本發(fā)明涉及到一種高功率光纖激光器，特別是高功率光纖激光器或高功率光纖放大器中光纖冷卻的方法。

背景技術(shù)：

光纖激光器是固體激光器的一種，具有高功率、高光束質(zhì)量、高效率、小體積等諸多優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，隨著近年來(lái)光纖激光器的發(fā)展與進(jìn)步，光纖激光器在光譜、功率、線寬、光束質(zhì)量等性能顯著提高，并在工業(yè)加工、通信、醫(yī)學(xué)、軍工等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。但隨著功率的提升，高效冷卻作為一類共性關(guān)鍵技術(shù)，始終伴隨于激光器的研發(fā)和工程化過(guò)程中。光纖涂覆層溫度85℃時(shí)為光纖損傷的閾值溫度，在高功率情況下，需要對(duì)光纖整個(gè)圓周的涂覆層進(jìn)行冷卻。而受限于機(jī)械加工的精度，無(wú)法使整個(gè)光纖的圓柱面緊密貼附水冷板，因此，需要在光纖和冷卻板之間添加某種安全穩(wěn)定的介質(zhì)材料。

現(xiàn)有介質(zhì)材料主要為導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱膏、銅粉、銦箔等。導(dǎo)熱硅脂雖然有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，但長(zhǎng)期高溫使用時(shí)，硅脂容易變干，造成導(dǎo)熱系數(shù)的下降，影響激光器的安全性；導(dǎo)熱膏雖然穩(wěn)定性好，但導(dǎo)熱系數(shù)低，一般導(dǎo)熱系數(shù)為低于5W/m·K，不滿足2千瓦以上高功率光纖激光器散熱需求；銅粉或其他導(dǎo)熱粉末因在顆粒間存在間隙，會(huì)造成導(dǎo)熱性能的下降，并且在填充過(guò)程中容易造成人員吸入，影響人員健康，撒漏的銅粉如落在集成后激光器的電路板上，極易造成短路或其他危險(xiǎn)；銦箔或其他延展性箔類雖然有著較高的導(dǎo)熱系數(shù)，但包裹性不強(qiáng)，無(wú)法使光纖的圓柱面緊密貼附介質(zhì)或水冷板。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)高功率光纖激光器、高功率光纖放大器在研發(fā)和工程化過(guò)程中高效散熱問(wèn)題所面臨的介質(zhì)材料不能緊密貼附光纖、導(dǎo)熱系數(shù)低、長(zhǎng)期穩(wěn)定性差、不利于整機(jī)設(shè)備安全及操作人員健康等問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種高功率光纖激光器和光纖放大器高效散熱的方法，由刻有光纖槽的水冷光纖盤(pán)、低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料、光纖激光器、成型模具構(gòu)成。其中，成型模具作用對(duì)低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料進(jìn)行成型，在成型模具的下端有止流圈，阻止液態(tài)低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料的外流，其材料可為工程塑料，金屬等。在模具的配合下，可使光纖、低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料、水冷光纖盤(pán)緊密接觸。降溫成型后，光纖可完全包圍在固態(tài)的低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料內(nèi)，從而獲得更好的散熱效果，保證光纖激光器和光纖放大器安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

本發(fā)明提供了一種高功率光纖激光器或高功率光纖放大器，包含水冷光纖盤(pán)、低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料、光纖激光器或放大器、成型模具，光纖激光器或放大器的光纖盤(pán)繞在刻有光纖槽的水冷光纖盤(pán)上，外圍套有成型模具，低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料填充于成型模具內(nèi)部。

本發(fā)明所述的低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料，包括低熔點(diǎn)合金和金屬粉末；其中，低熔點(diǎn)合金包括In、Bi、Sn和Ga，其中In的含量為60～65％重量，Bi的含量為25～30％重量，Sn的含量為5-10％重量，Ga的含量為1-4％重量；低熔點(diǎn)合金的含量為總重量的80-90％；金屬粉末為銀粉和/或銅粉，粉末直徑小于40μm；所述金屬粉末均勻分散于所述低熔點(diǎn)合金中，其含量為總重量的10～20％。

