一种温度分布可时空调制的高功率光纤激光器模块化热管理装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种温度分布可时空调制的高功率光纤激光器模块化热管理装置，包括模块化水冷盘(1)、控制模块(2)、控制总线(3)、数据总线(4)和温度快速调控模块(5)；模块化水冷盘(1)包括多个光纤调温件(11)，以将其上固定的高功率激光器光纤温度调节至指定范值或范围内；温度快速调控模块(5)的数量与光纤调温件(11)相同，与光纤调温件(11)一一对应连接；控制模块(2)通过控制总线(3)连接多个温度快速调控模块(5)；控制模块(2)通过数据总线(4)连接光纤调温件(11)，用于获取光纤调温件(11)的温度数据，并以此形成控制温度快速调控模块(5)的调控指令。

A modular thermal management device for high power fiber laser with spatiotemporal modulation of temperature distribution

【技术实现步骤摘要】
一种温度分布可时空调制的高功率光纤激光器模块化热管理装置
本专利技术总体地涉及激光器
，具体地涉及一种温度分布可时空调制的高功率光纤激光器模块化热管理装置。
技术介绍
高功率单模光纤激光器由于纤芯的截面小，作用距离长，运行过程中容易产生受激布里渊散射效应，成为窄线宽光纤激光器和放大器功率提升的主要限制因素。目前抑制受激布里渊散射(SBS)效应主要有改变光纤形状、光纤掺杂浓度或者光纤温度分布，其中，沿光纤的温度调控是一种抑制受激布里渊散射的简捷有效的手段，然而，当前主要技术方案是通过局部加热首段或末段增益光纤实现局域温度调控，在高功率运行条件下，采用此种方案的SBS抑制效果并不理想，因此，如何实现沿光纤方向的连续温度调制是更有效地抑制SBS效应急需解决的问题。按照与激光器增益模块直接接触的热沉的散热方式分类，高功率光纤激光器采用的温控/散热手段主要有风冷、液冷以及TEC散热。风冷散热主要应用于较低功率的激光器模块，直接采用风冷散热方式结构简单，但是无法实现高精度的温度控制，受限于风扇体积，散热模块的集成化程度通常无法做到很高，不适用于沿光纤的连续温度调控；TEC散热的优势在于体积小、温控精度高，缺点在于制冷功率有限、制冷效率较低，通常用于中小功率激光器模块的散热，用于较大功率激光器时，需要加装风冷或液冷散热模块用以TEC热端的散热，维持TEC的散热效率，从而使得整体散热模块体积较大，不适用于沿光纤的连续温度调控。液冷散热是目前广泛应用于高功率光纤激光器的温控方式，现阶段主要采用水冷方式，将增益光纤置于整块水冷盘上，通过盘绕光纤实现整段光纤的高效散热。与上述两种方式相比，水冷散热的制冷功率、制冷效率高，适用于高功率光纤激光器，同时水冷盘设计灵活，通过调节水温也能较为容易地实现温度控制，但是目前仍缺乏一种能够在高功率条件下实现沿光纤方向温度连续调制的技术方案。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是：针对上述问题，提供了一种温度分布可时空调制的高功率光纤激光器模块化热管理装置，该装置可实现激光器光纤温度分布的可时空调制的，本专利技术的水冷盘能够简捷方便地实现沿光纤方向的温度连续调制，有效抑制SBS效应。本专利技术的技术方案是，一种温度分布可时空调制的高功率光纤激光器模块化热管理装置，包括模块化水冷盘、控制模块、控制总线、数据总线和温度快速调控模块；所述模块化水冷盘由多个光纤调温件连接形成，高功率激光器的光纤固定在相连的多个光纤调温件上，以通过控制每个光纤调温件内温度不同实现对光纤进行分段、分时温度控制；所述温度快速调控模块的数量与光纤调温件相同，与模块化水冷盘上的光纤调温件一一对应连接，用于对光纤调温件进行温度调节控制；所述控制模块通过控制总线连接多个温度快速调控模块，以通过控制温度快速调控模块实现多个光纤调温件的分别温度调控；控制模块通过数据总线连接光纤调温件，用于获取光纤调温件的温度数据，并以此形成控制温度快速调控模块的调控指令。进一步的，上述光纤调温件包括散热基底、水流通道、光纤凹槽、导轨槽、导轨槽螺孔，温度传感器，入水口以及出水口；所述散热基底由高热导率材料制作，所述高热导率是指导热系数大于200W/mK，散热基底用于安装设置其他部件且传导热量；所述水流通道均匀分布在光纤调温件内部，与光纤调温件表面的入水口和出水口连接，以通过水流进出进行温度调节和控制；所述光纤凹槽设置在光纤调温件的上表面，用于嵌入和固定光纤；所述导轨槽设置在光纤调温件下部，以通过光学导轨将多个光纤调温件串联形成回型排列的模块化水冷盘；所述温度传感器设置在散热基底表面且与控制模块相连接，用于测量散热基底的温度，并经获得的温度数据传输给控制模块。