CN115842279B - 一种具有高效热管理的一体化激光器输出头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤激光技术领域，具体涉及一种具有高效热管理的一体化激光器输出头，包括水冷组件，其包括水冷管、水路输入输出模块和安装管，水冷管的内壁间隔设置有多个U型槽并形成凸起，水冷管设置于安装管内，凸起与安装管内壁之间形成冷却用水路，水路输入输出模块与冷却用水路连通；激光传能组件，其包括石英柱、光纤和光纤固定模块，石英柱与水冷管内壁贴合，光纤固定模块固定于水冷管的另一端，光纤与石英柱同轴连接；光束反射模块，其包括第一反射模块和第二反射模块，其二者由光纤固定模块端向石英柱端依次设置。本发明通过水冷管和光束反射模块的设置，能够有效吸收光纤所产生的大量包层光和反向光，具有良好的散热性和高效的热管理性。

Description

一种具有高效热管理的一体化激光器输出头

技术领域

本发明涉及光纤激光技术领域，具体涉及一种具有高效热管理的一体化激光器输出头。

背景技术

光纤激光器因为有着较高的能量转换效率，较好的稳定性和工作寿命等优点，在近些年来被广泛应用于科研和工业领域。这些领域应用的需要使得光纤激光器的输出功率被不断提高。对于大功率光纤器而言，因为传输光纤的出端面的功率密度非常高，任何微小的缺陷和污染都会导致光纤损毁，所以大功率的光纤激光器的传输光纤并不能直接同准直聚焦单元相连，末端须要连接带有扩束功能的输出头。

目前，现有的激光器输出头随着光纤激光器的输出功率不断提升，激光器输出头在热管理方面越来越难以满足客户端的应用；同时输出头采用了国际上通用的标准工业输出接口形式，此种输出接口体积庞大，结构复杂，严格限制了激光器输出头的结构形式及尺寸，在面对万瓦级高功率应用时，此种结构使激光器输出头的冷却能力受到制约，不能满足使用需求。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中激光器输出头结构复杂、冷却能力不足的缺陷，从而提供一种具有高效热管理的一体化激光器输出头。

一种具有高效热管理的一体化激光器输出头，包括水冷组件、激光传能组件和光束反射模块。

所述水冷组件包括水冷管、水路输入输出模块和安装管，所述水冷管的内壁间隔设置有多个U型槽，U型槽向水冷管的外壁方向延伸形成凸起，水冷管内壁的两端收束，所述水冷管设置于安装管内，所述水冷管凸起与安装管内壁之间形成冷却用水路，所述水路输入输出模块与冷却用水路连通。

所述激光传能组件包括石英柱、光纤和光纤固定模块，所述石英柱的一端与水冷管一端的内壁紧密贴合，其另一端向外延伸，所述光纤固定模块固定于水冷管的另一端，所述光纤依次穿过光纤固定模块和水冷管后与石英柱同轴连接。

所述光束反射模块位于水冷管内部靠近光纤固定模块端，光束反射模块包括第一反射模块和第二反射模块，其二者由光纤固定模块端向石英柱端依次设置，且与光纤套接。

作为本发明中具有高效热管理的一体化激光器输出头的一种优选，所述水路输入输出模块包括水管接头、水管螺帽和水管，所述水管接头设置有输入端和输出端，水管接头设置于水冷管的一侧，一对所述水管通过水管螺帽分别与输入端和输出端连接。

作为本发明中具有高效热管理的一体化激光器输出头的一种优选，所述述水路输入输出模块的输入端与冷却用水路的输入端连通，其输出端与冷却用水路的输出端连通。

作为本发明中具有高效热管理的一体化激光器输出头的一种优选，所述水路输入输出模块输入端与冷却用水路输入端之间、水路输入输出模块输出端与冷却用水路输出端之间均设置有密封圈。

作为本发明中具有高效热管理的一体化激光器输出头的一种优选，所述光纤固定模块包括固定件和微细管，所述固定件的一端与水冷管连接，其具有一个沿其轴向方向设置的第一容腔，所述微细管固定于第一容腔内，微细管沿其轴向方向设置有一个第二容腔。

