CN208571214U - 一种光纤激光器光纤盘结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光纤激光器光纤盘结构，它是一种在千瓦级单模光纤激光器***中通过设计传能和增益光纤的帽状型光纤盘结构和冷却光纤沟槽形状，实现同时对传能和增益光纤进行散热冷却和选模的功能。可以在千瓦级以上单模光纤激光器***中进行有效热控管理的同时，抑制非线性效应和剔除传能和增益光纤里产生和传播的高阶模式，保证高功率下的光纤激光器***单模运行。

Description

一种光纤激光器光纤盘结构

技术领域

本发明涉及光纤技术领域与激光技术领域，特别涉及到大功率单模光纤激光器和放大器领域。

背景技术

高功率光纤激光器在光束质量、体积、重量、效率、散热等方面均具有明显优势，现已广泛应用于光纤通讯、激光空间远距离通讯、工业造船、汽车制造、激光切割、金属焊接、军事国防安全、生物医疗、大型基础建设等民用工业和军事领域，被称之为“第三代激光器”。尤其是在激光加工领域，受到越来越多的重视和研究。而高功率光纤激光器已经逐步取代传统的二氧化碳激光器和固体激光器，成为激光加工设备的最核心部件。光纤激光器可以广泛应用于金属加工领域的切割和焊接，(例如航空航天，高铁，造船，汽车机器零部件等)，它以其优越的光束质量，可实现精细结构和高速处理，可加工高反射或高传导系数材料，可实现长焦距下的远程加工，目前在钣金切割领域，光纤激光切割设备已经逐渐取代传统的钣金切割设备和冲床等机械加工设备。我国第一大激光加工设备商大族激光也在2015年宣布准备投入超过30亿用于高功率半导体器件，特种光纤及光纤激光器产业化项目和高功率激光切割焊接***及机器人自动化装备产业化项目。在千瓦级以上的高功率光纤激光器***中，光纤激光器有着50亿美元的市场潜力，并将逐步取代CO2激光器，尤其是在金属切割领域，光纤激光器将在3～5年间全面取代CO2激光器。

自从第一台千瓦光纤激光器在英国南安普顿实验室诞生以来，十年来单芯光纤激光器的输出功率不断的攀升，现在单根单模光纤激光器的最大输出功率已经超过10KW，由IPG公司保持。英国SPI公司，美国的NLIGHT公司以及德国的ROFIN公司也分别有各自的千瓦级单根单模的光纤激光器产品。我国的高功率光纤激光器起步虽然稍晚，但发展也很迅速。目前，武汉锐科，山东海富光子以及深圳创鑫都有能力推出千瓦级，光束质量M2<1.3的单根单模光纤激光器整机。在千瓦级以上的工业用的光纤激光器领域，目前的市场还是主要被

美国的IPG Photonics公司主导，尤其是千瓦级以上单模光纤激光器系列 (M2<1.2)，几家公司基本上都是在同一个水平量级上，即不超过1500W。高功率单模光纤激光器的功率无法继续提升的一个重要原因就是当输出功率进一步提升时，所使用的传能和增益光纤的纤芯直径会随之增大(因为高功率运行时的散热问题)，而光纤纤芯直径的增大会提高光纤的归一化频率V，进而增加了大模场直径光纤纤芯中所能存在的模式数量，即纤芯直径的增大会导致产生更多的高阶模式，无法维持单模运行。另一方面，在保持纤芯直径不变的情况下，增大输出功率，会产生散热问题和非线性效应。因此，目前，千瓦级以上单模光纤激光器就面临进一步提升功率的同时保证单模运行的问题。

实用新型内容

为了解决随着光纤激光器功率达到千瓦级以上后，无法保证单模运行以及产生的散热问题和非线性效应，本实用新型发明提出了一种用于千瓦级单模光纤激光器的光纤盘结构。它是一种在千瓦级单模光纤激光器***中通过设计传能和增益光纤的帽状型光纤盘结构和冷却光纤沟槽形状，实现同时对传能和增益光纤进行散热冷却和选模的功能。可以在千瓦级以上单模光纤激光器***中进行有效热控管理的同时，抑制非线性效应和剔除传能和增益光纤里产生和传播的高阶模式，保证高功率下的光纤激光器***单模运行。

本发明提供一种光纤激光器光纤盘结构，由传能和增益光纤、水冷板、底盘、沙漏型光纤盘、液态金属导热膏、压力盖片构成，传能和增益光纤盘绕在一个半径由大逐渐变小的底盘和沙漏型光纤盘上，底盘和沙漏型光纤盘底部集成了用于制冷控温的水冷板，光纤盘的沟槽为子弹头形状，沟槽的底部填充液态金属导热膏，传能和增益光纤置于沟槽内导热膏中，传能和增益光纤的上面是可调压力的带弹性的压力盖片。