更进一步的，上述温度快速调控模块包括冷水电子流量阀和和热水电子流量阀；所述冷水电子流量阀连通冷水管道，所述热水电子流量阀连通热水管道，冷水电子流量阀和热水电子流量阀的另一端均连通至光纤调温件的入水口；控制模块经控制总线与所述冷水电子流量阀和热水电子流量阀连接，以控制流量阀的开启度从而调节控制进入光纤调温件的入水口的温度。更进一步的，上述散热基底为四棱台结构，所述四棱台结构的上、下表面与侧面之间的角度大于90°或小于90°，以使多个光纤调温件组合连接时，相邻两个光纤调温件的侧边之间存在空隙，从而有效地隔离热量的传输，使光纤调温件保持各自的温度。更进一步的，上述导轨槽的垂直方向设置有导轨槽螺孔，以使螺母穿过导轨槽螺孔将光学导轨固定在导轨槽上。更进一步的，上述光纤凹糟的宽度小于2mm。本专利技术同时提供了利用上述温度分布可时空调制的高功率光纤激光器模块化热管理装置实现高功率激光器温度分布时空调制的热管理方法，首先将预先设定的各光纤调温件的温度分布输入控制模块，控制模块发出控制信号至各温度快速调控模块，温度快速调控模块对与其连接的光纤调温件的温度进行调节，光纤调温件将实时温度发送给控制模块，控制模块根据接收到的数据进行实时调控温度快速调控模块的工作状态，直至各光纤调温件的温度达到预先设定的温度。进一步的，本专利技术方法它具体包括以下步骤：S1、根据需要拟合的温度曲线设置各个水冷盘的温度值Ti，其中i代表第i个水冷盘；S2、控制模块打开冷水电子流量阀进行温度标定，当各温度传感器传回控制模块的温度数据均为冷水温度T0时标定完成；S3、将Ti输入控制模块，控制模块发出控制信号至各冷水电子流量阀和热水电子流量阀，进行热水和冷水进水流量的控制；S4、温度传感器通过数据总线传回各光纤调温件的温度Ti'至控制模块，所述控制模块比较回传的温度值Ti'与Ti，得到温度控制误差ΔTi＝Ti-Ti'，输出控制信号，直至使各光纤调温件温度保持在设定温度Ti。进一步的，上述步骤S3中：在无热损耗条件下，根据温度Ti将冷水流量和热水流量初始比值设为T0为冷水温度，T1为热水温度，控制模块发出流量控制信号和其中为施加于各冷水电子流量阀的控制信号，为施加于各热水电子流量阀的控制信号；初始信号满足K0为初始控制系数；所述步骤S4中，根度温度控制误差ΔTi＝Ti-Ti'输出的控制信号K1为动态控制系数，K1＝0.001，且当温度控制误差ΔTi小于0.1℃时，控制信号保持恒定。本专利技术总体上实现了模块化，主要由多个光纤调温件组合而成，每个光纤调温件的入水口通过管道连接两个电子流量阀，所述电子流量阀分别与冷水源和热水源连接，冷水流和热水流通过管道分别流入电子流量阀，电子流量阀与控制模块连接；每个光纤调温件上装有温度传感器，能够实时测量光纤调温件的温度并与控制模块数据连接；控制模块通过比较设定温度与温度传感器的数据，发出控制信号实时调整冷水和热水的流量比例，从而快速控制流入每个光纤调温件的水流温度。本专利技术的每个光纤调温件由高导热率金属制成，主要包括散热基底、水流通道、进水口，出水口，光纤凹槽，导轨槽以及温度传感器。散热基底由长方体金属块加工而成，根据长方体的尺寸，长侧边和宽侧边均切削一定的角度，当两个光纤调温件组合到一起时，相邻的侧边之间会存在切削角本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种温度分布可时空调制的高功率光纤激光器模块化热管理装置，其特征在于，包括模块化水冷盘(1)、控制模块(2)、控制总线(3)、数据总线(4)和温度快速调控模块(5)；/n所述模块化水冷盘(1)由多个光纤调温件(11)连接形成，高功率激光器的光纤固定在相连的多个光纤调温件(11)上，以通过控制每个光纤调温件内温度不同实现对光纤进行分段、分时温度控制；/n所述温度快速调控模块(5)的数量与光纤调温件(11)相同，与模块化水冷盘(1)上的光纤调温件(11)一一对应连接，用于对光纤调温件(11)进行温度调节控制；/n所述控制模块(2)通过控制总线(3)连接多个温度快速调控模块(5)，以通过控制温度快速调控模块(5)实现多个光纤调温件(11)的分别温度调控；控制模块(2)通过数据总线(4)连接光纤调温件(11)，用于获取光纤调温件(11)的温度数据，并以此形成控制温度快速调控模块(5)的调控指令。/n