作为本发明中具有高效热管理的一体化激光器输出头的一种优选，所述安装管和水路输入输出模块的外部设置有一个将二者包覆于其中的散热外壳，所述散热外壳与安装管之间具有一个间隔距离。

作为本发明中具有高效热管理的一体化激光器输出头的一种优选，所述第一反射模块和第二反射模块上设置有间隔均匀的通孔，第一反射模块和第二反射模块面向石英柱的端面均镀有反射膜。

作为本发明中具有高效热管理的一体化激光器输出头的一种优选，所述反射膜可选择石英管镀反射膜或金属件镀金。

作为本发明中具有高效热管理的一体化激光器输出头的一种优选，所述水冷管内壁与石英柱和第二反射模块的端面连接处均设置有U型槽。

作为本发明中具有高效热管理的一体化激光器输出头的一种优选，所述水路输入输出模块未与水冷管连接端连接有壳体，壳体中间沿其轴向方向设置有一个贯通的第三容腔。

本发明技术方案，具有如下优点：

1、本发明在使用时，光纤所产生的大量包层光和反向光中，大部分会被水冷管直接吸收；剩余的包层光和反向光中，一部分传输到后端经光束反射模块反射至水冷管进行吸收；另一部分传输到前端的石英柱，石英柱与水冷管紧紧贴合且接触面积大，该部分包层光和反向光同样会被水冷管吸收。上述结构使得本发明具有良好的散热能力和高效的热管理性能。

2、本发明在面对万瓦级高功率应用时，不会因激光器输出头的冷却能力受到制约，能够持续稳定进行高功率输出，有效提升了光束的质量。

3、本发明相对于现有标准工业输出接口形式，集成了匹配件，采用一体化形式，简化了原有的复杂结构，缩减了制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术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发明的一些实施方式，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为本发明的结构剖面示意图之一。

图2为本发明的结构剖面示意图之二。

图3为本发明的整体结构示意图。

图4为本发明中水冷管与水管接头的连接示意图。

图5为本发明中光束反射模块的结构示意图。

图6为本发明中水路输入输出模块的结构示意图。

图7为本发明中光纤固定模块结构剖面示意图。

附图标记说明：

1、水冷管；2、水路输入输出模块；21、水管接头；22、水管螺帽；23、水管；3、安装管；4、石英柱；5、光纤；6、光纤固定模块；61、固定件；62、微细管；7、光束反射模块；71、第一反射模块；72、第二反射模块；8、散热外壳；9、壳体。

具体实施方式

下面将结合附图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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。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。

在本发明的描述中，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，可依具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实施例提供了一种具有高效热管理的一体化激光器输出头，如图1~图4所示，包括水冷组件、激光传能组件和光束反射模块7；

所述水冷组件包括水冷管1、水路输入输出模块2和安装管3，所述水冷管1中间沿其轴向方向贯通，水冷管1内壁沿其轴向方向间隔均匀设置有多个开口向内的U型槽，U型槽开口处向内逐渐变大，其未开口端向水冷管1的外壁方向延伸形成凸起，所述安装管3同样沿其轴向方向贯通，所述水冷管1安装在安装管3内，所述水冷管1凸起与安装管3内壁之间形成冷却用水路。所述水路输入输出模块2设置于水冷管1的一端，如图6所示，其包括水管接头21、一对水管螺帽22和一对水管23，所述水管接头21的一端与冷却用水路的一端螺纹连接，其具有输入端和输出端，一对所述水管23通过水管螺帽22分别与输入端和输出端连接，固定方式为螺牙加胶水固定。

冷却水通过水管23和水管接头21输入端流入水冷管1和安装管3之间的冷却用水路中，环绕水冷管1吸收热量后，通过水管接头21输出端和和水管23流出。

在本实施例中，为了保证密闭性，冷却用水路输入端与水路输入输出模块2输入端之间、冷却用水路输出端与水路输入输出模块2输出端之间均设置有密封圈。连接完毕后，水路输入输出模块2与冷却用水路形成密闭空间。水冷管1的两端分别设置有第一安装槽和第二安装槽。

