CN202616594U - 光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光纤激光器，包括有若干光器件、冷却容器、循环冷却机和冷却液体，所述光器件安装于所述冷却容器中，所述冷却容器包括进液口和出液口，所述进液口和出液口分别与所述循环冷却机连接，所述冷却液体通过所述循环冷却机和所述进液口流入所述冷却容器，使得所述冷却容器中的所述光器件被浸泡在所述冷却液体中，所述冷却液体流经所述冷却容器内的所述光器件后，通过所述出液口再流回到所述循环冷却机。借此，本实用新型能够大大提高光纤激光器的冷却效率，进而使得进一步提高光纤激光器的输出功率成为可能。

Description

光纤激光器

技术领域

本实用新型涉及激光技术领域，尤其涉及一种光纤激光器。

背景技术

光纤激光器，特别是几百瓦到10千瓦的功率的高功率光纤激光器的技术难点都是在整个光纤激光器以及单元光器件的热管理上面，以1KW的功率的脉冲光纤激光器为例，如果输出功率为1000瓦，按70％的光光转换效率来计算，有效的泵浦光功率为(1000W÷70％＝1428.6W左右)，按5％合束器损耗来算，进合束器前的泵浦光功率为(1428.6W÷95％＝1503.8W左右)，按泵浦激光器50％的电光转换效率来计算，需要提供的电功率为(1503.8÷50％＝3007.5W左右)，而且由于光纤激光器还有驱动电路、电源变换电路等控制电路，这些都会有一定的损耗，按90％的电转换效率来计算，进入到1000瓦光纤激光器的总电能为(3007.5W÷90％＝3341.7W左右)，因而整个光纤激光器的光电效率为(1000÷3341.7＝29.92％左右，如果合束器的效率能够做到更高一些，整体的效率应该可以做到30％左右)，整个一台1000瓦输出的光纤激光器，输入的电功率要3341.7瓦，其中有70％左右2341.7瓦左右的电功率变成热量，损耗掉了，而且这些损耗的热量必须想办法快速的散掉，否则光纤激光器中的光学元件，就会因为温度过高而损坏，从而造成整个光纤激光器烧坏。由此可见，高功率光纤激光器的最核心关键问题，是整个光纤激光器以及光器件的高效可靠的热管理，也就是要控制光纤激光器中光学元件的温度，要尽快把产生的热量散掉，因此，采用恰当而可靠的冷却方式，对高功率光纤激光器至关重要。

目前国际上200瓦功率以上的高功率光纤激光器，由于强制风冷已经不能够在短时间内散掉那么大的热量，因此基本上都采用普通的水冷办法，即把泵源、合束器、光纤光栅、掺稀土有源双包层光纤、熔接保护点等光器件安装在一块高加工精度，高平面度的金属底板上，金属底板下部通冷却水或冷却液，光纤激光器工作时，上述光器件产生的热量，先通过接触传热和辐射传热，将热量导到金属底板，金属底板再把热量传到循环的冷却水，由冷却水带走，这种方式比强制风冷的散热效果要好，但是散热效率依然不理想，散热速度不快，限制了进一步提高光纤激光器的输出功率的可能。

综上可知，现有光纤激光器在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

实用新型内容

针对上述的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种光纤激光器，其能大大提高光纤激光器的冷却效率，进而使得进一步提高光纤激光器的输出功率成为可能。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种光纤激光器，包括有若干光器件、冷却容器、循环冷却机和冷却液体，所述光器件部分或全部安装于所述冷却容器中，所述冷却容器包括进液口和出液口，所述进液口和出液口分别与所述循环冷却机连接，所述冷却液体通过所述循环冷却机和所述进液口流入所述冷却容器，使得所述冷却容器中的所述光器件被完全浸泡在所述冷却液体中，所述冷却液体流经所述冷却容器内的所述光器件后，通过所述出液口再流回到所述循环冷却机。

