高功率液體冷卻的泵浦和信號(hào)合成器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的實(shí)施例通常涉及一種高功率液體冷卻的泵浦和信號(hào)合成器，以及其用于光纖應(yīng)用的方法。更具體而言，本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種泵浦和信號(hào)合成器，其能夠在不受熱損傷的條件下，輸送數(shù)千瓦的泵浦激光功率，用于千瓦級(jí)稀土摻雜光纖放大器。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，高功率散熱光纖裝置包括一段被配置為傳輸光的光纖，基本上密封光纖的冷卻室，以及處于冷卻室內(nèi)的流體，該流體具有選擇用來控制光在流體中的相互作用和傳輸?shù)恼凵渎省?br> 【專利說明】高功率液體冷卻的累浦和信號(hào)合成器 有關(guān)聯(lián)巧政府溶助研究巧開發(fā)的聲明 根據(jù)美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA)批準(zhǔn)的第HR0011-08-C-0125號(hào)協(xié)議，本發(fā)明 部分是由美國(guó)政府支持下作出的。美國(guó)政府對(duì)于本發(fā)明擁有某種權(quán)利。所表達(dá)的觀點(diǎn)屬于 發(fā)明人，不反映國(guó)防部或美國(guó)政府的官方政策或立場(chǎng)。 發(fā)明背景

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的實(shí)施例總地涉及一種高功率液體冷卻的粟浦和信號(hào)合成器及其用于光 纖應(yīng)用的方法。更具體而言，本發(fā)明的實(shí)施例涉及該樣一種粟浦和信號(hào)合成器，其能夠?qū)τ?千瓦級(jí)稀±慘雜光纖放大器傳輸數(shù)千瓦的粟浦激光功率，而不會(huì)受到熱損傷。 現(xiàn)有技術(shù)
[0002] 通常，稀±慘雜光纖放大器的光功率輸出局限于一千瓦范圍。為使該種放大器輸 出達(dá)到高功率范圍（即大于1千瓦），人們已經(jīng)作出了努力，然而由于在長(zhǎng)期操作中若干個(gè) 部件遭受熱損傷，尚未獲得成功的結(jié)果。
[0003] 實(shí)現(xiàn)高功率輸出要求使用該樣的激光粟浦合成器：其能夠組合數(shù)千瓦功率級(jí)的粟 浦激光功率，并且將粟浦福射傳遞到波導(dǎo)，諸如低折射率涂覆的無源或增益光纖，W輸送粟 浦光。然而，在已知的嘗試中，高水平的粟浦功率被光纖表面上不期望的污染物、連接點(diǎn)處 的污染物所吸收，和/或被涂層材料吸收，導(dǎo)致非常大的局部溫度升高，經(jīng)常造成粟浦和信 號(hào)合成器發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞。
[0004] 有競(jìng)爭(zhēng)性的放大器和粟浦合成器的要求使得難W對(duì)總體放大器性能進(jìn)行優(yōu)化。在 大部分光纖應(yīng)用中，希望稀±慘雜放大器具有較小的外直徑，W便使粟浦福射與光纖的稀 ±慘雜纖芯的重疊最大，并且使放大器光纖長(zhǎng)度最小。不過，由于亮度定理，粟浦合成器輸 出的外部光纖直徑越小，則要求越大的數(shù)值孔徑，該樣就增加了雜散福射和不期望的局部 加熱的可能性。
[0005] 目前的粟浦-信號(hào)合成器封裝沒計(jì)在嘗試實(shí)現(xiàn)高功率輸出時(shí)失敗的一個(gè)主要原 因在于，錐形的和尾纖的光纖被大體上滯止的氣流所圍繞?？諝獾拇嬖趯?duì)于冷卻局部熱點(diǎn) 而言效率低，并且通常是不夠的。此外，空氣是一種極低折射率的包圍介質(zhì)，其支持在空氣 包覆的玻璃與涂層包覆的玻璃之間的過渡處常常被包覆介質(zhì)吸收的高數(shù)值孔徑光，并進(jìn)一 步增加了由于熱損傷而導(dǎo)致故障的可能性。
[0006] 因此，需要一種更有效率且具有有效散熱的高功率粟浦和信號(hào)合成器。液體冷卻 的合成器滿足該一要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的實(shí)施例主要涉及一種高功率液體冷卻的粟浦和信號(hào)合成器，W及其用于 光纖光學(xué)應(yīng)用的方法。更具體而言，本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種光纖部件和結(jié)構(gòu)，諸如粟浦和 信號(hào)合成器、接頭、端帽w及模場(chǎng)適配器，能夠在千瓦級(jí)稀±慘雜光纖放大器中輸送數(shù)千瓦 或更高粟浦和信號(hào)激光功率，而不會(huì)發(fā)生熱損傷。