所述激光传能组件包括石英柱4、光纤5和光纤固定模块6，所述石英柱4的一端设置于第一安装槽内，与第一安装槽的内壁紧密贴合，其另一端穿过水路输入输出模块2向外延伸，所述光纤固定模块6固定于第二安装槽远离第一安装槽侧。光束反射模块7安装于第二安装槽内，光束反射模块7包括第一反射模块71和第二反射模块72，其二者由光纤固定模块6端向石英柱4端依次设置。所述光纤5穿过光纤固定模块6进入水冷管1内部，然后依次穿过第一反射模块71和第二反射模块72后与石英柱4同轴连接。

在本实施例中，所述U型槽设置于石英柱4端部与光束反射模块7端部之间（即第一安装槽与第二安装槽之间），其两端分别向石英柱4端和光束反射模块7端收束。U型槽增大了水冷管1内壁的表面积和与冷却水的接触面积，包层光和回返光会深入到U型槽的内壁，使得散热能力更加的高效。

在本实施例中，所述光纤固定模块6通过点胶固定的方式对光纤5进行固定，如图7所示，其包括固定件61和微细管62，所述固定件61的一端与水冷管1连接，其具有一个沿其轴向方向设置的第一容腔，所述微细管62固定于第二容腔内，微细管62沿其轴向方向设置有一个第二容腔。光纤5依次穿过第二容腔和第一容腔后进入水冷管1内部。

在本实施例中，所述水冷管1和水路输入输出模块2的外部设置有一个将二者包覆于其中的散热外壳8，其通过螺栓与水冷管1连接，所述散热外壳8与水冷管1之间具有一个间隔距离。

如图5所示，在本实施例中，所述第一反射模块71和第二反射模块72均呈圆柱状，其中部位置具有一个沿其轴向方向贯通的光纤穿孔，二者面向石英柱4端的直径大于未面向石英柱4端的直径，并且面向石英柱4的端面均镀有反射膜，用于将传输至后端的散逸光反射至水冷管1；二者未面向石英柱4端的主体上间隔均匀设置有与光纤穿孔连通的通孔。反射膜可选择石英管镀反射膜或金属件镀金。

在本实施例中，所述水路输入输出模块2未与水冷管1连接端连接有壳体9，壳体9中间沿其轴向方向设置有一个贯通的第四容腔。石英柱4的另一端位于第四容腔内。

本实施中的激光器输出头工作时，激光束经光纤5进入激光器输出头，再通过石英柱4对光斑进行扩束，最终进入与壳体9匹配的激光器系统中，在此过程中靠近石英柱4端的光纤5因为有剥除处理，会有大量的包层光泄露，设置有U型槽的水冷管1会吸收泄露出的大部分包层光；剩余的包层光中，一部分传输至后端的包层光大部分经过第二反射模块72的反射膜反射至水冷管1，剩余少量的包层光由第二反射模块72的光纤穿孔向后传输的过程中，一部分直接通过第二反射模块72内部的通孔向外传输至水冷管1，另一部分被第一反射模块71的反射膜反射会第二反射模块72内部，重新传输至水冷管1；另一部分包层光传输至前端的石英柱4端，石英柱4与第一安装槽的内壁紧紧贴合且接触面积大，包层光会先被设置于该部分的水冷管1吸收，再通过该部分的冷却用水路带走热量。冷却水通过水冷管1的水管23和水管接头21的输入端流入水冷管1的冷却用水路中，环绕水冷管1吸收热量后，通过水管接头21输出端和水管23流出。

