專(zhuān)利名稱(chēng)：高功率光纖激光器的制冷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高功率光纖激光器和高功率光纖放大器的制冷方法。
技術(shù)背景光纖激光器是采用摻雜光纖作為激光介質(zhì)的激光器。它通過(guò)在光纖基質(zhì)材 料中摻雜不同的稀土離子，獲得所對(duì)應(yīng)波段的激光輸出。對(duì)于常規(guī)的單模光纖 激光器，要求注入到纖芯的泵浦光也必須為單模，這限制了泵浦光的入纖效率，導(dǎo)致光纖激光器的輸出功率和效率一直較低。上個(gè)世紀(jì)80年代后期雙包層光纖 概念的提出，為提高光纖激光器的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率提供了有效的技術(shù)途徑， 改變了光纖激光器只能作為一種小功率光器件的歷史。隨著雙包層光纖制作工 藝和高功率半導(dǎo)體激光泵浦技術(shù)的發(fā)展，單根雙包層光纖激光器的輸出功率逐 步提高。光纖激光器由于其低閾值、高效率、全固化、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)傳 統(tǒng)高能激光系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前，單模連續(xù)輸出功率已經(jīng)達(dá)到3千瓦, 單模、窄線(xiàn)寬、偏振輸出的高功率光纖放大器的功率也己經(jīng)超過(guò)400W。當(dāng)單根光纖激光器的輸出功率超過(guò)千瓦級(jí)以上時(shí)，.繼續(xù)提高輸出功率將會(huì) 受到摻雜光纖的非線(xiàn)性效應(yīng)(受激拉曼散射SRS和受激布里淵散射SBS)、光學(xué) 損傷、熱損傷等物理機(jī)制的限制。要想實(shí)現(xiàn)百千瓦量級(jí)的高功率、高光束質(zhì)量 激光的輸出， 一種可行的方案是利用光束合成的辦法，即把多個(gè)相對(duì)小功率(單 根功率仍為千瓦量級(jí))的激光器排成陣列，對(duì)其功率輸出進(jìn)行合成，形成高能激 光系統(tǒng)中的激光器系統(tǒng)。光束合成的方法可以分為相干合成、譜合成和非相干 合成三種。無(wú)論是單根高功率光纖激光器和百千瓦級(jí)的高功率光纖激光器陣列，都面 臨著一個(gè)巨大的工程實(shí)際問(wèn)題制冷。高功率光纖激光器在運(yùn)行時(shí)會(huì)向側(cè)面及 直徑僅為幾十微米的纖芯散發(fā)出大量的熱量，為了保護(hù)外包層和端面不受損壞， 維持激光器的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，必須對(duì)激光器進(jìn)行制冷，散發(fā)掉這些熱量。目前 國(guó)內(nèi)雖已研發(fā)出千瓦級(jí)高功率光纖激光器，但是大多沒(méi)有配套的制冷設(shè)備，激光器只能運(yùn)行幾秒鐘。討論高功率光纖激光器制冷問(wèn)題的文獻(xiàn)也為數(shù)不多(參見(jiàn) 文獻(xiàn)3:樓祺洪，朱洪濤，吳中林，高功率雙包層光纖激光器輸出端的冷卻裝置， 國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利；文獻(xiàn)4:周樂(lè)平，唐大偉，杜小澤，楊勇平，劉登瀛，大功 率激光武器及其冷卻系統(tǒng)，激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2007年第8期)。文獻(xiàn)3提出了高功率雙包層光纖激光器輸出端的冷卻裝置，需要將光纖放置于在金屬套 管上銑出的光纖槽內(nèi)，如果光纖槽的尺寸大于光纖的尺寸會(huì)在光纖和金屬套管之間引入空氣介質(zhì)，降低了制冷的效果；如果光纖槽的尺寸小于光纖的尺寸容 易給光纖的結(jié)構(gòu)帶來(lái)?yè)p傷，而且金屬套管內(nèi)僅一個(gè)冷卻液進(jìn)出管，金屬與冷卻 液的接觸面積小，不利于冷卻液帶走大量的熱量；同時(shí)文獻(xiàn)3的設(shè)計(jì)思路僅限 于單根高功率光纖激光器，未討論由高功率光纖激光器陣列構(gòu)成的百千瓦級(jí)(以 上)高能激光系統(tǒng)的制冷問(wèn)題。