專利名稱：一種具有流體冷卻的光纖耦合器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光器領(lǐng)域，尤其涉及一種具有流體冷卻的光纖耦合器裝置。
背景技術(shù)：
高功率光纖激光器中元器件的散熱技術(shù)逐漸成為影響激光器的一個(gè)關(guān)鍵因素，而光纖耦合器的散熱也直接影響激光器的功率輸出水平，如何設(shè)計(jì)一個(gè)導(dǎo)熱性較好的光纖耦合器成為工程系統(tǒng)延伸的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。目前，在稱合器制作和加工方向，加拿大ITF公司一直領(lǐng)先，發(fā)表了多篇關(guān)于光纖稱合器制作方法和使用方法的專利，一篇名為《opticalfiber component package for high power dissipation》,專利號(hào) US7373070B2。文章詳細(xì)說(shuō)明了 ITF公司將耦合器輸入和輸出光纖進(jìn)行隔熱包裹處理，將耦合器兩端固定在封裝外殼上，使用此方法的耦合器耦合區(qū)將懸空在封裝殼內(nèi)，避免與封裝殼內(nèi)部直接接觸，但使用此方法也會(huì)導(dǎo)致因耦合區(qū)瞬間積蓄的散熱無(wú)法有效導(dǎo)出，對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性效果不明顯。同時(shí)，固定在封裝殼上的輸出和輸入光纖因振動(dòng)會(huì)直接引起I禹合區(qū)內(nèi)熔融的I禹合光纖產(chǎn)生振動(dòng)，給系統(tǒng)帶來(lái)一定的危險(xiǎn)性。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)耦合器的發(fā)展因設(shè)備和技術(shù)的缺失致使進(jìn)步較為緩慢，掌握耦合器制作技術(shù)的公司和科研單位更寥寥無(wú)幾。基于現(xiàn)狀，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種流體冷卻的高功率光纖耦合器裝置，這種裝置可以有效避免由于光纖耦合器中耦合區(qū)域光纖涂覆層材料耐受溫度能力差導(dǎo)致的光纖熱致?lián)p傷。這種新型光纖耦合器冷卻處理裝置采用流體折射率匹配散熱技術(shù)，其特征在于進(jìn)入冷卻區(qū)內(nèi)的流體與光纖耦合區(qū)直接接觸且在冷卻區(qū)中形成很強(qiáng)的對(duì)流效果，起到直接對(duì)光纖耦合器光纖耦合區(qū)冷卻處理的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述技術(shù)問(wèn)題之一或至少提供一種有用的商業(yè)選擇。為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種能夠避免光纖熱致?lián)p傷的具有流體冷卻的光纖耦合器裝置。根據(jù)本發(fā)明的具有流體冷卻的光纖耦合器裝置，包括冷卻液通道、冷卻區(qū)、光纖耦合區(qū)、封裝材料和冷卻液，其中，所述封裝材料構(gòu)成的所述冷卻區(qū)，所述光纖耦合區(qū)處于所述冷卻區(qū)中，所述封裝材料中留有所述冷卻液通道，通過(guò)對(duì)冷卻液通道內(nèi)輸入冷卻液流入所述冷卻區(qū)，進(jìn)入所述冷卻區(qū)內(nèi)的冷卻液與所述光纖耦合區(qū)直接接觸，起到對(duì)流冷卻作用。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，還包括湍流發(fā)生器，所述湍流發(fā)生器位于所述冷卻區(qū)中，用于使所述冷卻液在所述冷卻區(qū)中湍流流動(dòng)。湍流流動(dòng)相比層流流動(dòng)能夠跟好地進(jìn)行對(duì)流換熱。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述冷卻液通道與所述冷卻區(qū)直接聯(lián)通。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述冷卻液具有高的導(dǎo)熱率。高的導(dǎo)熱率能夠在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到熱交換平衡，具有較強(qiáng)的對(duì)流換熱能力。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述冷卻液與所述光纖耦合區(qū)內(nèi)待冷卻的耦合光纖的折射率匹配。折射率匹配能夠減少光的全反射現(xiàn)象而帶來(lái)的光能量耗散。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述封裝材料具有高的導(dǎo)熱率。封裝材料也可進(jìn)一步將冷卻液的熱量向環(huán)境中散熱，故優(yōu)選封裝材料具有高的導(dǎo)熱率。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述封裝材料具有小的彈性擠壓形變率。