基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却装置及方法制造方法及图纸

技术编号:23403348 阅读:17 留言:0更新日期:2020-02-22 15:18
本发明专利技术公开了一种基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却装置,包括基底水冷板和盖板水冷板;基底水冷板的上表面设置有放置被灌封胶覆盖的光纤激光器器件和低沸点液体的凹槽;基底水冷板的侧面设置有低沸点液体注液口和低沸点液体排液口;低沸点液体注液口和低沸点液体排液口与凹槽连通;基底水冷板的侧边沿设置有光纤输入输出预留孔;盖板水冷板与凹槽密封连接;盖板水冷板的内部设置有冷却水流动的第一密封空间;盖板水冷板上设置有盖板水冷板冷却水入口和盖板水冷板冷却水出口;盖板水冷板冷却水入口和盖板水冷板冷却水出口与第一密封空间连通。本发明专利技术还公开了一种光纤激光冷却方法。本发明专利技术能够实现光纤激光器器件各个发热面的全方位冷却。

Fiber laser cooling device and method based on water cooling and immersion phase change liquid cooling

【技术实现步骤摘要】
基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却装置及方法
本专利技术属于光纤激光器
,涉及一种基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却装置及其方法。
技术介绍
高功率光纤激光器在激光切割、激光熔覆、3D打印和智能制造等领域有着广泛的应用。近年来,随着双包层光纤制作工艺和高亮度半导体激光器的功率提升,单路高功率光纤激光输出功率得到了飞速的发展,从21世纪初的100瓦提高到目前的20千瓦。由于高功率掺镱光纤激光器的光效率一般在65%-85%,一台1000瓦的光纤激光器,在掺杂光纤内部有150-350瓦的热量存在。美国劳伦斯-利福摩尔实验室研究人员Dawson等人指出,当掺杂光纤内部的热累积到一定程度时,掺杂光纤会发生纤芯融化(参见DawsonJW,MesserlyMJ,BeachRJ,etal.Analysisofthescalabilityofdiffraction-limitedfiberlasersandamplifierstohighaveragepower[J].Opt.Express.2008,16:13240-13266.)。除了掺杂光纤的量子亏损外,由于模式不匹配导致的功率泄漏,也会使得非掺杂传能光纤(后文简称传能光纤)内部热量积累以至烧毁光纤;由于熔接损耗导致激光泄漏,熔点(包括掺杂光纤与掺杂光纤之间、掺杂光纤与传能光纤之间、传能光纤与传能光纤之间的熔点)热量的急剧累积也会导致光纤烧毁。因此,光纤内部的热效应是阻碍光纤激光功率提升的限制因素。为了提高光纤激光输出功率,必须采用有效的措施对光纤激光进行冷却。当前,为了解决高功率光纤激光器的制冷,主要有两类方法:一类是将增益光纤放置在特定设计的制冷装置中,通过热传导将增益光纤的热量传导到冷却装置,然后由冷却装置内部的液体冷却回路导走,该类冷却方法只能对光纤的部分表面进行直接接触和传导冷却,冷却效率不是非常高;另一类是将增益光纤全部直接浸泡在水中,由于水中氢氧根离子直接与增益光纤接触,随着时间的增加,会导致光纤损耗增加,从而影响激光器输出功率和稳定性。此外,上述两类制冷方法中,大都只强调增益光纤本身的制冷,对于光纤光栅、包层光滤除器和合束器等其他高功率器的制冷,要么涉及不多,要么只能是单面传导冷却;实际上,激光器中除了增益光纤以外,各个光纤器件和光纤之间的熔接点,都可能发热且影响激光器的稳定性。
技术实现思路
本专利技术的目的之一,在于提供一种基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却装置,该装置能够实现光纤激光器器件各个发热面的全方位冷却。本专利技术的目的之一,在于提供一种基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却方法。为了达到上述目的之一,本专利技术采用如下技术方案实现:一种基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却装置,所述光纤激光冷却装置包括基底水冷板1和盖板水冷板2;所述基底水冷板1的上表面设置有用于放置被灌封胶1-8覆盖的光纤激光器器件和低沸点液体1-9的凹槽1-2;所述基底水冷板1的侧面设置有低沸点液体注液口5和低沸点液体排液口6;所述低沸点液体注液口5和低沸点液体排液口6与所述凹槽1-2连通;所述基底水冷板1的侧边沿设置有光纤输入输出预留孔1-10;所述盖板水冷板2与所述凹槽1-2密封连接;所述盖板水冷板2的内部设置有冷却水流动的第一密封空间;所述盖板水冷板2上设置有盖板水冷板冷却水入口7和盖板水冷板冷却水出口8;所述盖板水冷板冷却水入口7和盖板水冷板冷却水出口8与所述第一密封空间连通。进一步的,所述基底水冷板1的底部设置有冷却水流动的第二密封空间;所述基底水冷板1上设置有基底水冷板冷却水入口3和基底水冷板冷却水出口4;所述基底水冷板冷却水入口3和基底水冷板冷却水出口4与所述第二密封空间连通。