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一種脈沖光纖激光器.pdf

摘要
申請專利號:

CN201210568681.2

申請日:

2012.12.25

公開號:

CN103022868B

公開日:

2015.01.07

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H01S 3/067申請日:20121225|||公開
IPC分類號: H01S3/067; H01S3/042 主分類號: H01S3/067
申請人: 中國電子科技集團公司第十一研究所
發明人: 呂華昌; 張大勇; 張昆; 李堯; 朱虹; 朱辰; 王雄飛
地址: 100015 北京市朝陽區酒仙橋路4號
優先權:
專利代理機構: 工業和信息化部電子專利中心 11010 代理人: 田俊峰
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210568681.2

授權公告號:

103022868B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.07|||2013.05.01|||2013.04.03

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種脈沖光纖激光器,采用“回”字形散熱通道;若干散熱風扇放置于“回”字形散熱通道前后兩側;光纖無源器件、電源器件、種子源及有源器件根據其尺寸和散熱要求分別安裝于“回”字形散熱通道中,“回”字形散熱通道中設置有限位擋風板,通過控制“回”字形散熱通道各側面的散熱片截面尺寸和限位擋風板角度可控制進入散熱片各側面的風量。本發明具有加工容易、成本低廉、便于安裝維護、熱管理集中、散熱簡單高效、光電分離、布線整齊有序、可靠性高、模塊化設計、便于系統擴展等特點,可以滿足特殊溫度條件風冷高功率脈沖光纖激光器工作要求。

權利要求書

權利要求書一種脈沖光纖激光器,其特征在于,采用“回”字形散熱通道;若干散熱風扇放置于“回”字形散熱通道前后兩側;光纖無源器件、電源器件、種子源及有源器件根據其尺寸和散熱要求分別安裝于“回”字形散熱通道中,“回”字形散熱通道中設置有限位擋風板,通過控制“回”字形散熱通道各側面的散熱片截面尺寸和限位擋風板角度可控制進入散熱片各側面的風量。
如權利要求1所述的脈沖光纖激光器,其特征在于,所述“回”字形散熱通道由激光器外殼及上散熱板、下散熱板、左散熱板、右散熱板、前接口板和后接口板拼接而成;散熱片選用導熱性能好的紫銅或鋁合金。
如權利要求1所述的脈沖光纖激光器,其特征在于,所述散熱風扇由吹風風扇和抽風風扇通過串、并聯方式組成。
如權利要求2所述的脈沖光纖激光器,其特征在于,所述“回”字形散熱通道的上散熱板安裝無源光纖器件,下散熱板安裝電源器件,左散熱板和右散熱板安裝種子源和有源器件。
如權利要求4所述的脈沖光纖激光器,其特征在于,有源器件出口光纖向上,電控線路入口向下,向上光纖通過光纖接口與上散熱板上安裝的無源光纖器件匯接,向下電控線路通過電接口與下散熱板上安裝的電源器件匯接。
如權利要求1所述的脈沖光纖激光器,其特征在于,將散熱器件依次整齊成行排列,按照散熱功率大小依次安裝。
如權利要求1所述的脈沖光纖激光器,其特征在于,電源器件、種子源及有源器件采用熱沉、半導體致冷器和散熱風扇共同散熱的方式進行散熱。
如權利要求7所述的脈沖光纖激光器,其特征在于,熱沉材料選用紫銅;采用多塊半導體制冷器、多個風扇及梯型風道增強制冷效果。
如權利要求8所述的脈沖光纖激光器,其特征在于,傳熱表面的粗糙度Ra≤1.6,平面度小于0.05;傳熱表面之間添加導熱填充材料。
如權利要求9所述的脈沖光纖激光器,其特征在于,傳熱表面之間壓強大于20Mpa。

