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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410589253.7(22)申请日 2014.08.2814/011,859 2013.08.28 USH01S 3/067(2006.01)H01S 3/04(2006.01)(71)申请人 OFS菲特尔有限责任公司地址美国佐治亚(72)发明人 M费什泰恩 M默梅尔施泰因(74)专利代理机构中国国际贸易促进委员会专利商标事务所 11038代理人杜文树(54) 发明名称高功率液体冷却的泵浦和信号合成器(57) 摘要本发明的实施例通常涉及一种高功率液体冷却的泵浦和信号合成器，以及其用于光纤应用的方法。更具体而言，本发明的实施例涉及一。
2、种泵浦和信号合成器，其能够在不受热损伤的条件下，输送数千瓦的泵浦激光功率，用于千瓦级稀土掺杂光纤放大器。在本发明的一个实施例中，高功率散热光纤装置包括一段被配置为传输光的光纤，基本上密封光纤的冷却室，以及处于冷却室内的流体，该流体具有选择用来控制光在流体中的相互作用和传输的折射率。(30)优先权数据(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书6页 附图6页(10)申请公布号 CN 104466632 A(43)申请公布日 2015.03.25CN 104466632 A1/1页21.一种高功率、散热光纤装置，包括：一段用于传输光的光纤；冷。
3、却室，基本上将该光纤密封；以及处于该冷却室内的散热流体，选择该散热流体的折射率以控制光在流体中的相互作用和传输。2.权利要求1的装置，其中，选择流体的折射率以便除去超出预定数值孔径的传输光。3.权利要求2的装置，其中，所述预定数值孔径基本上近似于涂覆光纤所支持的数值孔径。4.权利要求1的装置，其中，所述折射率基本上近似于或大于光纤外表面的折射率。5.权利要求1的装置，其中，所述折射率基本上近似于或小于光纤的与流体接触的外涂层的外表面的折射率。6.权利要求1的装置，其中，该光纤包括涂覆光纤的剥离段，其中流体的折射率小于裸光纤的外表面的折射率。7.权利要求1的装置，其中该高功率、散热光纤装置产生大。
4、于1千瓦的输出。8.权利要求1的装置，其中该冷却室包括处于其第一端和第二端的密封剂，该密封剂包括与接触该密封剂的光纤外表面的折射率基本上近似的折射率。9.权利要求1的装置，进一步包括从冷却室的表面延伸的流体入口和流体出口。10.权利要求9的装置，进一步包括用于使流体流动通过冷却室的泵，该泵迫使流体流入流体入口，并通过流体出口从冷却室离开。权 利 要 求 书CN 104466632 A1/6页3高功率液体冷却的泵浦和信号合成器有关联邦政府资助研究和开发的声明根据美国国防部高级研究计划局(DARPA)批准的第HR0011-08-C-0125号协议，本发明部分是由美国政府支持下作出的。美国政府对于本。
5、发明拥有某种权利。所表达的观点属于发明人，不反映国防部或美国政府的官方政策或立场。发明背景技术领域0001 本发明的实施例总地涉及一种高功率液体冷却的泵浦和信号合成器及其用于光纤应用的方法。更具体而言，本发明的实施例涉及这样一种泵浦和信号合成器，其能够对于千瓦级稀土掺杂光纤放大器传输数千瓦的泵浦激光功率，而不会受到热损伤。现有技术0002 通常，稀土掺杂光纤放大器的光功率输出局限于一千瓦范围。为使这种放大器输出达到高功率范围(即大于1千瓦)，人们已经作出了努力，然而由于在长期操作中若干个部件遭受热损伤，尚未获得成功的结果。0003 实现高功率输出要求使用这样的激光泵浦合成器：其能够组合数千瓦功。
