[发明专利]一种高功率光纤合束器的分区冷却封装结构

说明书

一种高功率光纤合束器的分区冷却封装结构，包括热沉、光纤合束器、中空圆柱形套管和盖板。热沉由上盖和底座两部分组成，上下两部分用螺钉固定，热沉底座分为输入光纤冷却区和耦合输出冷却区，光纤合束器的耦合区及邻近的输出光纤封装在中空圆柱形套管内，再将套管用盖板封装在热沉的耦合输出冷却区，耦合输出冷却区内设置有液体冷却腔、外壁设有液体进出口，液体进出口与液体循环装置连接。光纤合束器靠近耦合区的输入光纤用光学胶固定在热沉的输入光纤冷却区。本发明的分区冷却封装结构能够对高功率运行的合束器进行有效冷却，同时避免了合束器的锥区及光纤涂覆层与冷却液直接接触，提高了合束器长期运行的稳定性和可靠性。

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，具体涉及一种高功率光纤合束器的分区冷却封装结构。

背景技术

光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、热管理方便及结构紧凑等优点，近几年在工业制造、生物医疗、国防安全等领域得到了广泛的应用。光纤合束器是实现高功率光纤激光的核心元器件之一，包括泵浦合束器和信号合束器。泵浦合束器可在单台激光器中将多个高功率泵浦源输出的功率进行合成，为光纤激光器提供更高的泵浦功率；信号合束器可将多个中等功率的光纤激光器的输出信号进行功率合成，以获得更高功率的光纤激光输出。

光纤合束器将多根输入光纤合束、拉锥、再与输出光纤熔接，受制作方法及工艺的限制，其耦合效率不可能达到100％，总会有一部分光在合束器中传输时损耗掉，随着光纤激光器功率水平的不断提升，当输出功率达到千瓦量级时，合束器中损耗的光功率就会产生大量的热，散热效果不好很容易导致光纤合束器性能下降甚至烧毁，因此，合束器封装冷却结构的设计成为了提升其输出功率水平和可靠性的关键技术问题。

目前，合束器的封装散热结构大多采用外部冷却法，即将合束器两端用胶固定在封装外壳上，合束器中间部分悬空在封装外壳内以避免与壳体内部直接接触，热量通过两端的固定连接处传导到封装外壳上，这种方法由于换热面积小，热传导效率不高，悬空耦合区积蓄的热量无法有效导出，在高功率运行情况下热稳定性较差。专利CN103064151A提出了一种流体冷却的光纤耦合器装置，进入冷却区内的流体与光纤耦合区直接接触且在冷却区中形成很强的对流效果，起到直接对光纤耦合器光纤耦合区冷却处理的作用。专利CN103984064A也公开了一种类似的技术方案。这种方法将合束器光纤的拉锥熔接部分浸泡在循环水中，虽然有利于散热，但由于合束器熔锥区的光纤束很细(通常在几十微米至一两百微米量级)，冷却水流的冲击对其可靠性造成威胁，另外，将光纤的涂覆层直接浸泡在水中，也不利于长期运行稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高功率光纤合束器的分区冷却封装结构，以克服现有的冷却封装结构存在的耦合输出段与冷却液直接接触导致的可靠性和稳定性差的缺陷。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：

一种高功率光纤合束器的分区冷却封装结构，包括：热沉、光纤合束器、中空圆柱形套管和盖板，热沉包括上盖和底座，上盖盖在底座上，底座分为输入光纤冷却区和耦合输出冷却区，光纤合束器靠近耦合区的输入光纤用光学胶固定在输入光纤冷却区，光纤合束器的耦合输出段及邻近的输出光纤用光学胶封装在中空圆柱形套管内，耦合输出冷却区内具有液体冷却腔，耦合输出冷却区外壁设有与液体冷却腔相通的液体进出口，液体进出口外接液体循环装置，中空圆柱形套管的两端用光学胶固定在耦合输出冷却区，中空圆柱形套管浸泡在液体冷却腔中的循环冷却液中，盖板盖在耦合输出冷却区上。

作为本发明优选的技术方案，所述热沉由高导热系数的材料制成。

作为本发明优选的技术方案，所述中空圆柱形套管为石英管。

作为本发明优选的技术方案，所述光纤合束器是泵浦合束器或信号合束器。

作为本发明优选的技术方案，所述中空圆柱形套管和盖板均对散射的激光具有高透明度。

作为本发明优选的技术方案，所述冷却液为水。