一种用于高功率光纤激光器的扰流式微通道散热器制造技术

本发明专利技术涉及用于高功率光纤激光器的扰流式微通道散热器，由基底和封盖组成，所述基底上有两组平行的微通道，在微通道的两侧各有一个冷却介质的进口通道，在两组平行的微通道中间有一个冷却介质的出口通道，出口通道的头部位置有一根扰流柱形通道，该扰流柱形通道一方面作为一个冷却介质的进口通道，另一方面对出口通道内的冷却介质进行局部扰动；所述封盖上有槽道，用于放置光纤。散热器内部的流体经扰流柱形通道局部扰流后，加大了微通道局部高温区域的体积流量，使得流体匀速进出微通道，降低了高温区域的温度。本发明专利技术有利于高功率光纤放大器各点的温差均衡，属于被动式冷却方式，噪声小、冷却迅速等优点，具有较高的可靠性和可操作性。

A turbulent microchannel heat sink for high power fiber lasers

The present invention relates to a high power fiber laser interference flow micro channel radiator, consisting of a base and a sealing cover, there are two sets of parallel micro channels on the substrate, the micro channel inlet channel on both sides each have a cooling medium, there is a cooling medium outlet channel in the middle of the two sets of parallel micro channels the position of the head, the outlet channel has a fin shaped channel, the pin fin shaped channel of an inlet channel of a cooling medium and cooling medium on the other hand, in the outlet passage of local disturbance; with a channel of the cover, for placing optical fiber. The flow of the interior of the radiator is disturbed by the flow of the cylindrical channel, and the volume flow of the local high temperature region of the microchannel is increased, so that the fluid flows into and out of the microchannel at constant speed, and the temperature in the high temperature region is reduced. The invention is beneficial to the temperature difference balance of each point of the high power optical fiber amplifier, belonging to the passive cooling mode, having the advantages of little noise, quick cooling, etc., and has high reliability and operability.