[0008] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，一種高功率的、被冷卻的光纖裝置包括一段被配置為 來傳輸光的光纖；基本上密封該光纖的冷卻室；和處于冷卻室內(nèi)的一種流體，其具有被選 擇來改變光的性質(zhì)的折射率。
[0009] 在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，用于光纖部件或結(jié)構(gòu)，諸如粟浦和信號(hào)合成器的冷卻 系統(tǒng)，包括能夠傳輸大于1千瓦的輸出的部件或結(jié)構(gòu)，包括涂覆的光纖，至少一段裸光纖； 基本上密封該部件或結(jié)構(gòu)的冷卻室；W及處于冷卻室內(nèi)的一種液體，其中該液體對(duì)粟浦福 射基本上是透明的，并且包括大體上與裸光纖的折射率相似或更小的折射率?；蛘咭后w的 折射率近似或者小于涂層的折射率。
[0010] 在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，冷卻粟浦和信號(hào)合成器的方法包括：提供粟浦和信號(hào) 合成器，該合成器包括至少一個(gè)裸光纖；將粟浦和信號(hào)合成器密封在其中具有流體的冷卻 室中，其中，該流體對(duì)于粟浦福射基本透明，并且包括大體上與裸光纖的折射率相似或更小 的折射率；將可測(cè)量量的粟浦光引入粟浦和信號(hào)合成器中；由粟浦和信號(hào)合成器產(chǎn)生大于 1千瓦的輸出。
[0011] 在其他實(shí)施例中，將涂覆光纖密封在其中具有流體的冷卻室中，該流體具有大體 上與涂層的折射率相似或更大的折射率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 通過參考在附圖中示出的實(shí)施例，可W更詳細(xì)地理解本發(fā)明上述的特征，并且針 對(duì)上面簡(jiǎn)要概括的本發(fā)明實(shí)施例給出更具體的描述。不過，應(yīng)當(dāng)注意，附圖僅表示包含在本 發(fā)明范圍內(nèi)的實(shí)施例中的典型實(shí)施例，從而無意于構(gòu)成限制，因?yàn)楸景l(fā)明可采取其他等效 實(shí)施方式，其中：
[0013] 圖1描繪了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一種基本粟浦和信號(hào)合成器的示意圖；
[0014] 圖2描繪了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的冷卻室；
[0015] 圖3描繪了表示根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的，具有干擾段（如光柵）的裸光纖處于 流體包圍中的示意圖；
[0016] 圖4A描繪了示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的，在用虛豎線表示的平面內(nèi)的光纖擾 動(dòng)的W意圖；
[0017] 圖4B描繪了示出用于如本發(fā)明多個(gè)實(shí)施例所述的光纖冷卻處理的處于流體包圍 的光纖的示意圖；
[0018] 圖5描繪了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的，工作在冷卻室內(nèi)的粟浦和信號(hào)合成器的實(shí) 驗(yàn)實(shí)施例的熱圖像；和
[0019] 圖6描繪了其中"熱點(diǎn)"適合于本發(fā)明的實(shí)施例的功率放大器系統(tǒng)的基本示意圖。
[0020] 此處所用的標(biāo)題僅用于組織的目的，并不意味著用于限制說明書或權(quán)利要求書的 范圍。如本申請(qǐng)中所使用的，詞語"可在一種可能的意義下（即，意味著具有可能性）而 非命令的意義下（即，意味著必須）使用。同樣，詞語"包括"指的是包括但不限于。為了 便于理解，盡可能使用相同附圖標(biāo)記表示附圖中共有的相似元件。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 本發(fā)明的實(shí)施例通常涉及一種高功率液體冷卻的粟浦和信號(hào)合成器及其用于光 纖光學(xué)應(yīng)用的方法。更具體而言，本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種粟浦和信號(hào)合成器，其能夠?qū)τ?千瓦級(jí)稀±慘雜光纖放大器傳輸數(shù)千瓦的粟浦激光功率，而不會(huì)受到熱損傷。
