用于高功率光纤连接器的双螺旋冷却剂通道

摘要

本发明公开了一种光纤连接器，该光纤连接器包括外壳以及通道，该外壳具有腔室，该腔室沿纵向方向从第一端部延伸至第二端部，该第一端部被构造用于接收光纤，该第二端部被构造用于将光纤连接到激光加工头，该通道设置在腔室的外表面上，该通道包括双螺旋结构。

说明书

技术领域

本文所公开的技术涉及高功率光纤激光器。更具体地，所公开的技术涉及光纤连接器中的热耗散。

背景技术

高功率光纤激光器越来越普遍地用于各种应用，诸如材料加工、切割、焊接和/或增材制造。光学功率可以从激光源传递到应用系统，该应用系统被配置为将光学功率传输到工件。在典型的光纤激光器设置中，泵浦光被发射到光纤中并且从光纤的终端发射到工件上。光学功率可以从激光源处的输出光纤耦合到应用系统上的输入光纤。对于许多应用，具有光纤连接器以在耦合光纤的终端之间实现非永久性连接是方便的。光纤连接器通常被设计成精确对准耦合的光纤，从而使功率损耗最小化并且促进多个连接/断开循环。

光纤连接器通常被设计成在耦合光纤的终端处或附近耗散不受控制或无引导的光学功率。一些不受控制的光学功率可能进入光纤的包层。现有的连接器剥离该功率或试图将其保持在光纤的包层中。剥离光学功率可以通过多种方法实现，诸如通过使用聚合物外包层、在光纤中的包层添加光栅、使光纤弯曲或逐渐变细、使用光纤布拉格光栅等。去除不需要的光在连接器中产生应该耗散的热量。剥离背反射功率受到连接器耗散所得热量的能力的限制。光纤连接器应被配置为有效地耗散不受控制的功率。

发明内容

本发明公开了一种用于光纤激光器连接器的冷却系统，其中通过流经连接器主体内的内部通道的含水冷却剂来提供冷却。在这种情况下，通道由机加工到连接器结构的内部主体(芯)中的双螺旋路径形成。通道被构造成使得入口冷却剂流围绕芯螺旋地引导到连接器的前部，然后以相同的螺旋路径返回到连接器的后部，在那里排出由外部冷却系统再循环。

本发明公开了一种光纤连接器，该光纤连接器包括外壳以及通道，该外壳具有腔室，该腔室沿纵向方向从第一端部延伸至第二端部，该第一端部被构造用于接收光纤，该第二端部构被造用于将光纤连接到激光加工头，该通道设置在腔室的外表面上，该通道包括双螺旋结构。该腔室可以包括各种材料中的任何一种，诸如：Cu、Ag、Al、Au、和/或Pt、掺杂Si、或石墨或其任何组合。该光纤连接器可包括通道，该通道包括流入螺旋通道，该流入螺旋通道通过返回结构连接到流出螺旋通道，其中流入螺旋通道和流出螺旋通道彼此相邻地设置，并且其中返回结构被构造成将冷却剂流体的流动方向最多改变约180.0度。返回结构可以是各种结构中的任何一种，诸如：连接流入螺旋通道和流出螺旋通道的分叉环形通道，以及/或者连接流入螺旋通道和流出螺旋通道的U形弯曲通道。通道可以进一步构造成使冷却剂流体围绕腔室的圆周沿着第一流动方向循环通过流入螺旋通道，并且沿着第二流动方向循环通过流出螺旋通道。冷却剂流体可以是各种流体中的任何一种，诸如：蒸馏水、去离子水、乙二醇、丙二醇、矿物油、硅油、卤化碳、熔融金属、盐、液化气体、纳米流体等或其任何组合。第一流动方向可为顺时针的，并且第二流动方向可为逆时针的，或反之亦然。光纤连接器可具有入口端口和出口端口，该入口端口耦接到被构造用于接收冷却剂流体的流入螺旋通道，该出口端口耦接到被构造用于排出冷却剂流体的流出螺旋通道，其中入口端口从泵接收冷却剂流体。光纤连接器可包括一个或多个传感器，该一个或多个传感器设置在连接器中任何位置，例如，设置在入口端口、出口端口或通道中的任何一者中，或其任何组合中。一个或多个传感器可以是各种传感器中的任何一种，例如：热传感器、压力传感器或光传感器或其任何组合。一个或多个传感器可被配置为将传感器数据传送到泵控制器，该泵控制器被配置为响应于传感器数据控制泵以动态地改变通道中的冷却剂流体的压力。流入螺旋通道的内表面或流出螺旋通道的内表面或其组合可以被纹理化以增加表面积，其中纹理是凹槽或微凹坑或其组合。

