1.本发明涉及光纤激光器和光纤放大器领域，具体涉及一种基于气体制冷的一体化大功率光纤激光输出系统。
背景技术：2.光纤激光器以光束质量好、易于实现高功率和高效率等特点，吸引了研究人员极大的关注，采用包层泵浦技术的光纤激光器、放大器出现，使得光纤激光器的输出功率实现了从毫瓦级别到万瓦级别的跨越。由于高功率光纤激光器中采用的光纤都是大模场面积的双包层光纤，纤芯直径仅为10μm-30μm，输出光纤纤芯中光的功率密度很高，光纤端面容易损伤，造成损伤的原因是光纤端面在切割或研磨抛光后很难避免残留有缺陷，使得局部电场加强，造成材料破坏。在大功率光纤激光器和放大器中，输出光纤端面的处理设计是光纤激光器应用中必须要克服的一个问题。
3.光纤端帽是实现光纤端面保护的高功率光纤无源器件，通过对输出激光扩束降低输出光纤端面的光功率密度，从而保护光纤端面不受损坏。它的主要原理就是通过在石英光纤输出端熔接一段玻璃棒，通过扩大光场分布面积降低输出端面功率密度和采用增透膜提高激光透过率来解决输出端的热负载问题。
4.在大功率光纤激光器中，随着激光功率和光纤长度的增加，受激拉曼散射变强，光纤中传输的激光由于受激拉曼散射将转化成热量积累在光纤表面，导致光纤温度升高，当温度升高到光纤涂覆层的破坏阈值时(普遍认为光纤涂覆层稳定可靠的温度值为80摄氏度以下)，输出光纤的长期稳定可靠运行将会受到严峻考验。而在目前常规的光纤端帽产品中，大多数是通过水冷封装壳体的方式进行制冷，具体可以参考中国专利“一种具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤激光输出系统”(专利号：zl201610042390.8)中的内容，由于冷却水只能在封装壳体中循环，所以该专利只能对包层光滤除组件处以及光纤和端帽熔接点处进行制冷，对输出光纤本身完全没有制冷效果；如果采用水冷的方式对输出光纤进行制冷，冷却水直接接触输出光纤，水中的杂质会吸附在输出光纤和包层光滤除组件表面，容易产生热点，并且输出光纤长期处于冷却水浸泡环境下，会对输出光纤、包层光滤除组件以及光纤与端帽的熔接点的性能造成影响，进而影响整个光纤激光输出系统的稳定性。
5.随着光纤激光输出功率和输出光纤长度的增加，激光的拉曼效应将会变得更加明显，输出光纤的热沉积也会逐渐显现，导致光纤涂覆层温度升高，当超过光纤涂覆层破坏阈值时，激光系统的稳定系性将受到严峻考验。为了实现输出光纤的高效制冷，突破常规输出光纤本身没有制冷的局限，亟需一种更为有效的方法实现输出光纤的高效制冷。
技术实现要素：6.本发明提出了一种基于气体制冷的一体化大功率光纤激光输出系统，通过流动的气体将光纤的涂覆层和包层光滤除部分产生的热量带走，流动的气体完全接触整个光纤表面以达到整根输出光纤的高效制冷，可实现整个输出光纤涂覆层表面、包层光滤除组件、光
纤与端帽的熔接点处的高效制冷，克服了常规输出光纤涂覆层表面完全没有制冷的弊端，尤其是随着输出激光功率和光纤长度增加导致拉曼效应急剧增强的情况下，光纤涂覆层表面温度可以得到有效控制。相比于传统的水冷方式，本发明能够对整个输出光纤进行制冷，同时也能避免输出光纤、包层光滤除组件和光纤与端帽的熔接点长期处于冷却水浸泡环境下导致器件性能下降的情况，提高了整个光纤激光输出系统的热管理能力和稳定性。
7.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
8.一种基于气体制冷的一体化大功率光纤激光输出系统，包括输出光纤、光纤端帽、包层光滤除组件、封装夹具、外夹具、光纤保护套管，在靠近光纤端帽的一侧剥除一段光纤涂覆层，形成裸光纤区域，包层光滤除组件位于裸光纤区域(具体参见中国专利“一种具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤激光输出系统”，专利号：zl201610042390.8)，没有剥除光纤涂覆层的光纤放置于光纤保护套管中，在光纤涂覆层与光纤保护套管之间存在气流通道；剥除光纤涂覆层的裸光纤区域置于封装夹具中，封装夹具与裸光纤区域之间存在气流通道，外夹具与封装夹具之间存在气流通道；气体从外夹具远离光纤端帽的一侧流入，经由外夹具与封装夹具之间的气流通道，再从靠近光纤端帽的一侧流入封装夹具与裸光纤区域之间的气流通道，最后从光纤涂覆层与光纤保护套管之间的气流通道向前流动，对输出光纤、包层光滤除组件和光纤与端帽的熔接点进行制冷。
