CN114628975A - 高功率光纤激光器增益光纤散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率光纤激光器增益光纤散热装置，包括输入端接头1、外筒2、内筒3、盖子4、输出端接头5和底座6；外筒2由导热性能优良的金属制作，其内壁加工多条螺旋通道7，外壁加工与光纤外径匹配的精密U形槽8；外筒2与内筒3通过管螺纹连接；待散热光纤缠绕于外筒2外壁的U形槽8内；冷却介质（气体或液体）从输入端接头1注入散热装置，然后被分流到螺旋通道7中，通过热交换将热量带走；冷却介质汇流后经输出端接头5离开光纤散热装置；底座6通过螺丝与盖子4固定在一起，为整个散热装置提供支撑，底座6底部可加工螺纹孔，以便与机箱固定。本发明具有加工和安装容易、使用方便、质量轻巧、散热均匀、结构紧凑等优点，可以为高功率光纤激光器和放大器的增益光纤进行有效散热，避免热损伤。

Description

高功率光纤激光器增益光纤散热装置

技术领域

本发明属于光纤激光领域，特别是一种用于对高功率光纤激光器或放大器的增益光纤进行散热的装置。

背景技术

高功率光纤激光器和放大器在空间激光通信、工业加工、军事、医疗等领域都有着日益广泛的应用。随着输出功率的不断提高，热效应带来的问题凸显。高功率光纤激光器的增益介质是大芯径的双包层光纤。在激光器工作过程中，由于泵浦光和信号光间的量子亏损以及光纤的固有损耗，增益光纤中会产生大量的热，导致光纤温度升高。热效应一方面会影响增益光纤中稀土掺杂离子的吸收/发射截面，导致激光器效率下降。另一方面，热效应严重到一定程度还会对增益光纤造成永久性的破坏，影响激光器长期工作的稳定性和可靠性。双包层增益光纤的涂覆层通常为聚合物材料，比纤芯和内包层的热破坏阈值要低得多。为了避免涂覆层的热损伤，长期工作时其温度通常要控制在80℃以下。受此条件限制，要想进一步提高光纤激光器或放大器的输出功率，提高其长期工作的可靠性，必须对增益光纤进行主动散热。

目前业界普遍采用的光纤散热方案有两种，即风冷散热和液冷散热。风冷散热即通过风扇带动气流吹过固定好的光纤或光纤器件带走热量。该技术一般适用于中低功率或热效应较轻的光纤激光器或放大器。其优点是结构简单、成本低。缺点是存在噪音、振动及灰尘污染等问题。液冷散热即将增益光纤或光纤器件贴附于液冷散热器表面，热量先传递给散热器，然后再通过其中流过的液体将热量带走。目前高功率光纤激光系统中采用的液冷散热器为平板结构，一般用铝或铜等高导热金属制成。增益光纤以螺旋形贴附于其表面的光纤盘中。平板内部通过镶嵌铜管或深钻孔等工艺制作管道，作为冷却液的循环通道。这种方案的缺点是：结构和制作工艺复杂、造价昂贵；众多管路接口存在泄漏隐患；水道较长且分布不均，不利于均匀散热；光纤在平面上进行螺旋形盘绕，半径不均，且出、入端不可避免的存在交叉，不易固定；所占面积大，笨重。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种适用于高功率光纤激光器或放大器增益光纤散热的圆柱状散热装置。散热装置采用双层柱状薄壁中空结构，内置分布式螺旋水道，具有散热均匀、结构轻巧等优点。增益光纤可以自然的缠绕于散热装置外表面的精密U形槽中，便于光纤固定和高效接触散热。

本发明所采取的技术方案是，一种高功率光纤激光器增益光纤散热装置，包括：输入接头1、外筒2、内筒3、盖子4、输出接头5和底座6。外筒和内筒用导热性能优良的金属制成，常用的如铝或铜，甚至金、银等。

输入接头1与外筒2通过匹配的管螺纹密接；冷却介质通过输入端接头1注入散热装置；外筒2与内筒3通过管螺纹连接，通过旋转内筒3可以调整其与外筒的位置；外筒2的内壁开有多条螺旋形通道7，用于冷却介质通过；外筒2与盖子4通过匹配的管螺纹密接；盖子4与输出端接头5通过匹配的管螺纹密接，冷却介质经由输出接头5从散热器输出；底座6通过螺丝与盖子4固定。外筒2的外壁加工与光纤外径匹配的精密U形槽8，光纤缠绕于其中进行固定和接触散热。光纤激光器或放大器系统中其余需要散热的光纤器件，如光栅、泵浦耦合器等，可以安置于外筒2顶部的平面上。

