一种高功率光纤高效冷却方法
【专利摘要】本发明涉及一种高功率光纤高效冷却方法。它由高功率光纤、中空的圆柱形金属套管、内部具有流动冷却液体的热沉、导热介质、防水材料组成。将待冷却的高功率光纤放入适当尺寸的中空的圆柱形金属套管内，在光纤与金属套管的间隙注入高导热系数的导热介质，通过导热介质将光纤的热量传导到金属套管上；金属套管直接放置在热沉的流动冷却液中，通过流动的冷却液带走金属套管的热量；金属套管输入输出端口与热沉接口处填充防水材料以防止冷却液流出。本发明有效增大光纤与冷却介质的接触面积、提高热传导系数，能够降低光纤纤芯和外包层的温度、提高高功率光纤激光器的输出功率，增加系统的稳定性；通过金属套管对光纤允许范围内进行任意半径的弯曲，能够对光纤进行方便的形态控制。
【专利说明】一种高功率光纤高效冷却方法【技术领域】
[0001]本发明属于光纤激光领域，涉及一种光纤的冷却方法，尤其是一种高功率光纤的高效冷却方法。
【背景技术】
[0002]高功率光纤激光器在3D打印、激光切割、激光熔覆等领域有着广泛的应用。近年来，随着双包层光纤制作工艺和高亮度半导体激光器的功率提升，单路高功率光纤激光输出功率得到了飞速的发展，从21世纪初的100瓦提高到目前的10千瓦。对于特定的光纤激光器，其量子效率是一定的，量子亏损使得损失的功率以热的形式释放到掺杂光纤内部(参见 W.Yong, X.Chang-Qing, and P.Hong, "Thermal effects in kilowatt fiberlasers, "IEEE Photonics Technology Letters, 2004, 16, 63-65);此外，由于光纤的缺陷和熔接损耗等因素，光纤激光器的实际效率将会更低。目前，高功率光纤激光器的光光效率一般在70-85%，一台1000瓦的光纤激光器，在掺杂光纤内部有150-300瓦的热量存在。美国劳伦斯-利福摩尔实验室研究人员Dawson等人指出，当掺杂光纤内部的热累积到一定程度时，惨杂光纤会发生纤芯融化(参见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.)。除了掺杂光纤的量子亏损外，由于模式不匹配导致的功率泄露，也会使得非掺杂传能光纤(后文简称传能光纤)内部热量积累以至烧毁光纤；由于熔接损耗导致激光泄露，熔点(包括掺杂光纤与掺杂光纤之间、掺杂光纤与传能光纤之间、传能光纤与传能光纤之间的熔点)热量的急剧累积也会导致光纤烧毁。因此，光纤内部的热效应是阻碍光纤激光功率提升的限制因素。为了提高光纤激光输出功率，必须采用有效的措施对光纤激光进行冷却。
[0003]目前，关于高功率光纤冷却已有CN101373881A《光纤整体冷却的循环装置》、CN101373882A《筒形光纤整体冷却装置》、CN101335422A《用于高功率双包层光纤激光器及其放大器的光纤冷却装置》、CN101222109A《高功率光纤激光器的冷却方法》、CN201397403Y《光纤冷却装置》等专利。这些专利都是掺杂光纤放置于加工好的机械热沉结构上，通过热层与光纤之间的热传导进行冷却。由于放置光纤的机械热层结构固定、光纤的形态固定，实际应用中或有不便；此外，大部分文献只能对光纤部分表面进行直接接触和传导冷却(如CN101222109A、CN101373882A)，难以对光纤的整个圆柱状面进行直接传导冷却，实际上限制了光纤激光输出功率的进一步提升。
【发明内容】
[0004]针对上述已有技术的不足，本发明提供了一种高功率光纤的高效冷却方法，防止高功率光纤外包层老化、降低光纤纤芯温度，提高高功率光纤激光器的工作稳定性。该方法不仅能够对高功率光纤的整个圆柱面进行有效地冷却，还能保证光纤能够在一定激光器允许的范围内任意形状弯曲放置。[0005]本发明的基本原理如下:
[0006]以双包层光纤为例，在大功率掺杂光纤中根据热传导方程(参见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]
【权利要求】
1.一种高功率光纤高效冷却方法，包括高功率光纤(11)、中空的圆柱形金属套管(12)、内部具有流动冷却液体(14)的热沉(13)，其特征在于:待冷却的高功率光纤(11)放入金属套管(12)内，在高功率光纤(11)与金属套管(12)的间隙注入导热介质(15)，金属套管(12)直接放置在热沉(13)的流动冷却液(14)中，金属套管(12)输入输出端口与热沉(13)接口处填充防水材料(16)防止冷却液(14)流出，通过导热介质(15)将高功率光纤(11)的热量传导到金属套管(12)上，通过流动的冷却液(14)带走金属套管(12)的热量。
2.如权利要求1所述的高功率光纤高效冷却方法，其特征在于:所述的高功率光纤(11)是用于高功率光纤激光器、放大器中的光纤，为掺杂光纤或传能光纤，其纤芯直径在10?200微米，外包层直径在250?1000微米之间。
3.如权利要求1所述的高功率光纤高效冷却方法，其特征在于:所述的中空圆柱形结构金属套管(12)是由导热系数较高金属材料制成；金属套管内直径比高功率光纤外径大10?500微米，直径在250?1500微米之间；金属套管的长度应比待冷却的光纤的长度长。
4.如权利要求1所述的高功率光纤高效冷却方法，其特征在于:所述热沉材料由导热系数较高金属材料制成，所述冷却液(14)是水或乙二醇。
5.如权利要求1所述的高功率光纤高效冷却方法，其特征在于:所述的导热介质(15)为导热硅脂、导热灌封胶或纳米石墨粉。
6.如权利要求1所述的高功率光纤高效冷却方法，其特征在于:所述的防水材料(16)为防水胶或防水涂料。
7.如权利要求3所述的高功率光纤高效冷却方法，其特征在于:所述金属套管的管壁厚度在0.5?I毫米之间，金属套管能够有效弯曲。
【文档编号】H01S3/042GK104037598SQ201410269683
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月17日 优先权日:2014年6月17日
【发明者】王小林, 陶汝茂, 周朴, 张坤, 张汉伟, 马鹏飞, 粟荣涛, 于海龙, 许晓军, 司磊, 陈金宝, 刘泽金 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学