用於高功率雙包層光纖雷射器及放大器的光纖冷卻裝置的製作方法

2023-05-05 04:37:31 1

專利名稱：用於高功率雙包層光纖雷射器及放大器的光纖冷卻裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及雙包層光纖雷射器和放大器技術領域，具體涉及對高功率 光纖雷射器及放大器中雙包層光纖的冷卻裝置。
背景技術：
半導體雷射二極體泵鋪的雙包層光纖雷射器具有高效率、高功率和良 好的光束質量的特點，在機械加工、通信和國防方面具有巨大的應用價值。 雙包層光纖雷射器的連續輸出功率近年來得到了長足的發展，由最初的毫瓦量級提高到了千瓦量級(參見Y. Jeong, J. K. Sahu, D. N. Payne. Ytterbium-doped large-core fiber laser with 1.36 kW continuous-wave output power. Optics Express, 2004, 12(25): 6088-6092)，同時光纖放大器也達到了 千瓦級。高功率雙包層光纖雷射器之所以能迅速發展的原因是得益於雙包 層光纖製備工藝的成熟。該光纖在結構上有別於傳統光纖，其纖芯摻雜稀 土離子，周圍被純石英內包層包圍，外面塗上一層低折射率的聚合物作為 外包層，再在外面裹上保護層。雷射和泵浦光主要在纖芯和內包層中傳輸， 聚合物外包層對泵浦光起限制作用。當雙包層光纖用於產生高功率雷射時， 由於光纖摻雜離子本身量子效率的限制，部分泵浦功率沒有轉換為雷射功 率輸出，而直接轉換為熱能。這種熱在光纖中積累後直接影響聚合物外包 層性能衰退，老化甚至失效，這都將導致雷射產生效率下降，功率減少， 因此對雙包層光纖的冷卻在高功率光纖雷射器中至關重要。目前在對高功率光纖雷射器雙包層光纖輸入和輸出端的冷卻方案上己 有專利報導(參見專利號為ZL200410098337. 0的中國專利文獻)，但是這 種裝置主要為了防止光纖端面的永久性損傷，而且冷卻效果局限在光纖兩 端較短範圍內，其餘光纖若未得到冷卻處理將使光纖外包層聚合物加速老化、失效，減短雷射器壽命。 發明內容本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提供一種高功率雙包層 光纖雷射器及放大器增益光纖的冷卻裝置，以防止整段雙包層增益光纖外 包層聚合物變性、老化，改善高功率光纖雷射器輸出性能，延長雷射器壽本發明的技術方案為用於高功率雙包層光纖雷射器及放大器的光纖冷卻裝置，包括金屬管、 輸入端金屬光纖夾具和輸出端金屬光纖夾具；金屬管內表面設有呈螺紋狀 分布的光纖槽，金屬管下部側壁對稱開有兩個冷空氣進入口；輸入和輸出 端金屬光纖夾具分別緊貼在金屬管側壁處，兩夾具為條形金屬塊，金屬塊 表面設有光纖槽，其與金屬管內表面的光纖槽相連通；金屬塊上設有用於 將光纖壓緊於光纖槽的壓緊機構，輸入端金屬光纖夾具的金屬塊內部還設 有冷卻液通道。作為本發明的改進，所述壓緊機構由放置於所述金屬塊內部的磁鐵和 位於金屬塊表面光纖槽處的鐵磁性蓋板構成。本發明是通過雙包層光纖與金屬光纖夾具以及金屬管的緊密接觸，將 高功率運轉時光纖所產生的熱量傳遞出去，用流動的低溫空氣和冷卻液來 冷卻金屬管和光纖夾具，從而使雙包層光纖的聚合物外包層溫度不至於升 高，防止光纖老化，延長使用壽命。
