一種高功率光纖高效冷卻方法
2023-10-07 03:56:39
一種高功率光纖高效冷卻方法
【專利摘要】本發明涉及一種高功率光纖高效冷卻方法。它由高功率光纖、中空的圓柱形金屬套管、內部具有流動冷卻液體的熱沉、導熱介質、防水材料組成。將待冷卻的高功率光纖放入適當尺寸的中空的圓柱形金屬套管內，在光纖與金屬套管的間隙注入高導熱係數的導熱介質，通過導熱介質將光纖的熱量傳導到金屬套管上；金屬套管直接放置在熱沉的流動冷卻液中，通過流動的冷卻液帶走金屬套管的熱量；金屬套管輸入輸出埠與熱沉接口處填充防水材料以防止冷卻液流出。本發明有效增大光纖與冷卻介質的接觸面積、提高熱傳導係數，能夠降低光纖纖芯和外包層的溫度、提高高功率光纖雷射器的輸出功率，增加系統的穩定性；通過金屬套管對光纖允許範圍內進行任意半徑的彎曲，能夠對光纖進行方便的形態控制。
【專利說明】一種高功率光纖高效冷卻方法【技術領域】
[0001]本發明屬於光纖雷射領域，涉及一種光纖的冷卻方法，尤其是一種高功率光纖的高效冷卻方法。
【背景技術】
[0002]高功率光纖雷射器在3D列印、雷射切割、雷射熔覆等領域有著廣泛的應用。近年來，隨著雙包層光纖製作工藝和高亮度半導體雷射器的功率提升，單路高功率光纖雷射輸出功率得到了飛速的發展，從21世紀初的100瓦提高到目前的10千瓦。對於特定的光纖雷射器，其量子效率是一定的，量子虧損使得損失的功率以熱的形式釋放到摻雜光纖內部(參見 W.Yong, X.Chang-Qing, and P.Hong, "Thermal effects in kilowatt fiberlasers, "IEEE Photonics Technology Letters, 2004, 16, 63-65);此外，由於光纖的缺陷和熔接損耗等因素，光纖雷射器的實際效率將會更低。目前，高功率光纖雷射器的光光效率一般在70-85%，一臺1000瓦的光纖雷射器，在摻雜光纖內部有150-300瓦的熱量存在。美國勞倫斯-利福摩爾實驗室研究人員Dawson等人指出，當摻雜光纖內部的熱累積到一定程度時，慘雜光纖會發生纖芯融化(參見Dawson J W，Messerly M J, Beach R J, et al.Analysisof the scalability of diffract1n-limited fiber lasers and amplifiers to high averagepower [J].0pt.Express.2008, 16:13240-13266.)。除了摻雜光纖的量子虧損外，由於模式不匹配導致的功率洩露，也會使得非摻雜傳能光纖(後文簡稱傳能光纖)內部熱量積累以至燒毀光纖；由於熔接損耗導致雷射洩露，熔點(包括摻雜光纖與摻雜光纖之間、摻雜光纖與傳能光纖之間、傳能光纖與傳能光纖之間的熔點)熱量的急劇累積也會導致光纖燒毀。因此，光纖內部的熱效應是阻礙光纖雷射功率提升的限制因素。為了提高光纖雷射輸出功率，必須採用有效的措施對光纖雷射進行冷卻。
[0003]目前，關於高功率光纖冷卻已有CN101373881A《光纖整體冷卻的循環裝置》、CN101373882A《筒形光纖整體冷卻裝置》、CN101335422A《用於高功率雙包層光纖雷射器及其放大器的光纖冷卻裝置》、CN101222109A《高功率光纖雷射器的冷卻方法》、CN201397403Y《光纖冷卻裝置》等專利。這些專利都是摻雜光纖放置於加工好的機械熱沉結構上，通過熱層與光纖之間的熱傳導進行冷卻。由於放置光纖的機械熱層結構固定、光纖的形態固定，實際應用中或有不便；此外，大部分文獻只能對光纖部分表面進行直接接觸和傳導冷卻(如CN101222109A、CN101373882A)，難以對光纖的整個圓柱狀面進行直接傳導冷卻，實際上限制了光纖雷射輸出功率的進一步提升。
【發明內容】
[0004]針對上述已有技術的不足，本發明提供了一種高功率光纖的高效冷卻方法，防止高功率光纖外包層老化、降低光纖纖芯溫度，提高高功率光纖雷射器的工作穩定性。該方法不僅能夠對高功率光纖的整個圓柱面進行有效地冷卻，還能保證光纖能夠在一定雷射器允許的範圍內任意形狀彎曲放置。[0005]本發明的基本原理如下:
[0006]以雙包層光纖為例，在大功率摻雜光纖中根據熱傳導方程(參見Brown DC，Hoffman H J.Thermal,stress,and thermo-optic effects in high average powerdouble-clad silica fiber lasers [J].1EEE Journal of Quantum Electronics, 2001，37 (2):207-217):
[0007]
【權利要求】
1.一種高功率光纖高效冷卻方法，包括高功率光纖(11)、中空的圓柱形金屬套管(12)、內部具有流動冷卻液體(14)的熱沉(13)，其特徵在於:待冷卻的高功率光纖(11)放入金屬套管(12)內，在高功率光纖(11)與金屬套管(12)的間隙注入導熱介質(15)，金屬套管(12)直接放置在熱沉(13)的流動冷卻液(14)中，金屬套管(12)輸入輸出埠與熱沉(13)接口處填充防水材料(16)防止冷卻液(14)流出，通過導熱介質(15)將高功率光纖(11)的熱量傳導到金屬套管(12)上，通過流動的冷卻液(14)帶走金屬套管(12)的熱量。
2.如權利要求1所述的高功率光纖高效冷卻方法，其特徵在於:所述的高功率光纖(11)是用於高功率光纖雷射器、放大器中的光纖，為摻雜光纖或傳能光纖，其纖芯直徑在10?200微米，外包層直徑在250?1000微米之間。
3.如權利要求1所述的高功率光纖高效冷卻方法，其特徵在於:所述的中空圓柱形結構金屬套管(12)是由導熱係數較高金屬材料製成；金屬套管內直徑比高功率光纖外徑大10?500微米，直徑在250?1500微米之間；金屬套管的長度應比待冷卻的光纖的長度長。
4.如權利要求1所述的高功率光纖高效冷卻方法，其特徵在於:所述熱沉材料由導熱係數較高金屬材料製成，所述冷卻液(14)是水或乙二醇。
5.如權利要求1所述的高功率光纖高效冷卻方法，其特徵在於:所述的導熱介質(15)為導熱矽脂、導熱灌封膠或納米石墨粉。
6.如權利要求1所述的高功率光纖高效冷卻方法，其特徵在於:所述的防水材料(16)為防水膠或防水塗料。
7.如權利要求3所述的高功率光纖高效冷卻方法，其特徵在於:所述金屬套管的管壁厚度在0.5?I毫米之間，金屬套管能夠有效彎曲。
【文檔編號】H01S3/042GK104037598SQ201410269683
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月17日 優先權日:2014年6月17日
【發明者】王小林, 陶汝茂, 周樸, 張坤, 張漢偉, 馬鵬飛, 粟榮濤, 於海龍, 許曉軍, 司磊, 陳金寶, 劉澤金 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學