专利名称：千瓦级光纤激光器微通道冷却装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于千瓦级光纤激光器的冷却的装置。
背景技术：
自1988年E. Snitzer等人提出双包层光纤概念之后，基于这种包层泵浦技术的光纤激 光器获得了迅猛的发展。2007年单纤输出功率已经达到3kW，利用多纤耦合技术已经在实验 室完成数万瓦的光纤激光器。
与传统的固体激光器相比，高功率双包层光纤激光器有很大的表面积与体积比，工作在 低功率吋能有效散失抽运光所沉积的热量。但是，随着输出功率不断提高，尤其当激光输出 达到kW量级时，基质材料热扩散将引起应力和折射率的变化，由于热量沉积，会导致掺杂纤 芯中温度升高、量子效率降低、输出波长变化，甚至会导致基质熔化、光纤端面损坏、光纤 侧面切口处烧毁、光纤侧面烧断，使光纤激光器不能正常工作。因此，如何高效散热是高功 率光纤激光器研究中迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种千瓦级光纤激光器微通道冷却装置，该冷却装置具有冷却效 果明显的特点。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术解决方案是千瓦级光纤激光器微通道冷却装
置，其特征在于它包括内制冷器7、外制冷器9，外制冷器9套在内制冷器7上；使用时，光 纤激光器3位于内制冷器7与外制冷器9之间，且光纤激光器3缠绕在内制冷器7上并与外 制冷器9相接触；外制冷器9与内制冷器7由螺钉10连接；内制冷器7、外制冷器9的材料 均为金属。
内制冷器7由金属内圆筒1和内层圆筒形微通道散热器2组成，金属内圆筒1上设有冷 却介质输入接头穿过孔、冷却介质输出接头穿过孔；内层圆筒形微通道散热器2由4 12片 内层圆弧形微通道散热片6组成，每一内层圆弧形微通道散热片6的内面上设有冷却介质输 入接头12、冷却介质输出接头13，内层圆弧形微通道散热片6内设有1条冷却介质输入通道 15、 1条冷却介质输出通道16、 20 200条微通道11，每条微通道11的一端均与冷却介质输 入通道15相通，每条微通道11的另一端均与冷却介质输出通道16相通，冷却介质输入接头 12与冷却介质输入通道15相连通，冷却介质输出接头13与冷却介质输出通道16相连通； 内层圆弧形微通道散热片6套在金属内圆筒1的外表面上，内层圆弧形微通道散热片6上的 冷却介质输入接头12穿过金属内圆筒1上的冷却介质输入接头穿过孔与冷却介质输入管相连 接，内层圆弧形微通道散热片6上的冷却介质输出接头13穿过金属内圆筒1上的冷却介质输 出接头穿过孔与冷却介质输出管相连接。
外制冷器9由外层圆筒形微通道散热器4、金属外圆筒5组成，金属外圆筒5上设有冷 却介质输入接头穿过孔、冷却介质输出接头穿过孔；外层圆筒形微通道散热器4由4 12片 外层圆弧形微通道散热片8组成，每一外层圆弧形微通道散热片8的外面上设有冷却介质输入接头、冷却介质输出接头，外层圆弧形微通道散热片8内设有1条冷却介质输入通道、1 条冷却介质输出通道、20 200条微通道，每条微通道的一端均与冷却介质输入通道相通， 每条微通道的另一端均与冷却介质输出通道相通，冷却介质输入接头与冷却介质输入通道相 连通，冷却介质输出接头与冷却介质输出通道相连通；外层圆弧形微通道散热片8位于金属 外圆筒5的内表面上，外层圆弧形微通道散热片8上的冷却介质输入接头穿过金属外圆筒5 上的冷却介质输入接头穿过孔与冷却介质输入管相连接，外层圆弧形微通道散热片8上的冷 却介质输出接头穿过金属外圆筒5上的冷却介质输出接头穿过孔与冷却介质输出管相连接。
本发明装置的有益效果是千瓦级光纤激光器运行时，由于量子效率的限制，泵浦光不 能完全转换为激光，掺杂离子的吸收转换为热能，大量积聚在光纤内部，通过热传导，热量 将从光纤与圆弧形微通道散热片(内层、外层)接触面流向微通道，与流过微通道的冷却介质 进行热交换，最后热量由冷却介质及时带走，从而实现了光纤整体冷却；维持光纤激光器的 持续、稳定和正常运行，延长其使用寿命。该装置具有散热均匀、制冷效果明显和实用性强 等特点。本发明特别适用于八百瓦 二千瓦的光纤激光器(即千瓦级光纤激光器)。
