光纤激光输出设备的制作方法

本实用新型涉及激光技术，特别是涉及一种光纤激光输出设备。

背景技术：

光纤激光输出设备具有具有体积小、重量轻、结构紧凑灵活、免调节、免维护、高稳定性的优点，能在恶劣的环境中工作，即对灰尘、振荡、冲击、湿度和温度具有很高的容忍度，这是传统激光器无法比的。然而，在特殊应用领域中，如户外高压线除障等，需要使用百瓦级的光线激光器同时要求具有便携性，对光纤激光输出设备的体积及重量控制提出更加严格的要求，现有的高功率输出的光纤激光输出设备为保证散热效率一般利用水冷方式进行冷却，进而在结构上包含了水冷板和水冷机，不利于高功率输出的光纤激光输出设备的体积及重量的控制。

技术实现要素：

基于此，有必要针对光纤激光输出设备的体积及重量的控制问题，提供一种采用热管技术进行散热，体积小、重量轻的光纤激光输出设备。

一种光纤激光输出设备，包括：

光源发生机构，用于产生激光光线；所述光源发生机构包括依次连接的泵浦源组件、泵浦合束器、光纤谐振腔、包层功率剥离器、及准直输出器；所述泵浦源组件向所述泵浦合束器输入泵浦光；所述泵浦合束器向所述光纤谐振腔输出泵浦光；所述包层功率剥离器对激光光线进行过滤；及

散热机构，所述光源发生机构安装在所述散热机构上；所述散热机构包括第一散热器、连接所述第一散热器的第二散热器、及连接所述第一散热器的气流产生组件；所述泵浦源组件安装在所述第一散热器上；所述第一散热器包括铜基板、连接所述铜基板的铝基板、及若干热管；所述热管包括蒸发段及冷凝段，所述热管的蒸发段焊接在所述铜基板的上表面，所述热管的冷凝段焊接在所述铝基板的上表面；所述光纤谐振腔安装在所述第二散热器上；所述气流产生组件令所述第一散热器与所述第二散热器之间的气体产生流动。

上述光纤激光输出设备，通过利用第一散热器对光源发生机构的泵浦源组件进行散热，热管将铜基板上的部分热量传导到铝基板上，加快泵浦源组件的热量导出，气流产生组件令第一散热器及第二散热器之间的气体产生流动，从而在保证散热效率的同时简化了光纤激光输出设备的散热结构，令光纤激光输出设备的体积及重量得到有效的控制，提高了便携性。

在其中一个实施例中，所述泵浦源组件包括第一主泵浦源、及第二主泵浦源；所述泵浦合束器设有第一输入端、第二输入端；所述第一主泵浦源连接所述泵浦合束器的第一输入端，所述第二主泵浦源连接所述泵浦合束器的第二输入端；所述铜基板的上表面上设有与所述第一主泵浦源对应的第一安装区，所述第一主泵浦源安装在所述第一安装区上；所述铜基板的上表面上设有与所述第二主泵浦源对应的第二安装区，所述第二主泵浦源安装在所述第二安装区上；所述铜基板的第一安装区、第二安装区中分布有若干所述热管的蒸发段。

在其中一个实施例中，所述铜基板的内侧设有若干第一散热片；所述铝基板的内侧设有若干第二散热片。

在其中一个实施例中，所述光纤谐振腔包括高反光栅、有源光纤及低反光栅；所述高反光栅的第一端作为所述光纤谐振腔的输入端；所述高反光栅的第二端连接所述有源光纤的第一端；所述有源光纤的第二端连接所述低反光栅的第一端；所述低反光栅的第二端作为所述光纤谐振腔的输出端；所述泵浦合束器设有输出端；所述光纤谐振腔的输入端连接所述泵浦合束器的输出端；所述光纤谐振腔输出端与所述包层功率剥离器的第一端连接，所述包层功率剥离器的第二端连接所述准直输出器。

在其中一个实施例中，所述有源光纤设置在所述第二散热器外侧，所述第二散热器外侧设有凹槽，所述有源光纤容置在所述凹槽中；所述高反光栅、所述低反光栅、所述包层功率剥离器、及所述泵浦合束器与所述第二散热器的外侧连接。

在其中一个实施例中，所述泵浦源组件还包括第一副泵浦源及第二副泵浦源；所述第一副泵浦源及所述第二副泵浦源设置在所述第一散热器外侧；所述泵浦合束器设有第三输入端、第四输入端；所述第一副泵浦源连接所述泵浦合束器的第三输入端，所述第二副泵浦源连接所述泵浦合束器的第四输入端。

在其中一个实施例中，光源发生机构还包括波分复用器和红光激光器；所述泵浦合束器还设有第五输入端；所述红光激光器的输出端连接所述波分复用器的第一端；所述波分复用器的第二端连接所述泵浦合束器的第五输入端。

