一種無水冷卻熱容高功率光纖激光器的制造方法
【專利摘要】一種無水冷卻熱容高功率光纖激光器，襯底內(nèi)部設(shè)有中空結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱片，填充相變材料和氣囊，中空結(jié)構(gòu)之間為深槽結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱片，中空結(jié)構(gòu)的下端放置具有韌性的氣囊，相變材料在固態(tài)和液態(tài)時(shí)密度不同，相變材料在吸收熱量過程中，由固體逐漸變?yōu)橐后w，相變材料的體積增加，此時(shí)氣囊被壓縮，提供額外體積；相變材料在放熱過程中，由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，相變材料的體積減小，此時(shí)氣囊膨脹，填補(bǔ)體積損失；在相變材料體積變化過程中，進(jìn)行體積緩沖，保證相變材料與導(dǎo)熱基底有良好接觸，在激光器工作時(shí)，熱量通過導(dǎo)熱片傳遞給相變材料，達(dá)到相變溫度后發(fā)生相變并吸收大量熱量，實(shí)現(xiàn)了激光器腔體和泵浦器件的溫度控制。
【專利說明】一種無水冷卻熱容高功率光纖激光器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無水冷卻熱容高功率光纖激光器，屬于光纖激光器領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]同氣體或常規(guī)固體激光器相比，高功率光纖激光器結(jié)構(gòu)簡單、光束質(zhì)量優(yōu)良、轉(zhuǎn)換效率高、閾值低，而且便于維護(hù)，在通信、印刷、打標(biāo)、材料加工、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。近十年來，其輸出功率以平均每年1.7倍的速度增加，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的單根光纖單模輸出的最高功率已達(dá)到10kW，多模激光器最高輸出功率已超過50kW。
[0003]然而，在高功率光纖激光器輸出功率大幅度提升的同時(shí)，激光腔體和泵浦源上產(chǎn)生的熱量也在大幅度增加，器件溫度的上升成為了設(shè)計(jì)需要考慮的因素。工作溫度的改變會(huì)影響激光功率穩(wěn)定性，在小面積大熱量積累的情況下，甚至?xí)蛊骷?nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成不可逆損傷。目前激光器的散熱方法主要有三種，風(fēng)冷、水冷和電子制冷。風(fēng)冷通過空氣對(duì)流直接散熱，裝置結(jié)構(gòu)較小，但是由于空氣導(dǎo)熱能力小，其散熱功率也較小，多用于小功率激光器的散熱。對(duì)于大功率激光器，風(fēng)冷已不足以帶走熱量，只能通過水冷卻。但是水冷卻裝置體積龐大，往往是激光器主體結(jié)構(gòu)的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，移動(dòng)較為不便。電子制冷基于半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)，使得熱量從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面，其體積較小制冷能力適中，但缺點(diǎn)是需要額外供電驅(qū)動(dòng)，往往與主體用電功率相當(dāng)?？梢哉f，傳統(tǒng)激光器中使用的三種溫度控制方式，對(duì)于需要移動(dòng)又對(duì)供電功率有限制的使用場合，都具有一定程度的局限性。
[0004]另一方面，相變蓄能技術(shù)通過蓄熱材料發(fā)生相變時(shí)吸收或放出熱量來實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存與釋放，相變過程中接近恒溫，可以緩解能量供求雙方在時(shí)間、強(qiáng)度及地點(diǎn)上不匹配，是提高能源利用效率和節(jié)能減排的重要技術(shù)手段，近年來對(duì)其研究吸引了愈來愈多的關(guān)注。國內(nèi)外對(duì)相變材料本身也開展了廣泛的研究，開發(fā)出了多種相變潛能高、性能穩(wěn)定的相變材料。但是通常的純相變材料，往往只有相當(dāng)?shù)偷膶?dǎo)熱系數(shù)(0.1?0.3ff/(m.K))，往往需要依附在導(dǎo)熱骨架結(jié)構(gòu)中使用，形成整體較低的熱阻，大幅度降低熱面的溫度，避免局部過熱情況發(fā)生。
[0005]目前，相變儲(chǔ)能技術(shù)多用于太陽能熱水系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和建筑節(jié)能，在激光器溫度控制領(lǐng)域的使用并未見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:在對(duì)光纖激光器的重量和供電功率具有限制的使用環(huán)境中，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于相變材料蓄熱技術(shù)和骨架導(dǎo)熱技術(shù)的無水冷卻熱容高功率光纖激光器解決方案，可以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的高功率激光輸出，保護(hù)激光器自身安全。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種無水冷卻熱容高功率光纖激光器，包括襯底、散熱槽、LD及無源器件和光纖，襯底上表面開有左右對(duì)稱的多個(gè)散熱槽，LD及無源器件及光纖置于襯底上，襯底內(nèi)部設(shè)有中空結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱片、填充相變材料和氣囊，中空結(jié)構(gòu)之間為深槽結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱片，中空結(jié)構(gòu)的下端放置具有韌性的氣囊，相變材料在固態(tài)和液態(tài)時(shí)密度不同，相變材料在吸收熱量過程中，由固體逐漸變?yōu)橐后w，相變材料的體積增加，此時(shí)氣囊被壓縮，提供額外體積；相變材料在放熱過程中，由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，相變材料的體積減小，此時(shí)氣囊膨脹，填補(bǔ)體積損失。
