[发明专利]含高效温控装置的光纤激光器

说明书

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域，涉及光纤激光器温控方案及本温控方案而引发的激光器系统集成和控制技术，主要采用压缩机式制冷温控方案及光纤激光器系统集成控制技术来提升光纤激光器的工作效率、便携性及多环境应用等。

背景技术

激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就，按工作物质主要分为气体激光器，固体激光器，液体激光器，半导体激光器和光纤激光器。随着技术的进一步提升，光纤激光器及半导体激光器已在现代加工技术中占了非常重要的作用。未来可广泛用于工业、通讯、医疗，军事等多个领域。

尽管光纤激光器的应用已经开始普及，特别是光纤激光器双包层光纤技术的出现，它使得高功率的光纤激光器和高功率的光放大器的制作成为现实，主要部件为泵浦源，光栅，增益光纤，准直隔离器，电路控制等。尽管相对于其他类型的激光器，光纤激光器的优点非常明显，但泵浦源的高发热量及其他部件的局部发热，必须采用相应的温控方案将这些热量排出，才能让光纤激光器正常工作。

目前的光纤激光器温控方案主要为风冷散热及水冷散热。风冷散热主要应用于100W以下的小功率光纤激光器，主要通过风扇将激光器产生的热量与环境温度进行热交换，这个方案会受制于环境温度的影响，目前应用于空调恒温空间或常温室外，如在高温环境，则无法解决温控难题，效率会大幅降低，甚至停止工作。风冷方案是通过环境温度达到散热的目的，属于被动型降温技术，目前尚无法应用于100W以上的中大功率光纤激光器。水冷散热主要应用于100W以上的中大功率激光器，主要通过冷水机给循环液体降温，采用水泵将冷却液体注入到冷水板上，冷水板内置于光纤激光器里，发热模块分别放置在光纤激光器内部的冷水板上，这样冷水板就可以给光纤激光器的发热模块进行降温。水冷散热方案必须有一台冷水机给冷水板降温，随着光纤激光器功率的提升，冷水机的体积重量就必须加大，才能满足散热的需求。因为大型冷水机的存在，导致大功率激光器就必须固定放置，无法移动。同时冷水板的单位面积的热传导效率无法满足泵浦源高密热量传导的需求，从而导致实际泵浦的温度偏高，而无法保证泵浦源电光转换的波长移定性。在高温状况下，激光器的效率偏低或停止工作。如果单方面降低循环液体的温度，会带来冷凝水的问题。由于水和冷水板的换热效率极低和泵浦源的高密度热量，增加循环液体流速也不能解决高温难题。所以说光纤激光器目前受散热方案的影响，无法发挥最佳性能，同时使用范围也大幅受限。

从应用的角度来讲，光纤激光器的发展方向是大功率，高效率，小型化，多种环境应用，可移动性等。受制于目前的散热方案和系统集成技术，光纤激光器的这种发展趋势尚无法得到全面满足。大功率激光器，首先面对的大功率泵浦源的高密度热量问题，风冷及冷水板均无法有效解决这个问题，风冷方案的热传导效率极低，根本无法应用于大功率激光器。水冷方案由于冷水板的热交换系数无法满足泵浦源的高密度热量，所以会导致泵浦源的工作温度远大于最佳设定值，极大的影响了大功率激光器的工作效率和稳定性。其次高效率激光器，由于泵浦源的高密度热量无法解决，泵浦源要求温度恒定，目前最佳设定为25或30度，如高于或低于这个温度，电光转换的波长无法会受到很大的影响。而波长的不移定性又会影响增益光纤光光转换的效率，尤其明显的是窄脉宽的激光器。所以对高效率的激光器来说，泵浦源温定恒定是第一要素。而由于冷水板的特性，决定冷水机的制冷效率利用率极其低下。再次小型化激器，受制于温控方案无法完全解决，尽管光路系统的体积重量小，但随着功率的提升，冷水机和冷水板只能越做越大，与激光器小型化的需求完全相反，如在高温环境，因为高温损耗问题，体积再大也不能完全有效的解决泵浦源及其他发热器件的散热难题。第四是多环境应用问题，光纤激光器的最终应用需要适应各种不同工况的环境，而不是只呆在空调房。风冷散热的方案完全受制于环境温度，一旦环境温度过高，效率会大幅下降甚至停止工作。水冷散热的方案，本身就由于冷水板热交换系数不能满足泵浦源的高密度热量需求，如果放置在高温的环境，就会导致温度更高，从而降低效率或停止工作，如环境温度过低，循环液体会凝固成固体状态，从而失去散热的功能而导致激光器停止工作。最后是可移动性问题，大功率光纤激光器如要普及应用，不能只呆在固定的空调房，必须要适应多种环境的移动性问题，而水冷方案，由于冷水机的体积重量比及其本身的特性，根本无法实现大功率激光器的便携及可移动性的需求。