CN205159774U - 用于光纤激光器的光纤冷却装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光纤激光器领域，具体提供了一种用于光纤激光器的光纤冷却装置。该光纤冷却装置包括光纤、光纤输入夹持件、光纤输出夹持件以及供冷却流体流动的冷却管道，所述冷却管道包括多个冷却管和多个转接夹持件，所述多个冷却管中每两个相邻的冷却管通过一个转接夹持件连接，其中一个冷却管位于冷却管道的一端并且另一个冷却管位于冷却管道的另一端，光纤输入夹持件固定连接于所述位于冷却管道一端的冷却管，光纤输出夹持件固定连接于所述位于冷却管道另一端的冷却管，所述光纤和所述冷却流体均通过光纤输入夹持件进入冷却管道并且在依次经过所述多个冷却管后从所述光纤输出夹持件引出，所述光纤在冷却管道中被所述多个转接夹持件夹持。

Description

用于光纤激光器的光纤冷却装置

技术领域

本实用新型涉及光纤激光器领域，具体而言，涉及一种用于光纤激光器的光纤冷却装置。

背景技术

采用掺稀土光纤作为激光增益介质的光纤激光器由于相比于其他类型激光器具有高效率、高光束质量、结构紧凑、维护成本低等诸多优势，近年来已广泛应用于工业、医疗以及国防领域。然而，随着输出功率的提升，光纤激光器中的光纤在激光转化的过程中由于量子亏损导致的热效应愈发显著。光纤热效应会导致热透镜效应、热致能量损耗、光纤热损伤等问题。

现有技术中通常采用传导冷却方式来应对光纤激光器特别是高功率光纤激光器的热效应问题，在此冷却传导方式中，光纤被固定于金属热沉，并通过介于光纤与金属热沉之间的传导材料来疏散聚集于光纤内的热量。然而，由于光纤外层的涂覆层的耐温较低(涂覆层的燃点通常低于200摄氏度)并且上述传导材料难以与光纤表面和金属热沉表面紧密接合，导致传导冷却方式具有受限的散热能力，从而制约光纤激光器的输出功率提升。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于光纤激光器的光纤冷却装置，以改善现有技术中用于光纤激光器的光纤冷却方式限制光纤激光器的输出功率的问题。

本实用新型是这样实现的：

一种用于光纤激光器的光纤冷却装置，包括光纤、光纤输入夹持件、光纤输出夹持件、以及供冷却流体流动的冷却管道，所述冷却管道包括多个冷却管和多个转接夹持件，所述多个冷却管中每两个相邻的冷却管通过一个所述转接夹持件连接，其中一个所述冷却管位于所述冷却管道的一端，另一个所述冷却管位于所述冷却管道的另一端，所述光纤输入夹持件固定连接于所述位于所述冷却管道一端的冷却管，所述光纤输出夹持件固定连接于所述位于所述冷却管道另一端的冷却管，所述光纤和所述冷却流体均通过所述光纤输入夹持件进入所述冷却管道并且在依次经过所述多个冷却管后从所述光纤输出夹持件引出，所述光纤在所述冷却管道中被所述多个转接夹持件夹持。

进一步地，所述多个转接夹持件均为圆柱体，所述每个转接夹持件设置有位于该转接夹持件内部中央位置处的光纤夹持通孔，所述每个转接夹持件通过所述光纤夹持通孔来夹持所述光纤，所述每个转接夹持件的内部还设置有多个冷却流体通道，所述冷却流体通过所述多个冷却流体通道穿过所述每个转接夹持件。一方面，可以通过光纤夹持通孔对光纤进行夹持以防止光纤与冷却管道的壁面接触；另一方面，冷却流体通道可以有助于冷却流体在冷却管中形成湍流，从而增强冷却管中光纤与冷却流体的热交换能力。

进一步地，所述多个冷却流体通道均匀地设置在与所述光纤夹持通孔同心的一个圆周上。以此方式设置冷却流体通道有利于在冷却管道中较好地形成湍流。

进一步地，所述光纤的外部包覆有涂覆层，所述涂覆层与所述光纤夹持通孔之间填充有低折射率胶层或导热材料层。在此情况下，低折射率胶层或导热材料层有助于稳固地夹持光纤；此外，由于光纤未被光纤夹持通孔夹持的部分直接接触冷却流体，并且光纤被光纤夹持通孔夹持的部分可以将其热量通过低折射率胶层或导热材料层传导至冷却流体，从而可以在光纤与冷却流体之间实现较好的换热效果。