由于冷卻液在與所述光纖耦合區(qū)中的耦合光纖進(jìn)行熱交換的前后會(huì)有較大溫度變化，并伴隨著體積變化，故要求封裝材料具有小的彈性擠壓形變率，才能保證基本不變形。本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種流體冷卻的高功率光纖耦合器裝置，這種裝置通過(guò)流體折射率匹配散熱技術(shù)可以有效避免由于光纖耦合器中耦合區(qū)域光纖涂覆層材料耐受溫度能力差導(dǎo)致的光纖熱致?lián)p傷。通過(guò)使用這種光纖耦合器冷卻處理裝置，構(gòu)成裝置的封裝材料可以使得耦合區(qū)具有良好散熱性，同時(shí)通過(guò)冷卻區(qū)內(nèi)的冷卻液直接作用于耦合光纖且產(chǎn)生很強(qiáng)的對(duì)流換熱效果，使得不會(huì)對(duì)光纖內(nèi)傳導(dǎo)的光能量產(chǎn)生任何影響。本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有流體冷卻的光纖耦合器裝結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的具有流體冷卻的光纖耦合器裝結(jié)構(gòu)原理圖。其中，I表示冷卻液通道，2表示冷卻區(qū)，3表示光纖耦合區(qū)，4表示封裝材料，5表示湍流發(fā)生器，6表示冷卻液。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“縱向”、“橫向”、“長(zhǎng)度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內(nèi)”、“外”、“順時(shí)針”、“逆時(shí)針”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上，除非另有明確具體的限定。在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語(yǔ)應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接觸，也可以包括第一和第二特征不是直接接觸而是通過(guò)它們之間的另外的特征接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。根據(jù)本發(fā)明的具有流體冷卻的光纖耦合器裝置，包括冷卻液通道、冷卻區(qū)、光纖耦合區(qū)、封裝材料和冷卻液，其中，封裝材料構(gòu)成的冷卻區(qū)，光纖耦合區(qū)處于冷卻區(qū)中，封裝材料中留有冷卻液通道，通過(guò)對(duì)冷卻液通道內(nèi)輸入冷卻液流入冷卻區(qū)，進(jìn)入冷卻區(qū)內(nèi)的冷卻液與光纖耦合區(qū)直接接觸，起到對(duì)流冷卻作用。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，還包括湍流發(fā)生器，湍流發(fā)生器位于冷卻區(qū)中，用于使冷卻液在冷卻區(qū)中湍流流動(dòng)。湍流流動(dòng)相比層流流動(dòng)能夠跟好地進(jìn)行對(duì)流換熱。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，冷卻液通道與冷卻區(qū)直接聯(lián)通。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，冷卻液具有高的導(dǎo)熱率。高的導(dǎo)熱率能夠在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到熱交換平衡，具有較強(qiáng)的對(duì)流換熱能力。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，冷卻液與光纖耦合區(qū)內(nèi)待冷卻的耦合光纖的折射率匹配。折射率匹配能夠減少光的全反射現(xiàn)象而帶來(lái)的光能量耗散。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，封裝材料具有高的導(dǎo)熱率。封裝材料也可進(jìn)一步將冷卻液的熱量向環(huán)境中散熱，故優(yōu)選封裝材料具有高的導(dǎo)熱率。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，封裝材料具有小的彈性擠壓形變率。由于冷卻液在與光纖耦合區(qū)中的耦合光纖進(jìn)行熱交換的前后會(huì)有較大溫度變化，并伴隨著體積變化，故要求封裝材料具有小的彈性擠壓形變率，才能保證基本不變形。本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種流體冷卻的高功率光纖耦合器裝置，這種裝置通過(guò)流體折射率匹配散熱技術(shù)可以有效避免由于光纖耦合器中耦合區(qū)域光纖涂覆層材料耐受溫度能力差導(dǎo)致的光纖熱致?lián)p傷。通過(guò)使用這種光纖耦合器冷卻處理裝置，構(gòu)成裝置的封裝材料可以使得耦合區(qū)具有良好散熱性，同時(shí)通過(guò)冷卻區(qū)內(nèi)的冷卻液直接作用于耦合光纖且產(chǎn)生很強(qiáng)的對(duì)流換熱效果，使得不會(huì)對(duì)光纖內(nèi)傳導(dǎo)的光能量產(chǎn)生任何影響。