一种光纤盘绕结构、光纤冷却装置和光纤激光器的制作方法

1.本实用新型属于光纤激光器技术领域，特别涉及一种光纤盘绕结构、光纤冷却装置和光纤激光器。


背景技术：

2.在高功率光纤激光器中，通常使用大模场面积光纤技术，增大纤芯直径，提高光纤的有效吸收，提高非线性效应的阈值功率，从而在单根光纤中实现数千瓦的激光功率输出。
3.对于技术成熟、最常用的圆形结构阶跃光纤、增益光纤的内包层通常设计为多边形结构，比如八边形结构。这种多边形结构在实际的拉丝过程中，多边形的顶角会出现钝化，导致泵浦光在包层中传输时会存在较多的螺旋光，该部分光不经过纤芯，而无法被纤芯中的增益介质有效吸收，从而使激光器的效率变低。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本实用新型公开了一种光纤盘绕结构，以及设有该光纤盘绕结构的光纤冷却装置和光纤激光器，以克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
6.一种光纤盘绕结构，该光纤盘绕结构为非对称闭环结构，并且由多个圆弧段依此连接组成；其中，任意两个所述圆弧段的曲率半径不相等。
7.可选的，该光纤盘绕结构中的任意一个所述圆弧段的曲率半径不小于30mm。
8.可选的，所述圆弧段的曲率半径范围为40mm～120mm。
9.可选的，该光纤盘绕结构由八段不同曲率半径的圆弧段依此连接组成。
10.一种光纤冷却装置，包括冷却板和光纤盘绕板，并且所述光纤盘绕板与所述冷却板采用可拆卸式连接；其中，所述光纤盘绕板上设有以上所述的光纤盘绕结构，用于盘绕放置光纤。
11.可选的，所述圆弧段采用凹槽结构，并且所述凹槽的外槽底和外槽壁伸入所述冷却板中的冷却区域。
12.可选的，所述圆弧段采用冲压凹槽。
13.可选的，所述光纤盘绕板的两个表面分别设有辅助凹槽和作为所述圆弧段的凹槽，所述辅助凹槽位于作为所述圆弧段的凹槽的外槽壁两侧并且沿作为所述圆弧段的凹槽的长度方向开设。
14.可选的，所述凹槽的外槽壁深度尺寸小于所述冷却板的深度尺寸。
15.一种光纤激光器，包括以上所述的光纤冷却装置。
16.本实用新型的优点及有益效果是：
17.1、在本实用新型中，通过将光纤盘绕结构设计为非对称闭环结构形式并且由多个曲率半径均不相等的圆弧段依此连接组成，就可以在将光纤沿光纤盘绕结构进行盘绕放置之后，对增益光纤进行单圈盘绕过程中的弯曲曲率和弯曲方向进行连续不同变化，从而大
幅度改变光纤内包层中传输泵浦光的传输方向，达到在较短光纤长度上最大程度减少光纤内包层中螺旋光成分的目的，进而提高内包层结构中泵浦光的吸收利用效率，提升激光器的光光效率和电光效率。
18.2、在本实用新型中，通过将光纤盘绕板和冷却板设计为可拆卸式固定连接，就可以对光纤盘绕板和冷却板之间的反复拆装，实现对光纤盘绕板或冷却板的快速拆装更换，从而达到对不同光纤盘绕板与不同冷却板之间的快速组合使用效果，提高整个光纤激光器的使用效率和便捷性。
19.3、在本实用新型中，通过将组成光纤盘绕结构的圆弧段设计为凹槽结构形式，并且使凹槽的外槽底和外槽壁直接伸入冷却板的冷却区域，从而使凹槽的外槽底和外槽壁与冷却板中的冷媒介质形成直接接触，使穿过冷却板的冷媒介质可以同时从凹槽的外槽底表面和外槽壁表面流过，增加光纤通过凹槽与冷媒介质的接触面积，提高对盘绕放置在凹槽内光纤的冷却效果。
附图说明
20.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
21.图1为本实用新型的一个实施例中光纤冷却装置的外形结构图；