說明書

說明書一種脈沖光纖激光器
技術領域
本發明涉及激光器技術領域,特別是涉及一種脈沖光纖激光器。
背景技術
光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質的激光器,光纖激光器可在光纖放大器的基礎上開發出來:在泵浦光的作用下光纖內極易形成高功率密度,造成激光工作物質的激光能級“粒子數反轉”,當適當加入正反饋回路(構成諧振腔)便可形成激光振蕩輸出。
光纖激光器應用范圍非常廣泛,已在激光光纖通訊、激光空間遠距通訊、工業造船、汽車制造、激光雕刻、激光打標、激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔、切割、焊接(銅焊、淬水、包層以及深度焊接)、醫療器械儀器設備、大型基礎建設等領域得到廣泛應用。
作為第三代激光技術的代表,光纖激光器具有其他激光器無可比擬的技術優越性。相比傳統固體激光器,全光纖化脈沖激光器具有體積小、壽命長、高亮度、高轉換效率(每瓦泵浦光轉換效率提高10倍以上)、高輸出光束質量,易于小型化結構系統集成等一系列優點:光纖激光器的諧振腔內無光學鏡片,可大大避免由于結構變形(機械和熱)所造成的光束質量改變,具有免調節、免維護、高穩定性的優點;光纖激光器玻璃光纖具有高的表面積和體積比值,熱控管理容易,比一般激光器的耐熱性能好;LD(Laser Diode,激光二極管)泵浦的高功率光纖激光器在獲得高功率和高效率的同時可獲得高光束質量,使激光亮度大大提高,并且易于小型化。
脈沖式高功率光纖激光器一般通過主振蕩功率放大(Master Oscillator PowerAmplifier,MOPA)技術方案實現,采用MOPA放大的光纖激光器,可通過調節種子光控制激光器輸出參數,從而獲得相應的脈沖參數。對于高平均功率窄脈寬脈沖光纖激光器一般采用多級光纖放大器實現,整機系統結構相對比較復雜,元器件數量較多,特別是在特殊條件下還需滿足苛刻的機械、熱環境適應性及可靠性條件,因此如何科學設計光纖激光器整機結構布局是一項光纖激光器一項重要的課題。
優良的光纖激光器整機結構布局應具有以下特點:模塊化設計,接口豐富,便于系統拓展與對接;熱管理集中,散熱簡單高效;整機結構加工簡單,便于裝配維修和成本控制;器件布局合理,光路和電路分離,布線整齊有序不交疊;外形美觀大方,符合現代工業產品制造設計要求;對于特殊設備,還需具備結構設計牢固可靠耐用,滿足各種特殊工況環境要求等條件。
現今國內外光纖激光器整機結構形式多樣,主要包括以下方式:
1、機柜機箱式;
即采用標準機箱機柜,通常適用于大型高功率激光器集成,各光纖器件、電源、散熱冷卻設備分別放置于標準機箱或機柜內,然后統一裝配;此種方式優點是加工簡單,體積較大,光電冷卻設備分離,便于維修裝配,典型產品如IPG公司的千瓦級工業化光纖激光器。
2、箱體拼板式;
即采用拼板結構,通常應用于風冷式散熱結構,其布局特點是將光纖散熱器件、電源發熱器件放置在散熱基板或散熱片周圍,利用冷卻風的強迫制冷促使熱量快速傳遞導出;此種結構方式是基于熱管理設計進行考慮的,其特點是體積較小,散熱效率高效,集成化程度較高,但線路復雜,安裝維修裝配通常較為困難。
風冷式光纖激光器具有體積小巧、集成化程度高、環境條件適用性強的特點。對于特殊工況條件下工作的風冷光纖激光器,需集中考慮高低溫及振動、沖擊環境下的熱管理及結構可靠性問題;而在這些問題當中,光纖的熱管理結構設計是首要解決的核心,目前固體全脈沖光纖激光器尚處于實驗室研發階段,此類報道極少。