為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明如下。如圖1所示，一種流體冷卻的高功率光纖耦合器裝置結(jié)構(gòu)原理圖，包括冷卻液通道1，冷卻區(qū)2，光纖耦合區(qū)3，封裝材料4，冷卻液6。兩個(gè)冷卻液通道I分別安置在封裝材料的一側(cè)，通過(guò)對(duì)冷卻液通道I內(nèi)輸入冷卻液6流入冷卻區(qū)，進(jìn)入冷卻區(qū)內(nèi)的流體與光纖耦合區(qū)直接接觸且由一側(cè)的冷卻液通道I流出，此過(guò)程在冷卻區(qū)中形成很強(qiáng)的對(duì)流效果，起到直接對(duì)光纖耦合器光纖耦合區(qū)中光纖冷卻處理的作用。如圖2所示，一種流體冷卻的高功率光纖耦合器裝置結(jié)構(gòu)原理圖，包括冷卻液通道I，冷卻區(qū)2，光纖耦合區(qū)3，封裝材料4，湍流發(fā)生器5，冷卻液6。兩個(gè)冷卻液通道I分別安置在封裝材料的兩側(cè)，通過(guò)對(duì)一側(cè)冷卻液通道I內(nèi)輸入冷卻液6流入冷卻區(qū)，進(jìn)入冷卻區(qū)內(nèi)的流體與光纖耦合區(qū)直接接觸且由另一側(cè)冷卻液通道I流出，此過(guò)程在冷卻區(qū)中形成很強(qiáng)的對(duì)流效果，起到直接對(duì)光纖耦合器耦合區(qū)內(nèi)的光纖冷卻處理的作用同時(shí)，在冷卻區(qū)2內(nèi)安裝湍流發(fā)生器5，層流時(shí)流體微團(tuán)沿著主流方向作有規(guī)律的分層流動(dòng)，而湍流時(shí)流體各部分之間發(fā)生強(qiáng)烈的混合，因而湍流的換熱能力強(qiáng)于層流。根據(jù)流體的這種特性，在冷卻腔體內(nèi)布置湍流發(fā)生器5，以保證在大多數(shù)區(qū)域冷卻液6以湍流的方式流經(jīng)被冷卻光纖。湍流發(fā)生器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為交叉分隔排列的阻流柱均勻布置在封閉的冷卻區(qū)2內(nèi)。當(dāng)流體通過(guò)上述阻流柱時(shí)，流體產(chǎn)生強(qiáng)烈的混合而產(chǎn)生湍流。加強(qiáng)了換熱過(guò)程。有助于光纖耦合器系統(tǒng)內(nèi)光纖耦合區(qū)3的散熱，間接起到降低光纖耦合裝置熱效應(yīng)的作用。在本說(shuō)明書的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。
權(quán)利要求
1.一種具有流體冷卻的光纖耦合器裝置，其特征在于，包括冷卻液通道、冷卻區(qū)、光纖耦合區(qū)、封裝材料和冷卻液，其中，所述封裝材料構(gòu)成的所述冷卻區(qū)，所述光纖耦合區(qū)處于所述冷卻區(qū)中，所述封裝材料中留有所述冷卻液通道，通過(guò)對(duì)冷卻液通道內(nèi)輸入冷卻液流入所述冷卻區(qū)，進(jìn)入所述冷卻區(qū)內(nèi)的冷卻液與所述光纖耦合區(qū)直接接觸，起到對(duì)流冷卻作用。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括湍流發(fā)生器，所述湍流發(fā)生器位于所述冷卻區(qū)中，用于使所述冷卻液在所述冷卻區(qū)中湍流流動(dòng)。
3.如權(quán)利要求1和2所述的裝置，其特征在于，所述冷卻液通道與所述冷卻區(qū)直接聯(lián)通。
4.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的裝置，其特點(diǎn)在于所述冷卻液具有高的導(dǎo)熱率。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述冷卻液與所述光纖耦合區(qū)內(nèi)待冷卻的耦合光纖的折射率匹配。
6.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述封裝材料具有高的導(dǎo)熱率。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述封裝材料具有小的彈性擠壓形變率。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種具有流體冷卻的光纖耦合器裝置，包括冷卻液通道、冷卻區(qū)、光纖耦合區(qū)、封裝材料和冷卻液，其中，封裝材料構(gòu)成的冷卻區(qū)，光纖耦合區(qū)處于冷卻區(qū)中，封裝材料中留有冷卻液通道，通過(guò)對(duì)冷卻液通道內(nèi)輸入冷卻液流入冷卻區(qū)，進(jìn)入冷卻區(qū)內(nèi)的冷卻液與光纖耦合區(qū)直接接觸，起到對(duì)流冷卻作用。本發(fā)明可以有效避免由于光纖耦合器中耦合區(qū)域光纖涂覆層材料耐受溫度能力差導(dǎo)致的光纖熱致?lián)p傷。
文檔編號(hào)G02B6/36GK103064151SQ201210518259
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月5日
發(fā)明者鞏馬理, 肖起榕, 閆平, 張海濤, 李丹 申請(qǐng)人:清華大學(xué)