CN112162370B - 一种激光传输光缆 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供的激光传输光缆，主要包括：传能光纤和输出头，所述输出头，包括：主体套筒、疏松层和风冷散热系统；主体套筒为中空结构；在疏松层内注入有相变材料，疏松层内置于主体套筒的内壁，以组合构成密封的吸光腔，用于吸收回返光；光纤贯穿通过所述吸光腔；风冷散热系统设置于所述主体套筒的外侧，用于对主体套筒进行散热。可选地，在疏松层和光纤之间还设置有水冷插芯。本发明实施例提供的激光传输光缆，利用相变材料快速导热加之风冷的组合散热技术取代传统水冷方式，实现激光传输光缆轻量化，降低了人员操作的难度，降低了整个加工系统复杂度；采用封闭的内循环模式，使得传输光缆的输出头内部相对于传统水冷方式不容易被污染。

Description

一种激光传输光缆

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种激光传输光缆。

背景技术

随着光纤激光器在市场上的应用越来越广泛，使其逐渐从单一的切割用途衍生到熔覆，焊接等新型行业。而高能激光传输光缆作为光纤激光器中一个重要器件，负责将激光器产生的激光传输到应用终端。

在实际应用过程中，传能光缆不仅需要负责将激光器输出的激光传输到被加工材料，同时由于被加工材料无法实现对激光的全吸收，会将部分激光返回到输出头，尤其是加工高反材料时，其反射非常强烈，这导致若激光传输光缆没有良好的吸光能力和散热能力，则极容易被回返光损坏。传统的解决途径是在输出头中引入水道，通过外接冷却水，实现较好的散热能力，这一冷却方式已经较为成熟并被广泛使用。

但是随着光纤激光器在手持焊接、激光清洗等新型行业的推广，使得输出头不再是固定在机床上，而需要人工手持。如果在上述应用方向上，通过水冷的方式实现输出头降温的，不仅增加了手持加工系统的重量，同时所配备水冷机以及配置较长的冷却水管也会导致操作上的不方便，甚至导致安全事故的发生。此外，受到冷却水洁净程度的影响，输出头内部很容易被冷却水污染而损坏。

有鉴于此，亟需设计一种轻量化及更安全可靠的激光传输光缆，以有效的解决由水冷的方式实现输出头降温所带来的上述缺陷。

发明内容

本发明实施例提供一种激光传输光缆，利用相变材料快速导热加上风冷的组合散热方式，取代水冷机通过循环冷却液给激光输出头散热的传统冷却方式，实现激光输出头的轻量化，且能够保证输出头内部洁净度。

具体地，本发明实施例提供一种激光传输光缆，包括光纤和输出头，特别是其输出头主要包括：主体套筒、疏松层和风冷散热系统；所述主体套筒为中空结构；在所述疏松层内注入有相变材料，所述疏松层内置于所述主体套筒的内壁，以组合构成密封的吸光腔，用于吸收回返光；所述光纤贯穿通过所述吸光腔；所述风冷散热系统设置于所述主体套筒的外侧，用于对所述主体套筒进行散热。

进一步地，在疏松层和光纤之间还设置有水冷插芯；水冷插芯套装在光纤上，水冷插芯的外壁与疏松层相接触，用于将吸收的热量传导至疏松层。

可选地，上述风冷散热系统主要包括翅片和至少一个风扇；翅片内嵌于主体套筒的外周，并与主体套筒相接触，用于接收由主体套筒所传导的热量；风扇固设于翅片的外侧，用于对翅片进行风冷散热。

进一步地，本发明实施例提供的输出头，还可以包括端帽和光纤固定接头；端帽和光纤固定接头分别固接于水冷插芯的两个端部，用于固定光纤；端帽与光纤相熔接，用于降低进入光纤的输出端面的能量密度。

进一步地，在位于吸光腔内的部分光纤上设置有包层光剥模器。

进一步地，吸光腔的内壁可以是经过喷砂毛化处理后形成的。

可选地，输出头与激光加工头相卡接；输出头还可以包括监控触点组件；监控触点组件设置于卡接的接口处，用于监测卡接状态，并建立卡接状态与激光器运行状态之间的安全互锁。

进一步地，位于输出头的尾部光纤套装有铠装管，主体套筒的尾端与铠装套筒通过螺纹旋合的方式锁紧。

进一步地，风扇为多个，且对称分散设置于翅片的外侧。

进一步地，上述相变材料为液态时的折射率高于二氧化硅的折射率。

本发明实施例提供的激光传输光缆，通过设置具有高效吸光功能的水冷插芯内腔，利用相变材料快速导热加上风冷的组合散热技术取代传统水冷方式，实现激光传输光缆轻量化，降低了人员操作的难度，降低了整个加工系统复杂度；且采用封闭的内循环模式，使得传输光缆的输出头内部相对于传统水冷方式不容易被污染。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图逐一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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实施例内容。

