可實現模式損耗控制的高功率光纖高效冷卻裝置及方法與流程

本發明屬于光纖激光領域，涉及一種光纖的冷卻裝置。
背景技術：
：高功率光纖激光器在3d打印、激光切割、激光熔覆等領域有著廣泛的應用。近年來，隨著雙包層光纖制作工藝和高亮度半導體激光器的功率提升，單路高功率光纖激光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。對于特定的光纖激光器，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,andp.hong,"thermaleffectsinkilowattfiberlasers,"ieeephotonicstechnologyletters,2004,16,63-65)；此外，由于光纖的缺陷和熔接損耗等因素，光纖激光器的實際效率將會更低。目前，高功率光纖激光器的光效率一般在70％-85％，一臺1000瓦的光纖激光器，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，摻雜光纖會發生纖芯融化(參見dawsonjw,messerlymj,beachrj,etal.analysisofthescalabilityofdiffraction-limitedfiberlasersandamplifierstohighaveragepower[j].opt.express.2008,16:13240-13266.)。除了摻雜光纖的量子虧損外，由于模式不匹配導致的功率泄漏，也會使得非摻雜傳能光纖(后文簡稱傳能光纖)內部熱量積累以至燒毀光纖；由于熔接損耗導致激光泄漏，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激光功率提升的限制因素。為了提高光纖激光輸出功率，必須采用有效的措施對光纖激光進行冷卻。目前，關于高功率光纖冷卻已有公開號為cn101373881a，公開日為2009年2月25日的發明專利文獻《光纖整體冷卻的循環裝置》；公開號為cn101373882a，公開日為2009年2月25日的發明專利文獻《筒形光纖整體冷卻裝置》；公開號為cn101335422a，公開日為2008年12月31日的專利申請文獻《用于高功率雙包層光纖激光器及其放大器的光纖冷卻裝置》；公開號為cn101222109a，公開日為2008年7月16日的專利申請文獻《高功率光纖激光器的冷卻方法》、公開號為cn201397403y，公開日為2010年2月3日的專利申請文獻《光纖冷卻裝置》等專利。這些專利都是將摻雜光纖放置于加工好的機械熱沉結構上，通過熱沉與光纖之間的熱傳導進行冷卻。由于放置光纖的機械熱沉結構固定，使得光纖的形態也相對固定，針對不同的具體運用，需要設計不同彎曲形態的熱沉，成本較高；此外，大部分文獻只能對光纖的部分表面進行直接接觸和傳導冷卻(如cn101222109a、cn101373882a)，由于周圍的冷卻機械結構不能完全等間距地包覆光纖的圓柱面本身，導致光纖徑向散射不均勻，制冷效果一定程度受限，從而限制了光纖激光輸出功率的進一步提升。技術實現要素：針對上述已有技術的不足，本發明提供了一種可實現模式損耗控制的高功率光纖高效冷卻裝置及方法。本發明一方面能夠防止高功率光纖外包層老化、降低光纖纖芯溫度，提高高功率光纖激光器的工作穩定性；另一方面通過一定范圍內的任意形態地彎曲光纖，實現光纖激光模式損耗的控制，為模式不穩定閾值提升、非線性效應抑制提供一種新的技術手段。