[实用新型]可实现模式损耗控制的高功率光纤高效冷却装置

说明书

技术领域

本实用新型属于光纤激光领域，涉及一种光纤的冷却装置。

背景技术

高功率光纤激光器在3D打印、激光切割、激光熔覆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10千瓦。对于特定的光纤激光器，其量子效率是一定的，量子亏损使得损失的功率以热的形式释放到掺杂光纤内部(参见W.Yong,X.Chang-Qing,and P.Hong,"Thermal effects in kilowatt fiber lasers,"IEEE Photonics Technology Letters,2004,16,63-65)；此外，由于光纤的缺陷和熔接损耗等因素，光纤激光器的实际效率将会更低。目前，高功率光纤激光器的光效率一般在70％-85％，一台1000瓦的光纤激光器，在掺杂光纤内部有150-300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Dawson J W,Messerly M J,Beach R J,et al.Analysis of the scalability of diffraction-limited fiber lasers and amplifiers to high average power[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。

目前，关于高功率光纤冷却已有公开号为CN101373881A，公开日为2009年2月25日的发明专利文献《光纤整体冷却的循环装置》；公开号为CN101373882A，公开日为2009年2月25日的发明专利文献《筒形光纤整体冷却装置》；公开号为CN101335422A，公开日为2008年12月31日的专利申请文献《用于高功率双包层光纤激光器及其放大器的光纤冷却装置》；公开号为CN101222109A，公开日为2008年7月16日的专利申请文献《高功率光纤激光器的冷却方法》、公开号为CN201397403Y，公开日为2010年2月3日的专利申请文献《光纤冷却装置》等专利。这些专利都是将掺杂光纤放置于加工好的机械热沉结构上，通过热沉与光纤之间的热传导进行冷却。由于放置光纤的机械热沉结构固定，使得光纤的形态也相对固定，针对不同的具体运用，需要设计不同弯曲形态的热沉，成本较高；此外，大部分文献只能对光纤的部分表面进行直接接触和传导冷却(如CN101222109A、CN101373882A)，由于周围的冷却机械结构不能完全等间距地包覆光纤的圆柱面本身，导致光纤径向散射不均匀，制冷效果一定程度受限，从而限制了光纤激光输出功率的进一步提升。

实用新型内容

针对上述已有技术的不足，本实用新型提供了一种可实现模式损耗控制的高功率光纤高效冷却装置。本实用新型一方面能够防止高功率光纤外包层老化、降低光纤纤芯温度，提高高功率光纤激光器的工作稳定性；另一方面通过一定范围内的任意形态地弯曲光纤，实现光纤激光模式损耗的控制，为模式不稳定阈值提升、非线性效应抑制提供一种新的技术手段。

本实用新型的技术方案是：

一种可实现模式损耗控制的高功率光纤高效冷却装置，包括高功率光纤、中空的金属细管、内部具有流动冷却液体的热沉以及导热介质，所述金属细管具有一定的弹性能够在外力作用下实现弯曲形变并保持该弯曲形变，所述高功率光纤从金属细管的一端穿插入金属细管内部并从金属细管的另一端穿出；在穿插有高功率光纤的金属细管内，高功率光纤与金属细管内壁间填充有导热介质，通过导热介质将高功率光纤的热量均匀地传导到金属细管上；所述热沉上设置有供金属细管两端固定的接口，施以外力弯曲穿插有高功率光纤的金属细管能够改变金属细管内穿插的高功率光纤的弯曲半径和形态，将弯曲成型的穿插有高功率光纤的金属细管置于热沉内的流动冷却液体之中，金属细管的两端分别固定在热沉上设置的接口处。