏或失效。用于涂覆和灌封光纤的聚合物通常具有80-200℃的最高温度额定值，因此必须除去由光纤激光器产生的热量，同时保持聚合物温度低于最大限度。
增益光纤的长度通常在1和100m之间，尽管其他值也是可能的。在大多数光纤激光器中，增益光纤(和其他光纤)被卷绕或缠绕以用于封装和热管理。光纤可以卷绕成平的螺旋形状，或者它可以卷绕在圆柱形心轴的外部或内部。该机械结构可以包括用于路由和容纳该光纤的凹槽或其他特征，并且该光纤可以被封装在形状之上或之中。
附图说明
附图结合在本说明书中并构成本说明书的一部分，并且与说明书一起解释本发明技术的优点和原理，其中相同的附图标记表示相同的元件。
图1示出了根据一些实施例的安装在光纤激光器的封装的热导体的表面上的可变盘绕光纤的截面图。
图2示出根据一些实施例的用于包括可变盘绕光纤的光纤激光器的封装的截面等轴视图。
图3示出根据一些实施例的图2的环形板的等轴视图。
图4示出根据一些实施例的图2的环形板的俯视图。
图5示出根据一些实施例的图2的环形板的截面侧视图。
图6示出根据一些实施例的可变地卷绕或可变地盘绕光纤的过程。
图7示出根据一些实施例的与光纤共同盘绕的可变厚度金属带的等轴视图。
图8示出了根据一些实施例的用于图1的光纤激光器的不同光纤配置的沿着光纤的热成像距离。
图9示出根据一些实施例的将导热扩散器安装到其上安装有卷绕或缠绕的光纤的表面和/或安装到卷绕或缠绕的光纤的过程。
图10示出根据一些实施例的可变地盘绕在具有集成冷却系统的圆柱形热导体的外表面周围的光纤的等轴视图。
图11示出根据一些实施例的可变地盘绕在具有集成冷却系统的圆柱形热导体的内表面周围的光纤的等轴视图。
图12示出根据一些实施例的安装在具有唇缘的热导体上的可变盘绕光纤的等轴视图。
图13示出根据一些实施例的安装在具有唇缘的热导体上的可变盘绕光纤的截面图，其中灌封材料层沉积在可变盘绕光纤上。
图14示出根据一些实施例的导热扩散器，其具有布置在可变盘绕光纤的选定环的选定部分上的中心。
图15示出根据一些实施例的盘绕光纤的热量图。
图16示出根据一些实施例的安装在图15中热成形的盘绕光纤的至少一个整个环上的导热扩散器。
图17示出根据一些实施例的双有源冷却系统，该系统包围具有安装在其上的盘绕光纤的热导体。
具体实施方式
如在本申请和权利要求中所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该”包括复数形式，除非上下文另有明确规定。另外，术语“包括”意指“包含”。此外，术语“联接”不排除在联接项之间存在中间元件。本文描述的系统、设备和方法不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本发明涉及各种公开的实施例的所有新颖的和非显而易见的特征和方面、单独地以及以彼此的各种组合和子组合。
所公开的系统、方法和设备不限于任何具体方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和设备也不要求存在任何一个或多个具体优点或要解决的问题。任何操作理论是为了便于解释，但是所公开的系统、方法和设备不限于这样的操作理论。尽管为了方便呈现以特定的、顺序的次序描述了所公开的方法中的一些的操作，但是应当理解，这种描述方式包括重新布置，除非下面阐述的特定语言需要特定的次序。例如，在一些情况下，顺序描述的操作可被重新排列或并发执行。此外，为了简单起见，附图可能没有示出所公开的系统、方法和设备可以与其他系统、方法和设备结合使用的各种方式。
另外，本说明书有时使用术语如“产生”和“提供”来描述所公开的方法。术语是所执行的实际操作的高级抽象。对应于术语的实际操作将根据特定实现而变化，并且本领域的普通技术人员容易辨别。在一些示例中，值、过程或设备被称为“最低”、“最好”、“最小”等。应当理解，这样的描述旨在表示可以在许多所使用的功能备选方案中进行选择，并且这样的选择不必比其他选择更好、更小或者更可取。
参考被指示为“高于”、“低于”、“上方”、“下方”等的方向来描述示例。术语用于方便描述，但并不意味着任何特定的空间取向。
＝一些光纤(例如增益光纤)可以产生大量的热量(例如高功率密度光纤)，并且该热量必须基于(例如至少部分地基于或仅仅基于)最大热需求被充分耗散。例如，某些聚合物涂层可以包括在最坏情况条件下的120摄氏度的最大工作温度的要求。虽然已知的封装可以耗散足够的热量，但是可能需要制造更紧凑的封装和/或缩放光纤激光器的功率(例如，从3kW到5kW)。
在其中光纤被卷绕或缠绕的一些已知系统中，相邻通路之间的光纤间隔是均匀的(例如，如在用于盘绕成螺旋的光纤的阿基米德螺旋中那样)。然而，在光纤激光器中的热沉积速率(W/m)沿着光纤的长度通常是不均匀的。在具有最大泵浦吸收率(W/m或dB/m)的光纤部分中，热沉积速率最高。热沉积速率取决于几个因素，包括泵浦功率、泵浦波长或光谱、光纤中的稀土掺杂水平，以及纤芯和包层的尺寸。
在具有均匀间隔的光纤布线的光纤中，温度将是不均匀的：具有最高热沉积速率的区域将是最热的并且将最终限制最大功率。对于给定的热沉积速率，可以通过增加光纤的相邻通路之间的间隔来降低最大温度，但是这种方法显着地增加封装的尺寸。