根据本实用新型所述的光纤激光器，所述光器件包括若干泵源、合束器、光纤光栅、有源光纤、熔接点、泵浦泄漏点和/或无源光纤。

根据本实用新型所述的光纤激光器，所述光纤激光器为100瓦功率以上的高功率光纤激光器。

根据本实用新型所述的光纤激光器，所述高功率光纤激光器为高功率连续光纤激光器或者高功率脉冲光纤激光器。

根据本实用新型所述的光纤激光器，所述高功率连续光纤激光器包括连续种子源和双包层光纤放大器，所述连续种子源选择性安装于所述冷却容器中，所述双包层光纤放大器的所有光器件安装于所述冷却容器中；或者

所述高功率脉冲光纤激光器包括脉冲种子源和双包层光纤放大器，所述脉冲种子源选择性安装于所述冷却容器中，所述双包层光纤放大器的所有光器件安装于所述冷却容器中。

根据本实用新型所述的光纤激光器，所述无源光纤和有源光纤为双包层无源光纤和双包层有源光纤；所述冷却液体的折射率比所述双包层无源光纤和双包层有源光纤的包层的折射率低，且所述冷却液体包括冷却水或者冷却溶液。

根据本实用新型所述的光纤激光器，所述光纤激光器还包括控制电路，所述控制电路与所述光器件连接；所述若干泵源之间的连接点以及所述泵源与所述控制电路之间的连接点进行绝缘处理。

根据本实用新型所述的光纤激光器，所述光纤激光器还包括输出准直器或者准直输出隔离器，所述输出准直器或者准直输出隔离器包括有进口和出口；所述冷却容器的出液口包括第一出液口和第二出液口，所述第一出液口连接所述循环冷却机，所述第二出液口连接所述输出准直器或者准直输出隔离器的所述进口，所述输出准直器或者准直输出隔离器的所述出口连接所述循环冷却机。

根据本实用新型所述的光纤激光器，所述冷却容器内设有金属底板，所述光器件安装于所述金属底板上。

本实用新型光纤激光器采用全新的冷却散热方案，所述光纤激光器包括有光器件、冷却容器、循环冷却机和冷却液体，所述光器件包括若干泵源、合束器、光纤光栅、有源光纤、熔接点、泵浦泄漏点和/或无源光纤等，所述光器件部分或全部安装于冷却容器中，冷却容器与循环冷却机连接，冷却液体通过循环冷却机流入并充满整个冷却容器，这样光纤激光器的部分或者全部光器件都将浸泡于冷却液体进行充分冷却，冷却液体流经冷却容器内的光器件带走热量后在流回循环冷水机，如此循环以实现对光纤激光器的冷却散热。相对于现有技术中光器件由与金属底板接触的一个面导热，本实用新型转变成光器件的六个面完全导热，其散热效率至少提高五倍以上，从而大大提高光纤激光器的冷却效率。这样，对同等热损坏阈值条件下的光器件来说，如果原来承受的功率是1千瓦，那么本实用新型则能够承受多5倍到10倍的功率，使理论上的单根光纤输出的单模光纤激光器的输出功率达到万瓦级成为可能。