6、率级的泵浦激光功率，并且将泵浦辐射传递到波导，诸如低折射率涂覆的无源或增益光纤，以输送泵浦光。然而，在已知的尝试中，高水平的泵浦功率被光纤表面上不期望的污染物、连接点处的污染物所吸收，和/或被涂层材料吸收，导致非常大的局部温度升高，经常造成泵浦和信号合成器发生严重损坏。0004 有竞争性的放大器和泵浦合成器的要求使得难以对总体放大器性能进行优化。在大部分光纤应用中，希望稀土掺杂放大器具有较小的外直径，以便使泵浦辐射与光纤的稀土掺杂纤芯的重叠最大，并且使放大器光纤长度最小。不过，由于亮度定理，泵浦合成器输出的外部光纤直径越小，则要求越大的数值孔径，这样就增加了杂散辐射和不期望的局部加热的可能性。。
7、0005 目前的泵浦-信号合成器封装没计在尝试实现高功率输出时失败的一个主要原因在于，锥形的和尾纤的光纤被大体上滞止的气流所围绕。空气的存在对于冷却局部热点而言效率低，并且通常是不够的。此外，空气是一种极低折射率的包围介质，其支持在空气包覆的玻璃与涂层包覆的玻璃之间的过渡处常常被包覆介质吸收的高数值孔径光，并进一步增加了由于热损伤而导致故障的可能性。0006 因此，需要一种更有效率且具有有效散热的高功率泵浦和信号合成器。液体冷却的合成器满足这一要求。发明内容0007 本发明的实施例主要涉及一种高功率液体冷却的泵浦和信号合成器，以及其用于光纤光学应用的方法。更具体而言，本发明的实施例涉及一种光纤。
8、部件和结构，诸如泵浦和说 明 书CN 104466632 A2/6页4信号合成器、接头、端帽以及模场适配器，能够在千瓦级稀土掺杂光纤放大器中输送数千瓦或更高泵浦和信号激光功率，而不会发生热损伤。0008 在本发明的一个实施例中，一种高功率的、被冷却的光纤装置包括一段被配置为来传输光的光纤；基本上密封该光纤的冷却室；和处于冷却室内的一种流体，其具有被选择来改变光的性质的折射率。0009 在本发明的另一实施例中，用于光纤部件或结构，诸如泵浦和信号合成器的冷却系统，包括能够传输大于1千瓦的输出的部件或结构，包括涂覆的光纤，至少一段裸光纤；基本上密封该部件或结构的冷却室；以及处于冷却室内的一种液体，其。
9、中该液体对泵浦辐射基本上是透明的，并且包括大体上与裸光纤的折射率相似或更小的折射率。或者液体的折射率近似或者小于涂层的折射率。0010 在本发明的另一实施例中，冷却泵浦和信号合成器的方法包括：提供泵浦和信号合成器，该合成器包括至少一个裸光纤；将泵浦和信号合成器密封在其中具有流体的冷却室中，其中，该流体对于泵浦辐射基本透明，并且包括大体上与裸光纤的折射率相似或更小的折射率；将可测量量的泵浦光引入泵浦和信号合成器中；由泵浦和信号合成器产生大于1千瓦的输出。0011 在其他实施例中，将涂覆光纤密封在其中具有流体的冷却室中，该流体具有大体上与涂层的折射率相似或更大的折射率。附图说明0012 通过参考在。
10、附图中示出的实施例，可以更详细地理解本发明上述的特征，并且针对上面简要概括的本发明实施例给出更具体的描述。不过，应当注意，附图仅表示包含在本发明范围内的实施例中的典型实施例，从而无意于构成限制，因为本发明可采取其他等效实施方式，其中：0013 图1描绘了根据本发明一个实施例的一种基本泵浦和信号合成器的示意图；0014 图2描绘了根据本发明另一实施例的冷却室；0015 图3描绘了表示根据本发明另一实施例的，具有干扰段(如光栅)的裸光纤处于流体包围中的示意图；0016 图4A描绘了示出根据本发明一个实施例的，在用虚竖线表示的平面内的光纤扰动的示意图；0017 图4B描绘了示出用于如本发明多个实施例。