图1为本发明的装配示意图2为本发明的内层圆弧形单层微通道散热片的结构示意图； 图3是图2的A-A剖视图； 图4是图2的B-B剖视图中1-金属内圆筒，2-内层圆筒形微通道散热器，3-光纤激光器，4-外层圆筒形微通 道散热器，5-金属外圆筒，6-内层圆弧形微通道散热片，7-内制冷器，8-外层圆弧形微通道 散热片，9-外制冷器，10-螺钉，11-微通道，12-冷却介质输入接头，13-冷却介质输出接头， 14-螺钉固定孔，15-冷却介质输入通道，16-冷却介质输出通道。
具体实施例方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。 如图l、图2、图3、图4所示，千瓦级光纤激光器微通道冷却装置，它包括内制冷器7、 外制冷器9，外制冷器9套在内制冷器7上；使用时，光纤激光器3 (千瓦级光纤激光器)位 于内制冷器7与外制冷器9之间，且光纤激光器3缠绕在内制冷器7上并与外制冷器9相接 触；光纤激光器3的输入端穿过外制冷器9上的光纤输入孔位于外制冷器9外，光纤激光器 3的输出端穿过外制冷器9上的光纤输出孔位于外制冷器9夕卜；外制冷器9与内制冷器7由 螺钉10连接(图1中采用4个)；内制冷器7、外制冷器9的材料均为金属(散热性好的材 料，如铜，也可以是其它热传导系数较大的金属)。
内制冷器7由金属内圆筒1和内层圆筒形微通道散热器2组成，金属内圆筒1上设有冷 却介质输入接头穿过孔、冷却介质输出接头穿过孔、螺钉固定孔；内层圆筒形微通道散热器 2由4 12片内层圆弧形微通道散热片6组成(图1中采用8片，可根据需要确定)，每一内 层圆弧形微通道散热片6的内面上设有冷却介质输入接头12、冷却介质输出接头13，内层圆 弧形微通道散热片6内设有1条冷却介质输入通道15、 1条冷却介质输出通道16、 20 200条微通道ll (根据设计要求，确定微通道数目)，每条微通道ll的一端均与冷却介质输入通 道15相通，每条微通道11的另一端均与冷却介质输出通道16相通，冷却介质输入接头12 与冷却介质输入通道15相连通，冷却介质输出接头13与冷却介质输出通道16相连通；内层 圆弧形微通道散热片6上设有螺钉固定孔14，内层圆弧形微通道散热片6套在金属内圆筒1 的外表面上，内层圆弧形微通道散热片6上的冷却介质输入接头12穿过金属内圆筒1上的冷 却介质输入接头穿过孔与冷却介质输入管相连接，内层圆弧形微通道散热片6上的冷却介质 输出接头]3穿过金属内圆筒1上的冷却介质输出接头穿过孔与冷却介质输出管相连接，内层 圆弧形微通道散热片6由螺钉固定在金属内圆筒1上。
外制冷器9由外层圆筒形微通道散热器4、金属外圆筒5组成(外层圆筒形微通道散热 器4与内层圆筒形微通道散热器2的结构基本相同，不同之处在于冷却介质输入接头、冷 却介质输出接头设置在外层圆弧形微通道散热片8的外面上)，金属外圆筒5上设有冷却介质 输入接头穿过孔、冷却介质输出接头穿过孔、螺钉固定孔；外层圆筒形微通道散热器4由4 12片外层圆弧形微通道散热片8组成(图1中釆用8片，根据需要确定)，每一外层圆弧形 微通道散热片8的外面上设有冷却介质输入接头、冷却介质输出接头，外层圆弧形微通道散 热片8内设有1条冷却介质输入通道、1条冷却介质输出通道、20 200条微通道(根据设计 要求，确定微通道数目)，每条微通道的一端均与冷却介质输入通道相通，每条微通道的另一 端均与冷却介质输出通道相通，冷却介质输入接头与冷却介质输入通道相连通，冷却介质输 出接头与冷却介质输出通道相连通；外层圆弧形微通道散热片8上设有螺钉固定孔，外层圆 弧形微通道散热片8位于金属外圆筒5的内表面上(金属外圆筒5套在外层圆筒形微通道散 热器4上)，外层圆弧形微通道散热片8上的冷却介质输入接头穿过金属外圆筒5上的冷却介 质输入接头穿过孔与冷却介质输入管相连接，外层圆弧形微通道散热片8上的冷却介质输出 接头穿过金属外圆筒5上的冷却介质输出接头穿过孔与冷却介质输出管相连接，外层圆弧形 微通道散热片8由螺钉固定在金属外圆筒5上。
所述的冷却介质为水(去离子水)，也可以是其它类型的流动性液体或气体。 下面是一个具体实施的例子
根据光纤激光器的长度，计算出光纤缠绕直径和长度。根据需要的散热量，优化圆弧形 微通道散热片的结构。双包层光纤长度为10m，芯径为30Mm, D型内包层直径400/350Mm ， 外包层直径为600Wn，为了较好地散热，剥除其保护层。
选取导热性能好的金属铜作为金属内圆筒1和金属外圆筒5的材料，金属内圆筒l的内、 外半径分别为45mm和50mm，长50mm;金属外圆筒5的内、外半径分别为54. 5 和59. 5mm， 长50mm;