一些实施例可以包括与显著的热产生和/或对具有紧凑设计的封装的要求兼容的封装。该封装可以包括具有第一侧的热导体，在该第一侧上可以安装可变盘绕光纤激光器。在一些实施例中，可以在热导体的第一侧的表面上或表面中形成引导件，并且该引导件可以被称为变间距光纤引导件。在其他示例中，灌封材料可以沉积在热导体的第一侧上，光纤可以粘附到该热导体。在一些实施例中，冷却系统可以安装到热导体的第二侧或集成到热导体中。
在包括变节距光纤引导件的实施例中，该变节距光纤引导件可以包括用于接收缠绕的光纤的通道，例如被加工成表面(例如板的平坦表面或例如圆柱体的外表面或内表面的非平坦表面)的凹槽。厚壁可以限定通道的长度。厚壁可以被配置成从与最大热产生相关联的光纤的长度传导热(厚壁可以通过热导体传递热以便例如通过联接到热导体的另一侧的冷却系统在热导体的另一侧上耗散)。通道的剩余部分可以由与厚壁不同的壁限定。虽然不同的壁可能不被配置成传导与较厚的壁一样多的热量，但是它们可能传导足够的热量以避免在最坏的操作条件下达到最大温度要求(例如，在光纤的剩余长度内，它们可能充分地传导热量)。
不同的壁可以包括过渡区段，其中它们从该过渡区段的一端到该过渡区段的另一端具有可变的厚度。在一些实施例中，通道的过渡区段可以具有与算术螺线的拐角的形状不同的形状(算术螺线的形状通常包括相继变大的拐角)。该过渡区段可以具有任何形状，其中壁可以具有穿过该过渡区段的可变厚度，例如，非算术螺线拐角的形状(例如40度弧形或其他弧形，该其他弧形的一端与中心相距第一距离并且从该中心逐渐进一步移动到离该中心更大距离的第二端)。在一些示例中，该过渡区段可以具有部分对数螺线拐角的形状。
可以基于光纤的特性来选择过渡部分的长度，例如特定的弯曲半径(例如最小弯曲半径)，以提供紧凑尺寸的平面热导体。在一些实施例中，过渡部分可以尽可能地短，以避免将光纤弯曲大于指定的弯曲半径，从而提供紧凑的设计。在一些实施例中，根据光纤的特性，过渡部分可以是40度的弧。在其他例子中，过渡部分可以比与光纤的特性相关的最小长度长，所述最小长度例如是180度弧或360度弧。
不同的壁可以在该过渡区段之后包括额外的区段(例如均匀厚度区段)。在一些实施例中，可以将该附加部分中的壁的厚度选择为尽可能薄，以从光纤的相应长度传导热量，从而避免在最坏的可能条件下超过相同的最大工作温度。
在一些实施例中，具有通道的热导体可以包括多于一个过渡区段和三个或更多个非过渡区段。每个非过渡区段可以包括均匀厚度的壁，但是至少一个非过渡区段可以具有比其他非过渡区段更厚的壁。
在没有通道/壁的其他实施例中，对于与最大发热相关联的光纤长度，可以在光纤的环之间提供均匀宽度的材料。所述等宽材料可包括灌封材料、与所述光纤共同盘绕的条带的区段等，且可经布置以在与最大发热相关联的所述光纤的长度上传导由所述光纤的所述环产生的热量，且将所述热量提供到安装有所述光纤的表面的路径。光纤的剩余长度可以布置在一个或多个过渡区段(具有非均匀宽度的材料)和或多个附加的非过渡区段(具有比与最大发热相关联的光纤的长度的均匀宽度的材料薄的均匀宽度的材料)中。
图1示出了根据一些实施例的安装在光纤激光器10的封装的热导体的表面22(其可以是平面的或非平面的、例如曲面的)上的可变盘绕光纤11的截面图。该可变盘绕光纤11可以包括具有在该第一长度的环之间的第一分离距离31的第一长度以及具有在该第二长度的环之间的一个或多个第二较小分离距离32和33的不同的第二长度。光纤激光器10的第二长度可以与在光纤激光器的操作期间的第二热产生(例如，低温热产生)相关联。在例子中，第一长度可以包括增益光纤的第一区段，第二长度可以包括增益光纤和/或无源光纤的不同的第二区段。
表面22可以包括一种或多种导热材料，例如沉积在金属上的灌封材料。表面22的形状可以是平坦的或基本上平坦的(例如，其上沉积有或没有灌封材料的板的表面)或非平坦的(例如弯曲表面，例如圆柱体的内表面或外表面)。
在使用表面22上或表面22中的变节距光纤引导件的实施例中(未示出)，变节距光纤引导件可以包括隔开光纤11的特征。在一些实施例中，特征可以是限定通道的壁，尽管这不是必需的。题为“FIBER LASER PACKAGING(光纤激光器封装)”的美国专利申请第15/842,441号描述了将光纤与带一起缠绕，该专利申请的全部内容通过引用结合于此。在包括可变间距光纤引导件的封装的一些实施例中，特征可以包括可以具有多于一个长度的带(例如，厚的带可以接合到薄的带)。粗带可以与光纤的第一长度共同盘绕。薄带和接头(例如过渡区)可以与光纤的第二长度(其中该第二长度可以具有小于该第一长度的工作功率密度的工作功率密度)共同盘绕。图7示出根据一些实施例的与光纤710共同盘绕并安装在热导体708上的可变厚度金属带材711的等轴视图。
再次参考图1，在一些实施例中，可变间距光纤引导件(未示出)和/或其特征(未示出)可以包括三维结构。三维结构可以在热导体的表面22上制造(例如印刷)。在一些示例中，所述热导体、所述可变间距光纤引导件和/或所述特征可在同一组或多个工艺中制造。在其他示例中，可变间距光纤引导件和/或其特征可以包括附接到(例如紧固到)热导体的表面22的部件。
