一種用於高功率光纖雷射器或放大器的整體冷卻裝置的製作方法

2023-10-07 03:58:04

專利名稱：一種用於高功率光纖雷射器或放大器的整體冷卻裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種冷卻裝置，特別是涉及一種用於高功率光纖雷射器或高功率光纖 放大器的整體冷卻裝置。
背景技術：
摻稀土元素光纖在用於高功率光纖雷射器或高功率光纖放大器時，光纖內的摻雜 介質在泵浦光的作用下產生雷射，同時會產生大量的熱。如果光纖中的熱量不及時排出，會 引起光纖溫度上升，導致輸出雷射光束質量及效率下降；甚至會影響到光纖最外層用於保 護光纖的聚合物，引起聚合物老化甚至失效。直接關係到高功率雷射器或放大器能否安全、 穩定的運行。 目前對高功率光纖雷射器或放大器中的光纖冷卻方案已有專利申請(中國專利 200810048538. 0和200820155746. X)和實際應用裝置，但這些方案或裝置均存在以下缺 點(1)冷卻裝置中可放置光纖的長度受限，短於或長於某個固定長度的光纖均不能使用； (2)冷卻裝置只提供光纖的冷卻，不能同時提供全光纖系統中另一個重要器件——泵浦耦 合器的冷卻，不便於高功率光纖雷射器或放大器的模塊化。

發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提供一種用於高功率光纖雷射器或 放大器的冷卻裝置。本冷卻裝置中可放置的光纖的長度可變，並且在冷卻光纖的同時能冷 卻高功率光纖雷射器或放大器中的泵浦耦合器。本發明的技術方案為一種冷卻裝置，用於高功率光纖雷射器或高功率光纖放大 器。該冷卻裝置包括冷卻盤和導熱蓋板。冷卻盤是具有一個平坦表面的金屬塊，平坦表面 上刻有一個輸入凹槽、一個耦合器凹槽、一條螺旋線形凹槽、若干條迴繞凹槽和若干個輸出 凹槽。輸入凹槽是直線型凹槽，一端開口於冷卻盤平坦表面邊緣，另一端與耦合器凹槽相 連接；耦合器凹槽的一端與輸入凹槽相連接，另一端與螺旋線形凹槽的外螺旋終點相連接； 螺旋線形凹槽是一條螺旋狀凹槽，每條迴繞凹槽是弧度不小於60度的圓弧形凹槽，不同的 迴繞凹槽連接在螺旋線形凹槽的不同的相鄰兩圈螺旋之間；每個輸出凹槽是直線型凹槽， 一端與螺旋線形凹槽的某個螺旋相切連接，另一端開口於冷卻盤平坦表面邊緣。導熱蓋板 是具有一個平坦表面的金屬塊，其平坦表面不小於所述冷卻盤的平坦表面。上述凹槽中，除 了耦合器凹槽和輸入凹槽外，其餘凹槽的槽寬約為所用摻雜光纖的直徑的兩倍，槽深約為 所用摻雜光纖的直徑的四倍。耦合器凹槽的大小應足夠所用泵浦耦合器放入，其槽深應使 得所用泵浦耦合器放入後不超出冷卻盤的平坦表面。輸入凹槽用於放置泵浦耦合器的泵浦 輸入光纖，其槽深應使得泵浦輸入光纖放入後不高出冷卻盤的平坦表面。使用時，將泵浦耦合器的泵浦輸入光纖放入輸入凹槽，泵浦耦合器放入耦合器凹 槽。泵浦耦合器的輸出光纖與摻雜光纖熔接後，與摻雜光纖一起按照由外向內的順序逐圈 纏繞到螺旋線形凹槽中，摻雜光纖通過任意一個輸出凹槽繞出冷卻裝置。摻雜光纖在螺旋線形凹槽內纏繞的過程中，可以通過迴繞凹槽回到相鄰的上一圈內，且該迴繞行為可在同 一個迴繞凹槽處多次進行。將導熱蓋板固定在冷卻盤上，並使二者的平坦表面緊密接觸；通 過直接將冷卻盤放置到溫度較低的物體表面的方式對冷卻盤進行冷卻，從而實現對光纖和 泵浦耦合器的冷卻。作為對本發明的進一步改進，可在冷卻盤的除平坦表面外的其它表面上增加冷卻 液的輸入口和輸出口，冷卻液的輸入口和輸出口通過冷卻盤內的通道相連。使用時，將冷卻 盤上冷卻液的輸入口和輸出口分別通過導管與水冷機的輸出口和輸入口相連，與冷卻盤內 的通道一起組成冷卻液的循環通道。通過循環流動的冷卻液帶走冷卻盤上的熱量的方式來 對冷卻盤進行冷卻，從而實現對光纖和泵浦耦合器的冷卻。本發明的有益效果是(1)通過光纖與冷卻盤平坦表面的凹槽或者導熱蓋板的緊密接觸，將高功率光纖雷射器或高功率光纖放大器運行時光纖內所產生的熱量傳遞到冷 卻盤或者導熱蓋板中，使得光纖內的熱量不發生積累，光纖最外層的聚合物的溫度保持恆 定，防止光纖熔斷或老化，保證高功率雷射器和放大器安全、穩定、長時間的運轉；(2)通過 在冷卻盤上表面的螺旋線形凹槽的相鄰兩圈螺旋之間加入迴繞凹槽，使纏繞光纖的長度可 變，增加了光纖長度的適用範圍；(3)通過在冷卻盤的平坦表面增加放置泵浦耦合器的凹 槽，可同時對泵浦耦合器進行冷卻，方便光纖雷射器或放大器的模塊化。