[0022] 此處所披露的本發(fā)明的實(shí)施例適用于用于光纖光學(xué)組件的激光粟浦和信號(hào)合成 器。然而，本發(fā)明的其他實(shí)施例理解將此處所披露的方法和結(jié)構(gòu)應(yīng)用于若干附加光纖和相 關(guān)應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)理解其包含在本發(fā)明之內(nèi)。例如，本發(fā)明的實(shí)施例可采用任何種類的包括用于 軍事、工業(yè)、醫(yī)療、電信應(yīng)用等的激光二極管或放大器組件。
[0023] 圖1描繪了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基本粟浦和信號(hào)合成器。如圖所示，基本粟 浦和信號(hào)合成器100通常包括用于禪合至少多個(gè)輸入粟浦和信號(hào)的輸入端110、腰部區(qū)域 120、連接區(qū)域150、所產(chǎn)生的未涂覆或裸光纖段130和涂覆光纖段140。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施 例，被禪合到合束器100中的任何數(shù)量的光纖、信號(hào)等都可W適于本發(fā)明的實(shí)施例。正如此 處所使用的，"裸光纖"通常指的是沒有通常用于對(duì)玻璃表面提供機(jī)械保護(hù)的緩沖材料或聚 合物涂層的玻璃光纖，而去除涂層的目的通常是為了減小玻璃與封裝（package)之間的熱 阻，并消除吸收材料。
[0024] 在本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)輸入信號(hào)來源于粟浦激光二極管、種子激光器 (seed laser)、高功率激光器或放大器的輸出及其組合等。同樣，涂覆光纖140可W是適合 本發(fā)明實(shí)施例的任何種類的涂覆光纖，諸如增益光纖或無源光纖。
[00巧]圖2表示根據(jù)本發(fā)明可選實(shí)施例的粟浦和信號(hào)合成器使用的冷卻室。冷卻室200 通常包括至少一個(gè)中空腔室210,其具有合成器輸入端240和合成器輸出端250。在操作 過程中，粟浦和信號(hào)合成器將被組裝到中空腔室210中，從而將多個(gè)輸入源饋送到輸入端 240,并且涂覆光纖從輸出端250離開。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施例的目的，除了附圖中所示的 冷卻室W外，冷卻室可包括用于包含并引導(dǎo)流體使其與裸光纖和涂覆光纖段接觸的任何類 型的容器或腔室。
[0026] 在一些實(shí)施例中，裸光纖段130和與裸光纖段130的任一端或兩端直接相鄰的可 能5-20mm的涂覆光纖段140 (在一個(gè)實(shí)施例中涂覆光纖段140大約10mm)應(yīng)當(dāng)被放置在流 體入口 220與流體出口 230之間。例如，圖3描繪了表示根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的，裸光纖 段處于流體包圍中的示意圖，其表示流體包圍處于裸光纖段每一端的涂層的一部分。
[0027] 再回到圖2,中空腔室210通常可包括玻璃、金屬或聚合物基毛細(xì)管，其對(duì)于冷卻 室200內(nèi)的光纖和部件的光學(xué)性質(zhì)具有極小影響。可選地，中空腔室210可包括其中具有 冷卻元件的壁，W進(jìn)一步增強(qiáng)此處所述的處理。一旦粟浦和信號(hào)合成器被組裝到中空腔室 210內(nèi)，輸入端240和輸出端250周圍的開放區(qū)域可W被可選擇地通過可W折射率匹配的密 封劑、凝膠、環(huán)氧樹脂、樹脂等密封，如下面針對(duì)流體的詳細(xì)描述中所述。在該種可選實(shí)施例 中，密封劑可W在被使用時(shí)對(duì)于粟浦和信號(hào)合成器的光學(xué)性質(zhì)具有零或極微小的影響。
[0028] 可選地，冷卻室200進(jìn)一步包括流體入口 220和流體出口 230。如附圖中的實(shí)施 例所示，可W通過W從中空腔室210延伸的伸出腔室的方式提供流體入口 220和流體出口 230。在可選實(shí)施例中，流體入口 220和出口 230可W采取適于本發(fā)明實(shí)施例的任何形式， 并且可W沿中空腔室210外表面的任何部分沒置。入口 220和出口 230可W保持作為腔室 200的一部分，或者可W僅對(duì)于裝置組裝存在，并且一旦完成組裝就被移除。在該實(shí)施例中， 可W將腔室210中的入口端口密封，W提供液體的容器。