一些特征可包括具有第一热特性的材料，其可用于与其他特征的材料的第二热特性不同的一些特征。例如，再次参考带示例，具有一个厚度并且包括一种材料的带(例如厚铜带)可以被接合到不同厚度并且不包括相同材料的带(例如包括不同材料，例如铝，以提供用于光纤的被动部分的热传递)。
特征可以将一段光纤放置成比另一段光纤更靠近冷却板。在特征包括通道的示例中，有可能并且实用的是提供一种通道，该通道可以具有可变的深度以将该光纤的该第一长度在该热导体的另一侧上放置成比该表面22的一侧(例如在相反侧上)更靠近冷却系统(未示出)。此外，可能并且实际的是，由于各种原因而改变通道的宽度，原因包括但不限于：如果第二长度包括较厚的拼接段(第一长度可以更靠近通道的较薄宽度部分中的厚壁)，则较宽的区域对应于第二长度。
图2示出根据一些实施例的用于包括可变盘绕光纤的光纤激光器的封装200的截面等轴视图。在该实施例中，封装200可包括联接到热导体232的第一侧的冷却系统(例如具有管255的液体冷却冷板250或其他热交换器)。热导体232的第二侧可以包括通道205。通道205可以包括从通道205的对应于通道205的最内环的第一端到通道205的对应于通道205的最外环的第二端的均匀宽度。
虽然通道205的宽度可以是均匀的，但是通道205的壁的厚度可以变化。例如，一些壁(例如壁213)可以具有与其他壁(例如壁211和212)不同的厚度。
在示出的示例中，壁213可以与朝向最内壁的接下来的七个壁具有相同的厚度，并且七个壁与壁213一起可以限定通道205的部分以接收具有第一长度的盘绕光纤(未示出)的第一长度，其中第一长度的第一操作功率密度大于光纤的第二长度的操作功率密度。第一操作功率密度可以与一些线圈/线轴中的最近相邻加热相关联。最近的相邻加热可以由在各种不同方向上远离光纤行进的热引起。光纤的环的热量可以通过来自线圈或线轴中的光纤的另环的热量来累积。太近的相邻加热可能导致热累积，这在最坏的操作条件下可能导致差的性能和/或热损坏。由于厚壁213，热量可以在不同方向上从具有厚壁213的通道中的光纤向下辐射到管255的对应部分(在此可以使用激光冷却系统例如通过水或一些其他液体去除以行进通过管255)。
在示出的示例中，用于过渡的壁212可以具有在壁211的厚度与壁213的厚度之间的厚度。壁212可以对应于通道205的例如小于360度的部分环。较薄壁211可以具有与朝向最内壁的接下来的九个壁相同的厚度，并且九个壁连同壁212可以限定通道205的部分以接纳光纤的第二长度。光纤的第二长度具有较低的操作功率密度，可能产生较少的热，并且最近的相邻加热可能不会导致过多的热累积。
在一些实施例中，基于不同厚度的壁211、212和213，封装可以充分地从在最坏的操作条件下具有小于120摄氏度的热要求的5kW或更多的主振荡器功率放大器(MOPA)去除热。在一些实施例中，封装200还可以由于较薄的壁211和212而具有紧凑的尺寸。
在所示示例中，光纤(未示出)可包括工作功率密度小于第一长度的第三长度(在该示例中，第一长度将第二长度和第三长度二等分)。第三长度的操作功率密度可以与第二长度的操作功率密度相同或不同。通道205的最内部可以由比壁213薄的壁212限定。
在一些示例中，通道205可以通过将凹槽机加工到热导体232中来形成。所述加工工具可操作以在加工过程中一次或多次在算术螺线路径(以产生相继环之间的恒定分离距离)和非算术螺线路径(以产生沿着所述环具有不同厚度的壁212，例如具有均匀变化率的厚度)之间切换。例如，在示出的示例中，从内向外，机器可以遵循用于光纤的第三长度的一部分的算术螺线、用于变节距波导的过渡区段的非算术螺线、用于光纤的第一长度的一部分的算术螺线、用于下一个过渡区段的附加非算术螺线，和用于光纤环的第二长度的一部分的算术螺线。该机器可以使用多于的螺旋尺寸设定来进行机加工(例如，对于凹槽的不同部分选择性地使用多于的算术螺线尺寸设定)。
在该实施例中，如前所述，包括液体冷却板250的冷却系统联接到热导体232的相对侧。然而，在其他实施例中，冷却系统可包括联接到(或集成到)热导体232的空气冷却组件、2相冷却等或其组合。
图3、4和5分别示出了图2的热导体232的等轴视图、俯视图和尺寸视图。参见图5，热导体232的具有通道205的侧面可以包括在另外的平坦表面上的凸起平坦表面。通道205可以形成在该凸起的平坦表面上。
图8示出了根据一些实施例的用于图1的光纤激光器10的不同光纤配置的沿光纤的热成像距离。曲线图800示出了对于具有光纤的第一长度(包括在光纤的无源部分的第二长度和第三长度之间的振荡器)的距离的热绘图。包括该振荡器的该第一长度产生更多热量，并且可以被放置在引导件的具有更大分离距离的区段中。图850示出了对于在两侧上泵送的光纤的距离的热绘图。
图10示出根据一些实施例的可变地盘绕在圆柱形热导体1032的外表面周围的光纤1011的等轴视图，该圆柱形热导体1032具有集成冷却系统1055(例如液体冷却管等)。与可变盘绕光纤安装在具有第二侧的热导体的第一侧上的实施例相反，圆柱形热导体1032具有集成冷却系统1055以去除由光纤1011产生的热量。在所示示例中，其上安装有光纤1011的表面包括通道1005，尽管这不是必需的。在其他例子中，粘合材料可以沉积在表面上以安装光纤1011
