CN210723677U - 一种可实现高光束质量的光纤激光增益光纤冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种可实现高光束质量的光纤激光增益光纤冷却装置，包括光纤和水冷板，水冷板上设置光纤槽道；光纤槽道为多个弧形槽道两两连接组成的闭合槽道，相邻两个弧形槽道相切并采用圆弧连接；光纤槽道由3组弧形槽道组成，每组弧形槽道的圆心位于同一直线上，3组弧形槽道的圆心位于不同的3条直线上；光纤槽道内设置容纳光纤的光纤槽，所述光纤槽盘绕在光纤槽道内；光纤沿光纤槽道中的光纤槽盘绕于水冷板上。采用本实用新型的一种可实现高光束质量的光纤激光增益光纤冷却装置，能增加高阶模式激光的损耗，从而有效提升放大器的模式不稳定阈值，实现光纤激光高光束质量输出，具有高紧凑型、高效高阶模滤除、搭建便易性等特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种高功率激光器光纤冷却装置，特别是一种可实现高光束质量的光纤激光增益光纤冷却装置，属于激光光纤冷却技术领域。
背景技术
光纤激光器具有电光转换效率高，输出光束质量好，热管理方便，工作运行稳定等优点，近些年一直是科研人员研究的热点。自2000年以来，光纤激光器功率得到了速的发展，在功率提高的同时，人们对输出激光光束质量的要求也越来越高。
目前，高功率光纤激光器主要有两种结构，一种是基于光纤布拉格光栅的振荡结构，另一种是低功率种子源的一级或多级功率放大结构。两种结构的光纤激光器，其输出激光的功率达到某个阈值后，激光器的光束质量会急剧下降，这是因为在光纤激光器在高功率时，高热负载会导致增益光纤中会发生模式不稳定效应，即输出功率达到某个阈值后，光纤激光的输出模式由稳定的基模变为能量在基模和高阶模之间随时间迅速转移的非稳态模式(参见Y.Wang,等发表于《Annalen der Physik》2017，529(8),1600398中的《Researchof the Mode Instability Threshold in High Power Double Cladding Yb-dopedFiber Amplifiers》[J])。模式不稳定是目前限制光纤放大器性能提升的主要因素之一。为了进一步提升光纤激光器的输出功率的同时还能实现优异的光束质量性能，一方面要对增益光纤进行有效的冷却，另一方面要对激光器的模式数量进行严格把控。增益光纤的冷却可以通过将光贴敷于水冷槽中进行冷却，另外将将增益光纤弯曲到合适尺寸能有效提高高阶模的损耗(参见R.Su,等发表于 Laser Physics Letters,2016,14(8),085102中的《2.43kW narrow linewidth linearly polarized all-fiber amplifier based on modeinstability suppression》)，能显著提高模式不稳定阈值，改善激光器输出的光束质量。
现有的光纤冷却装置，多采用在圆柱盘绕冷却(例如CN201210362883.1) 或冷却板上以圆形(例如CN201010205769.9)或跑道型盘绕方式对光纤进行冷却(例如CN107153241A)，这些装置存在以下缺点：(1)圆柱盘绕冷却方法虽然可以实现较好的弯曲选模效果，但其体积较大，且由于其形状为圆柱体，不便于增益光纤和信号泵浦功率合束器、泵浦功率剥离器等其他器件一体化集成；(2)圆形盘绕方式随着光纤长度的增加，光纤的外圈半径会急剧增大，不利于后端光纤的弯曲选模；(3)跑道型盘绕方式由于存在大量的直线槽道，导致这部分光纤无法有效的进行弯曲选模。
发明内容
