[发明专利]一种高功率光纤高效冷却方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤激光领域，涉及一种光纤的冷却方法，尤其是一种高功率光纤的高效冷却方法。

背景技术

高功率光纤激光器在3D打印、激光切割、激光熔覆等领域有着广泛的应用。近年来，随着双包层光纤制作工艺和高亮度半导体激光器的功率提升，单路高功率光纤激光输出功率得到了飞速的发展，从21世纪初的100瓦提高到目前的10千瓦。对于特定的光纤激光器，其量子效率是一定的，量子亏损使得损失的功率以热的形式释放到掺杂光纤内部(参见W.Yong,X.Chang-Qing,and P.Hong,Thermal effects in kilowatt fiber lasers,IEEE Photonics Technology Letters,2004,16,63-65)；此外，由于光纤的缺陷和熔接损耗等因素，光纤激光器的实际效率将会更低。目前，高功率光纤激光器的光光效率一般在70-85％，一台1000瓦的光纤激光器，在掺杂光纤内部有150-300瓦的热量存在。美国劳伦斯-利福摩尔实验室研究人员Dawson等人指出，当掺杂光纤内部的热累积到一定程度时，掺杂光纤会发生纤芯融化(参见Dawson J W,Messerly M J,Beach R J,et al.Analysis of the scalability of diffraction-limited fiber lasers and amplifiers to high average power[J].Opt.Express.2008,16:13240-13266.)。除了掺杂光纤的量子亏损外，由于模式不匹配导致的功率泄露，也会使得非掺杂传能光纤(后文简称传能光纤)内部热量积累以至烧毁光纤；由于熔接损耗导致激光泄露，熔点(包括掺杂光纤与掺杂光纤之间、掺杂光纤与传能光纤之间、传能光纤与传能光纤之间的熔点)热量的急剧累积也会导致光纤烧毁。因此，光纤内部的热效应是阻碍光纤激光功率提升的限制因素。为了提高光纤激光输出功率，必须采用有效的措施对光纤激光进行冷却。

目前，关于高功率光纤冷却已有CN101373881A《光纤整体冷却的循环装置》、CN101373882A《筒形光纤整体冷却装置》、CN101335422A《用于高功率双包层光纤激光器及其放大器的光纤冷却装置》、CN101222109A《高功率光纤激光器的冷却方法》、CN201397403Y《光纤冷却装置》等专利。这些专利都是掺杂光纤放置于加工好的机械热沉结构上，通过热层与光纤之间的热传导进行冷却。由于放置光纤的机械热层结构固定、光纤的形态固定，实际应用中或有不便；此外，大部分文献只能对光纤部分表面进行直接接触和传导冷却(如CN101222109A、CN101373882A)，难以对光纤的整个圆柱状面进行直接传导冷却，实际上限制了光纤激光输出功率的进一步提升。

发明内容

针对上述已有技术的不足，本发明提供了一种高功率光纤的高效冷却方法，防止高功率光纤外包层老化、降低光纤纤芯温度，提高高功率光纤激光器的工作稳定性。该方法不仅能够对高功率光纤的整个圆柱面进行有效地冷却，还能保证光纤能够在一定激光器允许的范围内任意形状弯曲放置。

本发明的基本原理如下：

以双包层光纤为例，在大功率掺杂光纤中根据热传导方程(参见Brown D C,Hoffman H J.Thermal,stress,and thermo-optic effects in high average power double-clad silica fiber lasers[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,2001,37(2):207-217)：