在其中一个实施例中，所述光源发生机构还包括功率监控单元，所述功率监控单元的输入端耦合所述波分复用器的第一端。

在其中一个实施例中，所述气流产生组件包括若干散热风扇，及用控制所述散热风扇转速的调节电路；所述散热风扇安装在所述第一散热器的一侧，且与所述第一散热器与所述第二散热器之间的间隙对应设置；所述散热风扇中设有驱动其内部定子绕组电流变换的驱动电路；所述驱动电路与所述调节电路连接；所述散热机构还包括设置在所述第一散热器上的温度监控单元，所述温度监控单元与所述调节电路连接，所述温度监控单元根据所述第一散热器的温度而向所述调节电路产生相应的电信号。

在其中一个实施例中，所述散热机构还包括第一承载板及第二承载板；所述第一承载板分别连接所述第一散热器的一侧及所述第二散热器的一侧；所述第二承载板分别连接所述第一散热器的另一侧及所述第二散热器的另一侧；所述第一散热器、所述第二散热器上分别设有通风口；所述散热风扇安装在所述第一承载板上；所述准直输出器安装在所述第二承载板上。

附图说明

图1为本实用新型的一较佳实施例的光纤激光输出设备的立体示意图；

图2为图1所示的光纤激光输出设备在隐藏护罩后的立体示意图；

图3为图1所示的光纤激光输出设备在另一角度的立体示意图；

图4为图1所示的光纤激光输出设备的光源发生机构的结构图；

图5为图1所示的光纤激光输出设备的第一散热器的立体示意图；

图6为图1所示的光纤激光输出设备的第一散热器在另一大角度的立体示意图；

图7为温度监控单元、调节电路及驱动电路之间的连接关系图；

图8为本实用新型的一实施例的光纤激光输出设备的输出光谱图；

图9为本实用新型的一实施例的光纤激光输出设备长时间运行时的输出功率图；

图10为本实用新型的一实施例的光纤激光输出设备的电光效率及输出功率随温度变化的趋势图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将对本实用新型进行更全面的描述。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

请参阅图1至图7，为本实用新型一较佳实施方式的光纤激光输出设备100，用于输出激光光线。该光纤激光输出设备100包括

光源发生机构20，用于产生激光光线；光源发生机构20包括依次连接的泵浦源组件21、泵浦合束器22、光纤谐振腔23、包层功率剥离器24、及准直输出器25；泵浦源组件21向泵浦合束器22输入泵浦光；泵浦合束器22向光纤谐振腔23输出泵浦光；包层功率剥离器24对激光光线进行过滤；及

散热机构30，光源发生机构20安装在散热机构30上；散热机构30包括第一散热器31、连接第一散热器31的第二散热器32、及连接第一散热器31的气流产生组件33；泵浦源组件21安装在第一散热器31上；第一散热器31包括铜基板311、连接铜基板311的铝基板312、及若干热管313；热管313包括蒸发段及冷凝段，热管313的蒸发段焊接在铜基板311的上表面，热管313的冷凝段焊接在铝基板312的上表面；光纤谐振腔23安装在第二散热器32上；气流产生组件33令第一散热器31与第二散热器32之间的气体产生流动。

通过利用第一散热器31对光源发生机构20的泵浦源组件21进行散热，热管313将铜基板311上的部分热量传导到铝基板312上，加快泵浦源组件21的热量导出，气流产生组件33令第一散热器31及第二散热器32表面的气体产生流动，从而在保证散热效率的同时简化了光纤激光输出设备100的散热结构，令光纤激光输出设备100的体积及重量得到有效的控制，提高了便携性。

请参阅图2、图4及图5，泵浦源组件21包括第一主泵浦源211、及第二主泵浦源212；泵浦合束器22设有第一输入端、第二输入端；第一主泵浦源211 连接泵浦合束器22的第一输入端，第二主泵浦源212连接泵浦合束器22的第二输入端；铜基板311的上表面上设有与第一主泵浦源211对应的第一安装区 314，第一主泵浦源211安装在第一安装区314上；铜基板311的上表面上设有与第二主泵浦源212对应的第二安装区315，第二主泵浦源212安装在第二安装区315上；铜基板311的第一安装区314、第二安装区315中分布有若干热管 313的蒸发段。

在本实施方式中，第一主泵浦源211、及第二主泵浦源212为半导体激光器；第一主泵浦源211及第二主泵浦源212所产生的泵浦光通过泵浦合束器22进行合束；通过将第一主泵浦源211安装在第一安装区314、将第二主泵浦源212安装在第二安装区315，使第一主泵浦源211及第二主泵浦源212所产生的热量能通过铜基板311快速地扩散，同时，通过热管313，第一主泵浦源211、第二主泵浦源212及铜基板311上的热量能快速传导至铝基板312上，从而保证了第一主泵浦源211及第二主泵浦源212的散热效率，同时减少了铜材的使用，减少材料成本，及控制散热机构30的重量。