11、所述的光纤冷却处理的处于流体包围的光纤的示意图；0018 图5描绘了根据本发明另一实施例的，工作在冷却室内的泵浦和信号合成器的实验实施例的热图像；和0019 图6描绘了其中“热点”适合于本发明的实施例的功率放大器系统的基本示意图。0020 此处所用的标题仅用于组织的目的，并不意味着用于限制说明书或权利要求书的范围。如本申请中所使用的，词语“可以”在一种可能的意义下(即，意味着具有可能性)而非命令的意义下(即，意味着必须)使用。同样，词语“包括”指的是包括但不限于。为了便于理解，尽可能使用相同附图标记表示附图中共有的相似元件。说 明 书CN 104466632 A3/6页5具体实施方式0021 。
12、本发明的实施例通常涉及一种高功率液体冷却的泵浦和信号合成器及其用于光纤光学应用的方法。更具体而言，本发明的实施例涉及一种泵浦和信号合成器，其能够对于千瓦级稀土掺杂光纤放大器传输数千瓦的泵浦激光功率，而不会受到热损伤。0022 此处所披露的本发明的实施例适用于用于光纤光学组件的激光泵浦和信号合成器。然而，本发明的其他实施例理解将此处所披露的方法和结构应用于若干附加光纤和相关应用，应当理解其包含在本发明之内。例如，本发明的实施例可采用任何种类的包括用于军事、工业、医疗、电信应用等的激光二极管或放大器组件。0023 图1描绘了根据本发明一个实施例的基本泵浦和信号合成器。如图所示，基本泵浦和信号合成器。
13、100通常包括用于耦合至少多个输入泵浦和信号的输入端110、腰部区域120、连接区域150、所产生的未涂覆或裸光纤段130和涂覆光纤段140。根据本发明的实施例，被耦合到合束器100中的任何数量的光纤、信号等都可以适于本发明的实施例。正如此处所使用的，“裸光纤”通常指的是没有通常用于对玻璃表面提供机械保护的缓冲材料或聚合物涂层的玻璃光纤，而去除涂层的目的通常是为了减小玻璃与封装(pachage)之间的热阻，并消除吸收材料。0024 在本发明的多个实施例中，多个输入信号来源于泵浦激光二极管、种子激光器(seed laser)、高功率激光器或放大器的输出及其组合等。同样，涂覆光纤140可以是适合本。
14、发明实施例的任何种类的涂覆光纤，诸如增益光纤或无源光纤。0025 图2表示根据本发明可选实施例的泵浦和信号合成器使用的冷却室。冷却室200通常包括至少一个中空腔室210，其具有合成器输入端240和合成器输出端250。在操作过程中，泵浦和信号合成器将被组装到中空腔室210中，从而将多个输入源馈送到输入端240，并且涂覆光纤从输出端250离开。为了实现本发明实施例的目的，除了附图中所示的冷却室以外，冷却室可包括用于包含并引导流体使其与裸光纤和涂覆光纤段接触的任何类型的容器或腔室。0026 在一些实施例中，裸光纤段130和与裸光纤段130的任一端或两端直接相邻的可能5-20mm的涂覆光纤段140(在。
15、一个实施例中涂覆光纤段140大约10mm)应当被放置在流体入口220与流体出口230之间。例如，图3描绘了表示根据本发明另一实施例的，裸光纤段处于流体包围中的示意图，其表示流体包围处于裸光纤段每一端的涂层的一部分。0027 再回到图2，中空腔室210通常可包括玻璃、金属或聚合物基毛细管，其对于冷却室200内的光纤和部件的光学性质具有极小影响。可选地，中空腔室210可包括其中具有冷却元件的壁，以进一步增强此处所述的处理。一旦泵浦和信号合成器被组装到中空腔室210内，输入端240和输出端250周围的开放区域可以被可选择地通过可以折射率匹配的密封剂、凝胶、环氧树脂、树脂等密封，如下面针对流体的详细描。