进一步地，所述光纤为剥离涂覆层的裸纤，所述光纤与所述转接夹持件之间填充有低折射率胶层或导热材料层。在此情况下，低折射率胶层或导热材料层有助于稳固地夹持光纤；此外，由于光纤外部不存在涂覆层，因而可以不再受限于涂覆层的低耐热温度和低热传导率，使得可以实现更好的换热效果。

进一步地，所述光纤输入夹持件包括第一本体、设置于所述第一本体的光纤引入孔和至少一个冷却流体导入孔，所述光纤通过所述光纤引入孔进入所述冷却管道，所述冷却流体经过所述至少一个冷却流体导入孔进入所述冷却管道。通过此光纤输入夹持件，可以方便地使光纤置于冷却管道中并且可以方便地向冷却管道中引入冷却流体以对光纤进行冷却。

进一步地，所述光纤输出夹持件包括第二本体、设置于所述第二本体的光纤引出孔和至少一个冷却流体导出孔，所述光纤通过所述光纤引出孔从所述冷却管道引出，所述冷却流体通过所述至少一个冷却流体导出孔从所述冷却管道导出。通过此光纤输出夹持件，可以方便地将光纤从冷却管道的另一端引出并且可以方便地从冷却管道的另一端导出与光纤进行热交换后的冷却流体。

进一步地，所述冷却管中的每个冷却管的内壁面设置有耐高温材料层且经过防腐处理。因此，在对光纤进行冷却的过程中，可以防止冷却管由于冷却流体过热而发生变形并且可以防止冷却管受到冷却流体腐蚀。

进一步地，所述冷却管为柔性管。在此情况下，可以容易地对冷却管道进行盘绕以符合于光纤环的形状。

进一步地，所述冷却流体选自去离子水和氟化液中的一种。去离子水和氟化液二者均具有较高的透光率、高流动性、高对流换热系数、高材料相容性以及与光纤的涂覆层相比较低的折射率，因而可以较好地对光纤激光器中的光纤进行冷却。

本实用新型实现的有益效果：本实用新型实施例提供的用于光纤激光器的光纤冷却装置在工作时，光纤可以通过光纤输入夹持件和光纤输出夹持件保持在冷却管道中，并且可以通过转接夹持件的夹持作用而不与冷却管道中的冷却管的壁面接触，从而使光纤的表面均可以与在冷却管道中单向流动的冷却流体直接接触，以使光纤可以通过与冷却流体进行对流热交换而被有效地冷却。由此可以看出，本实用新型实施例提供的用于光纤激光器的光纤冷却装置可以通过采用强制性流体对流冷却方式有效地对光纤进行冷却，从而有利于提升光纤激光器的输出功率，并且有利于抑制光纤激光器中与光纤温度相关的负面物理效应。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的用于光纤激光器的光纤冷却装置的示意性结构图；

图2是本实用新型实施例提供的用于光纤激光器的光纤冷却装置中的转接夹持件的示意性剖视图；

图3是本实用新型实施例提供的用于光纤激光器的光纤冷却装置中的光纤输入夹持件的端面示意图；

图4是本实用新型实施例提供的用于光纤激光器的光纤冷却装置中的光纤输出夹持件的端面示意图。

其中，附图标记汇总如下：光纤110，光纤输入夹持件120，光纤输出夹持件150，冷却管130，转接夹持件140，光纤夹持通孔141，冷却流体通道142，第一本体121，光纤引入孔122，冷却流体导入孔123，第二本体151，光纤引出孔152，冷却流体导出孔153。

具体实施方式

鉴于现有技术中用于光纤激光器的光纤冷却方式限制光纤激光器的输出功率的问题，本发明人构思出一种用于光纤激光器的光纤冷却装置。该光纤冷却装置包括光纤、光纤输入夹持件、光纤输出夹持件以及供冷却流体流动的冷却管道，所述冷却管道包括多个冷却管和用于连接所述多个冷却管的多个转接夹持件，光纤输入夹持件和光纤输出夹持件分别固定连接于所述冷却管道的两端，所述光纤和所述冷却流体均通过光纤输入夹持件进入冷却管道并且在依次经过所述多个冷却管后从所述光纤输出夹持件引出，所述光纤在冷却管道中被所述多个转接夹持件夹持。在该光纤冷却装置工作时，光纤可以通过光纤输入夹持件和光纤输出夹持件保持在冷却管道中，并且可以通过转接夹持件的夹持作用而不与冷却管道中的冷却管的壁面接触，从而使光纤的表面均可以与在冷却管道中单向流动的冷却流体直接接触，以使光纤可以通过与冷却流体进行对流热交换而被有效地冷却。