进一步的,所述第一密封空间和第二密封空间为蛇形流道或环形流道。进一步的,所述凹槽1-2的深度与光纤激光器器件中最高器件高度之差为3~15mm;所述凹槽1-2内的低沸点液体界面与光纤激光器器件中最高器件的顶端的位置差为1~10mm;所述灌封胶1-8的厚度为0.01~1mm。进一步的,所述低沸点液体1-9的沸点低于所述光纤激光器器件工作所许可的最高温度中的最小值。进一步的,所述低沸点液体注液口5的最低位置高于所述光纤激光器器件中最高器件所对应的位置;所述低沸点液体排液口6的最高位置低于所述凹槽1-2内部的最低平面所对应的位置。进一步的,所述低沸点液体注液口5和低沸点液体排液口6均为具有自锁和密封能力的自锁阀。进一步的,所述基底水冷板冷却水入口3、基底水冷板冷却水出口4、盖板水冷板冷却水入口7和盖板水冷板冷却水出口8均为水冷接头。为了达到上述目的之二,本专利技术采用如下技术方案实现:一种基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却方法,所述光纤激光冷却方法采用上述所述的光纤激光冷却装置冷却,包括如下步骤:将光纤激光器器件放置在基底水冷板1内的凹槽1-2内后进行光纤熔接;将光纤熔接后的光纤激光器器件的输入光纤从预留光纤孔位1-10伸出后与泵浦源的光纤进行熔接,将光纤熔接后的光纤激光器器件的输出光纤从预留光纤孔位1-10伸出后与光纤端帽进行熔接;对光纤熔接点进行涂覆;采用灌封胶1-8,将所述光纤激光器器件和涂覆后的光纤熔接点进行灌封后固化;对所述预留光纤孔位1-10进行密封;并将低沸点液体1-9从低沸点液体注液口5注入到凹槽1-2内,直至完全覆盖待冷却的光纤激光器器件和光纤熔接点;将盖板水冷板2盖在所述基底水冷板1的上面;并对所述凹槽1-2完全密封;启动光纤激光器并将冷却水从盖板水冷板冷却水入口7注入到第一密封空间内并进行流动。进一步的,启动光纤激光器后,所述光纤激光冷却方法还包括:将冷却水从基底水冷板冷却水入口3注入到第二密封空间内并进行流动。本专利技术的有益效果:1、本专利技术通过基底水冷板第二密封空间内的流动冷却水、基底水冷板内部凹槽、凹槽内的被灌封胶覆盖的待冷却的光纤激光器器件、凹槽内的低沸点液体以及盖板水冷板内部的第一密封空间内的冷却水,实现了低沸点液体覆盖光纤器件、流动冷却水对光纤器件传导冷却,实现对光纤激光器器件底面其他各个面进行同时有效的全方位制冷;并利用低沸点液体蒸发制冷,能够将与低沸点液体接触面的温度控制在液体沸点的恒定温度值以内。2、本专利技术通过对光纤激光器器件的全方位制冷,可以迅速带走光纤激光器器件产生的热量,能够极大降低光纤激光器的各个器件因热负荷导致的可能损伤,极大提高了高功率光纤激光器的稳定性。附图说明图1为本专利技术的基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却装置结构示意图;图2为本专利技术中的基底水冷板结构示意图;图3为本专利技术中的盖板水冷板结构示意图;图4为本专利技术中的基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却装置透视示意图;图5为本专利技术中的基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却装置爆炸示意图。具体实施方式本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却装置,其特征在于,所述光纤激光冷却装置包括基底水冷板(1)和盖板水冷板(2);/n所述基底水冷板(1)的上表面设置有用于放置被灌封胶(1-8)覆盖的光纤激光器器件和低沸点液体(1-9)的凹槽(1-2);所述基底水冷板(1)的侧面设置有低沸点液体注液口(5)和低沸点液体排液口(6);所述低沸点液体注液口(5)和低沸点液体排液口(6)与所述凹槽(1-2)连通;所述基底水冷板(1)的侧边沿设置有光纤输入输出预留孔(1-10);/n所述盖板水冷板(2)与所述凹槽(1-2)密封连接;所述盖板水冷板(2)的内部设置有冷却水流动的第一密封空间;所述盖板水冷板(2)上设置有盖板水冷板冷却水入口(7)和盖板水冷板冷却水出口(8);所述盖板水冷板冷却水入口(7)和盖板水冷板冷却水出口(8)与所述第一密封空间连通。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于水冷和浸入式相变液冷的光纤激光冷却装置,其特征在于,所述光纤激光冷却装置包括基底水冷板(1)和盖板水冷板(2);
所述基底水冷板(1)的上表面设置有用于放置被灌封胶(1-8)覆盖的光纤激光器器件和低沸点液体(1-9)的凹槽(1-2);所述基底水冷板(1)的侧面设置有低沸点液体注液口(5)和低沸点液体排液口(6);所述低沸点液体注液口(5)和低沸点液体排液口(6)与所述凹槽(1-2)连通;所述基底水冷板(1)的侧边沿设置有光纤输入输出预留孔(1-10);
所述盖板水冷板(2)与所述凹槽(1-2)密封连接;所述盖板水冷板(2)的内部设置有冷却水流动的第一密封空间;所述盖板水冷板(2)上设置有盖板水冷板冷却水入口(7)和盖板水冷板冷却水出口(8);所述盖板水冷板冷却水入口(7)和盖板水冷板冷却水出口(8)与所述第一密封空间连通。


