專利名稱：高功率光纖激光器端部微通道冷卻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高功率光纖激光器端部(輸入端或輸出端)的冷卻裝置。
背景技術(shù)：
自1988年E. Snitzer等人提出雙包層光纖概念之后，基于這種包層泵浦技術(shù)的光纖激 光器獲得了迅猛的發(fā)展。2007年單纖輸出功率已經(jīng)達(dá)到3kW，利用多纖耦合技術(shù)已經(jīng)在實(shí)驗 室完成數(shù)萬瓦的光纖激光器。
與傳統(tǒng)的固體激光器相比，高功率雙包層光纖激光器有很大的表面積與體積比，工作在 低功率時能有效散失抽運(yùn)光所沉積的熱量。但是，隨著輸出功率不斷提高，尤其當(dāng)激光輸出 達(dá)到kW量級時，大量的熱量沉積在光纖的輸入端或輸出端，光纖基質(zhì)材料熱擴(kuò)散將引起應(yīng)力 和折射率的變化。由于熱量沉積和摻雜纖芯中溫度升高，將導(dǎo)致量子效率降低，引起輸出波 長變化，甚至導(dǎo)致基質(zhì)熔化、光纖端面損壞，使光纖激光器不能正常工作。因此，如何高效 散熱是高功率光纖激光器研究中迫切需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高功率光纖激光器端部微通道冷卻器，該冷卻器具有冷卻效 果明顯和實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是高功率光纖激光器端部微通道冷卻器， 其特征在于它包括凹型座l、微通道散熱器2;微通道散熱器2位于凹型座1的凹槽14內(nèi)，
微通道散熱器2上的冷卻介質(zhì)流入通道6與凹型座1上的第一冷卻介質(zhì)流入孔4相通，微通 道散熱器2上的冷卻介質(zhì)流出通道7與凹型座1上的第一冷卻介質(zhì)流出孔5相通，微通道散 熱器2上的光纖通過通道9的右端與凹型座1上的凹槽14右側(cè)的第一光纖通過孔3相通，微 通道散熱器2上的光纖通過通道9的左端與凹型座1上的凹槽14左側(cè)的第三光纖通過孔13 相通；光纖通過通道9位于冷卻介質(zhì)流入通道6與冷卻介質(zhì)流出通道7之間；凹型座1、微 通道散熱器2的材料均為金屬。
微通道散熱器2由左微通道散熱片15、中間微通道散熱片16、右微通道散熱片17固定 成一體，中間微通道散熱片16位于左微通道散熱片15與右微通道散熱片17之間，中間微通 道散熱片16為10 100片；左微通道散熱片15、中間微通道散熱片16、右微通道散熱片17 的中部均設(shè)有第二光纖通過孔20，左微通道散熱片15上的第二光纖通過孔、中間微通道散 熱片16上的第二光纖通過孔限、右微通道散熱片17上的第二光纖通過孔20構(gòu)成光纖通過通 道9;中間微通道散熱片16、右微通道散熱片17的上端部均設(shè)有第二冷卻介質(zhì)流入孔21， 左微通道散熱片15的上端部設(shè)有冷卻介質(zhì)流入凹槽18，左微通道散熱片15上的冷卻介質(zhì)流 入凹槽18、中間微通道散熱片16的第二冷卻介質(zhì)流入孔、右微通道散熱片17上的第二冷卻 介質(zhì)流入孔21構(gòu)成冷卻介質(zhì)流入通道6;左微通道散熱片15、中間微通道散熱片16的下端 部均設(shè)有第二冷卻介質(zhì)流出孔19，右微通道散熱片17的下端部設(shè)有冷卻介質(zhì)流出凹槽22， 右微通道散熱片17上的冷卻介質(zhì)流出凹槽22、中間微通道散熱片16上的第二冷卻介質(zhì)流出孔19、左微通道散熱片15上的第二冷卻介質(zhì)流出孔構(gòu)成冷卻介質(zhì)流出通道7;右微通道散熱 片17的左側(cè)設(shè)有第一環(huán)形凹槽微通道23，第一環(huán)形凹槽微通道23的上端與右微通道散熱片 17上的第二冷卻介質(zhì)流入孔21相連通，第一環(huán)形凹槽微通道23的下端與冷卻介質(zhì)流出凹槽 22相連通，右微通道散熱片17上的第二光纖通過孔20位于第一環(huán)形凹槽微通道23內(nèi)側(cè)； 中間微通道散熱片16上的側(cè)面設(shè)有第二環(huán)形凹槽微通道8，第二環(huán)形凹槽微通道8的上端與 