[0029] 通常，冷卻室200進(jìn)一步包括在其中的流體。在操作時(shí)，流體可W通常用作暴露在 冷卻室200內(nèi)的裸光纖的包圍介質(zhì)。正如此處所使用的，與固化的聚合物不同，"流體"施加 極微小的剪切應(yīng)力，諸如與裝置的軸橫向的凈應(yīng)力（net stress),該是因?yàn)槔帽景l(fā)明實(shí) 施例的系統(tǒng)可能受到的壓力或溫度改變所引起的。在大部分實(shí)施例中，由于流體的導(dǎo)熱性， 冷卻室200中流體的存在提供了增強(qiáng)的除熱能力。例如，如此處所述，通過流體可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異 的自然對(duì)流冷卻和強(qiáng)迫對(duì)流冷卻，從而降低光纖和封裝溫度和嚴(yán)重?fù)p壞的可能性。由此，在 多個(gè)實(shí)施例中，流體包括至少100W/m2/度的熱傳遞系數(shù)。
[0030] 除了流體的冷卻性質(zhì)W外，對(duì)于本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例，適當(dāng)?shù)牧黧w包括折射率，該 折射率能夠改變裝置的光學(xué)性質(zhì)，諸如控制粟浦-信號(hào)合成器的裸光纖部件的數(shù)值孔徑， 或者控制涂層的數(shù)值孔徑。該種改變可W允許從裸光纖去除過高數(shù)值孔徑光，從而防止光 在進(jìn)入光纖的涂層區(qū)域時(shí)被低折射率涂層吸收并且轉(zhuǎn)化成熱量。在此情形中，流體的折射 率應(yīng)當(dāng)小于裸光纖的折射率，從而使裸光纖保持有效的波導(dǎo)。此外，該折射率應(yīng)當(dāng)類似或者 小于涂層的折射率，W產(chǎn)生與涂覆光纖差異不太大的數(shù)值孔徑。在其他情形中，流體的折射 率應(yīng)當(dāng)類似于或者大于涂層的折射率，W有效地從涂層去除光。通常不希望光在涂層中傳 輸，因?yàn)橛捎诘湫屯繉拥妮^差的光學(xué)透明性會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱。無論是蓄意的還是無意的，在諸如 接頭、光柵、錐形或者對(duì)波導(dǎo)的任何擾動(dòng)的結(jié)構(gòu)處，該種光都可能被禪合到涂層中，將導(dǎo)致 在芯或包層中引導(dǎo)的光在涂層材料中傳播。
[0031] 對(duì)于多種適宜的流體，通過對(duì)流體的溫度控制可W實(shí)現(xiàn)流體的期望折射率；不 過，在通過溫度控制實(shí)現(xiàn)對(duì)其性質(zhì)的所需的調(diào)整之前，最初仍然需要選擇適當(dāng)?shù)牧黧w。在 一些實(shí)施例中，適當(dāng)?shù)牧黧w還可W包括高透明性，從而被流體去除的光不會(huì)如用于熱傳 輸和高數(shù)值孔徑去除的不透明材料那樣產(chǎn)生局部發(fā)熱（例如，由化omerics商業(yè)制造的 T肥RM-A-F0RM T644 的熱復(fù)合物，該 Qiomerics 是 MA，Woburn 的 Parker 化nnifin 公司的部 n )。
[0032] 在本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例中，流體包括液體。在一個(gè)實(shí)施例中，液體包括為包含特定 折射率性質(zhì)而?？谠O(shè)計(jì)的折射率匹配液體，例如，由NJ，Cedar Grove的Cargille-Sacher 實(shí)驗(yàn)室公司商業(yè)制造并銷售的液體。在另一實(shí)施例中，液體包括油基液體，諸如由 Delaware, Wilmingto 的 E. I. du 化nt de Nemours and Company 制造并銷售的KiytOX?。 在另一實(shí)施例中，流體可W包括自然存在的流體諸如水。在本發(fā)明的另外實(shí)施例中，流體可 包括任何具有可控和/或可識(shí)別熱和光學(xué)性質(zhì)（即不透明度/透明度、折射率等）的液體。
[0033] 應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的變化實(shí)施例可W要求流體具有變化的折射率。每個(gè)粟浦和信 號(hào)合成器組件可W利用諸如裸光纖的部件，其表面的特定折射率應(yīng)當(dāng)與流體相匹配。由此， 本發(fā)明的實(shí)施例不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為限定超出粟浦和信號(hào)合成器與流體之間的光學(xué)性質(zhì)的結(jié)合 W外。不過，在某些情形中，諸如利用本發(fā)明的實(shí)施例來冷卻光纖的涂覆或再涂覆區(qū)域時(shí)， 流體的折射率可W大于涂層，而無論如何，其對(duì)于光學(xué)性質(zhì)具有極小的干擾。