图11示出根据一些实施例的可变地盘绕在圆柱形热导体1132的内表面周围的光纤1111的等轴视图，该圆柱形热导体1132包括集成冷却系统1155。在所示示例中，光纤1111安装在其上的表面包括通道1105，尽管这不是必需的。在其他示例中，粘合材料可以沉积在表面上以安装光纤1111。
图12示出根据一些实施例的安装在具有唇缘1233的热导体1232上的可变盘绕光纤1211的等轴视图。在该示例中，热导体1232不包括通道。更确切地说，热导体1232可以具有沉积在其上的用于安装光纤1211的粘合剂材料(未示出)。
图13示出了根据一些实施例的安装在具有唇缘1333的热导体1332上的可变盘绕光纤1311(为了简洁仅示出了该光纤的一部分)的截面图，其中灌封材料层1399沉积在可变盘绕光纤1311上。灌封材料层1399可以代替可变盘绕光纤1311和热导体1332之间的粘合剂层(未示出)或与粘合剂层(未示出)组合使用。灌封材料层1399可以是与任何粘合剂层相同或不同的材料。灌封材料层1399可以用于固定可变盘绕光纤1311的位置。在一些示例中，灌封材料层1399可以包括热化合物层，该热化合物层可以将由光纤1311产生的热传递到热导体中以由冷却系统和/或热导体的另一侧耗散。
唇缘1333和热导体1332的安装表面可以限定可以在其中沉积灌封材料层1399的空间。在另一个实施例中，热导体1332可以具有环形圈的形状并且可以在限定该环形圈的开口的边缘处包括另唇缘。
图6示出根据一些实施例的可变地卷绕或可变地盘绕光纤的过程600。框601包括识别光纤的第一长度，该光纤具有与光纤的第二长度的第二操作特性相比的第一操作特性(例如操作功率密度、发热密度等)。通过测量运行中的原型和/或通过对热耗散进行建模，可以基于对热量图建模、光纤的设计来识别不同的长度(例如第一长度可以是用于放大功能的长度)。
框602包括均匀地卷绕或均匀地盘绕光纤的第一长度，以及可变地卷绕或可变地盘绕光纤的第二长度。该可变盘绕光纤激光器的该第一长度可以包括多个第一环，在第一环中的相继的第一环之间具有第一恒定分离距离。该可变盘绕光纤激光器的该第二长度可以设置成在第二环的相继的第二环之间具有不同的第二恒定分离距离(例如，小的)的第二环，以及至少第三部分环。第三至少部分环与第一环之一和/或第二环之一之间的分离距离可以是不恒定的(例如可以以恒定的变化率变化)。
在一些示例中，框602可以包括基于光纤的特性识别第三至少部分第三环的长度，该光纤的特性基于光纤的曲率程度。例如，可以基于指定的弯曲半径来选择第三至少部分环的长度。在一些示例中，为了优化封装紧凑性，可以选择第三至少部分环的长度以利用光纤的特定弯曲半径。在一些示例中，也可以利用安全系数。在一些示例中，包括所述第三至少部分环的过渡区段中的最小安全直径可以大于或等于以毫米为单位的所述光纤包层的直径与安全常数因子(例如在一些示例中为250或300)，以及100的商和检验水平值(例如，以千磅/平方英寸为单位的压力和/或张力，其可以指定最大曲率)。在其他示例中，第三至少部分环的长度可以具有比与指定弯曲半径相关联的长度更长的长度。例如，过渡区段可以是与选定旋转相关联的任何长度，例如180度或360度。
用于减小封装尺寸和/或缩放光纤激光功率的导热扩散器
一些光纤激光系统可以包括光纤，所述光纤具有(例如沿光纤长度可变的)可变生热，其可以布置在热导体的表面上的(例如可变地卷绕或可变地缠绕的)线圈或线轴。表面下的对流冷却系统可以从光纤激光器(例如可以将热量从光纤激光器转移出去的流体、例如液体)去除热量。
在实施例中，光纤可以放置在表面上的通道中和/或灌封材料(例如热复合物)可以围绕线圈或线轴的至少一些环的至少一些部分沉积。导热扩散器可以放置在与灌封材料热接触的光纤的一部分上和/或通道的“壁”的顶部上(例如，在“最热”环的一部分上)。该导热扩散器可以收集由该最热的环产生的热量，并且将由该最热的环产生的热量通过该灌封材料或该通道的壁传递至该表面。提供热路径的环间灌封材料或壁可以包括围绕最热环的环间灌封材料或壁。在导热扩散器在多个环上的示例中，由最热的环产生的热可以横向行进通过热扩散器，然后通过多个环的一个或多个其他环周围的环间灌封材料或壁。在热导体的表面处从环间灌封材料或壁接收的热可以在该表面下方行进(通过传导)以通过冷却系统使用对流来去除。
图14示出根据一些实施例的导热扩散器1451，其具有布置在可变盘绕光纤的选定环的选定部分上的中心。在示例中，热导体1432、通道1405、冷却系统1450和管道1455可以(分别)类似于本文描述的任何热导体、通道、冷却系统和管道，诸如关于图2-5的实施例描述的热导体232、通道205、冷却系统250和管道255。通道1405中的光纤(未示出)的最热区域可以使用本文描述的任何操作(例如图6中的框601的操作)来标识。在一些示例中，光纤的最热区域可以包括有源光纤的界面，例如到无源光纤或不同掺杂的有源光纤的界面。具有布置在光纤的识别区域上的中心的导热扩散器1451可以安装到热导体和/或光纤。在一些实施例中，导热扩散器1451可以在所有方向上从中心延伸相同的距离，例如，可以是如图所示的圆盘形。