16、述中所述。在这种可选实施例中，密封剂可以在被使用时对于泵浦和信号合成器的光学性质具有零或极微小的影响。0028 可选地，冷却室200进一步包括流体入口220和流体出口230。如附图中的实施例所示，可以通过以从中空腔室210延伸的伸出腔室的方式提供流体入口220和流体出口230。在可选实施例中，流体入口220和出口230可以采取适于本发明实施例的任何形式，并且可以沿中空腔室210外表面的任何部分没置。入口220和出口230可以保持作为腔室200的一部分，或者可以仅对于装置组装存在，并且一旦完成组装就被移除。在该实施例中，说 明 书CN 104466632 A4/6页6可以将腔室210中的入口端口。
17、密封，以提供液体的容器。0029 通常，冷却室200进一步包括在其中的流体。在操作时，流体可以通常用作暴露在冷却室200内的裸光纤的包围介质。正如此处所使用的，与固化的聚合物不同，“流体”施加极微小的剪切应力，诸如与装置的轴横向的净应力(net stress)，这是因为利用本发明实施例的系统可能受到的压力或温度改变所引起的。在大部分实施例中，由于流体的导热性，冷却室200中流体的存在提供了增强的除热能力。例如，如此处所述，通过流体可实现优异的自然对流冷却和强迫对流冷却，从而降低光纤和封装温度和严重损坏的可能性。由此，在多个实施例中，流体包括至少100W/m2/度的热传递系数。0030 除了流体。
18、的冷却性质以外，对于本发明的多个实施例，适当的流体包括折射率，该折射率能够改变装置的光学性质，诸如控制泵浦-信号合成器的裸光纤部件的数值孔径，或者控制涂层的数值孔径。这种改变可以允许从裸光纤去除过高数值孔径光，从而防止光在进入光纤的涂层区域时被低折射率涂层吸收并且转化成热量。在此情形中，流体的折射率应当小于裸光纤的折射率，从而使裸光纤保持有效的波导。此外，该折射率应当类似或者小于涂层的折射率，以产生与涂覆光纤差异不太大的数值孔径。在其他情形中，流体的折射率应当类似于或者大于涂层的折射率，以有效地从涂层去除光。通常不希望光在涂层中传输，因为由于典型涂层的较差的光学透明性会导致发热。无论是蓄意的还。
19、是无意的，在诸如接头、光栅、锥形或者对波导的任何扰动的结构处，这种光都可能被耦合到涂层中，将导致在芯或包层中引导的光在涂层材料中传播。0031 对于多种适宜的流体，通过对流体的温度控制可以实现流体的期望折射率；不过，在通过温度控制实现对其性质的所需的调整之前，最初仍然需要选择适当的流体。在一些实施例中，适当的流体还可以包括高透明性，从而被流体去除的光不会如用于热传输和高数值孔径去除的不透明材料那样产生局部发热(例如，由Chomerics商业制造的THERM-A-FORM T644的热复合物，该Chomerics是MA，Woburn的Parker Hannin公司的部门)。0032 在本发明的多。
20、个实施例中，流体包括液体。在一个实施例中，液体包括为包含特定折射率性质而专门设计的折射率匹配液体，例如，由NJ，Cedar Grove的Cargille-Sacher实验室公司商业制造并销售的液体。在另一实施例中，液体包括油基液体，诸如由Delaware，Wilmingto的E.I.du Pont de Nemours and Company制造并销售的在另一实施例中，流体可以包括自然存在的流体诸如水。在本发明的另外实施例中，流体可包括任何具有可控和/或可识别热和光学性质(即不透明度/透明度、折射率等)的液体。0033 应当理解，本发明的变化实施例可以要求流体具有变化的折射率。每个泵浦和信号合。