附图说明

图1是本实用新型光纤激光器的结构示意图；

图2是本实用新型第一实施例中光纤激光器的结构示意图；

图3是本实用新型第二实施例中光纤激光器的结构示意图；

图4是本实用新型第三实施例中光纤激光器的结构示意图；

图5是本实用新型第四实施例中光纤激光器的结构示意图；以及

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1是本实用新型光纤激光器的结构示意图，所述光纤激光器100包括有若干光器件10、冷却容器20、循环冷却机30和冷却液体，所述光器件10可以包括若干泵源、合束器、光纤光栅、有源光纤、熔接点、泵浦泄漏点和/或无源光纤等高功率光器件，且所述光器件10部分或全部安装于冷却容器20中，所述无源光纤和有源光纤为双包层无源光纤和双包层有源光纤。所述冷却容器20优选由防锈的金属或塑胶材料制成，所述冷却容器20包括经液密处理的进液口21和出液口22，进液口21和出液口22分别与循环冷却机30连接，冷却液体通过循环冷却机30和进液口21流入冷却容器20，使得冷却容器20中的光器件10被完全浸泡在所述冷却液体中，冷却液体流经冷却容器20内的光器件10后，通过出液口22再流回到循环冷却机30。冷却液体通过循环冷却机30流入并充满整个冷却容器20，这样光纤激光器100的部分或者全部光器件10都将浸泡于冷却液体中得以充分冷却，冷却液体直接带走光器件10的热量后在流回循环冷水机30，如此循环以实现对光纤激光器100的液冷散热。

优选的是，所述光纤激光器100还包括控制电路40，所述控制电路40可以包括光纤激光器100的驱动控制电路、温度监控电路、光功率监控电路、循环冷却机监控电路等。控制电路40与光器件10连接，若干泵源之间的连接点以及泵源与控制电路40之间的连接点进行防水绝缘处理。较好的是，所述冷却容器20内设有金属底板50，光器件10分别安装于金属底板50上。

更好的是，所述光纤激光器100还包括输出准直器或者准直输出隔离器(图1中未示)，输出准直器或者准直输出隔离器包括有进口和出口；冷却容器20的出液口22包括第一出液口和第二出液口，第一出液口连接循环冷却机30，第二出液口连接输出准直器或者准直输出隔离器的进口，输出准直器或者准直输出隔离器的出口连接循环冷却机30，这样可以另分一路对输出准直器或者准直输出隔离器进行单独的液冷散热处理。

本实用新型的光纤激光器100优选为100瓦功率以上的高功率光纤激光器，优选为200W～10KW的高功率连续光纤激光器或者高功率脉冲光纤激光器等。所述光纤激光器100尤其适用于功率超过100瓦以上的高功率的1030nm---1100nm波段的掺镱光纤激光器、1550nm波段的铒镱共掺光纤激光器、2000nm波段的掺铥光纤激光器、光子晶体光纤激光器等。

本实用新型光纤激光器100采用冷却液体对高功率光器件10进行冷却散热，所述冷却液体的折射率应该比双包层无源光纤和双包层有源光纤的包层的折射率低，并且冷却液体包括冷却水或者冷却溶液。本实用新型使用冷却水或冷却溶液进行冷却的技术原理与可行性分析如下：

一、水的折射率在水温为摄氏15度到23度之间时为1.33左右，与保护熔接点用的低折射率胶的折射率一样，比双包层光纤中的包层的折射率低，所以泵浦光不会泄漏进水里面。同理，冷却溶液的折射率也要求比双包层光纤中的包层的折射率低。

二、光纤的聚合物涂覆层不会溶于常温下的水中，而且在生产合束器的时候，所用的双包层光纤和多模光纤全部要放进2个大气压的压力锅中用摄氏130度的开水煮48小时，拿出来后多种双包层光纤以及多模光纤的涂覆层性能也没有发生变化，机械强度和折射率也不会有任何改变。所以光纤长时间浸泡在冷却水中，不会对光纤的性能产生影响，因而能够保证光纤激光器的长时间使用的可靠性和稳定性。同理，对冷却溶液的要求是一样的，在长时间浸泡时，不能溶解光纤的涂覆层材料。

三、除了泵源要接电，需要防止短路，所有的高功率光纤无源器件，不需要特殊的防水措施，而且合束器以及光纤熔接点，需要直接完全浸泡在水中，由于水的折射率低，直接由水代替低折射率紫外胶，光器件中的拉锥区域或者光纤的熔接点不会泄漏泵浦光，而且直接把这些光器件或接点因为存在损耗而在高功率情况下产生的热量很快很容易的带走，不会因为热量累积而导致光器件的温度急剧升高而损坏，可以几倍的提高同一光无源器件承受的最高功率的能力。