附图说明

附图包含在本说明书中并且构成本说明书的一部分，并且与描述一起解释了本发明所公开的技术的优点和原理，其中相同的附图标记表示相同的元件。在附图中，

图1A示出了包括光纤连接器的示例性高功率光纤激光器系统，该光纤连接器包括用于流体冷却的双螺旋通道；

图1B是示出包括用于流体冷却的双螺旋通道的示例性光纤连接器的横剖视图；

图2是示出包括用于流体冷却的双螺旋通道的示例性光纤连接器的剖切透视图；

图3是示出包括用于流体冷却的双螺旋通道的示例性光纤连接器的透视图；

图4A是包括用于流体冷却的双螺旋通道的示例性光纤连接器的透视图；

图4B是包括用于流体冷却的双螺旋通道的示例性光纤连接器的透视图；

图5A是包括用于流体冷却的双螺旋通道的连接器的剖视图；

图5B描绘了在光纤连接器中用于流体冷却的双螺旋通道的内表面上的示例性纹理；

图5C描绘了在光纤连接器中用于流体冷却的双螺旋通道的内表面上的示例性纹理；并且

图6是示出具有用于液体冷却的双螺旋通道的光纤激光器连接器102的反馈系统600的框图。

具体实施方式

如在本申请和权利要求书中所使用的，除非上下文另有明确指出，否则单数形式的词语“一个”、“一种”和“该”包括复数形式。此外，术语“包括”表示“包含”。此外，术语“耦接”不排除耦接项之间中间元件的存在。

在此描述的系统、装置和方法不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本公开涉及各种公开的实施方案的所有新颖的和非显而易见的特征和方面，单独地以及彼此的各种组合和子组合。所公开的系统、方法和装置不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和装置也不要求存在任何一个或多个特定优点或解决问题。任何操作理论都是为了便于解释，但所公开的系统、方法和装置不限于这种操作理论。

尽管为了便于表示，以特定的先后顺序描述了某些公开的方法的操作，但是应该理解的是，除非在下文中通过特定语言要求特定的顺序，否则这种描述的方式包含重新安排。例如，顺序描述的操作在一些情况下可以被重新安排或同时执行。而且，为了简单起见，附图可能没有示出所公开的系统、方法和装置可与其他系统、方法和装置结合使用的各种方式。此外，该描述有时使用术语诸如“产生”和“提供”来描述所公开的方法。这些术语是对所执行的实际操作的高度抽象。对应于这些术语的实际操作将根据具体实施而有所不同，并且容易被本领域的普通技术人员识别。

在一些示例中，值、过程或装置被称为“最低”、“最佳”、“最小”等。应该理解，这样的描述旨在表示可以对许多所使用的功能替代项进行选择，并且这样的选择不需要更好、更小或以其他方式优于其他选择。参照“上方”、“下方”、“上”、“下”等指示的方向来描述示例。这些术语用于方便描述，但并不意味着任何特定的空间取向。

图1A示出了包括光纤连接器102的示例性高功率光纤激光器系统100，该光纤连接器包括用于流体冷却的双螺旋通道；在一个示例中，激光泵浦模块104产生光学功率，然后光学功率发射到光纤106中。光纤106将光学功率传输到加工头108，该加工头被构造成将光束110从光纤引导到工件112上以进行加工。加工头108可用于执行各种材料加工动作，诸如焊接、切割、钎焊、烧蚀等，或者它们的任何组合。