[0034] 除折射率之外，可W選擇流體使得其對(duì)于在粟浦和信號(hào)合成器操作期間的粟浦福 射是透明的。通過對(duì)于粟浦福射基本上透明，流體避免了其本身變成熱源，而導(dǎo)致不期望的 熱負(fù)載。圖4A中表示在光纖擾動(dòng)（諸如接頭、光柵、錐形等）附近使用流體包圍介質(zhì)的優(yōu) 點(diǎn)。圖4A示出了由虛豎直線表示的平面內(nèi)的光纖擾動(dòng)。附圖中表示的是具有光學(xué)折射率 ni的光纖（在本例中纖芯與包層的光學(xué)折射率沒有差別，因?yàn)槲覀冎饕P(guān)也粟浦光在光纖 包層中的傳輸）。光纖具有涂層，其光學(xué)折射率n, < ni，并且用具有基本上等于涂層材料折 射率的光學(xué)折射率n,的再涂覆材料對(duì)連接區(qū)域進(jìn)行再涂覆。
[00巧]用光線油cd表示在光纖纖芯/包層中傳播的邊界光線化ound ray)。光能實(shí)質(zhì)上 保留在玻璃光纖數(shù)值孔徑之內(nèi)，與玻璃涂層界面形成大于臨界角的角度4 > 4。。擾 動(dòng)產(chǎn)生了超出光纖數(shù)值孔徑的光線，使角< (^，從而光在光纖的涂覆段中傳輸，如光線 af曲所示。再涂覆材料是高吸收性的，在1. 0 y m處表現(xiàn)出SOOnfi的吸收系數(shù)。因此，在涂 層中傳播的光功率WP(s) =P。exp(-a 的速率被轉(zhuǎn)化成熱量，其中S是再涂覆材料 中的光線路徑長(zhǎng)度，P。是光線的初始光功率。
[0036] 圖4B示出了用于本說明書中所述的光纖冷卻的流體外包層。此處如圖4B中所示 用流體替代圖4A的再涂覆材料。通過玻璃毛細(xì)管使流體容納在光纖區(qū)域中。在此情形中， 擾動(dòng)所產(chǎn)生的超出光纖NA并且與玻璃-流體界面所成角度小于臨界角的光線將在透 明流體中傳輸，如光線af曲所示。例如，水具有的光吸收系數(shù)為a,K=l〇nTi。因此，光線 af曲中的光功率在流體介質(zhì)中所產(chǎn)生的熱量表示為；P(s) =P。exp(-a,ts)。此外，射到 毛細(xì)玻璃管上的光被折射到玻璃管中，并被引導(dǎo)離開流體和涂層，從而進(jìn)一步減小熱負(fù)載。
[0037] 流體外包層結(jié)構(gòu)中的熱減小相對(duì)于再涂覆的外包層結(jié)構(gòu)的熱減小可W簡(jiǎn)單地表 示成：
[0038]

【權(quán)利要求】
1. 一種高功率、散熱光纖裝置，包括： 一段用于傳輸光的光纖； 冷卻室，基本上將該光纖密封；W及 處于該冷卻室內(nèi)的散熱流體，選擇該散熱流體的折射率W控制光在流體中的相互作用 和傳輸。
2. 權(quán)利要求1的裝置，其中，選擇流體的折射率W便除去超出預(yù)定數(shù)值孔徑的傳輸光。
3. 權(quán)利要求2的裝置，其中，所述預(yù)定數(shù)值孔徑基本上近似于涂覆光纖所支持的數(shù)值 孔徑。
4. 權(quán)利要求1的裝置，其中，所述折射率基本上近似于或大于光纖外表面的折射率。
5. 權(quán)利要求1的裝置，其中，所述折射率基本上近似于或小于光纖的與流體接觸的外 涂層的外表面的折射率。
6. 權(quán)利要求1的裝置，其中，該光纖包括涂覆光纖的剝離段，其中流體的折射率小于裸 光纖的外表面的折射率。
7. 權(quán)利要求1的裝置，其中該高功率、散熱光纖裝置產(chǎn)生大于1千瓦的輸出。
8. 權(quán)利要求1的裝置，其中該冷卻室包括處于其第一端和第二端的密封劑，該密封劑 包括與接觸該密封劑的光纖外表面的折射率基本上近似的折射率。
9. 權(quán)利要求1的裝置，進(jìn)一步包括從冷卻室的表面延伸的流體入口和流體出口。
10. 權(quán)利要求9的裝置，進(jìn)一步包括用于使流體流動(dòng)通過冷卻室的粟，該粟迫使流體流 入流體入口，并通過流體出口從冷卻室離開。
【文檔編號(hào)】H01S3/04GK104466632SQ201410589253
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月28日
【發(fā)明者】M·費(fèi)什泰恩, M·默梅爾施泰因 申請(qǐng)人:Ofs菲特爾有限責(zé)任公司