[發(fā)明專利]基于水冷和浸入式相變液冷的光纖激光冷卻裝置及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911005196.2
• 申請(qǐng)日: 2019-10-22
• 公開（公告）號(hào): CN110829162A
• 公開（公告）日: 2020-02-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王小林;楊保來;奚小明;宋濤;張漢偉;史塵;王澤鋒;周樸;司磊;許曉軍;陳金寶
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍國(guó)防科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01S3/067
• 分類號(hào): H01S3/067;H01S3/04
• 代理公司: 中國(guó)和平利用軍工技術(shù)協(xié)會(huì)專利中心 11215
• 代理人: 劉光德;彭霜

本發(fā)明公開了一種基于水冷和浸入式相變液冷的光纖激光冷卻裝置，包括基底水冷板和蓋板水冷板；基底水冷板的上表面設(shè)置有放置被灌封膠覆蓋的光纖激光器器件和低沸點(diǎn)液體的凹槽；基底水冷板的側(cè)面設(shè)置有低沸點(diǎn)液體注液口和低沸點(diǎn)液體排液口；低沸點(diǎn)液體注液口和低沸點(diǎn)液體排液口與凹槽連通；基底水冷板的側(cè)邊沿設(shè)置有光纖輸入輸出預(yù)留孔；蓋板水冷板與凹槽密封連接；蓋板水冷板的內(nèi)部設(shè)置有冷卻水流動(dòng)的第一密封空間；蓋板水冷板上設(shè)置有蓋板水冷板冷卻水入口和蓋板水冷板冷卻水出口；蓋板水冷板冷卻水入口和蓋板水冷板冷卻水出口與第一密封空間連通。本發(fā)明還公開了一種光纖激光冷卻方法。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)光纖激光器器件各個(gè)發(fā)熱面的全方位冷卻。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光纖激光器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于水冷和浸入式相變液冷的光纖激光冷卻裝置及其方法。

背景技術(shù)

高功率光纖激光器在激光切割、激光熔覆、3D打印和智能制造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著雙包層光纖制作工藝和高亮度半導(dǎo)體激光器的功率提升，單路高功率光纖激光輸出功率得到了飛速的發(fā)展，從21世紀(jì)初的100瓦提高到目前的20千瓦。由于高功率摻鐿光纖激光器的光效率一般在65％-85％，一臺(tái)1000瓦的光纖激光器，在摻雜光纖內(nèi)部有150-350瓦的熱量存在。

美國(guó)勞倫斯-利福摩爾實(shí)驗(yàn)室研究人員Dawson等人指出，當(dāng)摻雜光纖內(nèi)部的熱累積到一定程度時(shí)，摻雜光纖會(huì)發(fā)生纖芯融化(參見Dawson J W,Messerly M J,Beach R J,et al.Analysis of the scalability of diffraction-limited fiber lasers andamplifiers to high average power[J].Opt.Express.2008,16:13240-13266.)。除了摻雜光纖的量子虧損外，由于模式不匹配導(dǎo)致的功率泄漏，也會(huì)使得非摻雜傳能光纖(后文簡(jiǎn)稱傳能光纖)內(nèi)部熱量積累以至燒毀光纖；由于熔接損耗導(dǎo)致激光泄漏，熔點(diǎn)(包括摻雜光纖與摻雜光纖之間、摻雜光纖與傳能光纖之間、傳能光纖與傳能光纖之間的熔點(diǎn))熱量的急劇累積也會(huì)導(dǎo)致光纖燒毀。因此，光纖內(nèi)部的熱效應(yīng)是阻礙光纖激光功率提升的限制因素。為了提高光纖激光輸出功率，必須采用有效的措施對(duì)光纖激光進(jìn)行冷卻。

當(dāng)前，為了解決高功率光纖激光器的制冷，主要有兩類方法：一類是將增益光纖放置在特定設(shè)計(jì)的制冷裝置中，通過熱傳導(dǎo)將增益光纖的熱量傳導(dǎo)到冷卻裝置，然后由冷卻裝置內(nèi)部的液體冷卻回路導(dǎo)走，該類冷卻方法只能對(duì)光纖的部分表面進(jìn)行直接接觸和傳導(dǎo)冷卻，冷卻效率不是非常高；另一類是將增益光纖全部直接浸泡在水中，由于水中氫氧根離子直接與增益光纖接觸，隨著時(shí)間的增加，會(huì)導(dǎo)致光纖損耗增加，從而影響激光器輸出功率和穩(wěn)定性。此外，上述兩類制冷方法中，大都只強(qiáng)調(diào)增益光纖本身的制冷，對(duì)于光纖光柵、包層光濾除器和合束器等其他高功率器的制冷，要么涉及不多，要么只能是單面?zhèn)鲗?dǎo)冷卻；實(shí)際上，激光器中除了增益光纖以外，各個(gè)光纖器件和光纖之間的熔接點(diǎn)，都可能發(fā)熱且影響激光器的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的之一，在于提供一種基于水冷和浸入式相變液冷的光纖激光冷卻裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)光纖激光器器件各個(gè)發(fā)熱面的全方位冷卻。

本發(fā)明的目的之一，在于提供一種基于水冷和浸入式相變液冷的光纖激光冷卻方法。

為了達(dá)到上述目的之一，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于水冷和浸入式相變液冷的光纖激光冷卻裝置，所述光纖激光冷卻裝置包括基底水冷板1和蓋板水冷板2；

所述基底水冷板1的上表面設(shè)置有用于放置被灌封膠1-8覆蓋的光纖激光器器件和低沸點(diǎn)液體1-9的凹槽1-2；所述基底水冷板1的側(cè)面設(shè)置有低沸點(diǎn)液體注液口5和低沸點(diǎn)液體排液口6；所述低沸點(diǎn)液體注液口5和低沸點(diǎn)液體排液口6與所述凹槽1-2連通；所述基底水冷板1的側(cè)邊沿設(shè)置有光纖輸入輸出預(yù)留孔1-10；