9.进一步的，所述外夹具与封装夹具之间靠近光纤端帽的一侧具有通气孔。
10.进一步的，所述外夹具与封装夹具之间靠近光纤端帽的一侧通气孔的个数为六个。
11.进一步的，所述包层光滤除组件还可以采用如下方法制作：通过将双包层光纤的一段涂覆层去掉后，先进行清洁处理，然后在裸光纤区域使用腐蚀液腐蚀，引入粗糙界面，破坏了光纤外表面的全反射条件，从而实现包层光滤除的目的。通过改进包层光滤除组件的制备方案，可以提升包层光的滤除能力。
12.进一步的，所述冷却气体为高纯氮气或其他具有冷却效果的高纯气体。
13.由于光纤端帽一侧需要加装输出准直聚焦系统，需要预留足够的空间，因此冷却气体需要从外夹具远离光纤端帽的一侧进入，先通过外夹具与封装夹具之间的气流通道后，再从封装夹具靠近光纤端帽一侧的通气孔进入封装夹具与裸光纤之间的气流通道。因为外夹具与封装夹具、封装夹具与裸光纤之间形成两层相互独立的空间，冷却气体从远离光纤端帽的一侧进入外层空间，然后从靠近光纤端帽的一侧进入内层空间后再进入由光纤涂覆层和光纤保护套管之间的空间向前流动，除了能对光纤端帽、包层光滤除组件和整根光纤进行制冷外，还可以更好的对光纤端帽和包层光滤除组件进行制冷。
14.与现有技术相比，本发明的优点在于：
15.1、本发明基于气体制冷的一体化大功率光纤激光输出系统，相较于传统的水冷制冷方式，本发明的冷却气体能够直接对输出光纤、包层光滤除组件、光纤与端帽的熔接点进行制冷，解决了传统水冷制冷方式无法对输出光纤进行制冷的问题，同时避免了包层光滤除组件以及光纤与端帽的熔接点长期处于冷却水浸泡环境下导致的性能下降等情况，有效提高了整个光纤激光输出系统的稳定性，进一步提升光纤激光输出系统可承受的输出功率。
16.2、本发明基于气体制冷的一体化大功率光纤激光输出系统，结构简单、制作方便，
其中的包层光滤除组件还可以通过腐蚀法制备，相较于涂覆高折射率材料制备的包层光滤除器(中国专利“一种具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤激光输出系统”，专利号：zl201610042390.8)，涂覆法容易在局部产生热量累积，此外所涂覆的高折射率材料的耐高温性能也有限，在一定程度上限制了包层光滤除能力，而利用腐蚀法制备的包层光滤除组件不需要涂覆聚合物等容易发生热积累的材料，因此能够承受较高的温度，并且通过改进腐蚀方案，能够进一步提高包层光滤除能力，提升光纤激光输出系统可靠性和安全性。
17.3、本发明基于气体制冷的一体化大功率光纤激光输出系统，集成了光纤端帽、包层光滤除组件和气冷组件，结构紧凑实用。
附图说明
18.图1是中国专利“一种具有包层光滤除功能的一体化大功率光纤激光输出系统”的水冷过程示意图。
19.图2是本发明一种基于气体制冷的一体化大功率光纤激光输出系统的结构图。
20.图3是本发明一种基于气体制冷的一体化大功率光纤激光输出系统的气冷循环过程示意图。
21.图例说明：
22.11、裸光纤区域；12、光纤涂覆层；13、包层光滤除组件；21、光纤端帽； 31、封装夹具；32、通气孔；33、内循环通道；41、外夹具；42、进气口；43、外循环通道；51、光纤保护套管。
具体实施方式
23.以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
24.如图所示，本发明基于气体制冷的一体化大功率光纤激光输出系统，包括裸光纤区域11、光纤涂覆层12、包层光滤除组件13、光纤端帽21、封装夹具31、通气孔32、外夹具41、进气口42、光纤保护套管51，光纤与光纤端帽21熔接并封装于封装夹具31中；光纤端帽21及封装夹具315和光纤涂覆层12右端形成一层密闭的气流通道——内循环通道33；外夹具41与封装夹具31之间形成另一层密闭的气流通道——外循环通道43；内循环通道33和外循环通道43之间通过通气孔32连接。其主要工作原理为：低温气体从进气口42进入外循环通道43进行充分制冷，然后通过通气孔32进入内循环通道33，对包层光滤除组件13和光纤端帽21进行气冷处理，最后进入光纤保护套管51与光纤涂覆层12 之间的气流通道，对后端的输出光纤进行制冷。