22.图2为本实用新型的一个实施例中光纤盘绕结构的结构图；
23.图3为本实用新型的一个实施例中光纤冷却装置沿图1中f-f方向的剖面结构示意图；
24.图4为本实用新型的另一个实施例中光纤冷却装置沿图1中f-f方向的剖面结构示意图；
25.图中：1、光纤冷却装置；11、冷却板；12、光纤盘绕板；111、进口；112、出口；113、冷却区域；121、光纤盘绕结构；122、辅助凹槽。
具体实施方式
26.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型具体实施例及相应的附图对本实用新型技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
27.以下结合附图，详细说明本实用新型各实施例提供的技术方案。
28.结合图1和图2所示，本实施例公开了一种用于光纤激光器的光纤冷却装置1。其中，该光纤冷却装置1用于对光纤激光器中的光纤进行承载放置和冷却处理。
29.光纤冷却装置1包括冷却板11和光纤盘绕板12，并且光纤盘绕板12与冷却板11之间通过卡扣进行插拔式固定连接。其中，在冷却板11上设有进口111和出口112，以分别用于将冷媒介质引入冷却板11以及将冷媒介质引出冷却板11，使冷媒介质从冷却板11的内部穿过。在光纤盘绕板12上设有一个非对称闭环结构形式的光纤盘绕结构121，用于盘绕放置光
纤，而该光纤盘绕结构121则由曲率半径不相等的八个圆弧段s1至s8依此连接组成。
30.在本实施例中，通过将光纤盘绕结构设计为非对称闭环结构形式并且由多个曲率半径均不相等的圆弧段依此连接组成，就可以在将光纤沿光纤盘绕结构进行由内向外排布盘绕放置时，对增益光纤形成单圈盘绕过程中弯曲曲率和弯曲方向的连续不同变化，从而大幅度改变光纤内包层中传输泵浦光的传输方向，达到在较短光纤长度上最大程度减少光纤内包层中螺旋光成分的目的，进而提高内包层结构中泵浦光的吸收利用效率，提升激光器的光光效率和电光效率。这样，就可以缩短在光纤盘绕板上所盘绕放置的光纤长度，减少光纤的盘绕量，减小光纤盘绕板的尺寸，从而减小整个光纤冷却装置的体积尺寸，提高该光纤激光器的集成度和使用灵活便捷性。
31.优选的，在本实施例中，针对光纤激光器所选用纤芯直径为20μm、数值孔径为0.06的光纤进行的盘绕，将构成光纤盘绕结构的八个圆弧段的曲率半径控制在40mm～120mm。
32.这样，在满足光纤弯曲最小曲率半径尺寸要求的情况下，通过减小圆弧段的曲率半径，不仅可以实现增益光纤的有效弯曲滤模，而且还可以进一步减小整个光纤盘绕结构的长度和所占面积，实现该光纤激光器的小型化设计，提高该光纤激光器的使用灵活便捷性。
33.当然，在其他实施例中，根据光纤激光器所选用增益光纤的参数不同，可以对构成光纤盘绕结构的圆弧段的曲率半径进行相应调整，但是要控制在最小曲率半径不小于30mm的范围内，避免曲率过小反而导致损耗的增加，保证对增益光纤的有效弯曲滤模。
34.在本实施例中，光纤盘绕结构由八个圆弧段s1至s8依此连接形成类8字形的非对称闭环结构。在其他实施例中，根据设计和使用工况的不同，既可以调整组成光纤盘绕结构的圆弧段数量，也可以调整光纤盘绕结构的形状，以构成其他非对称闭环结构形式，满足设计和使用要求。
35.另外，在本实施例中，通过将光纤盘绕板12与冷却板11设计为卡扣式行插拔固定连接，从而构成光纤盘绕板与冷却板之间的可拆卸式固定连接。这样，在实际使用过程中，当需要根据选用光纤的不同而调整光纤盘绕板上光纤盘绕结构形式，或者需要根据使用工况的不同需要改变冷却方式时，通过对光纤盘绕板和冷却板之间的反复拆装，就可以实现对光纤盘绕板或冷却板的快速拆装更换，从而达到对不同光纤盘绕板与不同冷却板之间的快速组合使用效果，提高整个光纤激光器的使用效率和便捷性。