本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种可实现高光束质量的光纤激光增益光纤冷却装置，本实用新型可以对所有增益光纤进行弯曲滤除高阶模来提升光纤激光器的模式不稳定阈值以实现高光束质量。
本实用新型采用的技术方案如下：
一种可实现高光束质量的光纤激光增益光纤冷却装置，包括光纤和水冷板，所述水冷板上设置光纤槽道；
所述光纤槽道为多个弧形槽道两两连接组成的闭合槽道，相邻两个弧形槽道相切并采用圆弧连接；
所述光纤槽道由3组弧形槽道组成，每组弧形槽道的圆心位于同一直线上，3组弧形槽道的圆心位于不同的3条直线上；
所述光纤槽道内设置容纳光纤的光纤槽，所述光纤槽盘绕在光纤槽道内；
所述光纤沿光纤槽道中的光纤槽盘绕于水冷板上。
上述方案中，圆弧连接是指圆弧光滑地连接圆弧或直线；增益光纤设置于光纤槽在光纤槽道内盘绕，光纤槽使增益光纤以一定的曲率半径进行弯曲。
进一步的，还包括输入光纤槽道和输出光纤槽道，所述输入光纤槽道、输出光纤槽道分别与光纤槽的两端连接。
进一步的，所述输入光纤槽道、输出光纤槽道均与光纤槽道相切。
进一步的，所述输入光纤槽道和输出光纤槽道的方向，与相连接的光纤槽的方向一致。
进一步的，所述输入光纤槽道、输出光纤槽道和光纤槽的横截面为U型凹槽、V型凹槽或矩形凹槽。
进一步的，所述输入光纤槽道、输出光纤槽道除与光纤槽道连接点外，其他部位不与光纤槽道相交。
进一步的，所述光纤槽为多个弧形槽两两相连的盘绕结构，光纤槽沿光纤槽道盘绕。
进一步的，所述光纤槽道中光纤槽的盘绕结构为：从输入光纤槽道(或输出光纤槽道)与光纤槽道的连接点开始，沿光纤槽道盘绕第一圈光纤槽，之后光纤槽由外圈向内圈(或内圈向外圈)盘绕，形成从外至内(或从内至外)盘绕的第1圈、第2圈...第N圈光纤槽，相邻两圈光纤槽之间的间距相等；
所述第一圈光纤槽的长度为L，相邻两圈光纤槽之间的间距为D，D不小于光纤涂覆层直径，第一圈光纤槽上任意一点距输入光纤槽道(或输出光纤槽道) 与光纤槽道连接点的光纤槽长度为X，第一圈光纤槽任意一点和相邻光纤槽道边的间距D'＝D*(X/L)，当盘绕至输入光纤槽道(或输出光纤槽道)与光纤槽道相连接的地方时第一圈光纤槽道和相邻光纤槽道边之间的间距为D。
进一步的，所述组成光纤槽道的多个弧形槽道的曲率半径相同。
进一步的，所述组成光纤槽道的多个弧形槽道的曲率半径不同。
进一步的，所述同一圈光纤槽中的弧形槽的最大曲率半径和最小曲率半径的差异≤50％。
进一步的，所述弧形槽道的最小曲率半径≥3cm。
进一步的，所述输入光纤槽道和输出光纤槽道的长度为5-20cm，光纤槽的总长度为5-40m。
进一步的，3组弧形槽道圆心所在的3条直线相互平行。
进一步的，增益光纤熔接点设置于输入光纤槽道及输出光纤槽道内。
进一步的，所述增益光纤及增益光纤熔接点通过粘结剂固定在光纤槽道、输入光纤槽道及输出光纤槽道内。
进一步的，所述水冷板内设置水道，水冷板上设置进水口和出水口，进水口位于水道的一端，出水口设置于水道的另一端。
进一步的，所述水冷板上设置固定孔。
进一步的，所述粘结剂为导热胶或导热硅脂。
上述方案中，增益光纤及熔接点通过水道冷却，以实现对光纤的冷却。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
1、通过将所有增益光纤安置于具有一定曲率半径的弧形光纤槽中，能增加高阶模式激光的损耗，从而有效提升放大器的模式不稳定阈值，实现光纤激光高光束质量输出。
2、通过控制同一圈弧形槽的数量、曲率半径以及相邻两圈弧形槽之间的间距，来控制用于安置增益光纤的弧形槽的长度及最小弧形槽与最大弧形槽曲率半径之间的差异，实现对不同长度的增益光纤的弯曲选模和冷却。
3、将增益光纤的两个熔接点分别设置在输入光纤槽道及输出光纤槽道内内，避免了熔接点处于弧形光纤槽道内，防止熔接点因为应力发生折断。
4、具有高紧凑型、高效高阶模滤除、搭建便易性等特点。
附图说明