[0008]所述導(dǎo)熱片與襯底為同一個(gè)結(jié)構(gòu)加工件或者實(shí)施良好熱接觸，以使熱量低熱阻傳導(dǎo)。
[0009]所述散熱槽的形狀與放置在散熱槽內(nèi)的各部件的外形相匹配，用以增加散熱槽側(cè)壁的散熱面積，提高導(dǎo)熱效率。對(duì)于光纖，放置在襯底上洗出的U形槽、V形槽或者其他形式的沉槽；對(duì)于如泵浦LD和合束器等體器件，放置在襯底上洗出的符合器件外形的淺槽，增加側(cè)面散熱面積。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0011](I)本發(fā)明無需水冷卻或其他冷媒循環(huán)散熱，降低了冷媒對(duì)激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生污染的潛在威脅，并且極大的降低了冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜度，保證激光器的運(yùn)行安全。
[0012](2)由于蓄熱材料在相變發(fā)生過程中溫度可以維持在一個(gè)較小范圍內(nèi)恒定不變，這使得本發(fā)明中并不需要溫度控制，只要散熱熱量不大于設(shè)計(jì)蓄熱量，熱面溫度相對(duì)穩(wěn)定，這使得泵浦源和激光腔體也能夠維持在穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
[0013](3)選擇具有較大相變潛熱和導(dǎo)熱率較好的相變材料作為填充材料，可以保持冷卻系統(tǒng)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，具有極佳的抗振動(dòng)性能。
[0014](4)相變材料在蓄熱過程中不需要外部供電，并且具有可恢復(fù)性，激光器工作中，可以吸收熱量進(jìn)行散熱，而在激光器停止工作后，可以通過降低溫度的方式，釋放相變材料內(nèi)的熱量。因此本發(fā)明能夠循環(huán)使用，符合節(jié)能減排的標(biāo)準(zhǔn)。
[0015](5)中空結(jié)構(gòu)的下端放置具有韌性的氣囊(18)，可以進(jìn)行一定范圍內(nèi)的壓縮和膨脹，用于填充相比前后材料體積變化，同時(shí)氣囊的存在，能夠使相變材料與深槽導(dǎo)熱片始終處于良好熱接觸。
[0016](6)深槽結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱片的側(cè)壁可以增加與中空結(jié)構(gòu)的接觸面積，實(shí)現(xiàn)熱量向相變材料的快速傳遞。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的方案結(jié)構(gòu)圖；
[0018]圖2為本發(fā)明工作的溫度分布示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下結(jié)合附圖，提出一種無水冷卻熱容高功率光纖激光器的最優(yōu)方案，如圖1所示，一種無水冷卻熱容高功率光纖激光器，包括襯底11、散熱槽12、LD及無源器件13和光纖14,襯底11上表面開有左右對(duì)稱的多個(gè)散熱槽12, LD及無源器件13及光纖14置于襯底11上，襯底11內(nèi)部設(shè)有中空結(jié)構(gòu)15、導(dǎo)熱片16、填充相變材料17和氣囊18，中空結(jié)構(gòu)15之間為深槽結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱片16，中空結(jié)構(gòu)15的下端放置具有韌性的氣囊18，相變材料17在固態(tài)和液態(tài)時(shí)密度不同，相變材料17在吸收熱量過程中，由固體逐漸變?yōu)橐后w，相變材料17的體積增加，此時(shí)氣囊18被壓縮，提供額外體積；相變材料17在放熱過程中，由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，相變材料17的體積減小，此時(shí)氣囊膨脹，填補(bǔ)體積損失。
[0020]所述導(dǎo)熱片16與襯底11為同一個(gè)結(jié)構(gòu)加工件或者實(shí)施良好熱接觸，以使熱量低熱阻傳導(dǎo)。
[0021]所述所述散熱槽12的形狀與放置在散熱槽12內(nèi)的各部件的外形相匹配，用以增加散熱槽12側(cè)壁的散熱面積，提高導(dǎo)熱效率。對(duì)于光纖，放置在襯底上洗出的U形槽、V形槽或者其他形式的沉槽；對(duì)于如泵浦LD和合束器等體器件，放置在襯底上洗出的符合器件外形的淺槽，增加側(cè)面散熱面積。
[0022]襯底內(nèi)部采用中空結(jié)構(gòu)15設(shè)計(jì)，用于填充溫度控制材料，中空結(jié)構(gòu)的外圍與上側(cè)采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利于熱量向下傳導(dǎo)。中空結(jié)構(gòu)的尺寸由相變材料體積決定。