本实用新型采用全新的冷却散热思路，即把发热量大的主要光学上的热源如泵源、合束器、光纤光栅、掺稀土有源双包层光纤、光纤熔接保护点、泵浦残余泄漏处理接点，以及这些光器件中间起连接和能量传输作用的无源光纤等部分或者全部浸泡式放置在冷却容器的冷却液体中，由冷却液体对这些光器件进行全方位，全接触式冷却。这种液冷方式的冷却效率对泵源、合束器、光纤光栅等器件以及熔接保护点、泵浦残余泄漏处理接点来说，原来由一个与金属接触的面导热(假设包括光器件10设置于金属底板50)，变成由一个面对金属接触面导热，而其余五个面被冷却水或冷却溶液直接导热，散热效率至少提高5倍以上，而对于长条圆柱体的有源双包层光纤(可以是单包层)来说，由原来的圆柱体的一个和金属底板相切的线边对金属板导热，变成了由所有的圆柱体的光纤表面积直接被冷却水或冷却溶液导热，散热效率最少提高10倍以上。这样，对同等热损坏阈值条件下的光器件10来说，如果原来承受的功率是1千瓦，现在至少能够承受多5倍到10倍的功率，只要能够保证有足够功率的循环冷却机来提供足够快速的一定温度的冷却水或冷却溶液，再加上使用冷却水或冷却溶液的高功率输出准直器输出激光，使理论上的单根光纤输出的单模的光纤激光器的输出功率达到万瓦级成为可能，而实际工程应用中，至少也可以达到5千瓦以上的单模激光输出功率。而且使得5千瓦以下功率的单模光纤激光器的可靠性会大大提高。在脉冲光纤激光器中采用同样的方案，再加上采用冷却水或冷却溶液进行冷却的光隔离器，可以得到输出平均功率200W--2KW的脉冲光纤激光器。

图2是本实用新型第一实施例中光纤激光器的结构示意图，所述光纤激光器100为高功率连续光纤激光器，其采用浸泡式全接触直接液体冷却散热方案。上层方框表示用不会生锈的金属制成的冷却容器，带有供循环的冷却水或冷却溶液流入和流出的液密接口。所有的高功率光器件安装在冷却容器里面，所述高功率光器件包括若干个泵源、Nx1或(N+1)x1合束器、高低反FBG(Fiber BraggGrating，光纤布拉格光栅)、有源光纤、熔接点、泵浦泄露点等大量发热部件或熔接接点。由于泵源安装在冷却容器里面，因此泵源需要做好密封绝缘措施，以便起到防水效果。冷却容器外接循环冷却机，循环冷却机将10～23摄氏度以内的低温冷却水或冷却溶液按照箭头所示的方向泵进冷却容器，使得冷却容器内充满冷却水或冷却溶液，冷却水或冷却溶液流经泵源、合束器、高低反FBG、有源光纤、熔接点、泵浦泄漏点等高功率光器件直接带走热量后，再流回循环冷却机，由循环冷却机降温变成低温的冷却水或冷却溶液再泵进冷却容器，如此循环，并保证一定的循环冷却机的流速、流量以及液体温度，就可以很好的控制冷却效果。另外，光纤激光器100还包括高功率输出准直器，高功率输出准直器包括有进口和出口；冷却容器的出液口包括第一出液口和第二出液口，第一出液口连接循环冷却机，第二出液口连接高功率输出准直器的进口，高功率输出准直器的出口连接循环冷却机，即分出另一路的冷却水或冷却溶液来对高功率输出准直器进行冷却散热。

图3是本实用新型第二实施例中光纤激光器的结构示意图，其与第一实施例不同的是，作为高功率光器件之一的泵源被放置在冷却容器外面。由于泵源是需要电驱动的，泵源之间的连接和泵源与控制电路之间的连接需要防水绝缘，而这个绝缘处理起来比较麻烦，因而本实施例采用另外一个简化的方案，就是只对光器件和有源光纤以及熔接点、泵浦泄漏点等直接采用全浸入液体冷却，而泵源还是采用传统的安置于金属板上，金属板下面再通冷却水或冷却溶液来冷却，其不需进行密封处理，但这样冷却效果会差一些，而且整个光纤激光器100的体积也会大一些。