中間微通道散熱片16上的第二冷卻介質(zhì)流入孔21相連通，第二環(huán)形凹槽微通道8的下端與 中間微通道散熱片16上的第二冷卻介質(zhì)流出孔19相連通，中間微通道散熱片16上的第二光 纖通過孔20位于第二環(huán)形凹槽微通道8的內(nèi)側(cè)；左微通道散熱片15的右側(cè)設(shè)有第三環(huán)形凹 槽微通道24，第三環(huán)形凹槽微通道24的上端與左微通道散熱片15上的冷卻介質(zhì)流入凹槽18 相連通，第三環(huán)形凹槽微通道24的下端與左微通道散熱片15上的第二冷卻介質(zhì)流出孔19相 連通，左微通道散熱片15上的第二光纖通過孔20位于第三環(huán)形凹槽微通道24的內(nèi)側(cè)。
本發(fā)明冷卻器的有益效果是高功率光纖激光器運(yùn)行時，由于量子效率的限制，泵浦光 不能完全轉(zhuǎn)換為激光，摻雜離子的吸收轉(zhuǎn)換為熱能，大量積聚在光纖的端部，通過熱傳導(dǎo)， 熱量將從光纖與微通道散熱器的微通道散熱片接觸面流向環(huán)形凹槽微通道(光纖穿過光纖通 過通道)，再由環(huán)形凹槽微通道的冷卻介質(zhì)進(jìn)行熱交換，最后熱量由冷卻介質(zhì)及時帶走，從而 實(shí)現(xiàn)了光纖端部冷卻；使高功率光纖激光器持續(xù)、穩(wěn)定的正常運(yùn)行，延長其使用壽命。本發(fā) 明冷卻器具有散熱均勻、冷卻效果明顯和實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。本發(fā)明特別適用于二百瓦 二千
瓦的光纖激光器(即高功率光纖激光器)。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2是圖1的A-A剖視圖(右視)；
圖3為本發(fā)明的凹型座的結(jié)構(gòu)示意圖4為本發(fā)明的微通道散熱器的結(jié)構(gòu)示意圖5是圖4中微通道散熱器的左微通道散熱片的左視圖6為本發(fā)明的主視圖7是圖4中左微通道散熱片的右視圖8是圖4中右微通道散熱片的左視圖中卜凹型座，2-微通道散熱器，3-第一光纖通過孔，4-第一冷卻介質(zhì)流入孔，5-第一冷卻介質(zhì)流出孔，6-冷卻介質(zhì)流入通道，7-冷卻介質(zhì)流出通道，8-第二環(huán)形凹槽微通道， 9-光纖通過通道，IO-L形板，11-側(cè)板，12-螺釘，13-第三光纖通過孔，14-凹槽，15-左微 通道散熱片，16-中間微通道散熱片，17-右微通道散熱片，18-冷卻介質(zhì)流入凹槽，19-第二 冷卻介質(zhì)流出孔，20-第二光纖通過孔，21-第二冷卻介質(zhì)流入孔，22-冷卻介質(zhì)流出凹槽，23-第一環(huán)形凹槽微通道，24-第三環(huán)形凹槽微通道。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。 如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6所示，高功率光纖激光器端部微通道冷卻器，它包括ra型座1、微通道散熱器2;微通道散熱器2位于凹型座1的凹槽14內(nèi)，微通道散熱器 2上的冷卻介質(zhì)流入通道6與M型座1上的第一冷卻介質(zhì)流入孔4相通(凹型座1的第一冷 卻介質(zhì)流入孔4處可設(shè)凹槽，凹槽內(nèi)放置O型橡膠密封墊，進(jìn)行冷卻介質(zhì)流入通道6與第一 冷卻介質(zhì)流入孔4之間連接處的冷卻介質(zhì)密封)，微通道散熱器2上的冷卻介質(zhì)流出通道7與 凹型座1上的第一冷卻介質(zhì)流出孔5相通(凹型座1的第一冷卻介質(zhì)流出孔5處可設(shè)凹槽， 凹槽內(nèi)放置0型橡膠密封墊，進(jìn)行冷卻介質(zhì)流出通道7與第一冷卻介質(zhì)流出孔5之間連接處 的冷卻介質(zhì)密封)，微通道散熱器2上的光纖通過通道9的右端與凹型座1上的凹槽14右側(cè) 的第一光纖通過孔3相通(圖1的右邊為右，左邊為左)，微通道散熱器2上的光纖通過通道 9的左端與凹型座1上的凹槽14左側(cè)的第三光纖通過孔13相通；光纖通過通道9位于冷卻 介質(zhì)流入通道6與冷卻介質(zhì)流出通道7之間；凹型座1、微通道散熱器2的材料均為金屬(散 熱性好的材料，如銅，也可以是其它熱傳導(dǎo)系數(shù)較大的金屬)。