本發(fā)明所述的低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料，其中低熔點(diǎn)合金的熔點(diǎn)為55-75℃，優(yōu)選60-70℃。

低熔點(diǎn)合金中優(yōu)選In的含量為63～65％重量，Bi的含量為27～30％重量，Sn的含量為5-7％重量，Ga的含量為2～3％重量；低熔點(diǎn)合金的含量?jī)?yōu)選為總重量的85-90％。

所述金屬粉末均勻分散于所述低熔點(diǎn)合金中，粉末直徑小于20μm，其含量?jī)?yōu)選為總重量的10～15％。

本發(fā)明所述的光纖激光器，所述成型模具留有光纖進(jìn)出口，進(jìn)出口上裝配有對(duì)光纖無(wú)損傷的柔性材料，同時(shí)可阻止液態(tài)的低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料外流，成型模具上具有液態(tài)低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料的灌注口。

本發(fā)明所述的光纖激光器，所述水冷光纖盤(pán)為圓柱形光纖盤(pán)、錐面型光纖盤(pán)、漏斗形光纖盤(pán)、平面型光纖盤(pán)。

本發(fā)明所述的光纖激光器，其還包括增益光纖、光纖熔點(diǎn)或無(wú)源器件。

本發(fā)明提供了所述的光纖激光器的制造方法，光纖激光器或放大器的光纖盤(pán)繞在刻有光纖槽的水冷光纖盤(pán)上后，將低熔點(diǎn)合金熔化，然后加入銀粉和/或銅粉，混合均勻得到流質(zhì)的低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料，使其與光纖和水冷光纖盤(pán)緊密接觸，降溫成型，光纖完全包圍在固態(tài)的低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料內(nèi)

本發(fā)明所述的光纖激光器的制造方法，在液態(tài)低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料成型前，在液態(tài)低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料中插入TEC制冷片。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出了一種高功率光纖激光器和光纖放大器及其制造方法，其散熱效果好、長(zhǎng)期穩(wěn)定性強(qiáng)、介質(zhì)材料安全無(wú)害。

附圖說(shuō)明

圖1、光纖、光纖槽、低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料、成形模具示意圖

圖2、平面型光纖盤(pán)

圖3、圓柱形光纖盤(pán)、低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料、成形模具示意圖

圖4、TEC制冷片冷卻方案示意圖

1.光纖

2.光纖槽

3.低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料

4.成型模具

5.圓柱形光纖盤(pán)

6.柔性光纖卡口

7.TEC制冷片

8.水冷板

9.光纖、光纖熔點(diǎn)或無(wú)源器件等待冷卻對(duì)象

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1：

將光纖激光器的光纖盤(pán)繞在光纖盤(pán)上，在光纖盤(pán)外裝配成型模具并做密封處理，進(jìn)出光纖分別穿過(guò)成型模具上進(jìn)出孔位后，利用發(fā)泡材料或其他柔性材料將光纖固定于孔位中心，阻止液態(tài)時(shí)低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料的外流。在光纖盤(pán)外裝配具有水冷通道的鋁制或銅制成型模具并做密封處理。在光纖表面附近插入一個(gè)PT1000測(cè)溫電阻用于采集光纖表面溫度。

低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料，包括低熔點(diǎn)合金和金屬粉末；其中，低熔點(diǎn)合金包括In、Bi、Sn和Ga，其中In的含量為64％重量，Bi的含量為29％重量，Sn的含量為5％重量，Ga的含量為2％重量；低熔點(diǎn)合金的含量為總重量的85％；金屬粉末為銀粉，粉末直徑小于20μm；所述金屬粉末均勻分散于所述低熔點(diǎn)合金中，其含量為總重量的15％。