在示例中，可以使用沉积在光纤的识别区域上和/或周围的灌封化合物层(未示出)来安装导热扩散器1451。在一些示例中，在灌封化合物固化之前，导热扩散器1451可以在该灌封化合物湿润的同时放置在该灌封化合物上(此时导热扩散器1451可以被可靠地安装)。
在光纤激光器工作期间由光纤的识别区域产生的热可以从导热扩散器1451的中心朝着导热扩散器1451的边缘(例如平行于热导体1432的表面)向外移动。在这种移动之后，热量可以通过通道1405的宽壁朝向冷却系统1450行进(在通道1405中，可以使用通过管道1455泵送的液体将热量带走)。由于该热路径，导热扩散器1451不需要依靠与导热扩散器1451的表面接触的空气的对流冷却。因此，导热扩散器1451不需要对流热扩散器例如散热片、气流等的装备，并且可以是紧凑的(例如平板)、重量轻的，但仍提供显著的温度降低。
在类似于所示示例的示例中，在添加盘形热扩散器之后观察到与光纤相关的最大温度降低10摄氏度。这种降低可以允许进一步缩放光纤激光器功率和/或收缩封装的任何部件的尺寸，以实现更紧凑的光纤激光器。
导热扩散器1451可用于本文所述的任何示例中。例如，参见图1，光纤包括安装在表面22上的第一侧。导热扩散器1451可以安装在光纤的相对的第二侧上。第一分离距离31可以填充有热化合物，该热化合物可以提供用于在通过导热扩散器1451横向移动之后向下到表面22的热路径。此外，在一些示例中，导热扩散器1451可以在没有第二分离距离和第三分离距离(例如在光纤的每个环之间具有相同的分离距离)的封装情况下使用，以例如实现光纤激光功率的缩放。
在一些示例中，导热扩散器1451可以包括多于一个的区段，例如，分离的非邻接的区段(未示出)。例如，对于例如具有多于一个有源光纤接口的光纤，可以识别光纤的多于一个的区域(例如每个都比阈值热的多于一个的最高等级的区域)。在示例中，导热扩散器1451可以包括放置在不同位置处的多个非邻接区段。不同区段可以具有相同或不同的尺寸以及相同或不同的形状。导热扩散器1451(以及在一些示例中，它可以通过其附接的灌封化合物层)可以暴露光纤的剩余部分。
图15示出了根据一些实施例的用于盘绕的光纤(例如可变盘绕光纤)的热图1500。最热区域1531-1533可以对应于光纤激光器的长度(例如具有第一分离距离31的第一区段(图1)，并且最冷区域1540可以对应于光纤的不同区段(具有第二分离距离32和第三分离距离33的长度(图1))。最热区域1531-1533可以对应于振荡器(例如参考示出振荡器的热特征的曲线图800，其中逐渐较少的热量沿着远离界面的振荡器的长度积累)，并且最冷区域1540可以对应于不同的部分(例如联接到振荡器的无源部分，也在曲线图800中示出)。
图16示出根据一些实施例的安装在图15中被热成形的盘绕光纤中的盘绕光纤的至少整个环上(例如，在整个热测试环上)的导热扩散器1651。在示例中，热导体1632、通道1605、冷却系统1650和管道1655可以(分别)类似于在此描述的任何热导体、通道、冷却系统和管道，例如关于图2-5的实施例描述的热导体232、通道205、冷却系统250和管道255
该导热扩散器1651可以被安装在该可变盘绕光纤的一部分上，该部分可以包括具有该第一分离距离31的长度(图1或以下)。导热扩散器1561可以是环形的并且可以暴露包括第二分离距离32和第三分离距离33(图1)的光纤的长度。
可以使用紧固件1652(例如螺钉、铆钉等或其组合)将导热扩散器1651紧固到热导体1632。紧固件1652可以在由第一分离距离31分隔的环之间延伸(图1)。可以选择紧固件1652的位置和材料以增加到热导体1632的热路径(例如，如果紧固件1652的金属具有比灌封材料更高的导热性，则可能有利的是将紧固件1652布置成使得一个或多个紧固件1652对应于被覆盖的环的最热区域)。
图17示出根据一些实施例的包围热导体1732的双有源冷却系统1760和1750，该热导体1732具有(未示出的、例如可变盘绕的)安装在其上的盘绕光纤。热导体1732和冷却系统1750可以类似于在此描述的任何热导体和冷却系统，例如参考图2-5描述的实施例的热导体232和冷却系统250。冷却系统1760可以包括与冷却系统1750的平面表面类似的平面表面，该平面表面联接到热导体1732的与光纤相反的一侧。冷却系统1760的平坦表面可以与光纤和/或沉积在光纤上和/或周围(或通道壁的顶部，或带的边缘等)的灌封化合物接触。由冷却系统1750的平坦表面接收的热量可以在朝向冷却管1765的任何方向上行进。
在所示实施例中，冷却系统1750和1760具有对称管道配置，尽管这不是必需的。在一些示例中，冷却系统1750和1760可以具有不对称的管道配置(或者可以被移位以提供管道的交错布置)。在冷却系统1760的平坦表面处接收的热量可以行进到管道1755和1765中封闭的一个。如果对于光纤的给定位置，管1755和1765中最近的一个是另一个冷却系统1750的管1755中的一个，则由该给定位置产生的热可以横向行进通过热导体1732的表面，(在包括通道或带的实施例中)经由灌封材料和/或通道/带的壁朝向热导体1750的表面(反之亦然)。如果用于光纤的给定位置的管1755和1765中最近的一个是局部管(例如，用于冷却系统1760的管1765中的一个)，则由该给定位置产生的热可能不一定行进通过通道的灌封材料和/或壁(反之亦然)。