【技术实现步骤摘要】
一种用于高功率光纤激光器的扰流式微通道散热器
本专利技术属于光电器件
，涉及用于高功率光纤激光器的扰流式微通道散热器，有利于显著提高光纤放大器的使用功率和长期使用可靠性。
技术介绍
光束质量好、光斑小、可靠性高等优点使光纤激光器在通信、工业、军事、医疗、电视显示等众多行业有广阔的应用前景。由于离子能级结构简单，不存在激发态吸收和浓度淬灭效应，具有很高的量子效率和光光转换效率。从上世纪80年代开始，人们将离子掺入石英或氟化物光纤中，作为一种激光器的增益介质进行了大量的研究。双包层光纤泵浦技术以及高功率、高亮度LD泵浦模块的专利技术使得光纤激光器的输出功率迅速提升，千瓦级功率的YDCF激光器已趋于成熟。2009年IPG公司利用全光纤主振荡—功率放大（MOPA，mainoscillatorpoweramplifier）结构实现了单根光纤单模连续输出功率9.6KW。对于高功率光纤激光器来说，非线性效应、纤芯材料的破坏及光纤涂覆层的热损伤都是限制功率继续提升的重要因素。传统的双包层光纤外包层的低折射率聚合物涂覆层对温度非常敏感，当温度达到150~200℃时会引起热损伤，长时间安全运行时一般要求光纤外表面的温度低于80℃。虽然光纤本身具有较大的表面积—体积比可以直接散失大部分热量，但是由于千瓦级高功率光纤激光器为了降低非线性效应而趋于使用短的光纤，使得有源光纤的前端热功率密度较大，光纤热量积聚温度偏高。因此为了保证涂覆层在安全温度范围内运行，必须对光纤进行精密的温度控制，本专利技术提出用一种扰流式微通道散热器对有源光纤前段两米进行散热，以达到光纤表面温度均匀的目的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种用于高功率光纤激光器的扰流式微通道散热器，该装置可以降低有源光纤前端高温。本专利技术的散热器，由基底和封盖组成，所述基底上有两组平行的微通道，在微通道的两侧各有一个冷却介质的进口通道，在两组平行的微通道中间有一个冷却介质的出口通道，出口通道的头部位置有一根扰流柱形通道，该扰流柱形通道一方面作为一个冷却介质的进口通道，另一方面对出口通道内的冷却介质进行局部扰动；所述封盖上有槽道，用于放置光纤。所述扰流柱形通道的面积为进口通道面积的1/10。该散热器的原理是连续光谱的光纤运行过程中，纤芯温度升高后，光纤外包层的热量经微通道封盖传导至微通道中，与微通道中的冷却介质（水或其他流体）进行热交换，带走大部分热量。封盖材质为铝，也可以是铜、硅、铝合金等导热系数较高的其他金属或非金属材料。封盖表面刻蚀了宽度为1mm~2mm的槽道，槽道形状可以是V型、U型，用于放置长光纤。基底的材质为铝，也可以是铜、硅、铝合金等导热系数较高的其他金属或非金属材料。微通道截面可以是矩形，也可以是梯形等其他形状。冷却介质可以是水、乙醇、纳米流体等低温介质。该散热器的工作过程是冷却介质一部分通过基底两侧的进口匀速进入基底上的冷却微通道，另一部分经基底出口通道中的扰流柱形通道流入基底，与微通道中的流体进行混合，以加快冷热源温差降低，从而进一步减小光纤与散热器之间的热阻。连续光谱的光纤运行过程中，纤芯温度升高后，光纤外包层的热量经封盖传至微通道中，微通道将一部分热量均匀扩散至微通道的冷却介质（水或其他流体）中进行热对流交换，带走大部分热量；另外将一部分热量均匀传导至基底4，基底4直接将该部分热量散失。本专利技术的新型散热器在微通道基底内部加入异型扰流柱后，能够有效提高冷却介质的体积流量，在不增加高功率光纤功率损耗的同时，将有源光纤的大部分热量经热传导和热对流方式散失。此微通道内部流体压降大，噪声小、温度场均匀，具有高可靠性和操作性等优点。附图说明图1为散热器结构示意图；图2为散热器封盖结构图；图3为散热器基底示意图；图中，1-微通道，2-进口通道Ⅰ，3-进口通道Ⅱ，4-出口通道，5-扰流柱形通道，6-封盖，7-槽道，8-基底。具体实施方式本专利技术的散热器，由基底和封盖组成，所述基底上有两组平行的微通道，在微通道的两侧各有一个冷却介质的进口通道，在两组平行的微通道中间有一个冷却介质的出口通道，出口通道的头部位置有一根扰流柱形通道，该扰流柱形通道一方面作为一个冷却介质的进口通道，另一方面对出口通道内的冷却介质进行局部扰动；所述封盖上有槽道，用于放置光纤。在实施中，首先按图1加工出基底8，在基底8上铣削出两组平行微通道1、进口通道Ⅰ2和进口通道Ⅱ3、出口通道4、扰流柱形通道5。按图2加工出封盖6，并在封盖5上表面刻蚀出V型槽道7，将长光纤放置在V型槽道7内。微通道截面是矩形或梯形。在使用前将图2所示封盖的进口通道Ⅰ、进口通道Ⅱ和扰流柱形通道5中通入工质流体。流体进入基底8的冷却通道内，经扰流柱形通道5分流后，再经过微通道基底8的流体出口通道4流出散热器。散热器进出口的流体经扰流柱形通道5扰动后，加大了微通道局部高温区域的体积流量，使得流体匀速进出微通道1，降低了该区域的温度。经用CFD相关软件对该散热装置加装扰流柱形通道前后的工况进行数值模拟后，结果如下表所示。坐标原点在散热器基底中心，坐标系如图1所示。微通道进口尺寸为宽10mm高9mm，进口流量为94.7kg/s。扰流柱通道内径为6mm，高7mm，进口流量为60kg/s。流体工质为水。基底和封盖的材质为铝。对比加装扰流柱形通道前后的光纤最高温度可以看出，在加装扰流柱后，光纤热点处的温度确实相对无扰流柱时有所降低。以上所述为本专利技术的较佳实施例而已，但本专利技术不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本专利技术所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本专利技术保护的范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于高功率光纤激光器的扰流式微通道散热器，其特征在于，由基底和封盖组成，所述基底上有两组平行的微通道，在微通道的两侧各有一个冷却介质的进口通道，在两组平行的微通道中间有一个冷却介质的出口通道，出口通道的头部位置有一根扰流柱形通道，该扰流柱形通道一方面作为一个冷却介质的进口通道，另一方面对出口通道内的冷却介质进行局部扰动；所述封盖上有槽道，用于放置光纤。

【技术特征摘要】
1.一种用于高功率光纤激光器的扰流式微通道散热器，其特征在于，由基底和封盖组成，所述基底上有两组平行的微通道，在微通道的两侧各有一个冷却介质的进口通道，在两组平行的微通道中间有一个冷却介质的出口通道，出口通道的头部位置有一根扰流柱形通道，该扰流柱形通道一方面作为一个冷却介质的进口通道，另一方面对出口通道内的冷却介质进行局部扰动；所述封盖上有槽道，用于放置光纤。2.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕祎，郑怀，刘胜，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42