微通道散熱器2由左微通道散熱片15、中間微通道散熱片16、右微通道散熱片17固定 (如焊接)成一體{左微通道散熱片15與中間微通道散熱片16固定(如焊接)，中間微通道 散熱片16與右微通道散熱片17固定(如焊接)，中間微通道散熱片與中間微通道散熱片之間 相互固定(如焊接)}，中間微通道散熱片16位于左微通道散熱片15與右微通道散熱片17 之間，中間微通道散熱片16為10 100片(根據(jù)需要確定)；左微通道散熱片15、中間微通 道散熱片16、右微通道散熱片17的中部均設(shè)有第二光纖通過孔20，左微通道散熱片15上的 第二光纖通過孔、中間微通道散熱片16上的第—光纖通過孔限、右微通道散熱片17上的第 二光纖通過孔20構(gòu)成光纖通過通道9;中間微通道散熱片16、右微通道散熱片17的上端部 均設(shè)有第二冷卻介質(zhì)流入孔21，左微通道散熱片15的上端部設(shè)有冷卻介質(zhì)流入凹槽18，左 微通道散熱片15上的冷卻介質(zhì)流入凹槽18、中間微通道散熱片16的第二冷卻介質(zhì)流入孔、 右微通道散熱片17上的第二冷卻介質(zhì)流入孔21構(gòu)成冷卻介質(zhì)流入通道6;左微通道散熱片 15、中間微通道散熱片16的下端部均設(shè)有第二冷卻介質(zhì)流出孔19，右微通道散熱片17的下 端部設(shè)有冷卻介質(zhì)流出凹槽22，右微通道散熱片17上的冷卻介質(zhì)流出凹槽22、中間微通道 散熱片16上的第二冷卻介質(zhì)流出孔19、左微通道散熱片15上的第二冷卻介質(zhì)流出孔構(gòu)成冷 卻介質(zhì)流出通道7;右微通道散熱片17的左側(cè)設(shè)有第一環(huán)形凹槽微通道23，第一環(huán)形凹槽微 通道23的上端與右微通道散熱片17上的第二冷卻介質(zhì)流入孔21相連通，第一環(huán)形凹槽微通 道23的下端與冷卻介質(zhì)流出凹槽22相連通，右微通道散熱片17上的第二光纖通過孔20位 于第一環(huán)形凹槽微通道23內(nèi)側(cè)；中間微通道散熱片16上的側(cè)面(左側(cè)或右側(cè)，或左右側(cè)均 設(shè)置，圖2中為右側(cè))設(shè)有第二環(huán)形凹槽微通道8，第二環(huán)形凹槽微通道8的上端與中間微 通道散熱片16上的第二冷卻介質(zhì)流入孔21相連通，第一環(huán)形凹槽微通道8的下端與中間微 通道散熱片16上的第二冷卻介質(zhì)流出孔19相連通，中間微通道散熱片16上的第二光纖通過 孔20位于第二環(huán)形凹槽微通道8的內(nèi)側(cè)；左微通道散熱片15的右側(cè)設(shè)有第三環(huán)形凹槽微通 道24，第三環(huán)形凹槽微通道24的上端與左微通道散熱片15上的冷卻介質(zhì)流入凹槽18相連 通，第三環(huán)形凹槽微通道24的下端與左微通道散熱片15上的第二冷卻介質(zhì)流出孔19相連通， 左微通道散熱片15上的第二光纖通過孔20位于第三環(huán)形凹槽微通道24的內(nèi)側(cè)。所述的第一環(huán)形凹槽微通道23為10 40條(按照要求，合理設(shè)計微通道數(shù))，第二環(huán)形 凹槽微通道8為10 40條(按照要求，合理設(shè)計微通道數(shù))，第三環(huán)形凹槽微通道24為10 40條(按照要求，合理設(shè)計微通道數(shù))；為了能清楚地顯示結(jié)構(gòu)，圖2、圖7、圖8中只畫出 了 4條環(huán)形凹槽微通道。
所述的第一環(huán)形凹槽微通道23的形狀為長方形、梯形或倒三角形(圖中采用長方形)， 第二環(huán)形凹槽微通道8的形狀為長方形、梯形或倒三角形(圖中采用長方形)，第三環(huán)形凹槽 微通道24的形狀為長方形、梯形或倒三角形(圖中采用長方形)。
所述的M型座1包括L形板10、側(cè)板11，側(cè)板11的下端部與L形板10的底部固定連接 (如焊接或由螺釘12固定)，側(cè)板11與L形板10圍成凹槽14;側(cè)板11上設(shè)有第一光纖通 過孔3、第一冷卻介質(zhì)流入孔4; L形板10的豎部設(shè)有第一冷卻介質(zhì)流出孔5、第三光纖通過 孔13。