21、成器组件可以利用诸如裸光纤的部件，其表面的特定折射率应当与流体相匹配。由此，本发明的实施例不应当被认为限定超出泵浦和信号合成器与流体之间的光学性质的结合以外。不过，在某些情形中，诸如利用本发明的实施例来冷却光纤的涂覆或再涂覆区域时，流体的折射率可以大于涂层，而无论如何，其对于光学性质具有极小的干扰。0034 除折射率之外，可以选择流体使得其对于在泵浦和信号合成器操作期间的泵浦辐射是透明的。通过对于泵浦辐射基本上透明，流体避免了其本身变成热源，而导致不期望的热负载。图4A中表示在光纤扰动(诸如接头、光栅、锥形等)附近使用流体包围介质的优点。图4A示出了由虚竖直线表示的平面内的光纤扰动。附图中表示。
22、的是具有光学折射率说 明 书CN 104466632 A5/6页7n1的光纤(在本例中纤芯与包层的光学折射率没有差别，因为我们主要关心泵浦光在光纤包层中的传输)。光纤具有涂层，其光学折射率n2n1，并且用具有基本上等于涂层材料折射率的光学折射率n2的再涂覆材料对连接区域进行再涂覆。0035 用光线abcd表示在光纤纤芯/包层中传播的边界光线(bound ray)。光能实质上保留在玻璃光纤数值孔径之内，与玻璃涂层界面形成大于临界角c的角度c。扰动产生了超出光纤数值孔径的光线，使角c，从而光在光纤的涂覆段中传输，如光线afgh所示。再涂覆材料是高吸收性的，在1.0m处表现出500m-1的吸收系数。。
23、因此，在涂层中传播的光功率以P(s)P0exp（-涂层s)的速率被转化成热量，其中s是再涂覆材料中的光线路径长度，P0是光线的初始光功率。0036 图4B示出了用于本说明书中所述的光纤冷却的流体外包层。此处如图4B中所示用流体替代图4A的再涂覆材料。通过玻璃毛细管使流体容纳在光纤区域中。在此情形中，扰动所产生的超出光纤NA并且与玻璃-流体界面所成角度小于临界角c的光线将在透明流体中传输，如光线afgh所示。例如，水具有的光吸收系数为水10m-1。因此，光线afgh中的光功率在流体介质中所产生的热量表示为：P(s)P0exp(-水s)。此外，射到毛细玻璃管上的光被折射到玻璃管中，并被引导离开流体。
24、和涂层，从而进一步减小热负载。0037 流体外包层结构中的热减小相对于再涂覆的外包层结构的热减小可以简单地表示成：0038 0039 因此，透明流体外包层介质保持泵浦辐射在纤芯/包层中引导，同时相对于聚合物涂覆光纤来说将热源的强度减小17dB。0040 在多个实施例中，流体具有在超过1mm路径长度上小于大约1光学吸收的透明度。不过，在一些实施例中，作为上限，每厘米光纤消耗超过50W是非常具有挑战性的。0041 根据实施例的性质，流体或者可以被设置为不流动的，即被动地存在于中空腔室210中，或者可以被设置为动态的，即通过流体入口220和流体出口230流动通过中空腔室210。在其中期望流体对于泵浦。
25、和信号合成器具有强迫对流冷却效果的多个实施例中，可以将流体入口220和流体出口230连接至流体泵(未示出)，例如微型泵，并可选择地具有例如制冷系统的冷却系统，或温度控制系统，以便即便在被动情形中，仍然针对折射率控制来控制与其连接的流体温度。在这种实施例中，泵可以控制流体在流体入口220中、通过中空腔室210和流出流体出口230的流速。在一些实施例中，可以交换腔室220和230的位置。根据本发明实施例，可采用其他类似的已知类型的封闭式流体系统。0042 在一个实验实施例中，将三个泵浦和信号合成器暴露为浸入实验流体中；所使用的三种流体为水、Krytox和Cargille折射率匹配液体。在6个月之后。
