一种具有类光纤波导结构的激光器散热材料

1.本发明涉及激光技术领域，主要涉及一种具有类光纤波导结构的激光器散热材料，适用于各种光纤激光系统。


背景技术：

2.光纤激光器与传统固体激光器相比具有转换效率高、光束质量好等优势,是国内外激光技术研发领域的最大热点方向之一。光纤激光器中采用掺杂光纤作为增益介质，其表面积/体积比较大，与传统的固体激光器相比具有更好的散热性能。
3.然而，随着单根光纤输出功率不断提升，单纤光纤激光器的功率已经达到万瓦级别。由于量子亏损的存在，光纤中会产生严重的热效应，模场面积降低，在单模光纤中还会导致多模现象，从而影响到光束质量，限制了激光器输出功率的进一步提升。为实现高功率光纤激光器的输出功率提升，热效应问题亟待解决。
4.目前，解决热效应的方法主要有三种：改变光纤的参数；选择合适的泵浦方式和结构使得热量均匀分布；采用外部散热装置。前述两种方法仍然是使用传统的石英材料光纤，散热能力有限。通过外部散热装置进行散热最为高效，也是使用最为广泛的一种方法，然而这种方法增大了光纤激光器的体积，提高了装置的复杂度。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，通过一种具有类光纤波导结构的激光器散热材料，解决光纤激光器的热效应问题，克服光纤激光器石英基体或者玻璃基体的导热性差的缺点，能够输出高功率、高光束质量的激光，同时使得光纤激光器的结构紧凑，集成度高。
6.本发明采用以下技术方案实现。
7.一种具有类光纤波导结构的激光器散热材料，通过激光内雕加工激光晶体或者激光透明陶瓷基体在其内部形成类光纤波导结构。
8.所述的激光晶体或者激光透明陶瓷基体为掺杂稀土离子的激光晶体或激光透明陶瓷基体，且对激光波段透明，导热率大于1.38w/m
·
k。
9.所述的类光纤波导结构呈单层或多层类光纤盘绕状，所述类光纤波导结构的横截面具有呈圆对称分布的微孔构成的类包层，以及分布在类包层中央的类纤芯和环绕在该类包层外的空心圆环。
10.所述的类包层折射率小于类纤芯折射率，所述的空心圆环将泵浦光束缚在芯包结构中。
11.所述的微孔通过改变形状、大小和排布，实现对类光纤波导结构参数的改变。
12.所述的类纤芯的直径范围为3-100um。
13.所述的类光纤波导结构能够传输单模或多模。
14.所述的单层或多层类光纤盘绕状为“8”字型、“s”型、立交桥型或其他满足光传输的盘绕方式。
15.所述的一种具有类光纤波导结构的激光器散热材料，以激光晶体或者激光透明陶瓷作为基体，先加工制成厚度不超过1mm的薄片；并在薄片的内部，通过激光内雕加工出类光纤波导结构。
16.与现有技术相比，本发明的有益之处在于，
17.1)以掺杂稀土离子的激光晶体或激光透明陶瓷基体，且对激光波段透明，导热率大于1.38w/m
·
k为基体材料，与传统的石英基体或者玻璃基体光纤相比，其自身就具有较好的导热性，减小了激光系统的热效应，有利于提高激光器的输出功率和光束质量。
18.2)在薄片的内部，通过激光内雕加工出微孔结构，使得晶体的折射率空间分布发生改变，在晶体内部形成类光纤波导结构。在使用该具有类光纤波导结构的激光器散热材料时，可以实现在光传输的同时进行较好的散热操作，避免采用外部冷却装置带来的系统体积过大的问题，有利于解决光纤与外部散热装置接触面积小而导致的散热速度慢等问题，降低光纤激光系统的复杂度，提高光纤激光系统的集成度。
附图说明
19.图1是本发明具有类光纤波导结构的激光器散热材料的实施例1。
20.图2是本发明具有类光纤波导结构的激光器散热材料的实施例2。
21.图3是实施例2的主视图。
22.图4是实施例2的左视图。
23.图5是本发明提供的类光纤波导结构横截面微孔阵列的第一种分布方式。
24.图6是本发明提供的类光纤波导结构横截面微孔阵列的第二种分布方式。
25.1.激光器散热材料；2.类光纤波导结构；3.上层盘绕面；4.下层盘绕面；5.上下层盘绕面连接曲线；6.类纤芯；7.类包层；8.空心圆环。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案和其有益效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。