由于各种原因，在激光器系统100中可能产生不受控制的光学功率。这种不受控制的光学功率，特别是在高功率激光器系统中会产生大量热量，并且在系统中各个位置处造成损坏。因此，不受控制的光学功率是非常不希望的，并且必须有效地管理以防止损坏。存在于激光器系统诸如系统100中的一些不受控制的光学功率的来源为背反射、光纤到光纤界面处未对准、光纤中的不规则部分和/或其他非线性效应。

在激光器系统中，背反射往往是不受控制的光学功率的重要来源。背反射可在未对准的光纤界面处发生，以及/或者在光学功率从工件或激光器系统外部的环境的其他特征反射回输出光纤的位置处发生。系统100中的背反射光114例如通过耦合到光纤106的芯或包层进入加工头108。导向不良的背反射光114将倾向于从加工头108、连接器102、光纤弯曲116处和/或光纤106中存在不规则部分或不连续处的光纤106的包层泄露。当背反射光114从光纤106逸出时，其以热的形式排出并且可能在光纤106逸出点处造成热损伤和失效。

在一个示例中，连接器102包括流体冷却腔室120，其被构造成耗散由逸出光学功率而产生的热量。流体冷却腔室120包括通过双螺旋流体通道输入和返回流体的入口118和出口122，所述双螺旋流体通道沿着腔室120的外表面引导流体。腔室120可由各种材料制成。在一个示例中，腔室120由导热材料诸如Cu、Ag、Al、Au、和/或Pt、掺杂的Si、石墨等或其任何组合形成。螺旋通道可被机械加工、蚀刻或以其他方式形成在腔室120的外表面。用于冷却腔室120的流体可以包括各种冷却剂中的任何一种，所述冷却剂包括各种传热流体中的任何一种，诸如：蒸馏水、CO2、氮、空气、去离子水、乙二醇、丙二醇、各种油(例如，矿物油和硅油)、制冷剂(例如，卤代烃)、熔融金属、盐、液化气体、纳米流体和/或类似物或它们的任何组合。

图1B是示出包括流体冷却腔室120的示例性光纤连接器102的横剖视图，所述流体冷却腔室被构造成耗散由从光纤106逸出的光学功率而产生的热量。通道124围绕流体冷却腔室120的热传递表面126的圆周循环流体。腔室120沿着纵向方向从连接器102的第一端部128延伸到第二端部132。第一端部128被构造成接收光纤106第二端部132被构造成将光纤106连接到激光加工头。

在一个示例中，通道124设置在腔室120的外表面126上。通道124具有双螺旋结构(参见图2)，其包括通过返回结构130连接的流入螺旋通道124a和流出螺旋通道124b，所述返回结构被构造用于改变流经流入螺旋通道124a的流体的方向。在一个示例中，流体可从入口118进入流入螺旋通道124a，以围绕腔室120的热传递表面126的圆周沿着第一方向循环，并且在离开流入通道124a进入返回结构130时改变流体流动的方向。返回结构130将流体流重定向到流出螺旋通道124b，以围绕腔室120的热传递表面126的圆周沿着第二方向循环。流体经由流出螺旋通道124b返回到出口端口122。以这种方式，相比于传统液冷光纤连接器系统，在通道124中流动的流体与热传递表面126接触延长的时间段，从而增加了流体吸收热能并将热能带离腔室120的能力。第一方向可以是顺时针的，并且第二方向可以是逆时针的，反之亦然。通道124可通过各种方法制造，包括机械加工、3D打印、平版印刷和/或蚀刻。