内层圆筒形微通道散热器2由8个大小相同的内层圆弧形微通道散热片(圆弧形金属铜 单层微通道散热片)6拼装而成，内层圆弧形微通道散热片6的内、外半径分别为50ram和 51. 5腿，长30腿5
外层圆筒形微通道散热器4由8个大小相同的外层圆弧形微通道散热片(圆弧形金属铜 单层微通道散热片)8拼装而成，外层圆弧形微通道散热片8的内、外半径分别为53mm和54. 5鹏，长30腿j
圆弧形微通道散热片内的单个微通道为长方形，通道宽、深和长分别为300Wn、 350Mffi和 20ram，通道间隔宽度为300Mm。
实验表明本发明可使千瓦级光纤激光器产生的大量热量由冷却介质及时带走，从而实 现了光纤整体冷却。可根据千瓦级光纤激光器的热分布，合理设计每个圆弧形微通道散热片 的结构，分别对每个圆弧形微通道散热片的冷却介质的入口速度、流动方向、压力和温度等 进行控制，使光纤激光器的温度较好地达到均衡。该装置具有散热均匀、制冷效果明显和实 用性强的特点。
权利要求
1.千瓦级光纤激光器微通道冷却装置，其特征在于它包括内制冷器(7)、外制冷器(9)，外制冷器(9)套在内制冷器(7)上；使用时，光纤激光器(3)位于内制冷器(7)与外制冷器(9)之间，且光纤激光器(3)缠绕在内制冷器(7)上并与外制冷器(9)相接触；外制冷器(9)与内制冷器(7)由螺钉(10)连接；内制冷器(7)、外制冷器(9)的材料均为金属。
2. 根据权利要求1所述的千瓦级光纤激光器微通道冷却装置，其特征在于内制冷器(7)由金属内圆简(1)和内层圆筒形微通道散热器(2)组成，金属内圆筒(1)上设有冷却介质输入接头穿过孔、冷却介质输出接头穿过孔；内层圆筒形微通道散热器(2)由4 12片内层圆弧形微通道散热片(6)组成，每一内层圆弧形微通道散热片(6)的内面上设有冷却介质输入接头(12)、冷却介质输出接头(13)，内层圆弧形微通道散热片(6)内设有l条冷却介质输入通道(15)、 l条冷却介质输出通道(16)、 20 200条微通道(11)，每条微通道(11)的一端均与冷却介质输入通道(15)相通，每条微通道(11)的另一端均与冷却介质输出通道(16)相通，冷却介质输入接头(12)与冷却介质输入通道(15)相连通，冷却介质输出接头(13)与冷却介质输出通道(16)相连通；内层圆弧形微通道散热片(6)套在金属内圆筒(1)的外表面上，内层圆弧形微通道散热片(6)上的冷却介质输入接头(12)穿过金属内圆筒(1)上的冷却介质输入接头穿过孔与冷却介质输入管相连接，内层圆弧形微通道散热片(6)上的冷却介质输出接头(13)穿过金属内圆筒(1)上的冷却介质输出接头穿过孔与冷却介质输出管相连接。
3. 根据权利要求1所述的千瓦级光纤激光器微通道冷却装置，其特征在于外制冷器(9)由外层圆筒形微通道散热器(4)、金属外圆筒(5)组成，金属外圆筒(5)上设有冷却介质输入接头穿过孔、冷却介质输出接头穿过孔；外层圆筒形微通道散热器(4)由4 12片外层圆弧形微通道散热片(8)组成，每一外层圆弧形微通道散热片(8)的外面上设有冷却介质输入接头、冷却介质输出接头，外层圆弧形微通道散热片(8)内设有1条冷却介质输入通道、1条冷却介质输出通道、20 200条微通道，每条微通道的一端均与冷却介质输入通道相通，每条微通道的另一端均与冷却介质输出通道相通，冷却介质输入接头与冷却介质输入通道相连通，冷却介质输出接头与冷却介质输出通道相连通；外层圆弧形微通道散热片(8)位于金属外圆筒(5)的内表面上，外层圆弧形微通道散热片(8)上的冷却介质输入接头穿过金属外圆筒(5)上的冷却介质输入接头穿过孔与冷却介质输入管相连接，外层圆弧形微通道散热片(8)上的冷却介质输出接头穿过金属外圆筒(5)上的冷却介质输出接头穿过孔与冷却介质输出管相连接。
全文摘要
本发明涉及一种用于千瓦级光纤激光器的冷却的装置。千瓦级光纤激光器微通道冷却装置，其特征在于它包括内制冷器、外制冷器，外制冷器套在内制冷器上；使用时，光纤激光器位于内制冷器与外制冷器之间，且光纤激光器缠绕在内制冷器上并与外制冷器相接触；外制冷器与内制冷器由螺钉连接；内制冷器、外制冷器的材料均为金属。该装置具有散热均匀、制冷效果明显和实用性强等特点。
文档编号H01S3/042GK101640364SQ20091006371
公开日2010年2月3日 申请日期2009年8月25日 优先权日2009年8月25日
发明者刘国华 申请人:武汉工程大学