采用微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光纤包层功率剥离器，尤其涉及一种采用微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器。
【背景技术】
[0002]双包层光纤激光器是新型光纤激光器发展的代表，光纤包层功率剥离器是其中重要的器件之一。
[0003]光纤包层功率剥离器(Cladding Power Stripper，简称CPS)具有独特的光学性能，在双包层光纤激光器/光纤放大器中用于去除包层残留泵浦光，是从纤芯泄漏到内包层中传输的ASE(光源模块，是专为光纤传感、光器件测试设计的放大自发辐射光源)以及信号光模式的理想器件。光纤包层功率剥离器能够吸收在双包层光纤中内包层部分传输的光，双包层光纤中大的内包层数值孔径和小的纤芯数值孔径波导传输的光都可以被包层功率剥离器“吸收”，而在纤芯中传输的信号光能够被很好的保持，包括信号光功率和光束质量因子(M2)。
[0004]这些被吸收的光转化为热的形式，会造成器件温度大幅度升高，进而影响CPS器件甚至整个激光系统的正常工作。因此，CPS的散热非常重要。
[0005]CPS的传统散热技术方案有二种:一种是间接水冷，如图1所示，CPS器件的整个外壳11安装在冷板13上，冷板13内设有冷却水通道14，光纤2剥离的热通过外壳11吸收并传到冷板13，由冷板13将热带走并耗散掉，为了便于理解，图1中还示出了外壳11内部且被光纤2穿过的蓝宝石晶体12 ;另一种是直接水冷，如图2所示，将封装光纤2的玻璃管34置于环形水腔35内的冷却水中，通过水的流动将热带走并耗散掉，为了便于理解，图2中还示出了热沉33 ( —种散热壳体)，安装于热沉33两端的堵头30、封堵头37和橡胶密封圈31，以及设置于热沉33本体上的冷却水入口 32和冷却水出口 36。
[0006]上述两种传统散热装置存在以下缺陷:
[0007]第一种，剥离光转换的热由CPS器件的金属外壳吸收后传导到冷板，再由冷板将热带走，属间接散热，受限于金属壳体的热传导性、冷板的散热性能、CPS器件与冷板接触是否良好等，散热效果差(〈300W剥离功率)；另外，安装过程中要求通过CPS器件中心线施加压力以使压力均匀分布在整个接触区域，并且CPS器件与冷板安装接触面对平整面度和光洁度要求高，以使CPS器件和冷板紧密接触，加工成本较高，安装过程繁琐。
[0008]第二种，因为其流道换热面积体积比小，对流热传导系数较低，导致传热性能不高(〈500W剥离功率)；密封垫圈受激光辐照一段时间后老化，造成密封性能下降甚至失效；冷却水管路接在器件侧面，既零乱又不美观。
[0009]未来双包层光纤激光器的发展方向是进一步提高双包层光纤激光器的性能，如继续提高输出功率，提高光束质量等。而随着光纤激光器输出功率的提高，CPS剥离的功率也进一步增大(达千瓦级)，产生的热流密度急剧增加，传统方式已无法及时有效地进行散热，为此必须采用新的散热方式，解决高功率激光器的热效应问题。
【发明内容】
[0010]本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种采用微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器。
[0011]本发明通过以下技术方案来实现上述目的:
[0012]一种采用微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器，包括热沉，所述热沉包括壳体和置于所述壳体内的内衬，所述壳体上设有冷却水入口和冷却水出口，所述内衬的外壁上设有螺旋形凹槽，所述螺旋形凹槽的两端分别与所述冷却水入口和所述冷却水出口相通连接，所述内衬设有用于光纤穿过的中心通孔。
