CN116053899A - 一种高功率光纤激光器使用的包层光剥离器封装壳体及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高功率光纤激光器使用的包层光剥离器封装壳体及其应用，属于技术领域。壳体包括底部热沉、连通热沉和翅片，其中，底部热沉上均匀并排设置有翅片，翅片之间同轴设置有连通热沉，翅片和连通热沉之间设置有贯穿通孔。相比于传统的水冷封装壳体，本发明的壳体结构能够更加充分地利用强制风冷进行散热，增强散热能力，提高承受功率。

Description

一种高功率光纤激光器使用的包层光剥离器封装壳体及其应用

技术领域

本发明涉及一种高功率光纤激光器使用的包层光剥离器封装壳体及其应用，属于技术领域。

背景技术

相比较于传统的固体激光器，气体激光器等，全光纤激光系统的优点主要在于：光束质量好，转换效率高，稳定性好，抗干扰能力强等。由于其具有上述的这些优势，全光纤激光系统在汽车制造，五金加工，清洗除锈等方面有着独特的优势。特别地，光纤激光器在较低功率以及特殊条件下的高功率有着自己的效用，以其结构紧凑，危险性低等特点逐渐引起了研究者与各大厂商的注意。但高功率全光纤激光系统最大的问题在于散热问题，在各处易发生高温的区域中，包层光剥离器又因其剥除包层光的效能在高功率光纤激光器中属于最关键器件之一。

目前，高功率全光纤激光系统中采用的光纤一般为双包层光纤，由于增益光纤对于泵浦光吸收有限，因此在其末端会有残余泵浦光存在，同时光纤熔接点的非完美熔接与光纤输出端的背向反射也会进一步导致包层光的产生，这些包层光会导致输出激光的光束质量的劣化，并降低整个系统的稳定性，针对这一情况便需要使用包层光剥离器(CladdingPower Stripper，简称CPS)对包层光进行剥离。

为了防止剥除的包层光辐射到其他临近光纤器件，造成安全隐患，同时为了防止外界干扰对其产生较大影响以及灰尘等杂物落在其上导致温升从而损坏整个系统，高功率光纤激光器中的CPS一般均具有外封装壳体。首先，壳体可以保护剥离区域免受外界影响，其次，封装壳体可以将被剥除的包层光吸收转化为热能，然后通过热传导散热方式将其带走，保证高功率全光纤激光系统的稳定性与可靠性。

现阶段，光纤激光器中的CPS常用封装结构为光纤外装石英玻璃管，同时依赖固定装置将其固定在长方体铝制壳体内部。此类结构在激光系统以较高功率运转时会导致散热能力无法支撑，从而使得热能在CPS中累积，产生安全隐患，并且影响整个激光系统的可靠性与稳定性，不利于激光系统长时间稳定运转。为了保证CPS的散热能力，从而保证激光系统的稳定运转，可以修改外壳体结构，增强散热能力。

CPS的热管理包括CPS光纤和CPS封装壳体的热管理两部分内容。目前，大部分关于CPS的研究集中在CPS光纤的热管理方面，即通过创新和改进剥光工艺改善CPS光纤的发热情况，提升CPS的功率剥除能力。例如，沿光的传播方向上，使用折射率递增的多种光学胶水依序涂覆于光纤包层，或通过控制化学腐蚀时间，使光纤包层表面的毛化程度由浅及深变化，或将两者相结合，使得包层光按照数值孔径(NA)大小逐级剥除，防止CPS在较短的距离内大量泄漏功率造成局部过热。对于CPS封装壳体的热管理研究，相对来说关注较少。至今公开报导的百W级及以上剥除功率的CPS，大多数是通过直接水冷封装壳体的方式进行释热，鉴于循环冷却水会极大地增加系统的体积和质量，不符合激光光源小型化和无水冷却的要求，因此，器件封装实现被动冷却的研究势在必行。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种高功率光纤激光器使用的包层光剥离器封装壳体，相比于传统的水冷封装壳体，本发明的壳体结构能够更加充分地利用强制风冷进行散热，增强散热能力，提高承受功率。

本发明还提供上述高功率光纤激光器使用的包层光剥离器封装壳体的应用。

本发明的技术方案如下：

一种高功率光纤激光器使用的包层光剥离器封装壳体，包括底部热沉、连通热沉和翅片，其中，底部热沉上均匀并排设置有翅片，翅片之间同轴设置有连通热沉，翅片和连通热沉之间设置有贯穿通孔。

根据本发明优选的，底部热沉、翅片和连通热沉均选用铝或铝基碳化硅材料，铝材料为各类光纤器件封装外壳的常用材料，其在保证散热能力的同时密度和成本更低，铝基碳化硅材料在导热能力与铝类似，但刚度更高，热膨胀系数等性能可以通过改变其组成来加以调整，满足其他要求，能够根据需求进行定制，底部热沉、翅片和连通热沉外表面上均设置有石墨烯涂层，石墨烯涂层厚度为0.5mm，便于匀化温度分布，降低壳体整体温度。