图1是光纤槽道结构示意图；
图2是光纤槽道另一种结构示意图；
图3是光纤槽道又一种结构示意图
图4是光纤槽道弧形相切示意图；
图5是光纤冷却装置结构示意图。
图中标记：1-光纤槽道、2-输入光纤槽道、3-输出光纤槽道、4-光纤槽、 5-冷却板、6-水道、7-进水口、8-出水口、9-固定孔。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。
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。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种可实现高光束质量的光纤激光增益光纤冷却装置,包括光纤和水冷板，所述水冷板上设置光纤槽道、输入光纤槽道和输出光纤槽道；输入光纤槽道和输出光纤槽道，与光纤槽道相切；
光纤槽道为多个弧形槽道两两连接组成的闭合槽道，相邻两个弧形槽道相切并采用圆弧连接；光纤槽道由3组弧形槽道组成，每组弧形槽道的圆心位于同一直线上，3组弧形槽道圆心所在的3条直线相互平行；
光纤槽道内设置多圈容纳光纤的光纤槽，光纤槽盘绕在光纤槽道内，光纤槽两端分别与输入光纤槽道、输出光纤槽道连接；输入光纤槽道、输出光纤槽道和光纤槽的横截面为V型凹槽；
增益光纤沿光纤槽道中的光纤槽盘绕于水冷板上，增益光纤熔接点设置于输入光纤槽道及输出光纤槽道内；增益光纤及增益光纤熔接点通过导热胶固定在光纤槽道、输入光纤槽道及输出光纤槽道内；水冷板内设置水道，水冷板上设置进水口和出水口，进水口位于水道的一端，出水口设置于水道的另一端，水冷板上设置固定孔。
输入光纤槽道和输出光纤槽道的方向，与相连接的光纤槽的方向一致；输入光纤槽道、输出光纤槽道除与光纤槽道切点外，其他部位不与光纤槽道相交。
光纤槽为多个弧形槽两两相连的盘绕结构，光纤槽沿光纤槽道盘绕。
光纤槽道中光纤槽的盘绕结构为：从输入光纤槽道与光纤槽道的连接点开始，沿光纤槽道盘绕第一圈光纤槽，之后光纤槽由外圈向内圈盘绕，形成从外至内(盘绕的第1圈、第2圈...第N圈光纤槽，相邻两圈光纤槽之间的间距相等；
第一圈光纤槽的长度为L，相邻两圈光纤槽之间的间距为D，第一圈光纤槽上任意一点距输入光纤槽道与光纤槽道连接点的光纤槽长度为X，第一圈光纤槽任意一点和相邻光纤槽道边的间距D'＝D*(X/L)，当盘绕至输入光纤槽道与光纤槽道相连接的地方时第一圈光纤槽道和相邻光纤槽道边之间的间距为D。
组成光纤槽道的多个弧形槽道的曲率半径相同，曲率半径为4cm；输入光纤槽道和输出光纤槽道的长度为5cm，光纤槽的总长度为5m。
实施例2
如图2所示，本实施例的一种可实现高光束质量的光纤激光增益光纤冷却装置,包括光纤和水冷板，所述水冷板上设置光纤槽道、输入光纤槽道和输出光纤槽道；输入光纤槽道和输出光纤槽道，与光纤槽道相切；
光纤槽道为多个弧形槽道两两连接组成的闭合槽道，相邻两个弧形槽道相切并采用圆弧连接；光纤槽道由3组弧形槽道组成，每组弧形槽道的圆心位于同一直线上，3组弧形槽道圆心所在的3条直线相互平行；
光纤槽道内设置多圈容纳光纤的光纤槽，光纤槽盘绕在光纤槽道内，光纤槽两端分别与输入光纤槽道、输出光纤槽道连接；输入光纤槽道、输出光纤槽道和光纤槽的横截面为U型凹槽；
增益光纤沿光纤槽道中的光纤槽盘绕于水冷板上，增益光纤熔接点设置于输入光纤槽道及输出光纤槽道内；增益光纤及增益光纤熔接点通过导热胶固定在光纤槽道、输入光纤槽道及输出光纤槽道内；水冷板内设置水道，水冷板上设置进水口和出水口，进水口位于水道的一端，出水口设置于水道的另一端，水冷板上设置固定孔。
输入光纤槽道和输出光纤槽道的方向，与相连接的光纤槽的方向一致；输入光纤槽道、输出光纤槽道除与光纤槽道切点外，其他部位不与光纤槽道相交。
光纤槽为多个弧形槽两两相连的盘绕结构，光纤槽沿光纤槽道盘绕。