[0013]上述结构中，热沉采用分体式结构，其内衬外壁上的螺旋形凹槽使壳体和内衬之间形成螺旋形的冷却水微通道，这种通道与传统的环腔水冷通道具有显著的结构区别和效果区别。
[0014]进一步，所述冷却水入口和所述冷却水出口分别设于所述壳体上靠近两端的位置，所述壳体两端的内壁上分别设有环形凹槽，两个所述环形凹槽分别与所述冷却水入口和所述冷却水出口相通连接且同时分别与所述螺旋形凹槽的两端相通连接。环形凹槽作为冷却水入口和冷却水出口分别与螺旋形凹槽两端之间的缓冲池，具有缓冲冷却水使其顺利、均匀流过螺旋形凹槽的作用。
[0015]为了使冷却水在各通道中的流速尽量匹配，所述冷却水入口的截面积略大于所述环形凹槽的截面积，所述环形凹槽的截面积略大于所述螺旋形凹槽的总截面积。
[0016]为了进一步提高冷却水在螺旋形凹槽中的流速，所述螺旋形凹槽为多个且并列设置于所述内衬的外壁上。
[0017]为了使整个剥离器更加实用和美观，所述壳体安装于底座的上面，所述底座内设有两个冷却水通道，所述冷却水入口和所述冷却水出口分别与两个所述冷却水通道对应相通连接。
[0018]作为优选，所述壳体和所述内衬均为高导热铝合金，所述壳体的两端和所述内衬的两端之间对应焊接连接。这种结构不但利于高效散热，而且利用焊接保证密封效果，密封可靠的同时避免了传统橡胶密封寿命短的问题。
[0019]为了对玻璃管和光纤的位置进行准确定位，所述内衬的两端分别通过封堵头与玻璃管的两端连接，所述光纤穿过所述玻璃管。
[0020]本发明的有益效果在于:
[0021]本发明所述千瓦级光纤包层功率剥离器采用微通道水冷方式散热，在剥离包层光功率的同时，可以改进剥离器的温度性能和光功率剥离特性。与传统光纤包层功率剥离器相比，本发明所述千瓦级光纤包层功率剥离器能提高散热均匀性、承受的剥离光功率更高，高达1000W剥离功率的散热要求，还具有结构简单、制作成本低、适合批量生产的优点。本发明所述千瓦级光纤包层功率剥离器的具体优点如下:
[0022]1、冷却水在热沉的夹层空间内流动，剥离光产生的热被热沉吸收，然后直接被温度较低的冷却水带走，散热效果好，可以满足千瓦级剥离功率的散热需求；
[0023]2、采用螺旋切口，尺寸较小，冷却水微通道的结构，其换热面积/体积比大，冷却水表面力和粘性力的影响占主导地位，惯性力的作用大大减弱，可有效增大换热系数大，提高换热效率；
[0024]3、冷却水流经的水道为螺旋形凹槽，不仅水流均匀，而且由于螺旋水道长度较长，水流与热沉的接触面积也较大，散热充分，能保持热沉表面温度均匀一致，以免引起CPS器件局部地方热富集，导致激光光谱出现多峰现象，甚至引起激光器局部快速退化乃至失效的问题；
[0025]4、螺旋形凹槽的加工在普通车床即可实现，比其他微通道采用线切割或真空钎焊等加工形式成本低；
[0026]5、冷却水的密封通过焊接技术保证，不存在橡胶密封圈受激光照射产生老化的问题，安装也更简便；
[0027]6、只用封堵头，省去了堵头，装配更简单；
[0028]7、封装头能对玻璃管的位置准确定位，避免玻璃管与热沉相对位置发生变动；
[0029]8、内设冷却水通道的底座置于在热沉下方且可与热沉的壳体采用一体化设计，热沉的冷却水入口和出口也设于下方，整个功率剥离器外观更简洁美观。
【附图说明】
[0030]图1是第一种传统光纤包层功率剥离器的立体结构示意图；
[0031]图2是第二种传统光纤包层功率剥离器的主视剖视图；
[0032]图3是本发明所述采用微通道水冷的千瓦级光纤包层功率剥离器的半