2.根据权利要求1所述的光纤激光冷却装置,其特征在于,所述基底水冷板(1)的底部设置有冷却水流动的第二密封空间;所述基底水冷板(1)上设置有基底水冷板冷却水入口(3)和基底水冷板冷却水出口(4);
所述基底水冷板冷却水入口(3)和基底水冷板冷却水出口(4)与所述第二密封空间连通。


3.根据权利要求2所述的光纤激光冷却装置,其特征在于,所述第一密封空间和第二密封空间均为蛇形流道或环形流道。


4.根据权利要求1~3中任意一项所述的光纤激光冷却装置,其特征在于,所述凹槽(1-2)的深度与光纤激光器器件中最高器件高度之差为3~15mm;
所述凹槽(1-2)内的低沸点液体界面与光纤激光器器件中最高器件顶端的位置差为1~10mm;
所述灌封胶(1-8)的厚度为0.01~1mm。


5.根据权利要求1~4中任意一项所述的光纤激光冷却装置,其特征在于,所述低沸点液体(1-9)的沸点低于所述光纤激光器器件工作所许可的最高温度中的最小值。


6.根据权利要求1~5中任意一...

【专利技术属性】
技术研发人员:王小林杨保来奚小明宋涛张汉伟史尘王泽锋周朴司磊许晓军陈金宝
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

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