根据本发明优选的，翅片为矩形翅片，翅片宽度与底部热沉宽度相同，翅片内部并列设置有多个连通热管，热管内填充有冷却介质，冷却介质可选用水，热管下方为蒸发端，上方为冷凝端。

根据本发明优选的，翅片数量为21片，翅片厚度为2mm，热管半径为0.5mm。

根据本发明优选的，底部热沉厚度为2mm，底部热沉与翅片为一体成型制作。

根据本发明优选的，连通热沉为中空圆柱体，连通热沉设置于翅片中心位置，连通热沉壁厚为2mm，连通热沉将各个翅片结构连接起来，并将通孔转化来的热量分散到各个翅片中再进行散热。

根据本发明优选的，通孔半径为3mm，通孔内部进行涂黑处理，设置为黑色表面，通孔内表面设置为螺纹状，通孔可以吸收剥离的包层光，将包层光中的能量转化为热能并通过热管与翅片结构以风冷形式进行降温。

根据本发明优选的，壳体整体为长方形，长度为110mm，宽度为30mm，高度为40mm。

上述高功率光纤激光器使用的包层光剥离器封装壳体的应用，步骤如下：

(1)将光纤及包层光剥离器固定于通孔内，使用时，包层光被剥离后，照射到通孔内部，然后通孔将包层光吸收并转换为热能传递到连通热沉中，热能在连通热沉中传导并传导到翅片结构中；

(2)当热量传导至翅片后，使热管底部的冷却介质蒸发，沿竖向热管向上运动，当达到热管上方冷凝端时，由于风冷，热量降低，发生冷凝，冷却介质再度落回蒸发端，此过程重复多次发生，在翅片本身进行散热的同时，热管加强整体的散热能力，石墨烯涂层能够在翅片散热的基础上，使得温度场分布更加均匀，同时还可以进一步降低整体温度。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提供一种高功率光纤激光器使用的包层光剥离器封装壳体，相比于传统的水冷封装壳体，本发明的壳体结构能够更加充分地利用强制风冷进行散热，增强散热能力，提高承受功率。

2、本发明通孔内部采取了涂黑处理，能够增强对剥离包层光的吸收效率，降低反射光，减小热效应，而且螺纹表面可以大幅提高通孔对光的吸收能力。

3、本发明的翅片内设置有热管，当热量传导至翅片后，热管底部的冷却介质蒸发，沿竖向热管向上运动，当达到热管上方冷凝端时，由于风冷，热量降低，发生冷凝，冷却介质再度落回蒸发端，此过程重复多次发生，在翅片本身进行散热的同时，热管进一步加强整体的散热能力。

4、本发明的底部热沉、翅片和连通热沉均选用铝或铝基碳化硅材料，铝材料为各类光纤器件封装外壳的常用材料，其在保证散热能力的同时密度和成本更低，铝基碳化硅材料在导热能力与铝类似，但刚度更高，热膨胀系数等性能可以通过改变其组成来加以调整，满足其他要求，能够根据需求进行定制。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的翅片剖面图。

图3为本发明实施例1的热仿真效应图。

附图标记：1、底部热沉；2、连通热沉；3、通孔；4、翅片；5、石墨烯涂层；6、热管。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1-2所示，本实施例提供一种高功率光纤激光器使用的包层光剥离器封装壳体，包括底部热沉1、连通热沉2和翅片4，其中，底部热沉1上均匀并排设置有翅片4，翅片4之间同轴设置有连通热沉2，翅片4和连通热沉2之间设置有贯穿通孔3。

底部热沉1、翅片4和连通热沉2均选用铝材料，铝材料为各类光纤器件封装外壳的常用材料，其在保证散热能力的同时密度和成本更低，底部热沉1、翅片4和连通热沉2外表面上均设置有石墨烯涂层5，石墨烯涂层5厚度为0.5mm，便于匀化温度分布，降低壳体整体温度。

翅片4为矩形翅片，翅片4宽度与底部热沉1宽度相同，翅片4内部并列设置有多个连通热管6，热管6内填充有冷却介质，冷却介质可选用水，热管6下方为蒸发端，上方为冷凝端。

翅片4数量为21片，翅片4厚度为2mm，热管6半径为0.5mm。

底部热沉1厚度为2mm，底部热沉1与翅片4为一体成型制作。

连通热沉2为中空圆柱体，连通热沉2设置于翅片4中心位置，连通热沉2厚度为2mm，连通热沉将各个翅片结构连接起来，并将通孔转化来的热量分散到各个翅片中再进行散热。

通孔3半径为3mm，通孔3内部进行涂黑处理，设置为黑色表面，通孔3内表面设置为螺纹状，通孔可以吸收剥离的包层光，将包层光中的能量转化为热能并通过热管与翅片结构以风冷形式进行降温。

