一种用于棒状光纤的整体冷却装置的制作方法

本发明涉及光纤激光器与放大器领域，特别是一种用于高功率棒状光纤激光器中供光纤制冷的光纤整体冷却装置。

背景技术：

棒状光纤，特别是棒状光子晶体光纤结合了固体与光纤两种材料的优点，在高功率光纤激光器与放大器系统中的应用日益广泛。棒状光子晶体光纤外包层尺寸(可达1mm以上)远大于普通光纤(125μm)，其没有涂覆层结构，使用长度(0.3～1.2m)也短于普通光纤(2m以上)，为了提高其损伤阈值，其两端一般需要与大尺寸的石英端帽(6～8mm)相熔接(Schmidt O,Rothhardt J,Eidam T,et al.Single-polarization ultra-large-mode-area Yb-doped photonic crystal fiber[J].Optics express,2008,16(6):3918-3923.)。弯曲极易造成光纤表面石英外包层的破损、空气光子晶体结构的损坏与光纤端帽的断裂。此外，由于棒状光子晶体光纤掺杂浓度高，其掺杂介质受到泵浦光作用所产生的热效应造成光纤内温度上升迅速(Kim Y G,Ryu J W,Cha Y H,et al.Maintaining the polarization,temperature and amplification characteristics of a ytterbium-doped rod-type photonic crystal fiber(PCF)amplifier[J].2011.)，并导致光纤的模式不稳定性及效率下降(Coscelli E,Poli F,Alkeskjold T T,et al.Thermal effects on the single-mode regime of distributed modal filtering rod fiber[J].Lightwave Technology,Journal of,2012,30(22):3494-3499.)。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于棒状光纤的整体冷却装置，使其可以作为增益介质在光纤激光器与放大器中保持高功率稳定运转。采用棒状光纤主体与石英端帽分别支撑的方式，并可调节施加于光纤端帽上的应力，提高光纤结构的稳定性；通过螺丝固定的方式将各部分集合，形成稳定的整体结构；通过光纤表面与内部通过流动液体的热沉接触，降低了光纤温度，提高了光纤的温度稳定性。本装置保证了 高功率条件下棒状光纤输出激光的稳定性和抗环境温度变化能力，具有结构简单、制冷效果明显、实用性强、散热均匀等特点。

本发明的技术解决方案如下:

一种用于棒状光纤的整体冷却装置，由金属热沉支撑底座、上盖板和两块侧板互相连接围绕而成一立方体，在所述的金属热沉支撑底座内设有供待冷却的棒状光纤主体放置的V型槽，且该V型槽下方刻有冷却通道，在所述的金属热沉支撑底座上还设有与该冷却通道相连同的进/出口；在所述的侧板上设有供光纤石英端帽放置的梅花型槽；在所述的上盖板上设有制动用螺纹孔，尼龙圆柱螺丝由制动用螺纹孔置入，用于调整光纤石英端帽的应力；V型槽下，冷却液体经进/出口，通过冷却通道流动，带走棒状光纤上的热积累，降低棒状光纤的温度。

将待冷却的棒状光子晶体光纤放入内部具有流动体的热沉支撑底座的V型槽中，通过与热沉接触散热，流动的冷却液体通过棒状热沉支撑底座中的通道带走光纤散发的热量。上盖的V型槽通过螺丝与光纤密合固定，上盖与支撑底座也通过螺丝来实现贴合。光纤石英端帽放置在侧板的梅花型槽上，并通过制动用螺纹孔置入尼龙圆柱螺丝施加应力，控制石英端帽的位置与压力，保持石英端帽的稳定性。

所述的棒状光纤是用于高功率光纤激光器、放大器中的光纤，包括光子晶体光纤、激光晶体光纤、激光陶瓷光纤等。其纤芯直径大于30μm，外包层直径大于0.5mm，长度在0.3～1.2m之间，无涂覆层。

所述的棒状光纤冷却装置的组成部分--金属热沉支撑底座、上盖板以及2个冷却光纤石英端帽的侧板通过螺丝等方法固定，形成集成化装置，将棒状光纤及其端帽完全包裹于冷却结构中，保证了光纤结构的稳定性。