26、，虽有本领域普通技术人员通常的预测，没有一个泵浦和信号合成器部件表现出任何明显的膨胀，仅表现出微小的或者轻微的分层。此外，表明流体环境(例如浸入水中)不会在玻璃纤维中导致任何裂纹生长，这可能是源于泵浦和信号合成器中光纤的无应力环境。0043 图5描绘了根据本发明另一实施例的具有工作在冷却室中的锥形光纤束(TFB)的说 明 书CN 104466632 A6/6页8泵浦和信号合成器的实验实施例的热图像。如图中所示，在操作过程中，在泵浦和信号合成器内，特别是在涂层处出现热点。该实验实施例利用水来冷却热点。0044 在附图中，顶部的热图像绘制了在具有静止水的冷却室中的、工作在200W的泵浦光功率下的泵。
27、浦和信号合成器。没有冷却室时，根据大约1mm的吸收长度仅需要100mW光功率就能产生100摄氏度温度上升的近似，该组件最有问题的区域(即涂层周围)预计将达到大约100度的温度以上。流体冷却剂被设计成大大减小受热光吸收涂层的温度。预计流体填充腔室相对于空气填充腔室对局部热点提供的温度减小与水和空气热导率W/m-度-C的比值成比例，即060.025，或者近似13.8dB。不可能通过IR摄像机直接测量受热涂层的表面温度，因为受热涂层被封装在水填充冷却剂腔室中。不过，从内部受热光纤段所产生的冷却剂腔室表面温度上升，可以推导出光纤段的加热。由于与空气填充毛细管相比，热量分布在更大区域上，并且由于水的热传。
28、导和自然对流，在TFB中，在200W光功率下，在冷却室的表面处测得的热点为29摄氏度。0045 在附图中，下部的图像表示同一装置，在冷却室内具有水的受迫流动。受迫水流动进一步提供了冷却室表面的发热的显著减小，并且在本示例中，将其减小了大约4.4摄氏度。尽管不可测量，该结果表明同样也减小了涂层表面处的温度。0046 本发明多个变型例使此处所披露的系统和方法可用于获得其他优点。例如，在一个实施例中，此处所披露的方法可用于输送非常高泵浦或信号功率(1kW)的任意裸光纤段的表现出折射率或直径的不连续性或扰动的位置，从而将大量的光(大于损伤阈值)以大于与玻璃涂覆界面相应的光纤的适当NA的角度散射。在该实。
29、施例中，这种扰动可能源于布拉格光栅放置在纤芯中，或者源于两个异种光纤的连接。0047 例如，在本发明的一些可选实施例中，可利用此处所披露的方法对高功率光纤放大器中存在于多个位置的涂覆光纤段进行冷却，诸如图5中所示。在该实施例中，由于多种原因，根据特定的应用，在涂覆的区域与未涂覆的区域之间的光纤过渡位置处可能会发生多个“热点”。0048 在附图所示的示意图中，“热点”可以逐段地被识别。段A包括激光二极管模块尾纤与TFB泵浦腿之间的连接，其具有低或高折射率的再涂覆；段B包括具有腰部区域、连接区域、裸光纤区域和涂覆光纤区域的TFB，与图1中所示实施例类似；段C包括在异种光纤之间具有低折射率再涂覆的接。
30、头；段D包括具有低折射率再涂覆的模式适配器；段E包括低折射率涂覆的钇掺杂光纤，其具有热产生量子缺陷区域；段F包括输出端帽处的涂层-裸光纤界面。后向反射可以将光通过端帽耦合回光纤中，从而增大了涂层中的热负载。如果允许工作在连续的高功率下，这些可能的“热点”中的每一个都可能引发热故障，本发明的实施例可被用于这些热点，来允许该系统保持其设计，同时使任何热故障的风险最小化。0049 尽管前面的描述涉及本发明的实施例，不过在不偏离本发明基本范围的条件下可以得出本发明的其他和进一步的实施例。还应当理解，只要不偏离此处包含的范围，此处所描述的各个实施例可以结合此处所描述的任何其他实施例使用。此外，当需要特定应用时，本发明的实施例可用于附加的客户和服务。说 明 书CN 104466632 A1/6页9图1图2说 明 书 附 图CN 104466632 A2/6页10图3说 明 书 附 图CN 104466632 A10。