优选地，泵浦合束器为(6+1)*1结构，由1条信号臂和6条泵浦臂组成，输入信号臂为10/125um的双包层光纤，其纤芯直径是10um，包层直径是125um。输出信号臂为12/250um的双包层光纤，其纤芯直径是12um，包层直径是250um，信号光在信号臂的纤芯内传输，泵浦臂为105/125um的双包层光纤，其纤芯直径是105um，包层直径是125um，泵浦光通过4条泵浦臂耦合到信号光纤的内包层中。

具体地为增加热管313与铜基板311的接触面积，铜基板311的上表面上设有与热管313的蒸发段对应的第一容管槽，热管313的蒸发段容置在第一容管槽中；为增加热管313与铝基板312的接触面积，铝基板312设有与热管313 的冷凝段对应的第二容管槽，热管313的冷凝段容置在第二容管槽中。

具体地，第一主泵浦源211及第二主泵浦源212为半导体激光器，波长为 915nm。

请参阅图6，为提升散热机构30的散热面积，铜基板311的内侧设有若干第一散热片316；铝基板312的内侧设有若干第二散热片317。

请参阅图4，光纤谐振腔23包括高反光栅231、有源光纤232及低反光栅 233；高反光栅231的第一端作为光纤谐振腔23的输入端；高反光栅231的第二端连接有源光纤232的第一端；有源光纤232的第二端连接低反光栅233的第一端；低反光栅233的第二端作为光纤谐振腔23的输出端泵浦合束器22设有输出端；光纤谐振腔23的输入端连接泵浦合束器22的输出端；光纤谐振腔 23输出端与包层功率剥离器24的第一端连接，包层功率剥离器24的第二端连接准直输出器25。

泵浦合束器22将第一主泵浦源211、第二主泵浦源212所发出的泵浦光合束到一根光纤中，并从输出端输出；有源光纤232作为增益介质，使用12/250 的双包层掺镱光纤。

泵浦合束器22的输出端射出合束光至高反光栅231的第一端并透射过高反光栅231，从高反光栅231的第二端射入有源光纤232的第一端，有源光纤232 对合束光进行吸收处理，处理后的光信号从有源光纤232的第二端射出，并向低反光栅233的第一端射入，低反光栅233反射该处理后的光信号，反射后的光信号依次经过低反光栅233的第一端、有源光纤232的第二端、有源光纤232 的第一端、高反光栅231的第二端、再从高反光栅231的第二端射入，高反光栅231反射该经过低反光栅233反射后的光信号，经高反光栅231反射后的光信号沿原路返回低反光栅233，以此实现光信号的振荡，最终从低反光栅233的第二端输出振荡后的光信号。

包层功率剥离器24对未被吸收的泵浦光进行滤除，从而保证输出激光的光束质量。具体地，有源光纤232为掺镱光纤。

准直输出器25将包层功率剥离器24输出的光信号转化为准直光；准直输出器25的尾纤为12/250光纤um，输出光斑5.0mm。

具体地，高反光栅231与有源光纤232的连接处附着有高折射率胶水(为图4中的291)；低反光栅233与有源光纤232的连接处附着有低折射率胶水(为图4中的292)；高折射率胶水用于滤除未被有源光纤232吸收的泵浦光，低折射率胶水用于防止光信号泄露；在本实施方式中，高反光栅231及低反光栅233 为在12/250um双包层光纤中刻写的啁啾光栅，高反光栅反射率大于99％，低反光栅反射率为10％。

请参阅图3，为向有源光纤232提供散热，同时保证光纤激光输出设备100 结构紧凑，同时避免有源光纤232盘绕直径过小，有源光纤232设置在第二散热器32外侧，第二散热器32外侧设有凹槽321，有源光纤232容置在凹槽321 中；高反光栅231、低反光栅233、包层功率剥离器24、及泵浦合束器22与第二散热器32的外侧连接。

在另一实施方式中，为减少第二散热器32的厚度，有源光纤232部分容置在凹槽321中，有源光纤232的另一部分在第二散热器32表面平铺。

请再次参阅图2及图4，进一步地，为减少第一主泵浦源211及第二主泵浦源212的通过电流，以使光纤激光输出设备100可持续输出高功率激光光线，泵浦源组件21还包括第一副泵浦源213及第二副泵浦源214；第一副泵浦源213 及第二副泵浦源214设置在第一散热器31外侧；泵浦合束器22设有第三输入端、第四输入端；第一副泵浦源213连接泵浦合束器22的第三输入端，第二副泵浦源连接泵浦合束器22的第四输入端。