綜上所述,對于高平均功率窄脈寬脈沖光纖激光器,尤其是特殊工況使用的高功率光纖激光器,非常有必要設計一種結構簡單牢固可靠、熱管理集中高效、模塊化程度高便于系統擴展、光電分離布線規律整齊、結構設計簡單生產制造便利符合現代工業產品要求的新式激光器結構。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種脈沖光纖激光器,用以解決現有技術中再特殊工況條件下溫度環境惡劣的問題。
為解決上述技術問題,本發明提供一種脈沖光纖激光器,采用“回”字形散熱通道;若干散熱風扇放置于“回”字形散熱通道前后兩側;光纖無源器件、電源器件、種子源及有源器件根據其尺寸和散熱要求分別安裝于“回”字形散熱通道中,“回”字形散熱通道中設置有限位擋風板,通過控制“回”字形散熱通道各側面的散熱片截面尺寸和限位擋風板角度可控制進入散熱片各側面的風量。
進一步,所述“回”字形散熱通道由激光器外殼及上散熱板、下散熱板、左散熱板、右散熱板、前接口板和后接口板拼接而成;散熱片選用導熱性能好的紫銅或鋁合金。
進一步,所述散熱風扇由吹風風扇和抽風風扇通過串、并聯方式組成。
進一步,所述“回”字形散熱通道的上散熱板安裝無源光纖器件,下散熱板安裝電源器件,左散熱板和右散熱板安裝種子源和有源器件。
進一步,有源器件出口光纖向上,電控線路入口向下,向上光纖通過光纖接口與上散熱板上安裝的無源光纖器件匯接,向下電控線路通過電接口與下散熱板上安裝的電源器件匯接。
進一步,將散熱器件依次整齊成行排列,按照散熱功率大小依次安裝。
進一步,電源器件、種子源及有源器件采用熱沉、半導體致冷器和散熱風扇共同散熱的方式進行散熱。
進一步,熱沉材料選用紫銅;采用多塊半導體制冷器、多個風扇及梯型風道增強制冷效果。
進一步,傳熱表面的粗糙度Ra≤1.6,平面度小于0.05;傳熱表面之間添加導熱填充材料。
進一步,傳熱表面之間壓強大于20Mpa。
本發明有益效果如下:
本發明具有加工容易、成本低廉、便于安裝維護、熱管理集中、散熱簡單高效、光電分離、布線整齊有序、可靠性高、模塊化設計、便于系統擴展等特點,可以滿足特殊溫度條件風冷高功率脈沖光纖激光器工作要求。
附圖說明
圖1是本發明實施例中一種脈沖光纖激光器結構示意圖;
圖2是本發明實施例中一種脈沖光纖激光器的主視圖;
圖3是本發明實施例中一種脈沖光纖激光器的端面試圖;
圖4是本發明實施例中一種脈沖光纖激光器的光電分離結構示意圖;
圖5是本發明實施例中一種脈沖光纖激光器的光學單元模塊化設計示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖以及實施例,對本發明進行進一步詳細說明。應當理解,此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明,并不限定本發明。
如圖1~5所示,本發明實施例涉及一種脈沖光纖激光器,采用“回”字形散熱通道1,若干散熱風扇5放置于“回”字形散熱通道1前后兩側;光纖無源器件2、電源器件3、種子源及有源器件4可按具體散熱和尺寸要求分別安裝于“回”字形散熱通道中,“回”字形散熱通道中設置有限位擋風板6,通過控制“回”字形散熱通道各側面的散熱片7截面尺寸和限位擋風板6角度可控制進入散熱片各側面的風量。
“回”字形散熱通道由激光器外殼及上散熱板A、下散熱板B、左散熱板C、右散熱板D、前接口板E和后接口板F拼接而成,散熱片7可采用已成型的標準散熱片產品加工即可,其材質可根據散熱要求選用導熱性能好的紫銅或鋁合金。“回”字形散熱通道擁有上、下、左、右四個安裝平臺,為各光機電器件提供了較為充足的安裝布局空間,前后接口板則提供了相應的光學、機械以及電控接口。
散熱風扇5采取吹風風扇(大風壓,集中風量)和抽風風扇(小風壓、大風量)串、并聯方式相結合方式以增強散熱效果。