本發明的技術方案是：一種可實現模式損耗控制的高功率光纖高效冷卻裝置，包括高功率光纖、中空的金屬細管、內部具有流動冷卻液體的熱沉以及導熱介質，所述金屬細管具有一定的彈性能夠在外力作用下實現彎曲形變并保持該彎曲形變，所述高功率光纖從金屬細管的一端穿插入金屬細管內部并從金屬細管的另一端穿出；在穿插有高功率光纖的金屬細管內，高功率光纖與金屬細管內壁間填充有導熱介質，通過導熱介質將高功率光纖的熱量均勻地傳導到金屬細管上；所述熱沉上設置有供金屬細管兩端固定的接口，施以外力彎曲穿插有高功率光纖的金屬細管能夠改變金屬細管內穿插的高功率光纖的彎曲半徑和形態，將彎曲成型的穿插有高功率光纖的金屬細管置于熱沉內的流動冷卻液體之中，金屬細管的兩端分別固定在熱沉上設置的接口處。本發明中，所述熱沉上設置有冷卻液體進口和冷卻液體出口，所述熱沉內部通以流動的冷卻液體，冷卻液體從冷卻液體進口流入熱沉，從冷卻液體出口流出，進而在熱沉內部流動以帶走光纖產生的熱量。熱沉可以采用銅、鋁等高導熱材料制成，熱沉具體結構根據實際需求設計，可以是圓柱形、方形、長方形等各種規則或不規則的形狀。本發明中：所述金屬細管具有一定的彈性能夠在外力作用下彎曲并保持形變，在高功率光纖允許的彎曲半徑范圍內彎曲金屬細管能夠改變金屬細管內穿插的高功率光纖的彎曲半徑和形態。進一步地，在高功率光纖允許的彎曲半徑范圍內，能夠將穿插有高功率光纖的金屬細管彎曲成二維連續s型、三維螺旋體形等各種形狀，以達到改變金屬細管內穿插的高功率光纖的彎曲半徑和形態的目的。高功率光纖允許的彎曲半徑范圍根據相應的產品說明書可以查閱到。本發明中：所述的高功率光纖是用于高功率光纖激光器、放大器中的光纖，包括摻雜光纖和傳能光纖，其纖芯直徑在10-200微米，外包層直徑在250-1000微米之間。本發明中：所述的金屬細管內部為圓形截面的中空結構，金屬細管可以采用銅管、鋁管等導熱系數較高的金屬材料制成。金屬細管內徑在250～1500微米之間、比其內部待穿插的高功率光纖外徑大10-500微米。金屬細管的長度應比其內部待穿插的高功率光纖的長度短，保證光纖能夠與激光器的其他部件有效連接。金屬細管的管壁厚度在500～2000微米之間，且能夠有效彎曲并保持彎曲形變。本發明中：所述的導熱介質為流動性好、導熱系數高的填充介質，可以是導熱硅脂、導熱灌封膠、納米石墨粉等高導熱的材料。本發明中：在金屬細管與熱沉間的接口處設置有防水結構。所述防水結構如防水密封圈，或者直接在接口處涂覆一定厚度的防水涂料。防水結構采用防水材料制成，能起到防止冷卻液滲出的作用。一種可實現模式損耗控制的高功率光纖高效冷卻方法，首先將待冷卻的高功率光纖插入一中空的金屬細管內部，在高功率光纖與金屬細管間的間隙中注入導熱介質，通過導熱介質將光纖的熱量均勻地傳導到金屬細管上；然后在光纖允許的彎曲半徑范圍內彎曲金屬細管以改變金屬細管內高功率光纖的彎曲半徑和形態；最后把彎曲成型的內置有高功率光纖的金屬管置于熱沉的流動冷卻液體中，通過流動的冷卻液體帶走高功率光纖產生、金屬細管導出的熱量。本發明的制冷基本原理如下：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browndc,hoffmanhj.thermal,stress,andthermo-opticeffectsinhighaveragepowerdouble-cladsilicafiberlasers[j].ieeejournalofquantumelectronics,2001,37(2):207-217)如下：在摻雜光纖中，熱源主要來源于纖芯對泵浦光和信號光的吸收，雙包層光纖的熱傳導方程為：當環境溫度為tc時，根據牛頓冷卻定律和連續性條件，熱傳導方程的邊界條件為：t1(r＝r1)＝t2(r＝r1)，(3.1)t2(r＝r2)＝t3(r＝r2)，(3.2)聯立上述方程(2)和(3)，可得摻雜光纖纖芯中心和表面的溫度t0、tb分別為：在上述各式中，各個參數的物理意義如表1所示。