文獻(xiàn)4針對(duì)化學(xué)、氣體、固體激光器構(gòu)成的百千 瓦級(jí)(以上)高能激光系統(tǒng)進(jìn)行了討論與分析，未對(duì)由高功率光纖激光器陣列構(gòu)成 的高能激光系統(tǒng)進(jìn)行分析。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種用于單根高功率光 纖激光器和高功率光纖激光器陣列的制冷方法，保護(hù)光纖的外包層和端面不受 熱損，維持激光器的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，延長(zhǎng)使用壽命。本發(fā)明技術(shù)解決方案的基本原理是千瓦級(jí)高功率光纖激光器在運(yùn)行時(shí)， 由于量子效率的限制，泵浦光不能完全轉(zhuǎn)換為激光，并由于摻雜離子的吸收轉(zhuǎn)換為熱能，積聚在光纖內(nèi)部形成溫度場(chǎng)，當(dāng)外包層的溫度大于80°C時(shí)，外包層 會(huì)逐漸發(fā)生老化，從而失去對(duì)內(nèi)包層光纖的保護(hù)作用；同時(shí)高功率激光從直徑 僅為幾十微米的纖芯輸出，將在輸出端沉積大量熱量，容易造成端面的熱損。 為此需要在光纖的外包層外側(cè)再加上熱傳導(dǎo)系數(shù)比較高的物質(zhì)，及時(shí)將高功率 運(yùn)行時(shí)的熱量帶走，使得外包層和端面的溫度不會(huì)升高到導(dǎo)致光纖熱損的程度， 這樣光纖激光器就能夠持續(xù)高功率的運(yùn)行。由于光纖的幾何結(jié)構(gòu)呈細(xì)長(zhǎng)的圓筒 狀，熱傳導(dǎo)系數(shù)比較高的金屬(銅等)不易與其充分接觸(此即文獻(xiàn)3提出方案的不足之處)，采用流動(dòng)的液體(水等)可以與光纖接觸并帶走熱量，但可能會(huì)引入 側(cè)向的應(yīng)力給光纖帶來(lái)結(jié)構(gòu)性損傷，另外水的熱傳導(dǎo)系數(shù)也不是很大。為此可 以在保持金屬與光纖之間有一定的距離，保護(hù)光纖不會(huì)受到擠壓等造成的結(jié)構(gòu) 損傷，同時(shí)在金屬與光纖之間填充乳狀液體或固體粉末，避免空氣介質(zhì)引起的 散熱困難。理論分析與數(shù)值模擬表明，將光纖放置于具有冷卻液通道(可以是 宏通道，也可以是微通道)的金屬套筒內(nèi)，并往金屬套筒內(nèi)填充乳狀液體或固 體粉末的方法能夠有效冷卻運(yùn)行中的高功率光纖激光器。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種高功率光纖激光器的制冷方法，其特點(diǎn)是它由光纖激光器、乳狀液體 或固體粉末、具有冷卻液通道的金屬套筒、金屬管等組成，光纖纏繞在金屬管 上并位于具有冷卻液通道的金屬套筒內(nèi)部，再用熱傳導(dǎo)系數(shù)比較大的乳狀液體 或固體粉末填充光纖與金屬套筒之間的間隙，金屬管內(nèi)部和冷卻液通道均采用 流動(dòng)冷卻液的方法帶走運(yùn)行中的高功率光纖激光器產(chǎn)生的熱量。具有冷卻液通道的金屬套筒的材料選用熱傳導(dǎo)系數(shù)較大的金屬；金屬管的 材料選用熱傳導(dǎo)系數(shù)較大的金屬，金屬管內(nèi)部可以注入流動(dòng)的冷卻液帶走熱量; 乳狀液體選用熱傳導(dǎo)系數(shù)較大的材料，如硅脂等；固體粉末選用顆粒微小且熱傳導(dǎo)系數(shù)較大的材料，如納米石墨等。本發(fā)明不僅僅可以對(duì)單根高功率光纖激光器進(jìn)行制冷，上述由光纖激光器、 乳狀液體或固體粉末、具有冷卻液通道的金屬套筒等組成的高功率光纖激光器 及其制冷結(jié)構(gòu)具有擴(kuò)展性，由多個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)組成的高功率光纖激光器陣列也 可以持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行。