图1是本发明实施例提供的一种激光传输光缆的剖示图；

图2是本发明实施例提供的一种激光传输光缆的整体外观示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种激光传输光缆的剖示图；

图4是本发明实施例提供的一种风冷散热系统的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一段带有裸纤的光纤结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种监控触点组件的结构示意图；

其中，100-防尘盖，101-端帽，102-水冷插芯，103-疏松层，104-光纤，105-卡扣，106、107、108-绝缘部件，109、110-导电触点，122-监控触点组件，111-防尘伞，112-风扇，113-风扇，114-风扇，115-风扇，116-主体套筒，117-光纤固定接头，118-铠装套筒，119-锁紧盖，120-铠装管，121-电源及控制线接口，122-监控触点组件，123-裸纤，126-光纤固定接头，127-翅片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种激光传输光缆，其相较于现有技术中所采用的利用水冷的方式给输出头进行降温，主要体现在：创新性的采用相变材料来实现高效散热，实现利用输出头对回返光的吸收以将大部分回返光转换为热量，并通过相变材料将热量传输至风冷散热系统将热量带走，起到保护输出头的作用。

具体地，如图1和图2所示，本发明实施例提供的激光传输光缆，包括光纤104和输出头，特别在于：其输出头主要包括主体套筒116、疏松层103和风冷散热系统。其中，主体套筒116为中空结构；在所述疏松层103内注入有相变材料，所述疏松层103内置于所述主体套筒116的内壁，以组合构成密封的吸光腔，用于吸收回返光；所述光纤104贯穿通过所述吸光腔；风冷散热系统设置于所述主体套筒116的外侧，用于对主体套筒116进行散热。

本发明实施例提供的激光传输光缆，与传统光缆相同之处在于均由光纤和输出头构成，其中光纤作为一种传能光纤可以是双包层光纤。且激光传输的方式和发热的原因也相似，均为：正向激光(工作激光)位于纤芯中传输，正向激光不会造成输出头发热，而受被加工材料反射的回返光一部分回返激光则重新耦合进入到传能光纤中，并且这部分回返激光在纤芯和包层中均有分布。上述耦合至传能光纤中的回返激光会造成输出头的发热量较小；但另一部分无法耦合进传能光纤的回返激光，则是以散射包层光的形式进入到输出头壳体内部，从而造成输出头发热情况较为严重。在传统水冷的激光传输光缆中，上述包层光会通过冷却水或者壳体进行吸收后转换为热量，并被冷却水带走。

由于采用水冷方式对输出头进行降温的方式增加了加工设备的重量、冷却水管使得操作不方便甚至导致安全事故的发生，输出头内部很容易被冷却水污染而损坏等诸多缺陷，故本发明实施例创新性的提供了一种基于风冷的方式实现输出头降温的激光传输光缆。

由于相变材料有在常温下为液体而受热达到一定的温度后则会转变为气体的特性，本发明实施例将相变材料注入疏松层内，并将疏松层填充于由主体套筒构成的密封吸光腔内，并包裹住光纤104，以利用疏松层中的相变材料及时的吸收光纤中的包层光在吸光腔内所产生的热量。最后，通过设置于主体套筒的外侧的风冷散热系统将主体套筒所吸收的热量进行散发，有效的实现了输出头的散热。

对于相变材料的选择可以采用普通的纯净水，也可以采用其他具有类似性能的新型材料，对此本发明实施例不作具体限定。

作为一种可选地实施例，风冷散热系统可以包括散热翅片，所述散热翅片以内嵌或者贴附的方式固设于主体套筒116的外侧；所述风冷散热系统还包括送风系统，用于提供流动的气流以给散热翅片降温，带走其携带的热量，从而实现对输出头的散热。

简而言之，本发明实施例提供的输出头的机械壳体部分可以细分为以下两部分：一部分为吸光部分，用于将光转换为热；第二部分为散热部分，即将收集的热量向外界排放。第一部分和第二部分通过疏松层及主体套筒贯通，而相变材料流动于疏松层中。