本發明激光器結構采取光電分離設計,如附圖4所示,作為一種典型設計實例,“回”字形散熱通道上散熱板A安裝無源光纖器件,下散熱板B安裝電源器件,左散熱板C和右散熱板D安裝種子源、有源器件(高功率LD散熱器件),其有源器件出口光纖向上,電控線路入口向下,向上光纖通過光纖接口9與上散熱板A上安裝的無源光纖器件匯接,向下電控線路通過電接口8與下散熱板B上安裝的電源器件匯接,促使光電線路不交疊,布線有序整齊。
由上述描述可以看出,本發明造型簡單、加工容易,安裝維修方便,拓展性強,符合現代工業產品的設計、制造和生產趨勢;光電器件走線采取分離設計,操作方便,布線整齊有序。
光纖無源器件、電源器件、種子源及其他高功率LD散熱器件具體安裝時,可根據具體散熱和器件尺寸要求進行布局,分別放置于“回”字形散熱通道周圍四側,通過控制“回”字形散熱通道各側面的散熱肋片截面尺寸和限位擋風板角度可控制進入散熱片各側面的風量。考慮激光器中發熱器件眾多,不同的器件控溫要求也不一致,為確保各導熱器件熱量的快速傳遞,如下所述,應根據各自發熱量和控溫要求分別采取相應的熱導熱措施。
器件布局設計中,將散熱器件依次整齊成行排列,按照散熱功率大小依次安裝,進行冷卻,即:先冷卻散熱功率較大和關鍵的器件(比如高功率LD散熱器件),后冷卻冷卻散熱功率較小器件。
對于其他控溫要求一般的器件,則僅作貼壁(“回”字形散熱通道側壁)安裝處理,通過通道進行強迫風冷散熱。對于控溫精度高、而且表面熱流密度大的散熱器件(比如高功率LD散熱器件),單靠接觸傳導、強迫風冷對流、輻射等方式,無法將熱量及時均勻傳至散熱機殼(高溫工況下由于環境工作溫度為+70℃,即使采用強迫風冷的方式也無法滿足器件控溫要求),在只考慮風冷的前提下,必須通過外加動力促使發熱器件熱量快速傳遞,采用TEC(Thermoelectric Cooler,半導體致冷器)熱電效應制冷是解決這一問題的通常方式,同時通過在紫銅熱沉安裝熱敏電阻的方式進行閉環控制,其控溫方式為紫銅熱沉加TEC制冷器加強迫風冷實現。本發明實施例中,控溫精度高、而且表面熱流密度大的散熱器件是相對而言,只要采用貼壁安裝處理不能達到預定散熱效果的器件,則都可以認為是控溫精度高、而且表面熱流密度大的散熱器件,都可以通過采用熱沉、半導體致冷器和強迫風冷共同散熱的方式進行散熱。
設計可采用下列措施提高熱傳遞可靠性:
熱沉材料應選用熱傳導率高的紫銅,在保證結構強度和剛度要求的前提下,盡量縮短傳熱路徑,增大導熱面積;通過采用多塊TEC制冷器、多風扇串并聯方式及梯型風道提高制冷功率,增強制冷效果,提高工作可靠性;采取一系列技術措施減少接觸表面熱阻,包括通過精密機械加工控制結構傳熱表面的機械物理精度,控制粗糙度Ra≤1.6,平面度小于0.05;通過添加導熱填充材料(比如銦片、導熱硅脂等)減少傳熱面之間的接觸熱阻;通過高精度力矩扳手進行安裝鎖緊,以保證結構傳熱面之間的良好接觸(保證接觸表面壓強大于20Mpa)等。
發明實施例對光纖功能器件、高功率LD組件等單元進行模塊化設計,以便于系統擴展和擴容。
綜上所述,本發明設計的高平均功率窄脈寬脈沖光纖新式激光器結構具有加工容易、成本低廉、便于安裝維護、熱管理集中、散熱簡單高效、光電分離、布線整齊有序、可靠性高、模塊化設計、便于系統擴展、滿足特殊溫度條件風冷高功率脈沖光纖激光器工作要求等特點。
盡管為示例目的,已經公開了本發明的優選實施例,本領域的技術人員將意識到各種改進、增加和取代也是可能的,因此,本發明的范圍應當不限于上述實施例。

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一種 脈沖 光纖 激光器
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