采用本發(fā)明可以達(dá)到以下技術(shù)效果通過(guò)將光纖纏繞在金屬管上并放置于具有冷卻液通道的金屬套筒內(nèi)，再往 金屬套筒與金屬管之間填充乳狀液體或固體粉末，并采用流動(dòng)冷卻液的方法加 以冷卻，能夠有效冷卻運(yùn)行中的高功率光纖激光器，降低光纖內(nèi)部的溫度，使 得光纖的外包層和端面不受熱損，保證高功率光纖激光器的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。本發(fā)明提出的高功率光纖激光器制冷方法是一種模塊化的設(shè)計(jì)思想，它不局限于 單根高功率光纖激光器，也可以用于由多個(gè)高功率光纖激光器組成的激光器陣 列的制冷。


圖1為本發(fā)明單根高功率光纖激光器制冷方法的結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明單根高功率光纖激光器制冷方法的結(jié)構(gòu)俯視圖。圖3為本發(fā)明單根高功率光纖激光器制冷方法的另一種結(jié)構(gòu)圖。圖4為本發(fā)明單根高功率光纖激光器制冷方法的另一種結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖5為本發(fā)明高功率光纖激光器陣列制冷方法的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為采用未采用本發(fā)明和采用本發(fā)明的高功率光纖激光器運(yùn)行時(shí)光纖內(nèi)部溫度場(chǎng)分布。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖與實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。圖1為本發(fā)明單根高功率光纖激光器制冷方法的結(jié)構(gòu)圖，由圖可見(jiàn)，本發(fā) 明單根高功率光纖激光器制冷方法的具體實(shí)施結(jié)構(gòu)為光纖激光器11單層纏繞在 金屬管12上，放置在具有冷卻液通道的金屬套筒14內(nèi)部，光纖激光器11與金 屬套筒14之間的空間由乳狀液體或固體粉末13加以填充。金屬管12內(nèi)部和冷 卻液通道均采用流動(dòng)的冷卻液及時(shí)將熱量帶走。圖2為本發(fā)明單根高功率光纖 激光器制冷方法的結(jié)構(gòu)俯視圖。該冷卻液可以是冷卻水，也可以是其它類(lèi)型的流動(dòng)性液體。光纖激光器11高功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式經(jīng)由乳狀液體或 固體粉末13傳遞給具有冷卻液通道的金屬套筒14和金屬管12，金屬管12內(nèi)部 和冷卻液通道采用流動(dòng)的冷卻液及時(shí)將熱量帶走。'根據(jù)圖1和圖2所示的單根高功率光纖激光器制冷方法的結(jié)構(gòu)圖，還可以 衍生出另一種結(jié)構(gòu)，如圖3所示，即光纖激光器ll在同一水平面內(nèi)以同心圓的 方式纏繞在金屬管12上，并放置在具有冷卻液通道的金屬套筒14內(nèi)部，光纖激光器11與金屬套筒14之間的空間由乳狀液體或固體粉末13加以填充。圖4為圖3所示結(jié)構(gòu)的剖視圖，光線(xiàn)激光器11經(jīng)由乳狀液體或固體粉末13 傳遞給金屬套筒14或金屬管12。圖5為本發(fā)明高功率光纖激光器陣列制冷方法的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中的各個(gè) 模塊即為圖1所示的單根高功率光纖激光器制冷方法的具體實(shí)施結(jié)構(gòu)。下面是-"個(gè)具體實(shí)施的例子選取導(dǎo)熱性能好的金屬銅作為具有冷卻液通道的金屬套筒14的材料，光纖 纖芯半徑為10 pm，內(nèi)包層半徑20pm，外包層半徑為280p柳，具有冷卻液通道 的金屬套筒內(nèi)側(cè)高度為1.5mm，上下表面金屬銅的厚度為2mm。如圖6所示，如不采用本發(fā)明提供的冷卻方法，雙端泵浦的光纖激光器在 泵浦光功率為2X500W時(shí)纖芯的溫度為346度，外包層溫度己經(jīng)達(dá)到319度， 極易熱損；而采用本發(fā)明提供的冷卻方法，即使在泵浦光功率為2X5000W時(shí)， 纖芯的溫度為73度，外包層的溫度為46度，不會(huì)被熱損。