圖1為本發明所提供的冷卻裝置的一具體實施例的外部結構示意圖；圖2為圖1所示實施例的內部結構示意圖；圖3為圖2所示實施例的冷卻盤主體的立體示意圖；圖4為圖3的AA處的剖面俯視圖；圖5為圖2所示實施例的冷卻盤主體的上表面的凹槽的示意圖；圖6為圖2所示實施例的冷卻盤主體的上表面的迴繞凹槽的示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖與具體實施例對本發明作進一步的說明，但不應以此限制本發明的 保護範圍。圖1 圖6給出了本發明的一個具體實施例。圖1為本發明所提供的冷卻裝置的一具體實施例的外部結構示意圖。如圖所示， 該冷卻裝置，包括冷卻盤1和導熱蓋板2，並通過導管3與水冷機連接。圖2為圖1所示實 施例的內部結構示意圖，如圖所示，冷卻盤1由冷卻盤主體4、前密封蓋板5和後密封蓋板6 組成。冷卻盤主體4為金屬平板，內部貫穿通道14以使得冷卻液可在其內部流動。前密封 蓋板5和後密封蓋板6均為金屬平板。前密封蓋板5上留有用於連接導管的接口，與冷卻 液入口 12和冷卻液出口 13相應。前密封蓋板5通過螺釘安裝在冷卻盤主體4的左側面； 前密封蓋板6通過螺釘安裝在冷卻盤主體4的右側面。前密封蓋板5和後密封蓋板6在安 裝到冷卻盤主體4上時，它們分別與冷卻盤主體4的側面之間夾有密封項圈，防止冷卻液的 外洩。導熱蓋板2通過螺釘覆蓋在冷卻盤主體4的上表面。圖3為圖2所示實施例的冷卻 盤主體4的立體示意圖，如圖所示，冷卻盤主體4的上表面刻一個輸入凹槽9、一個耦合器凹槽8、一條螺旋線形凹槽7、三條迴繞凹槽11和三個輸出凹槽10。輸入凹槽9用於放置泵浦耦合器的泵浦輸入光纖，耦合器凹槽8用於放置泵浦耦合器，泵浦耦合器的輸出光纖與 摻雜光纖熔接後，與摻雜光纖一起按照由外向內的順序逐圈纏繞到螺旋線形凹槽7中，摻 雜光纖通過任意一個輸出凹槽10繞出冷卻裝置，因此，導熱蓋板2的平坦表面和冷卻盤主 體4的平坦表面可緊密結合。使用時，冷卻盤主體4的冷卻液入口 12和冷卻液出口 13分 別通過導管3與水冷機相連，以組成冷卻液的循環通道。圖4為圖3的AA剖視圖，冷卻液 在冷卻盤主體4內部按照圖中箭頭方向流動。通過以上描述可知，放置在冷卻盤主體4上表面的螺旋線形凹槽7內的摻雜光纖， 實際處在由螺旋線形凹槽7和導熱蓋板2形成的一個封閉空間內，由於螺旋線形凹槽7較 窄和光纖本身的彈性，使得光纖在此封閉空間內能夠與封閉空間的金屬內壁緊密接觸，利 於光纖內的熱量及時傳遞到冷卻盤主體4或導熱蓋板2中，熱量不至於在光纖內進行累計。 傳遞到冷卻盤主體4或導熱蓋板2中的熱量由通道14內循環流動的冷卻液及時排出本冷 卻裝置。圖5為圖2所示實施例的冷卻盤主體的上表面的凹槽的示意圖。如圖所示，泵浦 耦合器放置到耦合器凹槽8內後，泵浦耦合器一端的泵浦輸入光纖可放置在輸入凹槽9內， 泵浦耦合器另一端的輸出光纖跟摻雜光纖熔接以後，與摻雜光纖一起按照由外到內的順序 逐圈纏繞到螺旋線形凹槽7內。在螺旋線形凹槽7相鄰兩圈之間刻有連接這兩圈的迴繞凹 槽11，當摻雜光纖纏繞到迴繞凹槽11時，既可以選擇在本圈繼續纏繞，也可以選擇通過回 繞凹槽11回到上一圈，重新在上一圈內纏繞，這樣使放置光纖的長度可以變化。當摻雜光 纖纏繞到輸出凹槽10時，既可以選擇在本圈繼續纏繞，也可以選擇通過輸出凹槽10，引出 本冷卻裝置。本實施例中的冷卻盤1和導熱蓋板2可採用銅或鋁製成。