表1各個物理參數描述符號參數符號參數r1光纖纖芯半徑r2光纖內包層半徑r3光纖外包層半徑r極坐標半徑q熱功率密度q1纖芯熱功率密度h光纖表面接觸材料的熱傳遞系數κ1纖芯導熱系數κ2內包層導熱系數κ3外包層導熱系數t溫度t0纖芯中心溫度tc環境冷卻溫度ap泵浦光光場面積從式(4)、(5)可知，在摻雜光纖參數一定、泵浦激光波長和功率一定、環境溫度一定的情況下，摻雜光纖包層和纖芯的溫度與光纖表面接觸材料的熱傳遞系數h有關，h越大，光纖包層和纖芯溫度越低。根據brown等人的理論分析(參見browndc,hoffmanhj.thermal,stress,andthermo-opticeffectsinhighaveragepowerdouble-cladsilicafiberlasers.quantumelectronics,ieeejournalof.2001,37(2):207-217)，對摻雜光纖注入1800w的915nm泵浦激光，當h為0.001w/cm2k時，纖芯溫度可達360℃；當h為0.1w/cm2k時，纖芯溫度僅為33℃左右。因此，增加熱傳遞系數，是降低光纖內部溫度、提高光纖激光器和放大器工作穩定性的有效方法。根據lapointe等人分析(參見lapointem,chatignys,pichém,etal.thermaleffectsinhigh-powercwfiberlasers[c],proc.ofspie,2009)，要提高熱傳遞系數，一方面要增加光纖與冷卻介質的接觸面積，另一方面要減小光纖與接觸面之間的間隙。本發明就是通過特殊設計冷卻方式，將光纖放置于細小的金屬細管中，增大光纖與冷卻介質的接觸面積，減小光纖與接觸面之間的間隙，從而提高熱傳導系數、增加散熱能力。本發明控制模式損耗的基本原理如下：根據d.marcuse的經典理論，光纖中lpmn模的彎曲損耗(參見d.marcuse,curvaturelossformulaforopticalfibers[j],j.opt.soc.amer.b,1976,66:216-220)可以表示為：其中v＝kana為歸一化頻率，u、w、reff、em表示為：reff＝1.28rcoil，(7.3)這里rcoil是彎曲半徑，a是纖芯半徑，β是模式對應的傳播常數，k為真空中的波數，ncore和nclad分別為纖芯和包層折射率；m表示模式lpmn的階數。根據式(6)，當光纖中激光的模式確定時，該模式的損耗由光纖的彎曲半徑rcoil決定。因此，通過改變光纖彎曲半徑，就能夠控制光纖模式的損耗。傳統的光纖彎曲方法要么通過設計特殊的光纖槽等固定的結構來實現光纖的彎曲、要么利用膠帶等方式固定光纖實現彎曲；本發明將光纖放置于細小的金屬細管內，通過金屬細管的彎曲來改變光纖的彎曲，在不損壞光纖的前提下，能夠在一定彎曲半徑范圍內任意彎曲光纖，實現不同需求的模式損耗控制。本發明將光纖放置于金屬細管的中間，并在光纖和金屬細管間隙填充導熱介質，使得光纖的整個外表面都與冷卻介質接觸、光纖徑向可以均勻地高效散熱，增大了光纖與冷卻介質的接觸面積、提高了熱傳導系數；通過控制金屬細管的內壁直徑，減小光纖外表面與銅管之間的距離，以降低熱阻；由于金屬細管能夠在光纖允許的彎曲半徑內自由彎曲，通過金屬細管的彎曲改變光纖彎曲半徑和彎曲形態，從而起到模式損耗控制的效果。