具体地，第一副泵浦源213或第二副泵浦源214的功率小于第一主泵浦源 211或第二主泵浦源212的功率。在其中一个实施例中，第一主泵浦源211、第二主泵浦源212为85w功率的半导体激光器，波长为915nm；第一副泵浦源 213、第二副泵浦源214为10w功率的半导体激光器，波长为915nm；本实施的输出光谱图如图8所示，光谱中心为1080.29nm，3dB谱宽1.9nm，能够保持较窄线宽输出；第一主泵浦源211、第二主泵浦源212、第一副泵浦源213及第二副泵浦源214混用，实现了100W连续光输出，同时保证较低的电流，使得泵浦源的寿命得到保证。本实施例的光纤激光输出设备100在49小时的测试运行状况如下表表1及图9所示，

表1

由表1可得，本实施例的光纤激光输出设备100的输出功率可稳定在100W 附近，功率最大波动为1.18％，功率稳定性良好。本实施例的光纤激光输出设备 100在各个温度下的输出情况如表2所示，

表2

由表2可得，本实施例的光纤激光输出设备100的输出功率在各个温度情况下可保持稳定。

在其中一种实施方式中，有源光纤232所发出的激光的波长处于不可见光的波长内，为方便使用者将输出激光对准被照射的物体，光纤激光输出设备100 还包括波分复用器27和红光激光器26；泵浦合束器22还设有第五输入端；红光激光器26的输出端连接波分复用器27的第一端；波分复用器27的第二端连接泵浦合束器22的第五输入端；红光激光器26输出的红光激光通过波分复用器27耦合并进入光纤谐振腔23，并最终由准直输出器25输出，起指示灯光作用。

具体地，波分复用器27为10/125um光纤。

请参阅图4，进一步地，为确保运行安全，光源发生机构20还包括功率监控单元28，功率监控单元28的输入端耦合波分复用器27的第一端。

功率监控单元28的输出端产生与光纤激光输出设备100输出功率相关的电信号，当功率监控单元28输出的电信号到达预定值时，泵浦源组件21停止运行，以避免光源发生机构20受损。

请参阅图1、图2、及图7，气流产生组件33包括若干散热风扇331，及用控制散热风扇331转速的调节电路332；散热风扇331安装在第一散热器31的一侧，且与第一散热器31与第二散热器32之间的间隙对应设置；散热风扇331 中设有驱动其内部定子绕组电流变换的驱动电路333；驱动电路333与调节电路 332连接；散热机构30还包括设置在第一散热器31上的温度监控单元34，温度监控单元34与调节电路332连接，温度监控单元34根据第一散热器31的温度而向调节电路332产生相应的电信号。

调节电路332根据温度监控单元34的电信号而确认第一散热器31上的温度状态，调节电路332根据第一散热器31上的温度高低而向驱动电路333产生转速信号，驱动电路333根据转速信号而调整定子绕组的电流变换频率，从而使在温度上升时，散热风扇331的转速上升，提高散热机构30的散热速度，在温度下降时，散热风扇331的转速下降，减少光纤激光输出设备100的电能消耗。

本实施例的光纤激光输出设备100的电光效率及输出功率随温度的变化如图10所示，低温时，泵浦源组件21阻值增大，导致电流降低，从而导致输出功率下降，因此当温度低于0℃时，随着温度的下降输出功率也随之下降，所以当环境温度为-20℃时，输出功率有最小值，其值为98.93W。当温度升高时，泵浦波长会红移，有源光纤对泵浦光的吸收系数随着波长的漂移而下降，从而导致电光效率及输出功率下降。当环境温度从20℃升到30℃时，由于散热风扇331 调速的作用，导致电光效率下降。

具体地，气流产生组件33还包括护罩334，散热风扇331容置在护罩334 中，以避免散热风扇331受到外部干扰。

具体地，散热机构30还包括第一承载板35及第二承载板36；第一承载板35分别连接第一散热器31的一侧及第二散热器32的一侧；第二承载板36分别连接第一散热器31的另一侧及第二散热器32的另一侧；第一散热器31、第二散热器32上分别设有通风口；散热风扇331安装在第一承载板35上；准直输出器25安装在第二承载板36上。

本实施例中，通过利用第一散热器对光源发生机构的泵浦源组件进行散热，热管将铜基板上的部分热量传导到铝基板上，加快泵浦源组件的热量导出，气流产生组件令第一散热器及第二散热器表面的气体产生流动，从而在保证散热效率的同时简化了光纤激光输出设备的散热结构，令光纤激光输出设备的体积及重量得到有效的控制，使重量小于8.3KG、体积规格在325mm*260mm*75mm范围内的光纤激光输出设备的激光输出功率可达109.8W以上，提高了高输出功率光纤激光输出设备的便携性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。