图9示出根据一些实施例的将导热扩散器安装到其上安装有盘绕或缠绕的光纤的表面和/或盘绕或缠绕的光纤的过程900。框901可类似于图6的框601。在框902中，光纤可被盘绕或缠绕。在一些示例中，卷绕或卷绕可以包括类似于块602的卷绕或卷绕。在其他示例中，光纤可以在框902中均匀地盘绕或缠绕。
在框903中，导热扩散器可以安装到安装有卷绕或缠绕的光纤的表面和/或安装到卷绕或缠绕的光纤。在一些示例中，导热扩散器可暴露光纤的一部分(例如，光纤的第二长度的至少一部分)。
示例
示例1是一种光纤激光器，包括：可变盘绕光纤，其中所述可变盘绕光纤包括：第一长度，所述第一长度布置在多个第一环中，在所述第一环中的相继的第一环之间具有第一分离距离；和第二长度，所述第二长度布置在多个第二环中，在所述第二环中的相继的第二环之间具有第二分离距离；在所述第一环中的相继的第一环之间的第一分离距离大于在所述第二环中的相继的第二环之间的第二分离距离；和封装，所述封装去除在光纤激光器的操作期间由光纤激光器的光纤产生的热量，其中可变盘绕光纤固定地安装到封装的热导体的表面。。
示例2包括示例1或本文任何其他示例的主题，所述表面包括平坦表面。
示例3包括示例1-2或本文任何其他示例的主题，其中所述表面包括非平坦表面。
示例4包括示例1-3或本文任何其他示例的主题，所述封装包括圆盘或环形圈，并且其中，所述表面包括所述圆盘或环形圈的侧部。
示例5包括示例1-4或本文任何其他示例的主题，其中所述热导体包括圆柱体，并且其中所述表面包括所述圆柱体的内表面。
示例6包括示例1-5或本文任何其他示例的主题，其中其中所述热导体包括圆柱体，并且其中所述表面包括所述圆柱体的外表面。
示例7包括示例1-6或本文任何其他示例的主题，还包括围绕所述热导体的表面的唇缘，所述唇缘限定用于容纳灌封材料的空间，其中所述光纤的第一侧与所述表面接触并且所述灌封材料覆盖所述光纤的相对的第二侧。
示例8包括示例1-7或本文任何其他示例的主题，其中所述灌封材料包括第一层灌封材料，并且其中所述热导体的表面包括沉积在金属上的第二层相同或不同的灌封材料。
示例9包括示例1-8或本文任何其他示例的主题，还包括形成在所述热导体的表面上或表面中的引导件，所述引导件包括限定所述第一分离距离的第一区段和限定所述第二分离距离的第二区段。
示例10包括示例1-9或本文任何其他示例的主题，其中，所述引导件包括形成在所述表面中的通道。
示例11包括示例1-10或本文任何其他示例的主题，其中所述平坦表面包括热导体的第一侧，并且其中所述封装还包括附接至所述热导体的相对的第二侧的热交换器。
示例12包括示例1-11或本文任何其他示例的主题，其中，所述热交换器设置成使液体循环。
示例13包括示例1-12或本文任何其他示例的主题，还包括位于所述非平坦表面下方的液体冷却管。
示例14包括示例1-13或本文任何其他示例的主题，其中所述光纤包括第一侧和相对的第二侧，其中所述光纤的所述第一侧安装到所述热导体的所述表面，其中所述第一分离距离大于所述第二分离距离；和其中所述封装还包括导热扩散器以暴露所述光纤的第一长度的所述第二侧，其中所述导热扩散器联接到所述光纤的第二长度的所述第二侧。
示例15包括示例1-14或本文任何其他示例的主题，其中所述导热扩散器包括多个非邻接区段。
示例16包括示例1-15或本文任何其他示例的主题，其中，所述导热扩散器包括安装到所述光纤的第二长度的第二侧的板。
示例17包括示例1-16或本文任何其他示例的主题，其中所述板包括环形圈。
示例18包括示例1-17或本文的任何其他示例的主题，其中，所述板安装在所述光纤的所述第二长度的仅一部分上。
示例19包括示例1-18或本文任何其他示例的主题，其中，所述板包括圆盘，所述圆盘的中心位于所述光纤的第二长度的选定区域上。
示例20包括示例1-19或本文任何其他示例的主题，其中，，所述光纤的所述第二长度的所述选定区域与所述光纤的增益光纤的接口相关联。
示例21包括示例1-20或本文任何其他示例的主题，其中所述光纤包括第一侧和相对的第二侧，并且其中，所述封装包括附接到所述光纤的所述第二侧的冷却系统。
示例22包括示例1-21或本文任何其他示例的主题，其中，所述冷却系统包括液体冷却器。
示例23包括示例1-22或本文任何其他示例的主题，还包括将所述导热扩散器附接到所述热导体的紧固件。
示例24包括示例1-23或本文任何其他示例的主题，其中，所述紧固件被布置在所述光纤的所述环中的所选择的环之间，其中，所述环中的所选择的环包括所述第一环中的环。
示例25包括示例1-24或本文任何其他示例的主题，还包括与所述光纤接触的灌封材料，所述灌封材料位于所述光纤与所述热导体的金属之间和/或所述光纤的环之间。