基于上述实施例所提供的激光传输光缆，其实现对于回返激光中的包层光进行吸收处理的方式，概括如下：当包层光进入到输出头后，在输出头的吸光部分(吸光腔)被吸收，此时包层光转变为热量并被相变材料吸收，相变材料受热气化后向输出头散热部分流动，将热量传递给散热翅片后，疏松层靠近风冷散热端的相变材料迅速凝结为液体，受疏松层的毛细作用会重新流回吸光部分，以上过程形成一个封闭循环，实现输出头的吸光和散热功能。

具体地，如图1所示，本发明实施例提供了一种激光传输光缆的具体结构，主要包括：防尘盖100、端帽101、疏松层103、光纤104、卡扣105、监控触点组件122、防尘伞111、风扇112、风扇113、风扇114、风扇115、主体套筒116、光纤固定接头117、铠装套筒118、锁紧盖119和铠装管120。

由于本发明实施例的相变材料与机械壳体直接接触，同时在空间上环绕光纤，可以直接吸光实现光热转换，故可以称其为直接冷却降温。构成直接冷却降温的方式，在本发明实施例中所采用的是利用疏松层103直接冷却的方式对输出头进行降温，当回返激光(主要是包层光)以散射光的形式透过端帽101进入到主体套筒116的吸光腔，被主体套筒116内壁和相变材料共同吸收，此时回返激光可以大部分被转化为热量。转化生成的热量被相变材料所吸收，造成相变材料的受热气化，气化后的相变材料通过疏松层103的毛细孔道向主体套筒116的散热部分流动，由于散热部分已设置由翅片127(和风扇112、113、114、115组成的风冷系统，会使得主体套筒116壳体在该位置处(即散热部分)的温度骤降，相变材料在散热部分的内壁重新凝结成液态，进而在毛细作用下，凝结的相变材料会返流，重新流回主体套筒116吸光端，从而完成一次循环。按照上述循环方式，则可以实现激光输出头的吸光和散热的功能。而另外一部分耦合进入到传能光纤104包层的回返激光，会从传能光纤104反向传输至激光器，被激光器内部的剥模器剥离和吸收，对此本发明实施例不作具体地说明。

本发明实施例提供的直接冷却的方式对输出头进行降温的激光传输光缆结构，利用组合散热技术取代掉传统水冷方式，实现激光传输光缆轻量化，降低了人员操作的难度，降低了整个加工系统复杂度；且采用封闭的相变材料内循环模式，使得传输光缆的输出头内部相对于传统水冷方式不容易被污染。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在疏松层103和光纤104之间还设置有水冷插芯102；水冷插芯102套装在光纤104上，水冷插芯102的外壁与疏松层103相接触，用于将吸收的热量传导至疏松层103。

具体地，本发明实施例提供的激光传输光缆，通过在疏松层103和光纤104之间增设水冷插芯102，以利用水冷插芯102先对由光纤104中包层光所产生的热量进行吸收后，再利用相变材料对水冷插芯102的热量进行吸收后传导至设置于主体套筒116的散热部分的风冷散热系统，以实现利用相变材料间接冷却输出头的目的。如图3所示，本发明实施例提供的利用相变材料间接冷却方案结构的激光传输光缆，主要包括：防尘盖100、端帽101、水冷插芯102、疏松层103、光纤104、卡扣105、监控触点组件122、防尘伞111、风扇112、风扇113、风扇114、风扇115、主体套筒116、光纤固定接头117、铠装套筒118、锁紧盖119和铠装管120。

由于相变材料只与输出头的水冷插芯相接触，不再直接环绕在光纤外围，故称作间接冷却的降温方式。采用上述间接冷却的方式时，光学系统和相变材料被水冷插芯102隔开，使得相变材料不与光学系统接触。当部分回返激光以散射光的形式进入到输出头的水冷插芯102内腔，被水冷插芯102的内腔吸收转换为热量，热量被水冷插芯102外的相变材料吸收，相变材料受热气化，通过具有毛细孔道的疏松层103向主体套筒116尾部的散热部分流动。气化的相变材料在主体套筒116散热部分冷却液化后，再通过疏松层103重新返流回主体套筒116吸热部分，从而完成一次循环，循环周而复始实现输出头吸光和散热的功能。

本发明实施例提供的激光传输光缆，通过增设水冷插芯对回返激光进行吸收，并将热量传输至疏松层，以利用其中的相变材料将热量传导至风冷散热系统进行排放，有效的增加了回返激光的吸收效率，且使得这种间接降温的方式的降温效果更均匀和快速。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述风冷散热系统主要包括翅片127和至少一个风扇；翅片127内嵌于主体套筒116的外周，用于接收由疏松层103通过主体套筒116的壳体所传导的热量；风扇固设于翅片127的外侧，用于对翅片127进行风冷散热。