下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1是本实用新型实施例提供的用于光纤激光器的光纤冷却装置的示意性结构图。请参阅图1，本实用新型实施例提供的用于光纤激光器的光纤冷却装置可以包括光纤110、光纤输入夹持件120、光纤输出夹持件150以及供冷却流体流动的冷却管道，其中冷却管道包括多个冷却管130和多个转接夹持件140。光纤110可以为掺稀土光纤，其用于在光纤激光器中作激光增益介质。

冷却管道包括的多个冷却管130中每两个相邻的冷却管130通过一个转接夹持件140连接。在本实用新型的一种具体实施方式中，多个冷却管130中一个冷却管130位于冷却管道的一端并且多个冷却管130中的另一个冷却管130位于冷却管道的另一端，也就是说，冷却管道的两端均为冷却管130。图1中出于示意性的目的示出9个冷却管130和8个转接夹持件，然而其数目并不受限于此。所述位于冷却管道的一端的冷却管130可以与光纤输入夹持件120固定连接，所述位于冷却管道的另一端的冷却管130可以与光纤输出夹持件150固定连接。光纤110和冷却流体均可以通过光纤输入夹持件120进入冷却管道并且在依次经过多个冷却管130后从光纤输出夹持件150引出，光纤110在冷却管道中被多个转接夹持件140夹持。

可以理解的是，在本实用新型的其他具体实施方式中，冷却管道的两端也可以均为转接夹持件140，或者冷却管道的两端也可以分别为冷却管130和转接夹持件140，本实用新型具体实施方式并不以此为限。

于一种具体实施方式中，每个冷却管130可以为柔性管，例如塑料管，使得可以容易地对冷却管道进行盘绕以与光纤激光器中的光纤环的形状相符。于另一种具体实施方式中，每个冷却管130还可以为刚性管例如金属管，在此情况下，每个冷却管130的形状应当被设定为使得由多个冷却管130和多个转接夹持件140形成的冷却管道为与光纤激光器中的光纤环的形状相符的螺旋状。

需要注意的是，多个冷却管130的总长度应当根据光纤110的长度进行设定，并且多个冷却管130可以具有相同或不同的长度，本实用新型具体实施方式并不以此为限。

进一步的，每个冷却管130的内壁面可以设置有耐高温材料层且经过防腐处理。因此，在对光纤110进行冷却的过程中，可以防止冷却管130由于冷却流体过热而发生变形并且可以防止冷却管130受到冷却流体腐蚀。

每个转接夹持件140均可以为圆柱体，该圆柱体可以为金属材质的圆柱体、塑料材质的圆柱体或其他合适材质的圆柱体。在冷却管130为柔性管的情况下，转接夹持件140可以在其两端通过金属或塑料材质的水管快速接头、宝塔嘴或其他合适的连接方式与冷却管130连接。在冷却管130为刚性管的情况下，转接夹持件140可以在其两端通过螺纹连接或其他合适的连接方式与冷却管130连接。

图2是本实用新型实施例提供的用于光纤激光器的光纤冷却装置中的转接夹持件140的示意性剖视图。请参阅图2，每个转接夹持件140可以设置有位于该转接夹持件140内部中央位置处的光纤夹持通孔141，每个转接夹持件140可以通过其光纤夹持通孔141来夹持光纤110，使得光纤110可以在光纤夹持通孔141的夹持作用下均匀地被冷却流体包围，以实现较充分的热交换。每个转接夹持件140的内部还可以设置有多个冷却流体通道142，多个冷却流体通道142均匀地设置在与光纤夹持通孔141同心的一个圆周上，冷却流体通过多个冷却流体通道142穿过每个转接夹持件140。光纤夹持通孔141与冷却流体通道142经由金属体相连。通过光纤夹持通孔141可以对光纤110进行夹持以防止光纤110与冷却管道的壁面接触，冷却流体通道142可以扰乱冷却流体在冷却管中的流动以有助于冷却流体在冷却管中形成湍流，从而增强冷却管中光纤110与冷却流体的热交换能力。

如图2所示，每个冷却流体通道142可以为圆形，然而其还可以为椭圆形、方形或其他合适的形状；此外，图2中出于示意性的目的示出4个冷却流体通道142，然而其还可以具有更多或更少的数目，本实用新型具体实施方式并不以此为限。

于一种具体实施方式中，转接夹持件140可以为内部中空的圆柱体，光纤夹持通孔141和多个冷却流体通道142可以设置于置于转接夹持件140内部的垂直于所述光纤延伸方向的金属片。