36.其中，在本实施例中，通过使用卡扣实现光纤盘绕板与冷却板之间可拆卸式固定连接。当然，在其他实施例中，也可以采用其他方式对光纤盘绕板与冷却板进行可拆卸式固定连接，例如螺栓连接、法兰连接甚至光纤盘绕板与冷却板之间采用螺纹连接。
37.进一步，结合图3所示，在本实施例中，组成光纤盘绕结构121的圆弧段s1至s8采用凹槽结构形式，并且凹槽的外槽底和外槽壁直接伸入冷却板11的冷却区域113中，使凹槽的外槽底和外槽壁与冷却区域113中的冷媒介质形成直接接触。
38.此时，穿过冷却板的冷媒介质就可以同时从凹槽的外槽底表面和外槽壁表面流过，增加凹槽与冷媒介质的接触面积，从而增加光纤通过凹槽与冷媒介质进行热交换的区域面积，提高对盘绕放置在凹槽内光纤的冷却效果。
39.其中，在本实施例中，光纤盘绕板选用薄板结构并且通过冲压的方式实现对凹槽的加工制备，即组成光纤盘绕结构的圆弧段采用冲压凹槽。这样，可以提高对凹槽的加工效
率，降低加工成本。当然，在其他实施例中，根据设计和使用工况的要求，也可以采用其他方式进行凹槽的加工制造，例如结合图4所示，针对高尺寸精度要求的情况，可以通过对光纤盘绕板12的两个对应表面分别进行铣削加工的方式，使光纤盘绕板12的一个表面设有构成光纤盘绕结构121的凹槽，另一个表面则设有位于凹槽外槽壁两侧的辅助凹槽122，而辅助凹槽122则沿光纤盘绕结构121的长度方向开设，从而在实现对凹槽结构光纤盘绕结构121进行高精度制备的同时，借助辅助凹槽122使凹槽结构的光纤盘绕结构121的外槽底和外槽壁形成与冷却板11中冷却区域113中冷媒介质的直接接触。
40.这样，在采用对光纤盘绕板进行两面铣削加工的设计时，就可以使辅助凹槽作为冷却区域的一部分，将冷却区域的冷媒介质引流至辅助凹槽中，引导冷媒介质沿凹槽的两个外槽壁进行流动，从而增加冷媒介质与凹槽的接触面积，增强对凹槽内所盘绕光纤的冷却效果，提高对冷媒介质的利用率。
41.另外，通过将凹槽的外槽壁深度尺寸设置为小于冷却板的深度尺寸，从而可以形成包裹凹槽的冷媒介质流道，即使冷媒介质沿凹槽的外槽底和两个外槽壁同时进行流动，进一步增强冷媒介质对凹槽内所盘绕光纤的冷却效果，提高对冷媒介质的利用率。
42.此外，在其他实施例中，也可以直接在光纤盘绕板的一个表面进行凹槽铣削加工形成光纤盘绕结构，而另一表面则保持平面结构形式用于与冷却板中的冷媒介质进行接触，形成对凹槽的外槽底进行冷却处理。
43.甚至，在另外的实施例中，针对厚度尺寸较小的光纤盘绕板，即薄板形式的光纤盘绕板，则可以采用3d打印的加工方式在光纤盘绕板的表面形成用于盘绕光纤的光纤盘绕结构。这样，就可以选用薄板形式的高导热材质作为光纤盘绕板，进一步提高对光纤的冷却效果，同时也可以避免对凹槽形式光纤盘绕结构进行铣削加工时造成的光纤盘绕板变形，从而保证所获得非对称闭环结构形式光纤盘绕结构的尺寸精度，保证光纤盘绕结构对增益光纤的有效弯曲滤模，提升激光器的光光效率和电光效率。
44.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，在本实用新型的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本实用新型的目的，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。