具体地，如图4所示，本发明实施例提供了一种风冷散热系统的具体结构，包括翅片127和四个风扇，四个风扇112、113、114和115均匀设置于翅片127上，四个风扇分别安装在主体套筒116两侧壁面。

可选地，一侧的两个风扇抽风，另一侧的两个风扇送风，产生的空气对流可以对主体套筒116上的翅片127进行风冷散热。四个风扇串联，其中一个风扇预留有电源及控制线接口121，通过外部插接件的形式与激光器或激光加工头连接，实现供电和控制。

需要说明的是，本发明实施例不对翅片127的具体形状以及材质作具体地规定，也不对风扇的个数、设置位置以及运行功率等作具体限定。

基于上述实施例的内容，如图1或图3所示，作为一种可选实施例，输出头还可以包括端帽101和光纤固定接头117；其中，端帽101和光纤固定接头117分别固接于水冷插芯102的两个端部，用于固定光纤104；端帽101与光纤104相熔接，用于降低进入光纤104的输出端面的能量密度。

具体地，激光器输出的激光由光纤104进行传输，可以在光纤104的末端熔接石英制成的端帽104。引入端帽101的目的是：降低最终输出端面的能量密度，防止端面损伤。此外，可以在端帽101的激光输出面镀高透膜，以用于降低端面反射。

作为一种可选地实施例，如图1或图3所示，端帽101与传能光纤104熔接在一起，端帽101通过点胶固定在水冷插芯102端部，传能光纤104另一端的涂覆层通过点胶固定在光纤固定接头117内。防尘盖100安装在水冷插芯102端部，通过螺纹旋合固定。水冷插芯102以密封的方式安装在主体套筒116内腔，两者可以采用密封件机械密封或者采用两端焊接的方式进行密封。在水冷插芯102与主体套筒116安装之前，可以先将疏松层103安装在水冷插芯102外壁，待水冷插芯102在主体套筒116安装完成后，疏松层103则会在水冷插芯102与主体套筒116之间形成的吸收腔内被固定。

进一步地，为了起到较好的散热效果，主体套筒116可以选用铝合金或者紫铜等导热系数较高的材质。光纤固定接头117安装在水冷插芯102尾端，对光纤104限位以及固定，光纤固定接头117的设置也同时可以起到阻挡被剥除的部分包层光进入后端。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在位于所述吸光腔内的部分光纤上设置有包层光剥模器。

具体地，包层光剥模器可以采用在如图5所示一段带有裸纤的传能光纤的裸纤处设置(其中裸纤123是将光纤104的一段涂覆层进行剥除后生成的)。具体地，在保证风冷散热系统使用了较大功率的风扇时，即当输出头具有更高的散热能力时，可以在裸纤部分集成剥模器，以增加包层光剥离的效率，防止回返激光对传能光纤的破坏，以进一步的提高输出头的抗高反能力。需要说明的是，本发明实施例并不对包层光剥模器的结构作具体限定。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，可以对吸光腔的内壁经过喷砂毛化处理，以增加所述吸光腔对回返激光的吸收效率。本发明实施例不对喷砂毛化处理的方式做具体地限定。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，输出头与激光加工头相卡接；输出头还可以包括：监控触点组件122，监控触点组件122设置于卡接的接口处，用于监测卡接状态，并建立卡接状态与激光器运行状态之间的安全互锁。

具体地，如图1和图3所示，卡扣105和监控触点组件122可以按照图中所示的位置关系装配，以形成激光输出头的配合部分，卡扣105能起到与激光加工头接口的定位和锁紧功能；监控触点组件122起到与接口之间的安全互锁功能。

具体地，本发明实施例中，所采用的激光输出头的接线端是通过卡扣105连接激光加工头接口，本发明实施例里通过在接口处增设一个监控触点组件122，当其监测到激光输出头的接线端是通过卡扣105连接激光加工头接口脱落时，能够及时调整激光器的输出，以预防意外事故的发生。

如图6所示，导电触点109和导电触点110与绝缘部件106、绝缘部件107和绝缘部件108间隔设置，使两个导电触点相互之间绝缘并与激光输出头绝缘设置。在激光加工头接口正常连接时，导电触点109和导电触点110均为导通状态；若激光加工头接口脱落后，导电触点109或导电触点110至少有一个会发生断路，但之一状态出现时，通过监控触点组件122起到与接口之间的安全互锁功能，及时的对激光器进行关闭发光处理，以防止激光从断开点泄漏，造成设备或人员的伤害。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，位于主体套筒116的尾端光纤套装有铠装管120，主体套筒116的尾端与铠装套筒118通过螺纹旋合的方式锁紧。