【技术特征摘要】
1.一种温度分布可时空调制的高功率光纤激光器模块化热管理装置，其特征在于，包括模块化水冷盘(1)、控制模块(2)、控制总线(3)、数据总线(4)和温度快速调控模块(5)；
所述模块化水冷盘(1)由多个光纤调温件(11)连接形成，高功率激光器的光纤固定在相连的多个光纤调温件(11)上，以通过控制每个光纤调温件内温度不同实现对光纤进行分段、分时温度控制；
所述温度快速调控模块(5)的数量与光纤调温件(11)相同，与模块化水冷盘(1)上的光纤调温件(11)一一对应连接，用于对光纤调温件(11)进行温度调节控制；
所述控制模块(2)通过控制总线(3)连接多个温度快速调控模块(5)，以通过控制温度快速调控模块(5)实现多个光纤调温件(11)的分别温度调控；控制模块(2)通过数据总线(4)连接光纤调温件(11)，用于获取光纤调温件(11)的温度数据，并以此形成控制温度快速调控模块(5)的调控指令。


2.如权利要求1所述的温度分布可时空调制的高功率光纤激光器模块化热管理装置，其特征在于，所述光纤调温件(11)包括散热基底(111)、水流通道(112)、光纤凹槽(115)、导轨槽(113)、温度传感器(116)，入水口(117)以及出水口(118)；
所述散热基底(111)由高热导率材料制作，所述高热导率是指导热系数大于200W/mK，散热基底(111)用于安装设置其他部件且传导热量；
所述水流通道(112)均匀分布在光纤调温件(11)内部，与光纤调温件(11)表面的入水口(117)和出水口(118)连接，以通过水流进出进行温度调节和控制；
所述光纤凹槽(115)设置在光纤调温件(11)的上表面，用于嵌入和固定光纤；
所述导轨槽(113)设置在光纤调温件(11)下部，以通过光学导轨将多个光纤调温件(11)串联形成回型排列的模块化水冷盘(1)；
所述温度传感器(116)设置在散热基底(111)表面且与控制模块(2)通过数据总线(4)相连接，用于测量散热基底(111)的温度，并将获得的温度数据传输给控制模块(2)。


3.如权利要求2所述的温度分布可时空调制的高功率光纤激光器模块化热管理装置，其特征在于，
所述温度快速调控模块(5)包括冷水电子流量阀(51)和和热水电子流量阀(52)；
所述冷水电子流量阀(51)连通冷水管道，所述热水电子流量阀(52)连通热水管道，冷水电子流量阀(51)和热水电子流量阀(52)的另一端均连通至光纤调温件(11)的入水口(117)；
控制模块(2)经控制总线(3)与所述冷水电子流量阀(51)和热水电子流量阀(52)连接，以控制流量阀的开启度从而调节控制进入光纤调温件(11)的入水口(117)的温度。


4.如权利要求2所述的温度分布可时空调制的高功率光纤激光器模块化热管理装置，其特征在于，所述散热...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩凯，崔文达，娄兆凯，李霄，杜少军，奚小明，王小林，陈敏孙，刘昊，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43