[0023]使用固-液相變材料17作為蓄能材料，利用材料從固體相變?yōu)橐后w過程中的相變潛熱，對(duì)系統(tǒng)熱量進(jìn)行吸收，達(dá)到維持主體器件溫度的目的。相變材料的質(zhì)量M根據(jù)需要吸收的熱量Q和材料相變潛熱L聯(lián)合計(jì)算，滿足關(guān)系如下:
[0024]M=Q/L (I)
[0025]在已知材料密度P后，可以計(jì)算出所需材料體積V為:
[0026]V=M/P (2)
[0027]例如使用相變石蠟作為蓄熱材料，其相變潛熱可達(dá)240kJ/kg。對(duì)于散熱功率為2000W的激光器，激光工作時(shí)間為180s時(shí)，過程中產(chǎn)生的熱量Q為:
[0028]Q=2000X180J=360kJ (3)`[0029]僅從熱量角度可見，1.5kg相變石蠟的潛熱即可滿足散熱功率為2000W的激光器正常工作180s。
[0030]中空結(jié)構(gòu)15上端設(shè)計(jì)為深槽結(jié)構(gòu)16，與襯底11為同一個(gè)結(jié)構(gòu)加工件，或者實(shí)施良好熱接觸，用以熱量低熱阻傳導(dǎo)。深槽結(jié)構(gòu)16實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)熱片的作用，深入相變材料17中，將熱量向下傳導(dǎo)，深槽的側(cè)壁可以增加接觸面積，實(shí)現(xiàn)熱量向相變材料的快速傳遞。
[0031]中空結(jié)構(gòu)15的下端放置氣囊18，氣囊18具有柔韌性，可以進(jìn)行一定范圍內(nèi)的壓縮和膨脹。相變材料在固態(tài)和液態(tài)時(shí)密度并不一樣，前者密度比后者大。相變材料在吸收熱量過程中，若相變材料為固-液相變，由固體逐漸變?yōu)橐后w，整體體積增加，此時(shí)氣囊被壓縮，提供額外體積；當(dāng)相變材料在放熱過程中，由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，整體體積減小，此時(shí)氣囊膨脹，填補(bǔ)體積損失。因此，氣囊的存在，能夠使相變材料與深槽導(dǎo)熱片始終處于良好熱接觸。
[0032]若相變材料固態(tài)時(shí)密度為P @，液態(tài)時(shí)密度為P a，則對(duì)于固定質(zhì)量M的材料來說，完全相變前后的體積變化量AV可計(jì)算如下:
[0033]
M M (.X Δ V =------( 4 )
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[0034]依然使用相變石蠟為例，其固態(tài)時(shí)密度約為0.88g/cm3，液態(tài)時(shí)密度約為0.77g/cm3，按照公式4，2kg相變石蠟的固態(tài)與液態(tài)體積變化為244cm3，體積變化率為14.4%。因此，中空結(jié)構(gòu)內(nèi)放置的氣囊體積變化量也需要大于244cm3。
[0035]如圖2所示為使用本發(fā)明結(jié)構(gòu)后工作溫度示意圖，其中散熱功率2000W，仿真時(shí)間180s，填充材料為2kg相變石蠟，室溫22°C。通過熱仿真得到溫度分布結(jié)果，使用本發(fā)明后，區(qū)域21溫度為34.60C，區(qū)域22溫度為33.5°C，區(qū)域23溫度為31.8°C，區(qū)域24溫度為29.(TC，區(qū)域25溫度為27.8°C。激光器主體器件位于區(qū)域21上，溫度屬于正常工作范圍之內(nèi)，溫度能夠得到有效控制。
[0036]本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種無水冷卻熱容高功率光纖激光器，其特征在于:包括襯底(11)、散熱槽(12)、LD及無源器件(13)和光纖(14)，襯底(11)上表面開有左右對(duì)稱的多個(gè)散熱槽(12)，LD及無源器件(13)及光纖(14)置于襯底(11)上,襯底(11)內(nèi)部設(shè)有中空結(jié)構(gòu)(15)、導(dǎo)熱片(16)、填充相變材料(17)和氣囊(18)，中空結(jié)構(gòu)(15)之間為深槽結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱片(16)，中空結(jié)構(gòu)(15)的下端放置具有韌性的氣囊(18)，相變材料(17)在固態(tài)和液態(tài)時(shí)密度不同，相變材料(17)在吸收熱量過程中，由固體逐漸變?yōu)橐后w，相變材料(17)的體積增加，此時(shí)氣囊(18)被壓縮，提供額外體積；相變材料(17)在放熱過程中，由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，相變材料(17)的體積減小,此時(shí)氣囊膨脹,填補(bǔ)體積損失。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無水冷卻熱容高功率光纖激光器，其特征在于:所述導(dǎo)熱片(16)與襯底(11)為同一個(gè)結(jié)構(gòu)加工件或者實(shí)施良好熱接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無水冷卻熱容高功率光纖激光器，其特征在于:所述散熱槽(12)的形狀與放置在散熱槽(12)內(nèi)的各部件的外形相匹配，用以增加散熱槽(12)側(cè)壁的散熱面積，提高導(dǎo)熱效率。
【文檔編號(hào)】H01S3/067GK103682964SQ201310718940
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】馬建立, 于淼, 王巍, 王學(xué)鋒, 何哲璽 申請(qǐng)人:北京航天時(shí)代光電科技有限公司