于另一种具体实施方式中，转接夹持件140可以为圆柱形实体，光纤夹持通孔141还可以沿转接夹持件140轴向延伸，并且每个冷却流体通道142也可以与光纤夹持通孔141平行地沿转接夹持件140轴向延伸。在此情况下，光纤夹持通孔141的长度和每个冷却流体通道142的长度均可以等于或小于转接夹持件140的长度；此外，光纤夹持通孔141的长度与每个冷却流体通道142的长度可以相同或不同，并且每个冷却流体通道142的内壁面还可以也设置有耐高温材料层且经过防腐处理。

在本实用新型实施例中，光纤110的外部可以包覆有涂覆层。在此情况下，可以在光纤110外部的涂覆层与每个光纤夹持通孔141之间填充低折射率胶层或导热材料层，或者也可以使外部包覆有涂覆层的光纤110在每个光纤夹持通孔141中自由悬空。包覆在光纤110外部的涂覆层可以保护光纤110内传输的信号免受转接夹持件140影响，可以提高光纤传输信号的稳定性，避免信号损失。设置在光纤夹持通孔141与包覆在光纤110外部的涂覆层之间的低折射率胶层或导热材料层使得可以提高换热性能，进一步提高对光纤110的冷却效率。要注意的是，上述低折射率胶层的折射率应当低于包覆在光纤110外部的涂覆层的折射率。尽管外部包覆有涂覆层的光纤110的耐温性能可能仍然受限于涂覆层，但是由于光纤110完全浸没在冷却流体中而与氧气隔绝，从而降低了燃烧风险；此外，由于沿冷却管道单向流动的冷却流体可以有效地对外部包覆有涂覆层的光纤110进行冷却，所以可以进一步提升外部包覆有涂覆层的光纤110的耐温性能。

在本实用新型实施例中，光纤110还可以为剥离涂覆层的裸纤。在此情况下，应当依靠辅助定位工具使得光纤110在通过每个转接夹持件140的过程中不与光纤夹持通孔141相接触，然后可以在光纤110与每个光纤夹持通孔141之间填充低折射率胶层或导热材料层。要注意的是，上述低折射率胶层的折射率应当低于光纤110的折射率。此时由于光纤110不再受涂覆层的限制而可以直接与冷却流体相接触，因而可以显著提升耐温性能。

在本实用新型实施例中，优选的，冷却流体具有较低的折射率(在光纤110的外部包覆有涂覆层的情况下低于涂覆层的折射率，在光纤110为剥离涂覆层的裸纤的情况下低于光纤110的折射率)、高透光率、高流动性、高对流换热系数以及高材料相容性。具体地，冷却流体可以是去离子水、氟化液或者其他本领域普通技术人员容易想到的满足上述性能要求的流体材料。冷却流体可以从光纤输入夹持件120进入冷却管道，并且可以在依次经过多个冷却管130后从光纤输出夹持件150引出进入冷却泵系统，使得可以持续对光纤110进行冷却。

图3是本实用新型实施例提供的用于光纤激光器的光纤冷却装置中的光纤输入夹持件120的端面示意图。结合图1和图3，光纤输入夹持件120可以包括第一本体121、设置于第一本体121的光纤引入孔122和至少一个冷却流体导入孔123。第一本体121可以为金属中空圆柱体。第一本体121的一端可以与所述位于冷却管道的一端的冷却管130固定连接，例如在冷却管130为柔性管的情况下通过金属或塑料材质的水管快速接头、宝塔嘴或其他合适的连接方式与冷却管130连接。光纤引入孔122可以设置于第一本体121的另一端，优选地设置于第一本体121的另一端的中央位置处，光纤110可以通过光纤引入孔122进入冷却管道。每个冷却流体导入孔123设置在介于第一本体121的两端之间的侧面，冷却流体可以经过冷却流体导入孔123进入冷却管道。需要注意的是，图1和图3中示意性地示出2个冷却流体导入孔123，然而其数目并不受限于此。

图4是本实用新型实施例提供的用于光纤激光器的光纤冷却装置中的光纤输出夹持件150的端面示意图。结合图1和图4，类似于光纤输入夹持件120，光纤输出夹持件150可以包括第二本体151、设置于第二本体151的光纤引出孔152和至少一个冷却流体导出孔153。第二本体151可以为金属中空圆柱体。第二本体151的一端可以与所述位于冷却管道的另一端的冷却管130固定连接，例如在冷却管130为柔性管的情况下通过金属或塑料材质的水管快速接头、宝塔嘴或其他合适的连接方式与冷却管130连接。光纤引出孔152可以设置于第二本体151的另一端，优选地设置于第二本体151的另一端的中央位置处，光纤110可以通过光纤引出孔152从冷却管道引出。每个冷却流体导出孔153可以设置在介于第二本体151的两端之间的侧面，冷却流体可以经过冷却流体导出孔153从冷却管道导出。需要注意的是，图1和图4中示意性地示出2个冷却流体导出孔153，然而其数目并不受限于此。