图2是示出包括用于流体冷却的流体冷却腔室120和双螺旋通道的示例性光纤连接器102的剖切透视图。在一个示例中，入口端口118和出口端口122设置在第一端部128附近，并且其中入口端口118被构造用于接收流体，而出口端口122被构造用于排出流体。流体经由入口118进入流入通道124a，并且沿着连接器102的长度以逆时针方向围绕热传递表面126的圆周流向第二端部132，如与流入通道的元件编号“124a”相邻的箭头所示。流体离开流入通道124a，在那里到达流体返回结构130。流体返回结构130被构造用于将流体在流入通道124a中流动的方向改变大约180度，然后再将流体供给到流出通道124b。在返回结构130反转流体的方向之后，流体被引导到流出通道124b中，在该通道中其沿着连接器102的长度以顺时针方向(如虚线箭头所示)围绕热传递表面126的圆周朝向第一端部128流动。流体经由出口122离开连接器102。

流体返回结构130可以多种方式构造。在一个示例中，返回结构130被分叉，形成环形通道134，该环形通道围绕热传递表面126的圆周设置在靠近连接器102的第二端部132处。环形通道134具有第一开口136和第二开口138，该第一开口用于接收来自流入通道124a的流体，该第二开口被构造用于将流体从环形通道134排出到流出通道124b中。从流入通道124a流入环形通道134的流体可以沿着箭头142指示的顺时针或逆时针方向通过第一开口136离开流入通道124a。沿着每个方向(顺时针或逆时针)围绕环形通道134流动的流体部分将由流动方向上的压降确定。例如，如果顺时针方向的压降大于逆时针方向的压降，则较高百分比的流体将沿逆时针方向流动。流体将与流动方向上的压降成比例地沿着两个方向流动。

在其他示例中，返回结构130可以为导管，该导管将流入通道124a的输出部分与流出通道124b的输入部分连接。返回结构130可以是简单的U形弯曲通道，其是设置在热传递表面126上的连接通道，用于连接通道124a和通道124b并且不围绕连接器102的圆周和/或类似物延伸。本领域技术人员可以想到许多其他种类的返回结构，并且这些结构都在要求保护的发明的范围内。

图3是示出包括用于流体冷却的流体冷却腔室120和双螺旋通道的示例性光纤连接器102的透视图。壳体140从连接器102的第一端部128纵向延伸到第二端部132，覆盖流入通道124a、流出通道124b和/或环形通道134。壳体140可与通道124a、通道124b和/或通道134形成密封。与壳体140的密封可以具有各种强度，使得几乎没有流体从一个通道泄漏到另一个通道中。

图4A和图4B是包括用于流体冷却的流体冷却腔室120和双螺旋通道的示例性光纤连接器102的相对透视图。图4A从连接器102的其中流体在入口118处进入流入通道124a的侧面示出。图4B从连接器102的其中流体在出口122处离开流出通道124b的侧面示出。此外，如图4A和图4B中所描绘的，第一O形环密封件402和第二O形环密封件408设置在连接器102的相对端上，并且被构造用于密封流入通道124a、流出通道124b和/或环形通道134中的冷却剂流体。O形环402和408可以与壳体140形成密封(参见图3)。O形环402和408定位成有助于防止冷却剂流体与连接器102的其他部件诸如热控开关404和端盖406接触。逸出流体可导致热、电和/或机械损坏。

现在参见图4A，流体经由入口端口118进入连接器102。包括泵的外部冷却系统将流体注入连接器102。如箭头410和412所指示的，流体流经流入通道124a至返回结构130。取决于任一方向上的压降，流体在环形通道134中沿着顺时针和逆时针方向流动，并且进入流出通道124b。

在图4B中，如箭头414所指示的，流体从流入通道124a围绕返回结构130流动并返回流出通道124b。流体经由出口122离开通道124b，在该出口处其可以被外部冷却系统收集和再循环。

图5A是具有用于流体冷却的双螺旋通道的连接器102的剖视图；为了防止连接器102的泄漏和/或热/机械损坏，连接器102可以包括位于其中的各种传感器，以检测逸出的流体、热波动、意外的背向散射光或其他不规则部分。例如，可以在入口118、出口122、通道124a、通道124b和/或通道134中设置本领域技术人员可以想到的传感器诸如热传感器502、压力传感器504和/或其他传感器506，以检测温度、压力和/或与在连接器102中流动的流体相关的其他物理现象。此类传感器可被配置为将关于连接器102内的物理环境产生的信息提供给包括泵的外部冷却系统(参见图6)。其他传感器诸如光电二极管可以放置在连接器102中的各种其他位置，以将传感器数据反馈到外部冷却系统，以用于控制泵和/或冷却系统的其他部件的功能。