27.一种具有类光纤波导结构的激光器散热材料1，通过激光内雕加工激光晶体或者激光透明陶瓷基体在其内部形成类光纤波导结构2。所述的激光晶体或者激光透明陶瓷基体为掺杂稀土离子的激光晶体或激光透明陶瓷基体，且对激光波段透明，导热率大于1.38w/m
·
k。所述的类光纤波导结构2呈单层或多层类光纤盘绕状，所述类光纤波导结构的横截面具有呈圆对称分布的微孔构成的类包层7，以及分布在类包层中央的类纤芯6和环绕在该类包层外的空心圆环8。使用对激光波段透明的晶体，通过激光内雕加工出微孔阵列，数条线型密排的微孔阵列在晶体内盘绕。包层分布周期性空气孔结构，使得包层折射率小于纤芯折射率，光在折射率较高的纤芯中传输。微孔结构的最外层为空心圆环，将泵浦光束缚在类芯包结构中，形成类光纤波导结构。通过设计微孔不同的形状、大小和排布，可以实现对类光纤波导结构参数的改变。
28.图1是本发明具有类光纤波导结构的激光器散热材料的实施例1，如图所示，采用对激光波段透明的yb yag晶体，制成尺寸为20
×
10
×
0.1cm的薄片。通过激光内雕加工薄
片，在该薄片内形成“s”型盘绕的类光纤波导结构2。该类光纤波导结构2为单层类光纤盘绕状，类光纤波导结构的横截面具有呈圆对称分布的微孔构成的类包层7，以及分布在类包层中央的类纤芯6和环绕在该类包层外的空心圆环8，如图5所示。纤芯/包层直径为10/125um，na为1.02，长度约为3米。抽运光从左侧任一端口进入类光纤波导中，由于类包层的微孔结构，纤芯的折射率大于包层有效折射率，使得光主要在纤芯中传播。抽运光在类光纤波导结构2中传输后，经由左侧另一端口出射。在传输过程中，得益于yb yag晶体良好的导热性，直接将产生的废热带走，具有较好的散热功能。
29.图2是本发明具有类光纤波导结构的激光器散热材料的实施例2。类光纤波导结构为多层类光纤盘绕状，图3、图4分别为该结构主视图和左视图。类光纤波导结构的横截面具有呈圆对称分布的微孔构成的类包层7，以及分布在类包层中央的类纤芯6和环绕在该类包层外的空心圆环8，如图6所示。光传输时，从类光纤波导结构a端进入，在材料内部平面3中顺时针环绕两周后到达c点处，经由连接线5进入环绕面4，以相同方式顺时针环绕，随后从b端出射。
30.以上实例可以看出，本实施例提供的一种具有类光纤波导结构的新型激光器散热材料，以掺杂稀土离子的激光晶体或激光透明陶瓷基体，且对激光波段透明，导热率大于1.38w/m
·
k为基体材料，与传统的石英基体或者玻璃基体光纤相比，其自身就具有较好的导热性，减小了激光系统的热效应，有利于提高激光器的输出功率和光束质量，可以获得高功率、高光束质量的激光。
31.在薄片的内部，通过激光内雕加工出微孔结构，使得晶体的折射率空间分布发生改变，在晶体内部形成类光纤波导结构。在使用该具有类光纤波导结构的激光器散热材料时，可以实现在光传输的同时进行较好的散热操作，避免采用外部冷却装置带来的系统体积过大的问题，有利于解决光纤与外部散热装置接触面积小而导致的散热速度慢等问题，降低光纤激光系统的复杂度，提高光纤激光系统的集成度。
32.以上通过实施例对本发明实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明实施例的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明实施例的实施范围。本发明实施例的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明实施例所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明实施例技术方案的启发下，在本发明实施例的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明实施例的专利涵盖保护范围之内。