图4是本实用新型第三实施例中光纤激光器的结构示意图，所述光纤激光器100为MOPA(Master Oscillator Power-Amplifier，主控振荡器的功率放大器)放大方式的高功率连续光纤激光器，其采用浸泡式全接触直接液体冷却散热方案。所述高功率连续光纤激光器100包括连续种子源和双包层光纤放大器，即采用连续种子源+双包层光纤放大器的结构。上层方框内表示用不会生锈的金属制成的冷却容器。由于连续种子源的功率比较低，发热不是很大，因此连续种子源可选择性安装于冷却容器中，即所述脉冲种子源可以浸泡式液冷也可以不用浸泡式液冷；双包层光纤放大器的所有光器件安装于冷却容器中，即高功率光纤放大级的所有光路采用浸泡式液冷。泵源可以安装在冷却容器里面，但是需要做好密封绝缘措施；泵源也可以放在冷却容器外面，这样冷却效果会差一些，体积也会大一些。冷却容器外接循环水冷却机，把温度在10多度到23度以内的冷却水或冷却溶液泵进密封的冷却容器，冷却容器内充满冷却水或冷却溶液直接冷却光器件，冷却水或冷却溶液带走热量后在流回循环冷却机，由循环冷却机降温变成低温的冷却水或冷却溶液再泵进密封的冷却容器，如此循环，并保证一定的循环冷却机的流速、流量以及液体温度，就可以很好的控制冷却效果。另外，光纤激光器100还包括高功率输出准直器，高功率输出准直器包括有进口和出口；冷却容器的出液口包括第一出液口和第二出液口，第一出液口连接循环冷却机，第二出液口连接高功率输出准直器的进口，高功率输出准直器的出口连接循环冷却机，即分出另一路的冷却水或冷却溶液来对高功率输出准直器进行冷却散热。

图5是本实用新型第四实施例中光纤激光器的结构示意图，所述光纤激光器100采用高功率脉冲光纤激光器，其采用浸泡式全接触直接液体冷却散热方案。所述高功率脉冲光纤激光器100包括脉冲种子源和双包层光纤放大器，即采用脉冲种子源+双包层光纤放大器结构。上层方框内表示用不会生锈的金属制成的冷却容器。脉冲种子源可以是声光调Q脉冲光纤激光器做为种子源，也可以是LD脉冲调制后加一级光纤预放做脉冲种子源，也可以是连续光纤激光器用声光调制器调制成脉冲后再加一级光纤预放做脉冲种子源，由于脉冲种子源的功率比较低，发热不是很大，因此脉冲种子源可选择性安装于冷却容器中，即所述脉冲种子源可以浸泡式液冷也可以不用浸泡式液冷。双包层光纤放大器的所有光器件安装于冷却容器中，即高功率光纤放大级的所有光路采用浸泡式液冷。泵源可以安装在冷却容器里面，但是需要做好密封绝缘措施；泵源也可以放在冷却容器外面，这样冷却效果会差很多，体积也会大一些。冷却容器外接循环水冷却机，把温度在10多度到23度以内的冷却水或冷却溶液泵进密封的冷却容器，冷却容器内充满冷却水或冷却溶液直接冷却光器件，冷却水或冷却溶液带走热量后在流回循环冷却机，由循环冷却机降温变成低温的冷却水或冷却溶液再泵进密封的冷却容器，如此循环，并保证一定的循环冷却机的流速、流量以及液体温度，就可以很好的控制冷却效果。另外，光纤激光器100还包括高功率准直输出隔离器，高功率准直输出隔离器包括有进口和出口；冷却容器的出液口包括第一出液口和第二出液口，第一出液口连接循环冷却机30，第二出液口连接高功率输出准直器的进口，高功率准直输出隔离器的出口连接循环冷却机30。即分出另一路的冷却水或冷却溶液来对高功率准直输出隔离器进行冷却散热。