采用本發明可以達到以下技術效果：1、實現高功率光纖徑向均勻高效散熱，降低光纖纖芯和外包層的溫度，提高光纖激光器的輸出功率，增加系統的穩定性。2、通過金屬細管對高功率光纖允許的半徑范圍內進行任意彎曲，能夠對光纖進行一定范圍內任意形態的控制，實現模式損耗控制，起到抑制模式不穩定和非線性效應的效果。3、對光纖的關鍵熔接點進行有效冷卻，降低熔接點光纖纖芯和涂覆層的溫度，提高熔接點的功率承受能力和穩定性。附圖說明圖1是本發明一種可實現模式損耗控制的高功率光纖高效冷卻裝置的結構示意圖；圖2是本發明一種可實現模式損耗控制的高功率光纖高效冷卻方法的實施流程圖；圖3是本發明實施例1的結構示意圖；圖4是未采用本發明方法和采用本發明方法的光纖橫截面與外部冷卻結構示意圖；圖5是未采用本發明方法和采用本發明方法的高功率光纖溫度場分布；圖6是本發明提供的冷卻高功率光纖及熔接點的示意圖。本發明目的的實現、功能特點及優點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。具體實施方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。圖1為本發明一種可實現模式損耗控制的高功率光纖高效冷卻裝置的結構示意圖，包括待冷卻的高功率光纖11、中空的金屬細管12、內部具有流動冷卻液體14的熱沉13以及導熱介質15，所述金屬細管12本身具有一定的彈性，其能夠在外力作用下實現彎曲形變并保持該彎曲形變。所述高功率光纖11從金屬細管12的一端穿插入金屬細管12內部并從金屬細管12的另一端穿出；在穿插有高功率光纖11的金屬細管12內，高功率光纖11與金屬細管12內壁間填充有導熱介質15，通過導熱介質15將高功率光纖的熱量均勻地傳導到金屬細管12上，導熱介質15提高了高功率光纖與金屬細管之間的導熱系數。所述熱沉13上設置有供金屬細管12兩端固定的接口。施以外力，在高功率光纖允許的彎曲半徑范圍內彎曲穿插有高功率光纖11的金屬細管12能夠改變金屬細管12內穿插的高功率光纖11的彎曲半徑和形態，將彎曲成型的穿插有高功率光纖11的金屬細管12置于熱沉13內的流動冷卻液體14之中。金屬細管12的兩端分別固定在熱沉13上設置的接口處。在金屬細管12與熱沉13間的接口處設置有防水結構16。所述防水結構16如防水密封圈，防水結構16采用防水材料制成，能起到防止冷卻液滲出的作用。圖2是本發明一種可實現模式損耗控制的高功率光纖高效冷卻方法的流程圖。首先將待冷卻的高功率光纖11插入一中空的金屬細管12內部，在高功率光纖11與金屬細管12間的間隙中注入導熱介質15，通過導熱介質15將光纖的熱量均勻地傳導到金屬細管12上。然后在光纖允許的彎曲半徑范圍內彎曲金屬細管12以改變金屬細管內高功率光纖11的彎曲半徑和形態；圖2中給出了兩種彎曲后的示意圖，一種是將金屬細管彎曲成連續的二維s形，一種是彎曲成向上不斷螺旋的三維螺旋體形。其中，二維的s形即蛇形彎曲便于光纖的二維排布，螺旋體形彎曲則便于提高光纖中高階模式的損耗，有利于提高模式不穩定效應的閾值。最后把彎曲成型的內置有高功率光纖的金屬細管置于熱沉13的流動冷卻液體14中，通過流動的冷卻液體14帶走高功率光纖和金屬細管的熱量。在金屬細管12與熱沉13間的接口處設置有防水結構16。所述防水結構16如防水密封圈或者涂覆的防水涂料層，防水結構16采用防水材料制成，能起到防止冷卻液滲出的作用。實施例1圖3為本發明提供的一種金屬套管蛇形彎曲的高功率光纖冷卻詳細示意圖。