所述的棒状光纤主体与光纤石英端帽采用分离式夹持结构，通过金属热沉支撑底座与侧板分别支撑棒状光纤主体与光纤石英端帽，可灵活调节光纤主体与光纤石英端帽的相对位置，并通过制动螺丝与梅花型槽控制施加于石英光纤端帽上的应力，使其抗压能力增强，防止了光纤的弯折与损坏，提高了石英端帽的稳定性。

所述的支撑底座、上盖、侧板可以是铜或铝等导热系数较高的材料，支撑底座与上盖的V型槽宽度比光纤外包层直径大10～100μm，支撑底座长度与光纤长度一致，侧板长度应长于石英端帽长度1～3mm，上盖长度为支撑底座长度与侧板长度之和。

所述的金属支撑底座内部通以流动的低温冷却液体，可以是水或其他高导热的液体。通过棒状光纤外表面与金属热沉支撑底座接触式散热，提高热传导系数，可以有效降低光纤温度，提高光纤的温度稳定性。

本发明将棒状光纤放置于可冷却的支撑底座与上盖V型槽内，使得光纤的外表面与热沉接触，提高了热传导系数；侧板的独立支撑结构增加了石英端帽的灵活性，使其抗压能力增强，防止了光纤的弯折与损坏。

采用本发明可以达到以下技术效果:

1.本发明采用棒状光纤主体与石英端帽分别支撑的方式，可调节施加于光纤端帽上的应力，提高光纤结构的稳定性。

2.本发明采用螺丝等方式固定各部件，形成集成化装置，将棒状光纤及其端帽完全包裹于冷却结构中，结构简单，且保证了光纤结构的稳定性。

3.本发明通过整根光纤表面与内部通过流动液体的热沉接触，提高了热传导效率，降低了棒状光纤纤芯与包层的温度，制冷效果明显，提高了棒状光纤的模式不稳定阈值与输出效率。

附图说明

图1是本发明用于棒状光纤整体冷却装置的结构示意图。

图2是本发明用于棒状光纤整体冷却装置的实施例1的主视图。

图3是本发明用于棒状光纤整体冷却装置的实施例1的俯视图。

图4是本发明用于棒状光纤整体冷却装置的实施例1的左视图。

具体实施方式

以下结合附图和实施方式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。

图1是本发明用于棒状光纤整体水冷装置的结构示意图。图中，待冷却光纤由端帽11和光纤主体12构成，光纤主体12放置于热沉支撑底座14上刻写的V型槽16中，与V型槽接触。上盖板13通过螺孔19与热沉支撑底座14相固定，同时，光纤石英端帽放置于侧板15上的梅花型槽中，由上盖板上13的埋入式下沉通孔110置入螺丝固定，可通过控制螺丝旋入位置来控制施加于光纤石英端帽上的应力。热沉支撑底座14与侧板15通过螺丝紧密贴合。冷却液体通过进/出口18进出，并经过通道17流动，带走高功率光纤的热量。

实施例1

图2至图4为是本发明用于棒状光纤整体冷却装置的主视图、俯视图和左视图。图中，光纤端帽11长度为6mm，端帽直径6mm，棒状光纤12直径为1mm，光纤长度80.4cm，放置于铝制支撑底座14上的V型槽16中，V型槽深度0.7mm。V型槽16、支撑底座14长度均与相比光纤长度略短，为80cm，可防止石英与支撑底座过紧配合导致端帽损坏。V型槽底部有一水冷通道17，通过进/出口18使水流动。支撑底座14可通过通孔19与上盖板13相连接。侧板15通过螺丝固定于支撑底座24上，侧板15长度略长于端帽11，为8mm。通过与M3尼龙头圆柱制动螺丝110与梅花形槽111将端帽固定，通过控制螺丝110的位置来控制施加于光纤石英端帽上的应力。上盖板13长度为2个侧板15长度与支撑底座14长度之和，为81.6cm。

本发明通过采用分离式的端帽与光纤夹持装置,将光纤的应力均匀分布,有效降低了施加于光纤上的局部应力,保证光纤性能的稳定性。并采用流体冷却的方式，有效降低了光纤的工作温度，保护光纤长时间工作而不会由于热导致损坏、效率降低和光束质量变差，适用于高功率光纤激光器与放大器。

上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。