具體實施方式
以下結合附圖與具體實施例對本發明進一步的說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。本發明技術方案的思路是由於高功率雙包層光纖雷射器和放大器在 運轉時，幾百瓦甚至上千瓦的雷射和泵浦光在纖芯和內包層中傳輸，若不 對光纖進行任何冷卻處理，光纖內產生的熱量不能及時散去導致熱量積累， 使聚合物外包層和保護層溫度升高，造成聚合物變性，加速老化，甚至起 火燃燒。因此將雙包層光纖緊貼盤繞在一個冷卻裝置上就可以及時地將高 功率運轉時產生的熱量帶走，使聚合物溫度控制在正常工作的範圍被內。

圖1是本發明實施例的結構示意圖，包括輸入端金屬光纖夾具1，金屬 管2以及輸出端金屬光纖夾具3，金屬管2側壁分別與輸入端金屬光纖夾具1和輸出端金屬光纖夾具3緊貼相接。圖2是輸入和輸出端光纖夾具的端面示意圖，輸入端金屬光纖夾具1 由具有冷卻液通道的條形金屬塊11和具有同樣尺寸的鐵磁性蓋板12組合 而成。在條形金屬塊11與鐵磁性蓋板12相接觸的表面開有能緊密嵌入雙 包層光纖的光纖槽13，將所述的雙包層光纖4放入光纖槽中，依靠條形金 屬塊中內嵌的強力磁鐵與鐵磁性蓋板12所產生的磁力壓緊光纖。金屬塊的 一端面為弧面，與金屬管外表面弧度匹配，以便能與金屬管緊密相接。金 屬塊內冷卻液通道與冷卻液進管14和出管15連接。所述的光纖夾具1可 固定在調節平臺上。金屬管2內表面從上到下以螺紋狀分布有光纖槽21，在金屬管的一側 縱向排列有兩個小圓孔22，圓孔的位置應剛好與金屬管內表面上的光纖槽 對應。雙包層光纖從輸入端光纖夾具1尾部穿過圓孔後進入金屬管內，並 沿光纖槽盤繞，最後輸出端光纖再由另一圓孔穿出。在金屬管下部對稱地 開有兩個個水平條形孔23，作為冷空氣進氣口，用於冷卻金屬管內壁及管 內光纖。金屬管的底部焊接上一塊圓形金屬板24，金屬板直徑大於金屬管 直徑，用於將金屬管固定在平臺上。金屬管內頂部安裝有一個散熱風扇25， 風扇向金屬管外排風，以便使外部冷空氣從底部條形孔進入金屬管內，帶走光纖及內壁熱量後從金屬管頂部流出。金屬管2內盤繞的雙包層光纖4從圓孔穿出後進入輸出端金屬光纖夾 具3的光纖槽內13，所述輸出端金屬光纖夾具3的結構與輸入端金屬光纖 夾具1相似，雙包層光纖4由磁性蓋板12壓緊。由於光纖雷射器雙包層光 纖中光功率分布隨光纖長度增大而減小，因此在輸出端可以不需要通冷卻 液。雙包層光纖4與輸入端光纖夾具1和輸出端光纖夾具3的光纖槽13是 緊配關係，並且緊貼於金屬管2的光纖槽21中，當雷射器高功率運轉時， 雙包層光纖4產生的大部分熱量通過熱傳導的方式傳遞給了輸入端光纖夾 具l、金屬管2以及輸出端光纖夾具3，而它們的熱量又分別被冷卻液和對 流空氣所帶走，從而實現對雙包層光纖外包層聚合物的冷卻。下面是一個具體的實施例選用導熱性良好的銅作為輸入和輸出端光纖夾具條形金屬塊11材料， 銅塊長20cm，寬1.5cm，厚lcm。以內包層直徑650/600um，外徑為1.2mm 的雙包層光纖4為冷卻對象，在銅塊一側表面銑出一條直徑略小於1.2mm 的V型光纖槽13。磁性蓋板2選用鐵作為材料，長度和寬度與銅塊一致， 厚度為3mm，在蓋板一表面銑出一條相同尺寸的V型光纖槽13。