综上所述，本实用新型光纤激光器采用全新的冷却散热方案，所述光纤激光器包括有光器件、冷却容器、循环冷却机和冷却液体，所述光器件包括若干泵源、合束器、光纤光栅、有源光纤、熔接点、泵浦泄漏点和/或无源光纤等，所述光器件部分或全部安装于冷却容器中，冷却容器与循环冷却机连接，冷却液体通过循环冷却机流入并充满整个冷却容器，这样光纤激光器的部分或者全部光器件都将浸泡于冷却液体进行充分冷却，冷却液体流经冷却容器内的光器件带走热量后在流回循环冷水机，如此循环以实现对光纤激光器的冷却散热。相对于现有技术中光器件由与金属底板接触的一个面导热，本实用新型转变成光器件的六个面完全导热，其散热效率至少提高五倍以上，从而大大提高光纤激光器的冷却效果。这样，对同等热损坏阈值条件下的光器件来说，如果原来承受的功率是1千瓦，那么本实用新型则能够承受多5倍到10倍的功率，使理论上的单根光纤输出的单模光纤激光器的输出功率达到万瓦级成为可能。

当然，本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种光纤激光器，其特征在于，包括有若干光器件、冷却容器、循环冷却机和冷却液体，所述光器件部分或全部安装于所述冷却容器中，所述冷却容器包括进液口和出液口，所述进液口和出液口分别与所述循环冷却机连接，所述冷却液体通过所述循环冷却机和所述进液口流入所述冷却容器，使得所述冷却容器中的所述光器件被浸泡在所述冷却液体中，所述冷却液体流经所述冷却容器内的所述光器件后，通过所述出液口再流回到所述循环冷却机。

2.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述光器件包括若干泵源、合束器、光纤光栅、有源光纤、熔接点、泵浦泄漏点和/或无源光纤。

3.根据权利要求2所述的光纤激光器，其特征在于，所述光纤激光器为100瓦功率以上的高功率光纤激光器。

4.根据权利要求3所述的光纤激光器，其特征在于，所述高功率光纤激光器为高功率连续光纤激光器或者高功率脉冲光纤激光器。

5.根据权利要求4所述的光纤激光器，其特征在于，所述高功率连续光纤激光器包括连续种子源和双包层光纤放大器，所述连续种子源选择性安装于所述冷却容器中，所述双包层光纤放大器的所有光器件安装于所述冷却容器中；或者

所述高功率脉冲光纤激光器包括脉冲种子源和双包层光纤放大器，所述脉冲种子源选择性安装于所述冷却容器中，所述双包层光纤放大器的所有光器件安装于所述冷却容器中。

6.根据权利要求2所述的光纤激光器，其特征在于，所述无源光纤和有源光纤为双包层无源光纤和双包层有源光纤；所述冷却液体的折射率比所述双包层无源光纤和双包层有源光纤的包层的折射率低，且所述冷却液体包括冷却水或者冷却溶液。

7.根据权利要求2所述的光纤激光器，其特征在于，所述光纤激光器还包括控制电路，所述控制电路与所述光器件连接；所述若干泵源之间的连接点以及所述泵源与所述控制电路之间的连接点进行绝缘处理。

8.根据权利要求2所述的光纤激光器，其特征在于，所述光纤激光器还包括输出准直器或者准直输出隔离器，所述输出准直器或者准直输出隔离器包括有进口和出口；所述冷却容器的出液口包括第一出液口和第二出液口，所述第一出液口连接所述循环冷却机，所述第二出液口连接所述输出准直器或者准直输出隔离器的所述进口，所述输出准直器或者准直输出隔离器的所述出口连接所述循环冷却机。

9.根据权利要求2所述的光纤激光器，其特征在于，所述冷却容器内设有金属底板，所述光器件安装于所述金属底板上。

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