当流体从入口118流入通道124a，然后流至通道134，并且最终经由通道124b流出时，热量从热传递表面126传递到流体550。在图5中，当流体550从入口118行进到出口122时，流体550的阴影图案变得更密集，以显示随着热量从热传递表面126传递到流体550时温度逐渐升高。

衡量冷却剂流体从外部热传递表面126移除热量的能力的“热容量”由多种因素决定，包括流体的比热容和质量流率。改变通道124a、124b和134中的流体550的压力将改变质量流量并因此改变流体550的热容量(例如，增加流体压力增加流体的热负荷)。此外，与流体550接触的表面积越大，可以将更多的热量从热传递表面126传递到流体550。因此，增加与流体550接触的表面积可以增加设备诸如连接器102的传热能力。

在一个示例中，通道124a、124b和134中的压力可以动态地调整以适应流体550的热负荷，从而适应热传递表面126的实时热输出。动态和/或实时地调节流体550的压力可以使连接器102能够减轻热传递表面126的热输出、流体550的压力、意外的背向散射光和/或光纤连接器102中其他不规则部分的存在。

传感器诸如502、504和506可以放置在连接器102内的各个位置，以产生关于通道124a、124b和134中的温度和压力(或其他物理现象)的传感器数据。可以无线地或经由缆线将光、温度和压力数据传输到一个或多个控制器诸如泵控制器(和/或驱动器)，所述泵控制器被配置为调节到连接器102的泵流量，从而改变通道124a、124b和/或134内的压力。

在一个示例中，可以手动调节压力以定制压力来适应各种应用。手动调节流体压力使得单个连接器能够在各种材料上用于各种情况，因为热传递表面126的热输出可能由于各种原因根据应用而变化。

在一个示例中，可以通过定制通道124a、124b和/或134的尺寸诸如深度、宽度和/或间距来优化通道124a、124b和/或134的热传递能力，以针对特定应用使与冷却剂流体接触的表面积的量最大化。此外，可以修改通道124a、124b和/或134的内表面的表面纹理以增加与冷却剂流体接触的表面积。例如，在通道124a、124b和/或134的表面区域添加凹槽564、微凹坑562或其他纹理可以增加与流体550接触的表面积，并且可以改善热传递表面126的热耗散。图5B描绘了通道124a、124b和/或134的内表面560上的示例性带凹槽纹理。图5C描绘了通道124a、124b和/或134的内表面560上的示例性带凹坑纹理。

图6是示出具有用于液体冷却的双螺旋通道的光纤激光器连接器102的反馈系统600的框图。如上面参考图5所描述的，示例性连接器102具有嵌入在腔室120、通道124a、124b和/或134中，以及/或者嵌入在其他连接器102位置中的一个或多个传感器诸如热传感器604、光传感器606和/或压力传感器608(参见图5)。传感器604至608中的任一者可以基于物理现象(例如，温度、压力和/或光)的检测生成和发送数据到泵控制器602。

在其他示例中，可以使用除热传感器604、光传感器606和/或压力传感器608以外的传感器。传感器可以结合上述反馈系统600用于高功率光纤激光器系统100(见图1)中，或者用于另一种功能，诸如将控制数据发送到与高功率光纤激光器系统100相关联的其他控制设备。此类其他传感器可以是化学、流体、加速计、运动、湿度、振动、声音等或其任何组合。

已经描述和说明了本公开技术的示例的一般和具体原理，应该显而易见的是，可以在不脱离这些原理的情况下在布置和细节上修改示例。我们要求保护在下列权利要求的实质和范围内进行的所有修改和变更。