壳体整体为长方形，长度为110mm，宽度为30mm，高度为40mm。

上述高功率光纤激光器使用的包层光剥离器封装壳体的应用，步骤如下：

(1)将光纤及包层光剥离器固定于通孔内，使用时，包层光被剥离后，照射到通孔内部，然后通孔将包层光吸收并转换为热能传递到连通热沉中，热能在连通热沉中传导并传导到翅片结构中；

(2)当热量传导至翅片后，使热管底部的冷却介质蒸发，沿竖向热管向上运动，当达到热管上方冷凝端时，由于风冷，热量降低，发生冷凝，冷却介质再度落回蒸发端，此过程重复多次发生，在翅片本身进行散热的同时，热管加强整体的散热能力，石墨烯涂层能够在翅片散热的基础上，使得温度场分布更加均匀，同时还可以进一步降低整体温度。

在包层光功率为500瓦，环境温度为20摄氏度，风速为10米每秒的条件下，对应用本实施例的包层光剥离器进行仿真实验，热效应仿真结果如图3所示，对图3中的数据及热分布情况可知：应用本实施例的包层光剥离器在剥离500瓦包层光时，其最高温度为58.1摄氏度，最低温度为35.1摄氏度，整个包层光剥离器的温度较为均匀，大部分集中在40摄氏度附近，最高温度位于通孔内部，最低温度位于翅片边缘，此种情况可证明，大部分热能均以风冷方式通过翅片耗散掉。

与以往常规的冷却包层光剥离器对比，在相同的较低剥离功率时，本实施例能够以更合适温度稳定运行，同时本实施例能够在常规冷却包层光剥离器无法承受的包层剥离功率下运行，从而进一步提升全光纤结构激光器的最高输出功率。

实施例2：

一种高功率光纤激光器使用的包层光剥离器封装壳体，结构如实施例1所述，不同之处在于，底部热沉1、翅片4和连通热沉2均选用铝基碳化硅材料，铝基碳化硅材料在导热能力与铝类似，但刚度更高，热膨胀系数等性能可以通过改变其组成来加以调整，满足其他要求，能够根据需求进行定制。

以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。

Claims (9)

1.一种高功率光纤激光器使用的包层光剥离器封装壳体，其特征在于，包括底部热沉、连通热沉和翅片，其中，底部热沉上均匀并排设置有翅片，翅片之间同轴设置有连通热沉，翅片和连通热沉之间设置有贯穿通孔。

2.如权利要求1所述的高功率光纤激光器使用的包层光剥离器封装壳体，其特征在于，底部热沉、翅片和连通热沉均选用铝或铝基碳化硅材料，底部热沉、翅片和连通热沉外表面上均设置有石墨烯涂层，石墨烯涂层厚度为0.5mm。

3.如权利要求2所述的高功率光纤激光器使用的包层光剥离器封装壳体，其特征在于，翅片为矩形翅片，翅片宽度与底部热沉宽度相同，翅片内部并列设置有多个连通热管，热管内填充有冷却介质，热管下方为蒸发端，上方为冷凝端。

4.如权利要求3所述的高功率光纤激光器使用的包层光剥离器封装壳体，其特征在于，翅片数量为21片，翅片厚度为2mm，热管半径为0.5mm。

5.如权利要求4所述的高功率光纤激光器使用的包层光剥离器封装壳体，其特征在于，底部热沉厚度为2mm，底部热沉与翅片为一体成型制作。

6.如权利要求5所述的高功率光纤激光器使用的包层光剥离器封装壳体，其特征在于，连通热沉为中空圆柱体，连通热沉设置于翅片中心位置，连通热沉壁厚为2mm。

7.如权利要求6所述的高功率光纤激光器使用的包层光剥离器封装壳体，其特征在于，通孔半径为3mm，通孔内部设置为黑色表面，通孔内表面设置为螺纹状。

8.如权利要求7所述的高功率光纤激光器使用的包层光剥离器封装壳体，其特征在于，壳体整体为长方形，长度为110mm，宽度为30mm，高度为40mm。

9.一种如权利要求8所述的高功率光纤激光器使用的包层光剥离器封装壳体的应用，其特征在于，步骤如下：

(1)将光纤及包层光剥离器固定于通孔内，使用时，包层光被剥离后，照射到通孔内部，然后通孔将包层光吸收并转换为热能传递到连通热沉中，热能在连通热沉中传导并传导到翅片结构中；

(2)当热量传导至翅片后，使热管底部的冷却介质蒸发，沿竖向热管向上运动，当达到热管上方冷凝端时，由于风冷，热量降低，发生冷凝，冷却介质再度落回蒸发端，此过程重复多次发生，在翅片本身进行散热的同时，热管加强整体的散热能力，石墨烯涂层能够在翅片散热的基础上，使得温度场分布更加均匀，同时还可以进一步降低整体温度。

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