内筒3的高度比外筒2短，装配后内筒3顶部与外筒2之间形成一个分流薄腔9，冷却介质通过此薄腔9被分流到外筒3内壁上的多条螺旋形通道7中。内筒3下部为开口结构，与盖子4之间也留有一定的空隙，便于冷却介质汇流到内腔10中，最后经由输出接头5流出散热器。外筒2和内筒3均采用薄壁结构，一方面可以减轻整个散热装置的重量，另一方面中间形成较大的空腔10，有利于缓冲冷却介质注入装置（水泵/气泵）可能引入的振动。

可选的：冷却介质可以为冷却气体或液体，采用何种冷却介质可根据光纤激光器的散热量进行选择；缠绕光纤时可以在精密U形槽中涂以导热优良填充物，如导热硅脂，以改善热接触；底座6的底部可加工螺纹孔，以便通过螺丝将散热装置固定于机箱中。

附图说明

图1为本发明的分离部件二等角轴侧视剖面图。

图2为本发明的各部件组合后的前视剖面图。

图3为本发明的实施例三维下方侧视图。

图4为本发明的实施例实物照片。

附图标记：1.输入接头；2.外筒；3.内筒；4.盖子；5.输出端接头；6.底座；7.冷却介质通道；8.U形槽；9.分流薄腔；10.内腔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例，对本发明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的一种实施方式，而不是全部。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例的分离部件二等角轴侧视图，主要由六部分组成。本实施例中输入端接头1和输出端接头5选用的是国标PL10-02快插接头，其余部件均采用导热性和性价比较好的6061铝合金制作。外筒2外径和内径分别为160mm和149mm，高92mm；内筒3外径和内径分别为150mm和143mm，高74mm。外通和内筒上端面厚度分别为8mm和2mm。散热装置组合后，内筒上、下端与外筒间均有约2.5mm的空间，如图2所示，便于冷却介质分流和汇流。外筒2内壁先加工与内筒3外壁相匹配的管螺纹，然后再在外筒3内壁上加工6条沿圆周等距分布的矩形螺旋通道7，通道深度2.5mm，横切面角宽度30°，螺距74mm。这样可使通道均匀分布于外筒2内壁，且每条通道螺旋约360°，可避免因散热器安装角度不同导致的冷却介质分流不均和散热不均。外筒2与内筒3通过螺纹密接。盖子4厚度8mm，通过高度约5mm的管螺纹与外筒2密接，实现散热器下端封闭。底座6的外径和内径分别为140mm和120mm，高度40mm，以横切面角宽度20°、高度35mm切除6个拱形部分，形成6脚结构，如图3所示。这便于与冷却介质管道连接并减轻散热装置的重量。底座6上部通过6颗M3螺钉与盖子5固定。可选的，可以在六个座脚底部制作M3螺纹，以便与光纤激光器的机箱固定。外筒2外壁制作了约40圈直径和深度相等的U型槽，螺纹直径与增益光纤的涂覆层外径匹配。需要制冷的光纤紧绕于U形槽中，两端点胶固定。由于散热装置外筒周长约为50mm，此实施例可绕约20m光纤，可满足绝大多数光纤激光器的需求，且便于估计光纤长度。使用时，输入接头1和输出接头5分别与水冷机的输出和输入端通过软管相连。

图4所示为实施例工作状态的实物照片，散热装置的总质量约为1.8kg。实验证明本发明可以很好的解决高功率光纤激光器的增益光纤散热问题，具有加工和安装容易，使用方便，质量轻巧，散热均匀，结构紧凑等优点。

Claims (5)

1.一种高功率光纤激光器增益光纤散热装置，其特征是：由输入端接头、外筒、内筒、盖子、输出端接头、底座构成；外筒内壁与内筒外壁之间制作多条螺旋状冷却介质通道，光纤缠绕于外筒外壁上的精密U形槽中实现散热。

2.根据权利要求1所述的一种高功率光纤激光器增益光纤散热装置，其特征是：外筒和内筒均为圆柱状，由导热性能优良的金属制成，二者通过螺纹连接，是一种内部中空的薄壁结构。

3.根据权利要求1所述的一种高功率光纤激光器增益光纤散热装置，其特征是：在外筒内壁制作多条冷却介质通道，外壁刻有与光纤尺寸匹配的精密U形槽，光纤缠绕固定于U形槽中实现散热。

4.根据权利要求1所述的一种高功率光纤激光器增益光纤散热装置，其特征是：冷却介质可以为气体也可以为液体。

5.根据权利要求1所述的一种高功率光纤激光器增益光纤散热装置，其特征是：盖子与外筒通过管螺纹密接，并通过螺丝固定于底座上。

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