在实际客户端应用时，伴随有大量的回返光，这些回返光会全部进入大直径的石英柱4中，这些回返光会如同包层光一样，首先被与石英柱4接触的水冷管1吸收，一部分处于中心通过石英柱4与光纤5的熔接点进入光纤包层的回返光，在通过靠近石英柱4端的光纤5（进行过剥除处理）时，会泄漏出光纤5，再被水冷管1吸收，另一部分处于中心但没进入光纤5的回返光，会被经过设有U型槽的水冷管1吸收，传输到后端的回返光再被光束反射模块7反射至水冷管1吸收。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种具有高效热管理的一体化激光器输出头，其特征在于，包括：水冷组件、激光传能组件和光束反射模块(7)；

所述水冷组件包括水冷管(1)、水路输入输出模块(2)和安装管(3)，所述水冷管(1)的内壁间隔设置有多个U型槽，U型槽向水冷管(1)的外壁方向延伸形成凸起，水冷管(1)内壁的两端收束，所述水冷管(1)设置于安装管(3)内，所述水冷管(1)凸起与安装管(3)内壁之间形成冷却用水路，所述水路输入输出模块(2)与冷却用水路连通；

所述激光传能组件包括石英柱(4)、光纤(5)和光纤固定模块(6)，所述石英柱(4)的一端与水冷管(1)一端的内壁紧密贴合，其另一端向外延伸，所述光纤固定模块(6)固定于水冷管(1)的另一端，所述光纤(5)依次穿过光纤固定模块(6)和水冷管(1)后与石英柱(4)同轴连接；

所述光束反射模块(7)位于水冷管内部靠近光纤固定模块(6)端，光束反射模块(7)包括第一反射模块(71)和第二反射模块(72)，其二者由光纤固定模块(6)端向石英柱(4)端依次设置，且与光纤(5)套接；

所述第一反射模块(71)和第二反射模块(72)均呈圆柱状，其中部位置具有一个沿其轴向方向贯通的光纤穿孔，二者面向石英柱(4)端的直径大于未面向石英柱(4)端的直径，并且面向石英柱(4)的端面均镀有反射膜，二者未面向石英柱(4)端的主体上间隔均匀设置有与光纤穿孔连通的通孔。

2.根据权利要求1所述具有高效热管理的一体化激光器输出头，其特征在于，所述水路输入输出模块(2)包括水管接头(21)、水管螺帽(22)和水管(23)，所述水管接头(21)设置有输入端和输出端，水管接头(21)设置于水冷管(1)的一侧，一对所述水管(23)通过水管螺帽(22)分别与输入端和输出端连接。

3.根据权利要求2所述具有高效热管理的一体化激光器输出头，其特征在于，所述述水路输入输出模块(2)的输入端与冷却用水路的输入端连通，其输出端与冷却用水路的输出端连通。

4.根据权利要求3所述具有高效热管理的一体化激光器输出头，其特征在于，所述水路输入输出模块(2)输入端与冷却用水路输入端之间、水路输入输出模块(2)输出端与冷却用水路输出端之间均设置有密封圈。

5.根据权利要求1所述具有高效热管理的一体化激光器输出头，其特征在于，所述光纤固定模块(6)包括固定件(61)和微细管(62)，所述固定件(61)的一端与水冷管(1)连接，其具有一个沿其轴向方向设置的第一容腔，所述微细管(62)固定于第一容腔内，微细管(62)沿其轴向方向设置有一个第二容腔。

6.根据权利要求1所述具有高效热管理的一体化激光器输出头，其特征在于，所述安装管(3)和水路输入输出模块(2)的外部设置有一个将二者包覆于其中的散热外壳(8)，所述散热外壳(8)与安装管(3)之间具有一个间隔距离。

7.根据权利要求1所述具有高效热管理的一体化激光器输出头，其特征在于，所述反射膜可选择石英管镀反射膜或金属件镀金。

8.根据权利要求1所述具有高效热管理的一体化激光器输出头，其特征在于，所述水冷管(1)内壁与石英柱(4)和第二反射模块(72)的端面连接处均设置有U型槽。

9.根据权利要求1所述具有高效热管理的一体化激光器输出头，其特征在于，所述水路输入输出模块(2)未与水冷管(1)连接端连接有壳体(9)，壳体(9)中间沿其轴向方向设置有一个贯通的第三容腔。