圖中，首先將待冷卻的高功率光纖11插入到尺寸合適(比如對于外包層為600微米的高功率光纖，金屬細管的內徑可為1000微米，外徑為2000微米)的金屬細管12中，金屬細管12與高功率光纖11之間填充導熱介質15(比如導熱硅脂)以提高導熱系數；將內部穿插有高功率光纖的金屬細管12彎曲成二維連續s型(也即蛇形)，放置于熱沉13中，熱沉13內部通以流動冷卻液體14(比如冷卻水)，金屬細管12與熱沉接口處填充注入防水材料(比如防水涂料)，防止冷卻液滲出。高功率光纖11冷卻過程中，光纖的熱量首先通過導熱介質15傳遞到金屬細管12的內表面，再由金屬細管內表面傳遞到外表面，金屬細管外表面的熱量通過循環流動的冷卻液14帶走。圖4是未采用本發明和采用本發明的光纖橫截面與外部冷卻結構示意圖。圖4(a)中，未采用本發明時，為了便于高功率光纖11制冷，一般將熱沉13刻槽，將高功率光纖11放置于熱沉13的槽內，并填充導熱介質15，通過熱沉內部的流動冷卻液體14帶走光纖的熱量。該方案中，由于光纖上半部分沒有直接與熱沉接觸，需要通過光纖的下表面制冷，光纖徑向導熱不均勻。圖4(b)中，采用本發明時，高功率光纖11外表面全部被導熱介質15包覆，光纖產生的熱量通過導熱介質15均勻地導入到合適尺寸金屬細管12(比如對于外包層為600微米的高功率光纖，金屬細管的內徑可為1000微米，外徑為2000微米)中，然后由金屬細管12中的流動的冷卻液14帶走，采用本發明的方案，光纖徑向能夠通過最短的路徑均勻導熱，提高了制冷效果。圖5為與圖4對應的未采用本發明和采用本發明的高功率光纖增益光纖溫度場分布。如圖5(a)所示，若不采用本發明提供的冷卻方法，光纖徑向散熱不均勻，總體制冷效果較差，當光纖激光器雙包層增益光纖熔接點處纖芯中熱負荷為300w時，纖芯的溫度為272.87℃，外包層溫度達120℃，長時間工作會導致光纖外包層老化損壞；如圖5(b)所示，若采用本發明提供的冷卻方法，由于光纖徑向散熱均勻，同樣纖芯熱負荷下，該熔接點處纖芯的溫度降到233.68℃，外包層溫度降到70℃；考慮到商用光纖外包層的長時間溫度工作溫度為80℃，采用本發明后，激光器可以長時間工作而不會由于熱和高溫導致老化損壞。圖6為本發明冷卻高功率光纖及熔接點的示意圖。圖6中，待冷卻的高功率光纖11及涂覆后的熔接點17插入尺寸合適(比如對于外包層為600微米的高功率光纖，金屬細管12的內徑可為1000微米，外徑為2000微米)的金屬細管12中；施以外力，在高功率光纖允許的彎曲半徑范圍內彎曲穿插有高功率光纖11的金屬細管12能夠改變金屬細管12內穿插的高功率光纖11的彎曲半徑和形態，將彎曲成型的穿插有高功率光纖11的金屬細管12放置在熱沉13內部的流動冷卻液體14(比如冷卻水)中；待冷卻的高功率光纖11和熔接點17與金屬細管12之間注入導熱介質15(比如導熱硅脂)提高摻雜光纖與銅管之間的導熱系數，熱沉13內通以流動的冷卻液體14；金屬細管12與熱沉接口處填充注入防水材料(比如防水涂料)，防止冷卻液滲出。高功率光纖冷卻過程中，光纖和熔接點的熱量首先通過導熱介質傳遞到金屬細管的內表面，再由金屬細管內表面傳遞到外表面，金屬細管外表面的熱量通過循環流動的冷卻液帶走。以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護范圍并不局限于上述實施例，凡屬于本發明思路下的技術方案均屬于本發明的保護范圍。應當指出，對于本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。當前第1頁12