冷卻盤主體4的上表面 所刻的螺旋線形凹槽7的橫截面可為矩形、半圓形或U型。迴繞凹槽11的深度和寬度均和 螺旋線形凹槽7的深度和寬度相同。輸出凹槽10的寬度和螺旋線形凹槽7的寬度相同，但 深度小於螺旋線形凹槽7的深度。在高功率光纖雷射器或放大器運轉時，開啟水冷機，就可以利用冷卻盤1的均勻 導熱特性，通過熱傳導效應將摻雜光纖內產生的熱量和泵浦耦合器產生的熱量傳遞到循環 的冷卻液中，從而保證光纖雷射器或放大器在高功率運轉狀態下，光纖溫度保持恆定，特別 是光纖外部聚合物的溫度在可承受的範圍內。確保高功率光纖雷射器和放大器在保持輸出 光束質量和功率穩定的前提下，安全、穩定的運轉。
權利要求
一種冷卻裝置，用於高功率光纖雷射器或高功率光纖放大器；該冷卻裝置包括冷卻盤(1)和導熱蓋板(2)；冷卻盤(1)是具有一個平坦表面的金屬塊，平坦表面上刻有一個輸入凹槽(9)、一個耦合器凹槽(8)、一條螺旋線形凹槽(7)、若干條迴繞凹槽(11)和若干個輸出凹槽(10)；輸入凹槽(9)是直線型凹槽，一端開口於冷卻盤(1)平坦表面邊緣，另一端與耦合器凹槽(8)相連接；耦合器凹槽(8)的一端與輸入凹槽(9)相連接，另一端與螺旋線形凹槽(7)的外螺旋終點相連接；螺旋線形凹槽(7)是一條螺旋狀凹槽，每條迴繞凹槽(11)是弧度不小於60度的圓弧形凹槽，不同的迴繞凹槽(11)連接在螺旋線形凹槽(7)的不同的相鄰兩圈螺旋之間；每個輸出凹槽(10)是直線型凹槽，一端與螺旋線形凹槽(7)的某個螺旋相切連接，另一端開口於冷卻盤(1)平坦表面邊緣；導熱蓋板(2)是具有一個平坦表面的金屬塊，其平坦表面不小於所述冷卻盤的平坦表面；上述凹槽中，除了耦合器凹槽(8)和輸入凹槽(9)外，其餘凹槽的槽寬約為所用摻雜光纖的直徑的兩倍，槽深約為所用摻雜光纖的直徑的四倍；耦合器凹槽(8)的大小應足夠所用泵浦耦合器放入，其槽深應使得所用泵浦耦合器放入後不超出冷卻盤(1)的平坦表面；輸入凹槽(9)用於放置泵浦耦合器的泵浦輸入光纖，其槽深應使得泵浦輸入光纖放入後不高出冷卻盤(1)的平坦表面。
2.根據權利要求1所述的冷卻裝置，其特徵在於，在冷卻盤(1)的除平坦表面外的其它 表面上增加冷卻液的輸入口(12)和輸出口(13)，冷卻液的輸入口(12)和輸出口(13)通過 冷卻盤內的通道(14)相連。
3.根據權利要求2所述的冷卻裝置，其特徵在於，冷卻盤(1)和導熱蓋板(2)採用銅或 鋁製成。
4.根據權利要求3所述的冷卻裝置，其特徵在於，螺旋線形凹槽(7)的橫截面可為矩 形、半圓形或US。
5.根據權利要求2、3或4所述的冷卻裝置，其特徵在於，迴繞凹槽(11)的深度和寬度 均和螺旋線形凹槽(7)的深度和寬度相同，輸出凹槽(10)的寬度和螺旋線形凹槽(7)的寬 度相同，但深度小於螺旋線形凹槽(7)的深度。
全文摘要
本發明提供一種用於高功率光纖雷射器或放大器的冷卻裝置。本冷卻裝置中可放置的光纖的長度可變，並且在冷卻光纖的同時能冷卻高功率光纖雷射器或放大器中的泵浦耦合器。該冷卻裝置包括冷卻盤和導熱蓋板。冷卻盤是具有一個平坦表面的金屬塊，平坦表面上刻有一個輸入凹槽、一個耦合器凹槽、一條螺旋線形凹槽、若干條迴繞凹槽和若干個輸出凹槽。導熱蓋板是具有一個平坦表面的金屬塊，其平坦表面不小於所述冷卻盤的平坦表面。使用時，摻雜光纖在螺旋線形凹槽內纏繞的過程中，可以通過迴繞凹槽回到相鄰的上一圈內，且該迴繞行為可在同一個迴繞凹槽處多次進行。
文檔編號H01S3/067GK101867143SQ201010205769
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月22日 優先權日2010年6月22日
發明者冷進勇, 楊春波, 許曉軍, 諶宏偉, 郭少鋒, 陳琳, 陳勝平 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學