所述的冷卻介質(zhì)為水(去離子水)，也可以是其它類型的流動性液體或氣體。 由于光纖端部一定長度(一般l-2cm)內(nèi)都需要散熱，以保護(hù)端面和輸出膜或光柵，因此， 片數(shù)不能太少。要根據(jù)散熱量、需散熱長度確定。若需要散熱的長度較長，為了降低工藝難 度和成本，避免微通道片數(shù)過多，也可把"中間微通道散熱片16"中的部分做成較厚的白片， 即，在它的上面沒有微通道，只有冷卻介質(zhì)的出入口和光纖通道。 下面是一個具體實(shí)施的例子
選取導(dǎo)熱性能好的金屬銅作為凹型座和微通道散熱器的材料；
凹型座的外圍尺寸(長X寬X高)為31隱X20mmX25隱，凹槽14的尺寸(長X寬X高) 為2]細(xì)X20腿X20腿；冷卻介質(zhì)出入口內(nèi)、外半徑分別為l咖和2mm; 微通道散熱器2由40個相同的單層微通道散熱片裝配而成；
微通道散熱片的尺寸(厚X寬X高)為0.5鵬X20mmX20咖，微通道散熱片內(nèi)的單個微通 道為長方形，通道寬和深分別為300Wn和350Wn;
若雙包層光纖的保護(hù)層直徑為800Mm，則在凹型座的兩側(cè)和微通道散熱片的中央開一個 直徑為lmm的圓孔，以便光纖穿過，然后在光纖與圓孔的空隙中填入乳狀硅膠。
實(shí)驗表明本發(fā)明可使高功率光纖激光器端部產(chǎn)生的大量熱量由冷卻劑及時帶走，從而 實(shí)現(xiàn)光纖端部冷卻。該冷卻器具有制冷效果明顯和實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.高功率光纖激光器端部微通道冷卻器，其特征在于它包括凹型座(1)、微通道散熱器(2)；微通道散熱器(2)位于凹型座(1)的凹槽(14)內(nèi)，微通道散熱器(2)上的冷卻介質(zhì)流入通道(6)與凹型座(1)上的第一冷卻介質(zhì)流入孔(4)相通，微通道散熱器(2)上的冷卻介質(zhì)流出通道(7)與凹型座(1)上的第一冷卻介質(zhì)流出孔(5)相通，微通道散熱器(2)上的光纖通過通道(9)的右端與凹型座(1)上的凹槽(14)右側(cè)的第一光纖通過孔(3)相通，微通道散熱器(2)上的光纖通過通道(9)的左端與凹型座(1)上的凹槽(14)左側(cè)的第三光纖通過孔(13)相通；光纖通過通道(9)位于冷卻介質(zhì)流入通道(6)與冷卻介質(zhì)流出通道(7)之間；凹型座(1)、微通道散熱器(2)的材料均為金屬。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率光纖激光器端部微通道冷卻器，其特征在于微通道散熱器(2)由左微通道散熱片(15)、中間微通道散熱片(16)、右微通道散熱片(17)固定成一體，中間微通道散熱片(16)位于左微通道散熱片(15)與右微通道散熱片(17)之間，中間微通道散熱片(16)為10 100片；左微通道散熱片(15)、中間微通道散熱片(16)、右微通道散熱片(17)的中部均設(shè)有第二光纖通過孔(20)，左微通道散熱片(15)上的第二光纖通過孔、中間微通道散熱片(16)上的第二光纖通過孔限、右微通道散熱片(17)上的第二光纖通過孔(20)構(gòu)成光纖通過通道(9);中間微通道散熱片(16)、右微通道散熱片(17)的上端部均設(shè)有第二冷卻介質(zhì)流入孔(21)，左微通道散熱片(15)的上端部設(shè)有冷卻介質(zhì)流入凹槽(18)，左微通道散熱片(15)上的冷卻介質(zhì)流入凹槽(18)、中間微通道散熱片(16)的第二冷卻介質(zhì)流入孔、右微通道散熱片(17)上的第二冷卻介質(zhì)流入孔(21)構(gòu)成冷卻介質(zhì)流入通道(6);左微通道散熱片(15)、中間微通道散熱片(16)的下端部均設(shè)有第二冷卻介質(zhì)流出孔(19)，右微通道散熱片(17)的下端部設(shè)有冷卻介質(zhì)流出凹槽(22)，右微通道散熱片(17)上的冷卻介質(zhì)流出凹槽(22)、中間微通道散熱片(16)上的第二冷卻介質(zhì)流出孔(19)、左微通道散熱片(15