將磨平端 面的雙包層光纖輸入端放入銅塊的光纖槽內，當蓋板與銅塊合併時，依靠 磁力使雙包層光纖與光纖夾具之間緊密接觸，從而保證輸入端光纖包層聚 合物的良好散熱。選用導熱性良好的不鏽鋼管作為金屬管2，不鏽鋼管高度為25cm，直 徑21cm，管壁厚3mm。在金屬管2的內表面銑出直徑略小於1.2mm的螺 紋21，相鄰螺紋間距約8mm，在金屬管側面鑽兩個直徑5mm的小孔22， 分別與最高和最低兩條光纖槽所對應。在金屬管的底部附近對稱的開有兩 個長5cm，高lcm的條形孔23。使用一塊直徑為23cm的薄圓鋼板24與金 屬管2底部焊接。雙包層光纖從輸入端光纖夾具尾部引出，穿過金屬管上部小孔，緊貼管內光纖槽螺紋狀向下盤繞光纖，最後雙包層光纖從下部小 孔穿出。當高功率雷射在光纖中傳輸時，光纖的熱量將迅速傳遞到金屬管上，在金屬管頂部安裝一個風扇25，外部冷空氣從金屬管底部條形孔進入 管內，帶走光纖與管內壁熱量後從頂部排出。輸出端雙包層光纖同樣與輸出端光纖夾具3緊密接觸，保證良好散熱。 由於輸出端光纖功率要明顯小於輸入端，因此在輸出端不需要使用水冷。綜上所述，本發明是通過緊貼於雙包層光纖的金屬銜接臂和金屬管帶 走高功率運轉時光纖所產生的熱量，從而使雙包層光纖的聚合物外包層溫 度不至於升高，防止光纖老化，延長使用壽命。同時，由於雙包層光纖溫 度升高會導致雷射產生效率降低，因此本發明也將有利於提高雙包層光纖 雷射器的轉換效率。權利要求
1、用於高功率雙包層光纖雷射器級放大器的光纖冷卻裝置，包括金屬管、輸入端金屬光纖夾具和輸出端金屬光纖夾具；金屬管內表面設有呈螺紋狀分布的光纖槽，金屬管下部側壁對稱開有兩冷空氣進入口；輸入和輸出端金屬光纖夾具分別緊貼在金屬管側壁處，兩夾具為條形金屬塊，金屬塊表面設有光纖槽，其與金屬管內表面的光纖槽相連通；金屬塊上設有用於將光纖壓緊於光纖槽的壓緊機構，輸入端金屬光纖夾具的金屬塊內部還設有冷卻液通道。
2、 根據權利要求1所述的用於高功率雙包層光纖雷射器級放大器的 光纖冷卻裝置，其特徵在於，所述壓緊機構由放置於所述金屬塊內部的磁 鐵和位於金屬塊表面光纖槽處的鐵磁性蓋板構成。
3、 根據權利要求1或2所述的用於高功率雙包層光纖雷射器級放大 器的光纖冷卻裝置，其特徵在於，所述金屬管內頂部裝有散熱風扇。
全文摘要
本發明提供一種用於高功率雙包層光纖雷射器及放大器的光纖冷卻裝置，包括金屬管、輸入端金屬光纖夾具和輸出端金屬光纖夾具；金屬管內表面設有呈螺紋狀分布的光纖槽，金屬管下部側壁對稱開有冷空氣進入口；輸入和輸出端金屬光纖夾具分別緊貼在金屬管側壁處，兩夾具為條形金屬塊，金屬塊表面設有光纖槽，其與金屬管內表面的光纖槽相連通；金屬塊上設有用於將光纖壓緊於光纖槽的壓緊機構，輸入端金屬光纖夾具的金屬塊內部還設有冷卻液通道。本發明通過光纖與金屬光纖夾具以及金屬管的緊密接觸，將產生的熱量傳遞出去，用流動的低溫空氣和冷卻液來冷卻金屬管和光纖夾具，從而避免雙包層光纖的聚合物外包層溫度升高，防止光纖老化，延長使用壽命。
文檔編號H01S3/04GK101335422SQ20081004853
公開日2008年12月31日 申請日期2008年7月25日 優先權日2008年7月25日
發明者張繼皇, 李玉華, 陸培祥, 川 黃 申請人:華中科技大學