本实用新型实施例提供的用于光纤激光器的光纤冷却装置包括光纤、光纤输入夹持件、光纤输出夹持件以及供冷却流体流动的冷却管道，所述冷却管道包括多个冷却管和用于连接所述多个冷却管的多个转接夹持件，光纤输入夹持件和光纤输出夹持件分别固定连接于所述冷却管道的两端，所述光纤和所述冷却流体均通过光纤输入夹持件进入冷却管道并且在依次经过所述多个冷却管后从所述光纤输出夹持件引出，所述光纤在冷却管道中被所述多个转接夹持件夹持。在该光纤冷却装置工作时，光纤可以通过光纤输入夹持件和光纤输出夹持件保持在冷却管道中，并且可以通过转接夹持件的夹持作用而不与冷却管道中的冷却管的壁面接触，从而使光纤的表面均可以与在冷却管道中单向流动的冷却流体直接接触，以使光纤可以通过与冷却流体进行对流热交换而被有效地冷却。由此可以看出，本实用新型实施例提供的用于光纤激光器的光纤冷却装置可以通过采用强制性流体对流冷却方式有效地对光纤进行冷却，从而有利于提升光纤激光器的输出功率，并且有利于抑制光纤激光器中与光纤温度相关的负面物理效应。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

Claims (10)

1.一种用于光纤激光器的光纤冷却装置，其特征在于，包括光纤、光纤输入夹持件、光纤输出夹持件、以及供冷却流体流动的冷却管道，所述冷却管道包括多个冷却管和多个转接夹持件，所述多个冷却管中每两个相邻的冷却管通过一个所述转接夹持件连接，其中一个所述冷却管位于所述冷却管道的一端，另一个所述冷却管位于所述冷却管道的另一端，所述光纤输入夹持件固定连接于所述位于所述冷却管道一端的冷却管，所述光纤输出夹持件固定连接于所述位于所述冷却管道另一端的冷却管，所述光纤和所述冷却流体均通过所述光纤输入夹持件进入所述冷却管道并且在依次经过所述多个冷却管后从所述光纤输出夹持件引出，所述光纤在所述冷却管道中被所述多个转接夹持件夹持。

2.根据权利要求1所述的光纤冷却装置，其特征在于，所述多个转接夹持件均为圆柱体，所述每个转接夹持件设置有位于该转接夹持件内部中央位置处的光纤夹持通孔，所述每个转接夹持件通过所述光纤夹持通孔来夹持所述光纤，所述每个转接夹持件的内部还设置有多个冷却流体通道，所述冷却流体通过所述多个冷却流体通道穿过所述每个转接夹持件。

3.根据权利要求2所述的光纤冷却装置，其特征在于，所述多个冷却流体通道均匀地设置在与所述光纤夹持通孔同心的一个圆周上。

4.根据权利要求2所述的光纤冷却装置，其特征在于，所述光纤的外部包覆有涂覆层，所述涂覆层与所述光纤夹持通孔之间填充有低折射率胶层或导热材料层。

5.根据权利要求2所述的光纤冷却装置，其特征在于，所述光纤为剥离涂覆层的裸纤，所述光纤与所述转接夹持件之间填充有低折射率胶层或导热材料层。

6.根据权利要求1所述的光纤冷却装置，其特征在于，所述光纤输入夹持件包括第一本体、设置于所述第一本体的光纤引入孔和至少一个冷却流体导入孔，所述光纤通过所述光纤引入孔进入所述冷却管道，所述冷却流体经过所述至少一个冷却流体导入孔进入所述冷却管道。

7.根据权利要求1所述的光纤冷却装置，其特征在于，所述光纤输出夹持件包括第二本体、设置于所述第二本体的光纤引出孔和至少一个冷却流体导出孔，所述光纤通过所述光纤引出孔从所述冷却管道引出，所述冷却流体通过所述至少一个冷却流体导出孔从所述冷却管道导出。

8.根据权利要求1所述的光纤冷却装置，其特征在于，所述冷却管中的每个冷却管的内壁面设置有耐高温材料层且经过防腐处理。

9.根据权利要求1所述的光纤冷却装置，其特征在于，所述冷却管为柔性管。

10.根据权利要求1所述的光纤冷却装置，其特征在于，所述冷却流体选自去离子水和氟化液中的一种。