光纤槽道中光纤槽的盘绕结构为：从输入光纤槽道与光纤槽道的连接点开始，沿光纤槽道盘绕第一圈光纤槽，之后光纤槽由内圈向外圈盘绕，形成从内至外(盘绕的第1圈、第2圈...第N圈光纤槽，相邻两圈光纤槽之间的间距相等；
第一圈光纤槽的长度为L，相邻两圈光纤槽之间的间距为D，第一圈光纤槽上任意一点距输入光纤槽道与光纤槽道连接点的光纤槽长度为X，第一圈光纤槽任意一点和相邻光纤槽道边的间距D'＝D*(X/L)，当盘绕至输入光纤槽道与光纤槽道相连接的地方时第一圈光纤槽道和相邻光纤槽道边之间的间距为D。
组成光纤槽道的多个弧形槽道的曲率半径不同，同一圈光纤槽中的弧形槽的最大曲率半径和最小曲率半径的差异为10％，弧形槽道的最小曲率半径为 5cm；输入光纤槽道和输出光纤槽道的长度为10cm，光纤槽的总长度为40m。
综上所述，采用本实用新型的一种可实现高光束质量的光纤激光增益光纤冷却装置,能增加高阶模式激光的损耗，从而有效提升放大器的模式不稳定阈值，实现光纤激光高光束质量输出，具有高紧凑型、高效高阶模滤除、搭建便易性等特点。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可实现高光束质量的光纤激光增益光纤冷却装置，包括光纤和水冷板，其特征在于：所述水冷板上设置光纤槽道；
所述光纤槽道为多个弧形槽道两两连接组成的闭合槽道，相邻两个弧形槽道相切并采用圆弧连接；
所述光纤槽道由3组弧形槽道组成，每组弧形槽道的圆心位于同一直线上，3组弧形槽道的圆心位于不同的3条直线上；
所述光纤槽道内设置容纳光纤的光纤槽，所述光纤槽盘绕在光纤槽道内；
所述光纤沿光纤槽道中的光纤槽盘绕于水冷板上。
2.如权利要求1所述的可实现高光束质量的光纤激光增益光纤冷却装置，其特征在于：还包括输入光纤槽道和输出光纤槽道，所述输入光纤槽道、输出光纤槽道分别与光纤槽的两端连接。
3.如权利要求2所述的可实现高光束质量的光纤激光增益光纤冷却装置，其特征在于：所述输入光纤槽道、输出光纤槽道和光纤槽的横截面为U型凹槽、V型凹槽或矩形凹槽。
4.如权利要求2所述的可实现高光束质量的光纤激光增益光纤冷却装置，其特征在于：所述输入光纤槽道、输出光纤槽道均与光纤槽道相切。
5.如权利要求2所述的可实现高光束质量的光纤激光增益光纤冷却装置，其特征在于：所述光纤槽道中光纤槽的盘绕结构为：从输入光纤槽道/输出光纤槽道与光纤槽道的连接点开始，沿光纤槽道盘绕第一圈光纤槽，之后光纤槽由外圈向内圈/内圈向外圈盘绕，形成从外至内/从内至外盘绕的第1圈、第2圈...第N圈光纤槽，相邻两圈光纤槽之间的间距相等；
所述第一圈光纤槽的长度为L，相邻两圈光纤槽之间的间距为D，D不小于光纤涂覆层直径，第一圈光纤槽上任意一点距输入光纤槽道/输出光纤槽道与光纤槽道连接点的光纤槽长度为X，第一圈光纤槽任意一点和相邻光纤槽道边的间距D'＝D*(X/L)。
6.如权利要求1所述的可实现高光束质量的光纤激光增益光纤冷却装置，其特征在于：所述多个弧形槽道的曲率半径不同。
7.如权利要求1所述的可实现高光束质量的光纤激光增益光纤冷却装置，其特征在于：所述光纤槽由多个弧形槽组成；在每个光纤槽中，最大弧形槽的曲率半径和最小弧形槽的曲率半径的差异≤50％。
8.如权利要求1所述的可实现高光束质量的光纤激光增益光纤冷却装置，其特征在于：所述弧形槽道的最小曲率半径≥3cm。
9.如权利要求2所述的可实现高光束质量的光纤激光增益光纤冷却装置，其特征在于：所述输入光纤槽道和输出光纤槽道的长度为5-20cm，光纤槽的总长度为5-40m。
10.如权利要求1所述的可实现高光束质量的光纤激光增益光纤冷却装置，其特征在于：所述3组弧形槽道圆心所在的3条直线相互平行。
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