綜上所述，本發(fā)明通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式將高功率光纖激光器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱 量經(jīng)由乳狀液體或固體粉末傳遞給具有冷卻液通道的金屬套筒，并采用流動(dòng)的 冷卻液及時(shí)將熱量帶走，從而有效保護(hù)高功率光纖激光器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)外包層和端面 不受損壞，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)使用壽命。本發(fā)明提出的高功率光纖激光 器制冷方法同時(shí)也是一種模塊化的設(shè)計(jì)思想，它不局限于單根高功率光纖激光 器，可以用于由多個(gè)高功率光纖激光器組成的激光器陣列的制冷，保證高能激 光系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。
權(quán)利要求
1、高功率光纖激光器的制冷方法，包括光纖激光器、金屬管等，其特征在于光纖激光器(11)纏繞在金屬管(12)上，放置在具有冷卻液通道的金屬套筒(14)內(nèi)部，光纖激光器(11)與金屬套筒(14)之間的空間由乳狀液體或固體粉末(13)加以填充，金屬管(12)內(nèi)部和冷卻液通道均采用流動(dòng)的冷卻液及時(shí)將熱量帶走。
2、 如權(quán)利要求1所述的高功率光纖激光器的制冷方法，其特征在于所述的 乳狀液體(13)可以是硅脂，也可以是其它熱傳導(dǎo)系數(shù)較大的乳狀液體，固體粉 末(13)可以是納米石墨，也可以是其它選用顆粒微小且熱傳導(dǎo)系數(shù)較大的固體 粉末。
3、 如權(quán)利要求1所述的高功率光纖激光器的制冷方法，其特征在于所述的 具有冷卻液通道的金屬套筒(14)及金屬管(12)的材料可以是銅，也可以是其它 熱傳導(dǎo)系數(shù)較大的金屬。
4、 如權(quán)利要求1所述的高功率光纖激光器的制冷方法，其特征在于所述的 冷卻液可以是水，也可以是其它類(lèi)型的流動(dòng)性液體。
5、 如權(quán)利要求1所述的高功率光纖激光器的制冷方法，其特征在于光纖激 光器(11)在同一水平面內(nèi)以同心圓的方式纏繞在金屬管(12)上。
6、 如權(quán)利要求1所述的高功率光纖激光器的制冷方法，其特征在于它不僅 可以對(duì)單根高功率光纖激光器進(jìn)行有效制冷，也可以對(duì)多個(gè)高功率光纖激光器組成的激光器硨列進(jìn)行有效制冷。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高功率光纖激光器和高功率光纖放大器的制冷方法。它由光纖激光器、乳狀液體或固體粉末、具有冷卻液通道的金屬套筒、金屬管等組成，光纖纏繞在金屬管上并位于具有冷卻液通道的金屬套筒內(nèi)部，再用熱傳導(dǎo)系數(shù)比較大的乳狀液體或固體粉末填充光纖與金屬套筒之間的間隙，金屬管內(nèi)部和冷卻液通道均采用流動(dòng)冷卻液的方法帶走運(yùn)行中的高功率光纖激光器產(chǎn)生的熱量。使得光纖的外包層和端面不受熱損，保證高功率光纖激光器的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。
文檔編號(hào)H01S3/04GK101222109SQ20081003052
公開(kāi)日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2008年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月22日
發(fā)明者亮 劉, 劉澤金, 樸 周, 鶴 王, 許曉軍, 郭少鋒, 陳子倫, 陳金寶 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)