制備過(guò)程：按配比稱重In、Bi、Sn和Ga粉末，均勻混合后，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，加熱至熔融，混均勻攪拌，得到低熔點(diǎn)合金，按配比稱取銀粉，所用銀粉的粒徑小于20μm，將銀粉加入熔融狀態(tài)的低熔點(diǎn)合金，混合均勻呈流質(zhì)。將調(diào)制好的流質(zhì)低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料，沿灌注口灌注至成型模具中，此時(shí)，液態(tài)低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料的溫度不高于85℃，在液態(tài)低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料成型前，在液態(tài)低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料中插入TEC制冷片。待低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料完全冷卻成型后，取下發(fā)泡材料或柔性材料。

經(jīng)監(jiān)測(cè)，激光器大于800W高功率運(yùn)行30分鐘，當(dāng)采用雙面水冷通道冷卻的方式時(shí)，光纖表面溫度為41℃。當(dāng)采用單面水冷通道冷卻，光纖表面溫度為45℃，利于激光器的穩(wěn)定工作。

實(shí)施例2：

將光纖激光器的光纖盤(pán)繞在光纖盤(pán)上，在光纖盤(pán)外裝配成型模具并做密封處理，進(jìn)出光纖分別穿過(guò)成型模具上進(jìn)出孔位后，利用發(fā)泡材料或其他柔性材料將光纖固定于孔位中心，阻止液態(tài)時(shí)低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料的外流。在光纖盤(pán)外裝配具有水冷通道的鋁制或銅制成型模具并做密封處理。在光纖表面附近插入一個(gè)PT1000測(cè)溫電阻用于采集光纖表面溫度。

低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料，包括低熔點(diǎn)合金和金屬粉末；其中，低熔點(diǎn)合金包括In、Bi、Sn和Ga，其中In的含量為61.5％重量，Bi的含量為30％重量，Sn的含量為7％重量，Ga的含量為1.5％重量；低熔點(diǎn)合金的含量為總重量的85％；金屬粉末為銅粉，粉末直徑小于20μm；所述金屬粉末均勻分散于所述低熔點(diǎn)合金中，其含量為總重量的15％。

制備過(guò)程：按配比稱重In、Bi、Sn和Ga粉末，均勻混合后，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，加熱至熔融，混均勻攪拌，得到低熔點(diǎn)合金，按配比稱取銅粉，所用銅粉的粒徑小于20μm，將銅粉加入熔融狀態(tài)的低熔點(diǎn)合金，混合均勻呈流質(zhì)。將調(diào)制好的流質(zhì)低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料，沿灌注口灌注至成型模具中，此時(shí)，液態(tài)低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料的溫度不高于85℃，在液態(tài)低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料成型前，在液態(tài)低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料中插入TEC制冷片。待低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料完全冷卻成型后，取下發(fā)泡材料或柔性材料。

經(jīng)監(jiān)測(cè)，激光器大于800W高功率運(yùn)行30分鐘，當(dāng)采用雙面水冷通道冷卻的方式時(shí)，光纖表面溫度為43℃。當(dāng)采用單面水冷通道冷卻，光纖表面溫度為46℃，利于激光器的穩(wěn)定工作。

對(duì)比例1：

根據(jù)實(shí)施例1的激光器和試驗(yàn)方法，將本發(fā)明的低熔點(diǎn)導(dǎo)熱材料分別替換為導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱膏、銅粉或銦箔材料。經(jīng)監(jiān)測(cè)，激光器大于800W高功率運(yùn)行30分鐘，當(dāng)采用雙面水冷通道冷卻的方式時(shí)，光纖表面溫度均高于60℃。當(dāng)采用單面水冷通道冷卻，光纖表面溫度均高于65℃，影響激光器的穩(wěn)定工作。

上述描述僅作為本發(fā)明可實(shí)施的技術(shù)方案提出，不作為對(duì)其技術(shù)方案本身的單一限制條件。