)上的第二冷卻介質(zhì)流出孔構(gòu)成冷卻介質(zhì)流出通道(7);右微通道散熱片(17)的左側(cè)設(shè)有第一環(huán)形凹槽微通道(23)，第一環(huán)形凹槽微通道(23)的上端與右微通道散熱片(17)上的第二冷卻介質(zhì)流入孔(21)相連通，第一環(huán)形凹槽微通道(23)的下端與冷卻介質(zhì)流出凹槽(22)相連通，右微通道散熱片(17)上的第二光纖通過孔(20)位于第一環(huán)形凹槽微通道(23)內(nèi)側(cè)；中間微通道散熱片(16)上的側(cè)面設(shè)有第二環(huán)形凹槽微通道(8)，第二環(huán)形凹槽微通道(8)的上端與中間微通道散熱片(16)上的第二冷卻介質(zhì)流入孔(21)相連通，第二環(huán)形凹槽微通道(8)的下端與中間微通道散熱片(16)上的第二冷卻介質(zhì)流出孔(19)相連通，中間微通道散熱片(16)上的第二光纖通過孔(20)位于第二環(huán)形凹槽微通道(8)的內(nèi)側(cè)；左微通道散熱片(15)的右側(cè)設(shè)有第三環(huán)形凹槽微通道(24)，第三環(huán)形凹槽微通道(24)的上端與左微通道散熱片(15)上的冷卻介質(zhì)流入凹槽(18)相連通，第三環(huán)形凹槽微通道(24)的下端與左微通道散熱片(15)上的第二冷卻介質(zhì)流出孔(19)相連通，左微通道散熱片(15)上的第二光纖通過孔(20)位于第三環(huán)形凹槽微通道(24)的內(nèi)側(cè)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高功率光纖激光器端部微通道冷卻器，其特征在于所述的第-環(huán)形凹槽微通道(23)為10 40條，第二環(huán)形凹槽微通道(8)為10 40條，第二環(huán)形凹槽微通道(24)為10 40條。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高功率光纖激光器端部微通道冷卻器，其特征在于所述的第一環(huán)形凹槽微通道(23)的形狀為長方形、梯形或倒三角形，第二環(huán)形凹槽微通道(8)的形狀為長方形、梯形或倒三角形，第三環(huán)形凹槽微通道(24)的形狀為長方形、梯形或倒三角形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率光纖激光器端部微通道冷卻器，其特征在于所述的凹型座(1)包括L形板(10)、側(cè)板(11)，側(cè)板(11)的下端部與L形板(10)的底部固定連接，側(cè)板(11)與L形板(10)圍成凹槽(14);側(cè)板(11)上設(shè)有第一光纖通過孔(3)、第一冷卻介質(zhì)流入孔(4); L形板(10)的豎部設(shè)有第一冷卻介質(zhì)流出孔(5)、第三光纖通過孔(13)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高功率光纖激光器端部(輸入端或輸出端)的冷卻裝置。高功率光纖激光器端部微通道冷卻器，其特征在于它包括凹型座、微通道散熱器；微通道散熱器位于凹型座的凹槽內(nèi)，微通道散熱器上的冷卻介質(zhì)流入通道與凹型座上的第一冷卻介質(zhì)流入孔相通，微通道散熱器上的冷卻介質(zhì)流出通道與凹型座上的第一冷卻介質(zhì)流出孔相通，微通道散熱器上的光纖通過通道的右端與凹型座上的凹槽右側(cè)的第一光纖通過孔相通，微通道散熱器上的光纖通過通道的左端與凹型座上的凹槽左側(cè)的第三光纖通過孔相通；光纖通過通道位于冷卻介質(zhì)流入通道與冷卻介質(zhì)流出通道之間；凹型座、微通道散熱器的材料均為金屬。該冷卻器具有散熱均勻、冷卻效果明顯和實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。
文檔編號H01S3/042GK101640365SQ200910063718
公開日2010年2月3日 申請日期2009年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月25日
發(fā)明者劉國華 申請人:武漢工程大學(xué)