具体地，如图1或图3所示，铠装套筒118安装在主体套筒116尾端，两者之间可以采用螺纹旋合的方式锁紧，以对输出头的尾端进行封装，同时可以起到固定铠装管112的作用。进一步地，锁紧盖119通过螺纹旋合安装在铠装套筒118尾端形成铠装锁紧部分，可以对铠装锁紧部分起到密封效果。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述相变材料为液态时的折射率高于二氧化硅的折射率。

由于相变材料的折射率不同会导致相变材料对于回返激光的吸收效率不同，一般来说，相变材料为液态时的折射率高于二氧化硅的折射率时，其对于包层光的吸收会显著的增加，故不同折射率的相变材料对于壳体散热要求不同。

具体地，在本发明实施例中，在间接冷却方案中，相变材料由于不和光纤直接接触，其折射率的大小对实际使用则没有区别；但在采用直接冷却的方案中，当相变材料的折射率低于二氧化硅时，不会对传能光纤包层中传输的回返光产生额外吸收，对壳体散热能力要求较低；但当相变材料的折射率高于二氧化硅时，会对传能光纤包层中传输的回返激光产生额外吸收，对壳体散热能力要求较高，故需要提升冷散热系统的散热能力。

本发明实施例提供的激光传输光缆，可以根据实际需要(比如回返光的吸收要求、散热能力要求等)选择适当的相变材料，并在选择折射率高的相变材料虽然会对风冷散热系统的散热能力提出挑战，但是会有效的提升对于回返激光的滤除效率。

综上所述本发明实施例提供的激光传输光缆，一方面，利用组合式散热技术取代传统水冷水路，实现激光传输光缆轻量化使得人员操作难度下降，同时降低整个加工系统复杂度；另一方面，采用封闭的内循环模式，使传输光缆的输出头内部相对于传统水冷方式不容易被污染。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种激光传输光缆，包括光纤和输出头，其特征在于，所述输出头，包括：主体套筒、疏松层和风冷散热系统；

所述主体套筒为中空结构；

在所述疏松层内注入有相变材料，所述疏松层设置有毛细孔通道，所述疏松层内置于所述主体套筒的内壁，以组合构成密封的吸光腔，用于吸收回返光；

所述光纤贯穿通过所述吸光腔；

所述风冷散热系统设置于所述主体套筒的外侧，用于对所述主体套筒进行散热；

在所述疏松层和所述光纤之间还设置有水冷插芯；

所述水冷插芯套装在所述光纤上，所述水冷插芯的外壁与所述疏松层相接触，用于将吸收的热量传导至所述疏松层；

所述风冷散热系统包括翅片和至少一个风扇；

所述翅片内嵌于所述主体套筒的外周，用于接收由所述主体套筒所传导的热量；

所述风扇固设于所述翅片的外侧，用于对所述翅片进行风冷散热。

2.根据权利要求1所述的激光传输光缆，其特征在于，所述输出头，还包括：端帽和光纤固定接头；

所述端帽和所述光纤固定接头分别固接于所述水冷插芯的两个端部，用于固定所述光纤；

所述端帽与所述光纤相熔接，用于降低进入所述光纤的输出端面的能量密度。

3.根据权利要求1所述的激光传输光缆，其特征在于，在位于所述吸光腔内的部分光纤上设置有包层光剥模器。

4.根据权利要求1所述的激光传输光缆，其特征在于，所述吸光腔的内壁是经过喷砂毛化处理后形成的。

5.根据权利要求1所述的激光传输光缆，其特征在于，所述输出头与激光加工头相卡接；

所述输出头，还包括：监控触点组件；所述监控触点组件设置于卡接的接口处，用于监测卡接状态，并建立所述卡接状态与激光器运行状态之间的安全互锁。

6.根据权利要求1所述的激光传输光缆，其特征在于，位于所述输出头的尾部光纤套装有铠装管，所述主体套筒的尾端与铠装套筒通过螺纹旋合的方式锁紧。

7.根据权利要求1所述的激光传输光缆，其特征在于，所述风扇为多个，对称分散设置于所述翅片的外侧。

8.根据权利要求1所述的激光传输光缆，其特征在于，所述相变材料为液态时的折射率高于二氧化硅的折射率。

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