25.在本实施例中，光纤端帽21与封装夹具31之间通过胶水连接。
26.在本实施例中，封装夹具31和外夹具41之间通过套圈、螺纹和胶水连接。
27.整个系统的封装步骤如下：第一步，利用套圈、螺纹和胶水将外夹具41和封装夹具31进行封装；第二步，将双包层光纤进行涂覆层剥除和切割处理，去掉光纤涂覆层，在光纤涂覆层剥除区域表面(即裸光纤区域11处)使用腐蚀液(使用55％浓度的氢氟酸与蒙砂膏配比而成)进行腐蚀，形成包层光滤除组件13；第三步，利用光纤端帽熔接系统完成光纤和光纤端帽21的熔接；第四步，利用导热良好的胶水将带光纤端帽21的光纤封装到封装夹具31中；第五步，利用螺纹、快速接头和导热良好的胶水完成进气口42、光纤保护套管51的封装。
28.本发明通过将双包层光纤的一段涂覆层去掉后，对其进行清洁处理，然后在光纤
裸露区域使用腐蚀液腐蚀光纤，引入了粗糙界面，破坏了光纤外表面的全反射条件，实现包层光滤除的目的，通过改进滤除器的制备方案，可以提升包层光的滤除能力。
29.在大功率光纤激光器中，随着光纤长度的增加，受激拉曼散射变强，本发明中气体在内循环通道对光纤端帽和光纤直接进行制冷，通过内循环通道后，继续进入光纤保护套管，对后端整段光纤进行制冷，提升了整个光纤激光输出系统的热管理能力。
技术特征：1.一种基于气体制冷的一体化大功率光纤激光输出系统，其特征在于：包括输出光纤、光纤端帽、包层光滤除组件、封装夹具、外夹具、光纤保护套管，在靠近光纤端帽的一侧剥除一段光纤涂覆层，形成裸光纤区域，包层光滤除组件位于裸光纤区域，没有剥除光纤涂覆层的光纤放置于光纤保护套管中，在光纤涂覆层与光纤保护套管之间存在气流通道；剥除光纤涂覆层的裸光纤区域置于封装夹具中，封装夹具与裸光纤区域之间存在气流通道，外夹具与封装夹具之间存在气流通道；气体从外夹具远离光纤端帽的一侧流入，经由外夹具与封装夹具之间的气流通道，再从靠近光纤端帽的一侧流入封装夹具与裸光纤区域之间的气流通道，最后从光纤涂覆层与光纤保护套管之间的气流通道向前流动，对输出光纤、包层光滤除组件和光纤与端帽的熔接点进行制冷。2.一种根据权利要求1所述基于气体制冷的一体化大功率光纤激光输出系统，其特征在于：所述外夹具与封装夹具之间靠近光纤端帽的一侧具有通气孔。3.一种根据权利要求2所述基于气体制冷的一体化大功率光纤激光输出系统，其特征在于：所述外夹具与封装夹具之间靠近光纤端帽的一侧通气孔的个数为六个。4.一种根据权利要求1所述基于气体制冷的一体化大功率光纤激光输出系统，其特征在于：所述包层光滤除组件还可以采用如下方法制作：通过将双包层光纤的一段涂覆层去掉后，先进行清洁处理，然后在裸光纤区域使用腐蚀液腐蚀，引入粗糙界面，破坏了光纤外表面的全反射条件，从而实现包层光滤除的目的。5.一种根据权利要求1至4任一项所述基于气体制冷的一体化大功率光纤激光输出系统，其特征在于：所述冷却气体为高纯氮气或其他具有冷却效果的高纯气体。
技术总结本发明涉及光纤激光器和光纤放大器领域，具体涉及一种基于气体制冷的一体化大功率光纤激光输出系统，通过流动的气体将光纤的涂覆层和包层光滤除部分产生的热量带走，流动的气体完全接触整个光纤表面以达到整根输出光纤的高效制冷，可实现整个输出光纤涂覆层表面、包层光滤除组件、光纤与端帽的熔接点处的高效制冷，克服了常规输出光纤涂覆层表面完全没有制冷的弊端，尤其是随着输出激光功率和光纤长度增加导致拉曼效应急剧增强的情况下，光纤涂覆层表面温度可以得到有效控制。相比于传统的水冷方式，本发明能够对整个输出光纤进行制冷，也能避免输出光纤、包层光滤除组件和光纤与端帽的熔接点长期处于冷却水浸泡环境下导致器件性能下降的情况。致器件性能下降的情况。致器件性能下降的情况。
技术研发人员：陈子伦 袁纬仪 宁禹 冷进勇 何宇龙 王泽锋 习锋杰 许晓军 陈金宝
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2022.07.21
技术公布日：2022/11/1