上述光纤激光器光纤盘结构，所使用的光纤盘的制作材料为可加工成光纤盘的导热金属材料，光纤盘是盘绕半径连续变化的几何形体。所使用的光纤盘的制作材料选自铝或铜，光纤盘形状选自沙漏形、圆锥形或是三角形。

上述光纤激光器光纤盘结构，所使用的光纤盘的沟槽式子弹头形状，也可以是U型，V型，W形状。光纤盘的最大直径≥30cm，最小光纤盘直径≤6cm。

上述光纤激光器光纤盘结构，所使用的导热材料是液态金属导热膏、液态金属导热片或是铟箔。

上述光纤激光器光纤盘结构，所使用的带弹性的压力盖片是可以控制弹性和压力大小的金属片。所使用的带弹性的压力盖片选自装有弹簧的铜片或铝片。

与现有专利和技术相比，本发明提出了一种专门针对千瓦级以上单模全光纤激光器和放大器的制作中，保证单模运行的同时抑制非线性效应，提升输出功率的光纤盘结构，这个结构简单易行，成本低廉。

附图说明

图1.可用于千瓦级单模光纤激光器的光纤盘结构

图2.光纤盘的沟槽结构图

图3.弹性压力盖片的结构图

1.水冷板

2.传能和增益光纤

3.沙漏形状的光纤盘

4.沟槽

5.压力盖片

6.进水口

7.出水口

8.铜片

9.弹簧

10.铝片

11.螺纹孔

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1是可用于千瓦级单模光纤激光器的光纤盘结构图，该结构提出了将传能和增益光纤2盘绕在一个半径由大逐渐变小的底盘与沙漏形状的光纤盘3 上，整段传能和增益光纤2的盘绕半径会逐渐缩小逐渐增大。光纤盘底部集成了用于制冷控温的水冷板1，水冷板的进水口6和出水口7分别位于水冷板的两侧，与光纤进出的方向一致。光纤盘的沟槽4为子弹头形状，如图3所示，沟槽的底部可填充可导热性能优良的液态金属导热片膏，然后将传能和增益光纤2 放入沟槽4，置于导热膏里。传能和增益光纤2的上面是可调压力的带弹性的压力盖片5，如图3所示，压力盖片5是由上表面的铜片8，中间的弹簧9和下表面的铝片10组成。两侧带螺纹孔11的铜片8下表面装有一个弹簧9，弹簧9的另一端连接着一个大小与沟槽匹配的铝片10，铝片10下表面刻有与传能和增益光纤 2直径相匹配的沟槽4。压力盖片5可以通过螺纹孔11上螺丝将其固定在光纤盘3的表面，通过调节螺丝的松紧实现对传能和增益光纤2整个长度段上的压力调节。

因此，通过调节水冷板的进水口6的水温和压力盖片5的压力，可以实时控制传能和增益光纤2的散热量，温度高低和应力大小，实现抑制高功率条件下的非线性效应。此外，光纤盘3所具有的由大逐渐变小的底盘与沙漏型光纤盘3，可以通过弯曲半径的改变剔除高功率下可能产生的高阶模式，保证千瓦级以上输出功率下，光纤激光器的单模运行。

Claims (6)

1.一种光纤激光器光纤盘结构，其特征在于，由传能和增益光纤、水冷板、底盘、沙漏型光纤盘、液态金属导热膏、压力盖片构成，传能和增益光纤盘绕在一个半径由大逐渐变小的底盘和沙漏型光纤盘上，底盘和沙漏型光纤盘底部集成了用于制冷控温的水冷板，光纤盘的沟槽为子弹头形状，沟槽的底部填充液态金属导热膏，传能和增益光纤置于沟槽内导热膏中，传能和增益光纤的上面是可调压力的带弹性的压力盖片。

2.根据权利要求1所述的一种光纤激光器光纤盘结构，其特征在于：所使用的光纤盘的制作材料为可加工成光纤盘的导热金属材料，光纤盘是盘绕半径连续变化的几何形体。

3.根据权利要求1所述的一种光纤激光器光纤盘结构，其特征在于：所使用的光纤盘的制作材料选自铝或铜，光纤盘形状选自沙漏形、圆锥形或是三角形。

4.据权利要求1所述的一种光纤激光器光纤盘结构，其特征在于：所使用的光纤盘的沟槽是子弹头形状、U形、V形或W形状；光纤盘的最大直径≥30cm，最小光纤盘直径≤6cm。

5.据权利要求1所述的一种光纤激光器光纤盘结构，其特征在于：所使用的导热材料是液态金属导热膏、液态金属导热片或是铟箔。

6.据权利要求1所述的一种光纤激光器光纤盘结构，其特征在于：所使用的带弹性的压力盖片选自装有弹簧的铜片或铝片。