示例26是一种从具有第一长度的盘绕光纤激光器散热以与盘绕光纤激光器的第二长度不同地操作的设备，该设备包括：平面热沉，该平面热沉包括与冷却板接触的第一侧和与盘绕光纤激光器的两个长度接触的第二侧；形成在所述平面热沉的所述第二侧上的引导件，所述引导件包括：第一区段，所述第一区段将所述光纤激光器的所述第一长度的一部分布置成多个第一拐角，在所述第一拐角中的相继第一拐角之间具有第一分离距离；以及第二部分，所述第二部分将所述光纤的第二长度的一部分布置成多个第二拐角，在所述第二拐角中的相继第二拐角之间具有第二分离距离；其中所述第一拐角中的相继第一拐角之间的所述第一分离距离不同于所述第二拐角中的相继第二拐角之间的所述第二分离距离。
示例27包括示例26或本文的任何其他示例的主题，其中，第一长度的操作功率密度大于第二长度的操作功率密度，并且其中，第一拐角中的相继的第一拐角之间的恒定分离距离大于第二拐角中的相继的第二拐角之间的恒定分离距离。
示例28包括示例26-27或本文任何其他示例的主题，其中，引导件包括机加工到平面热沉的第二侧上的凹槽或平面热沉的第二侧上的通道。
示例29包括示例26-28或本文任何其他示例的主题，其中，引导件包括印刷在平面热沉的第二侧上的第三尺寸特征。
示例30包括示例26-29或本文的任何其他示例的主题，其中，与第一拐角相对应的引导件的第一部分包括具有第一热导率的第一材料，并且其中，与第二拐角相对应的引导件的第二区段包括具有不同于第一热导率的第二热导率的第二材料。
示例31包括示例26-30或本文任何其他示例的主题，其中，平面热沉包括板。
示例32包括示例26-31或本文任何其他示例的主题，其中，引导件包括附接到平面热沉的第二侧的一个或多个部件。
示例33包括示例26-32或本文任何其他示例的主题，其中，引导件包括通道，并且其中，通道的对应于第一拐角的部分的深度不同于通道的对应于第二拐角的部分的深度。
示例34包括示例26-33或本文任何其他示例的主题，其中，引导件包括从通道的一端到通道的另一端具有均匀宽度的通道。
示例35包括示例26-34或本文任何其他示例的主题，其中该引导件包括在该第一区段与该第二区段之间的第三过渡区段，该第三过渡区段将该光纤激光器的该第一长度或第二长度的一部分布置成第三至少部分拐角。
示例36包括示例26-35或本文任何其他示例的主题，其中，第三至少部分拐角与第一拐角或第二拐角中的至少一个之间的分离距离包括非恒定的分离距离。
示例37包括示例26-36或本文任何其他示例的主题，其中，第一分离距离包括第一恒定分离距离，并且第二分离距离包括第二恒定分离距离。
示例38包括示例26-37或本文任何其他示例的主题，其中，第三至少部分拐角的形状对应于对数螺线的一部分的形状。
示例39包括示例26-38或本文任何其他示例的主题，其中该第三至少部分拐角包括对应于该光纤激光器的最大弯曲半径的长度。
示例40包括示例26-39或本文任何其他示例的主题，其中，第一拐角或第二拐角的形状对应于算术螺线的形状。
示例41是一种设备，包括：板，板包括联接到冷却板的第一侧和包括接收盘绕光纤激光器的通道的第二侧；其中，所述通道包括：第一螺线段，所述第一螺线段具有多个第一拐角，所述第一拐角中的相继的第一拐角之间具有恒定的分离距离；以及第二段，所述第二段具有至少部分的第二拐角，所述第二拐角相对于所述第一拐角具有非恒定的分离距离。
示例42包括示例41或本文任何其他示例的主题，其中，通道还包括通过第二段连接到第一螺线段的第三螺线段，第三螺线段具有在第三拐角中的相继的第三拐角之间具有恒定的分离距离的多个第三拐角，其中第一拐角中的相继的第一拐角之间的恒定分离距离大于第三拐角中的相继的第三拐角之间的恒定分离距离。
示例43包括示例41-42或本文任何其他示例的主题，识别具有与光纤激光器的第二长度不同的操作特性的光纤激光器的第一长度；在板的一侧上形成用于接收所述光纤激光器的通道，所述通道包括：第一段，所述第一段包括多个第一拐角，在第一拐角中的相继的第一拐角之间具有第一恒定分离距离；以及第二紧凑段，第二紧凑段包括多个第二拐角，其中第二拐角中的至少一个相对于第二拐角中的相继的第二拐角具有第二分离距离，其中该第二分离距离小于该第一恒定分离距离；将所述光纤激光器的第一长度插入所述通道的所述第一段中；以及将所述光纤激光器的第二长度插入所述通道的所述第二紧凑段。
示例44包括示例41-43或本文任何其他示例的主题，还包括：基于曲率程度来标识光纤激光器的特性；以及基于所述特性选择所述第二段的过渡区段的长度，其中所述第二段的剩余段包括所述第二拐角中的均匀间隔的第二拐角。
示例45包括示例41-44或本文任何其他示例的主题，其中，过渡区段仅包括光纤激光器的第二长度的光纤激光器的一部分。
示例46是一种光纤激光器，包括：可变盘绕光纤，其中所述可变盘绕光纤包括：布置在多个环中的长度，所述环中的相继环之间具有恒定分离距离；以及封装，所述封装去除在光纤激光器的操作期间由光纤激光器的光纤产生的热量，其中可变盘绕光纤固定地安装到封装的热导体的表面；其中所述光纤包括第一侧和相对的第二侧，其中所述光纤的所述第一侧安装到所述热导体的所述表面，其中所述封装还包括联接到所述光纤的所述第二侧的热扩散器。
示例47包括示例46或本文任何其他示例的主题，其中热扩散器包括多个非邻接区段。
示例48包括示例46-47中任一项或本文中的任何其他示例的主题，其中，导热扩散器包括安装到光纤的第二侧的板。
示例49包括示例46-48中任或本文任何其他示例的主题，其中该板包括环形圈。
示例50包括示例46-49中任或本文中的任何其他示例的主题，其中该板安装到该光纤的第二长度的仅一部分上。
考虑到可应用所揭示技术的原理的许多可能实施例，应认识到，所说明的实施例仅是优选示例且不应视为限制本发明的范围。我们要求属于所附权利要求书的范围和精神内的所有技术方案均属于本发明。
Claims (20)
1.一种光纤激光器，包括：可变盘绕光纤，其中所述可变盘绕光纤包括：第一区段，所述第一区段布置在多个第一环中，在所述第一环中的相继的第一环之间具有第一恒定分离距离；和第二区段，所述第二区段布置在多个第二环中，在所述第二环中的相继的第二环之间具有第二恒定分离距离；在所述第一环中的相继的第一环之间的第一恒定分离距离不同于在所述第二环中的相继的第二环之间的第二恒定分离距离；以及所述可变盘绕光纤还包括第三区段，所述第三区段布置在第三至少部分环中，其中所述第三至少部分环与所述第一环和所述第二环中的至少一个之间的第三分离距离是不恒定的；和封装，所述封装去除在所述光纤激光器的操作期间由所述光纤激光器的所述可变盘绕光纤产生的热量，其中所述可变盘绕光纤的所述第一区段、所述第二区段和所述第三区段固定地安装到所述封装的热导体的单个侧面。
2.如权利要求1所述的光纤激光器，其中，所述单个侧面包括平坦表面。
3.如权利要求2所述的光纤激光器，其中，所述封装包括圆盘或环形圈，并且其中所述单个侧面包括所述圆盘或环形圈的侧部。
4.如权利要求2所述的光纤激光器，其中所述单个侧面包括所述热导体的第一侧，并且其中所述封装还包括附接至所述热导体的相对的第二侧的热交换器。
5.如权利要求1所述的光纤激光器，其中，所述单个侧面包括非平坦表面。
6.如权利要求5所述的光纤激光器，其中所述热导体包括圆柱体，并且其中所述单个侧面包括所述圆柱体的内表面或所述圆柱体的外表面。
7.如权利要求5所述的光纤激光器，还包括位于所述非平坦表面下方的液体冷却管。
8.如权利要求1所述的光纤激光器，还包括围绕所述热导体的所述单个侧面的唇缘，所述唇缘限定用于容纳灌封材料的空间，其中所述可变盘绕光纤的第一侧与所述单个侧面接触并且所述灌封材料覆盖所述可变盘绕光纤的相对的第二侧，其中所述灌封材料包括第一层灌封材料，并且其中所述热导体的所述单个侧面包括沉积在金属上的第二层相同或不同的灌封材料。
9.如权利要求1所述的光纤激光器，还包括形成在所述热导体的所述单个侧面上或所述单个侧面中的引导件，所述引导件包括限定所述第一恒定分离距离的第一部分、限定所述第二恒定分离距离的第二部分和限定不恒定的所述第三分离距离的第三部分。
10.如权利要求9所述的光纤激光器，其中，所述引导件包括形成在所述单个侧面中的通道。
11.如权利要求1所述的光纤激光器，其中所述可变盘绕光纤包括第一侧和相对的第二侧，其中在所述第一区段、所述第二区段和所述第三区段中所述可变盘绕光纤的所述第一侧安装到所述热导体的所述单个侧面，并且所述封装包括在所述第一区段、所述第二区段和所述第三区段中的至少一个中附接到所述可变盘绕光纤的所述第二侧的冷却系统。
12.如权利要求1所述的光纤激光器，其中，所述可变盘绕光纤包括第一侧和相对的第二侧，其中在所述第一区段、所述第二区段和所述第三区段中所述可变盘绕光纤的所述第一侧安装到所述热导体的所述单个侧面，其中，所述第一恒定分离距离大于所述第二恒定分离距离；并且其中，所述封装还包括导热扩散器以暴露所述可变盘绕光纤的所述第一区段的所述第二侧，其中所述导热扩散器联接到所述可变盘绕光纤的所述第二区段的所述第二侧。
13.如权利要求12所述的光纤激光器，其中，所述导热扩散器包括多个非邻接区段或安装到所述可变盘绕光纤的所述第二区段的所述第二侧的板。
14.如权利要求13所述的光纤激光器，其中，所述板包括环形圈或所述板安装在所述可变盘绕光纤的所述第二区段的仅一部分上。
15.如权利要求14所述的光纤激光器，其中，所述板包括圆盘，所述圆盘的中心位于所述可变盘绕光纤的所述第二区段的选定区域上。
16.如权利要求15所述的光纤激光器，其中，所述可变盘绕光纤的所述第二区段的所述选定区域与所述可变盘绕光纤的增益光纤的接口相关联。
17.如权利要求1所述的光纤激光器，其中，所述第三至少部分环的长度是基于所述可变盘绕光纤的指定的弯曲半径选择的。
18.如权利要求12所述的光纤激光器，还包括将所述导热扩散器附接到所述热导体的紧固件。
19.如权利要求18所述的光纤激光器，其中，所述紧固件被布置在所述可变盘绕光纤的所述环中的所选择的环之间，其中，所述环中的所选择的环包括所述第一环中的环。
20.如权利要求1所述的光纤激光器，还包括与所述可变盘绕光纤接触的灌封材料，所述灌封材料位于所述可变盘绕光纤与所述热导体的金属之间和/或所述可变盘绕光纤的侧面之间。
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