CN116759876B - 一种水下高功率光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下高功率光纤激光器，包括激光发生装置和激光工作装置。所述激光发生装置包括：激光发生室，所述激光发生室顶部安装有冷却室，底部通过安装固定件可拆卸固定有恒温室。所述恒温室内部装填有固‑液相变恒温材料，所述恒温室底部通过安装固定件可拆卸固定有水流控制室。发明通过水流控制室可以实现装置整体在水下的自适应运动，既可以配合工作人员进行水下运动，也可以起到帮助恒温室冷却固‑液相变恒温材料的作用。

Description

一种水下高功率光纤激光器

技术领域

本发明涉及激光作业装置技术领域，具体为一种水下高功率光纤激光器。

背景技术

得益于激光可通过光纤远距离传输，具有较好的狭窄空间适应性，且相比于火焰、电弧等传统热源，激光束能量密度高、热输入小，不仅作用位置精确，还可集成多种加工工艺于一体，易于与机器人等自动化设备配合实现远程操作的优点，水下激光作业逐渐成为水下焊接、清洗、切割作业的主要技术手段，尤其是在进行核电的水下维修领域，激光作业技术得到广泛运用。

但是激光作业需要用到激光发生系统，而激光发生系统具有非常严格的温度控制要求，为了保障激光器工作的稳定，需要系统温度尽可能稳定在25℃左右，现有技术在无法克服对激光发生系统的水下恒温技术障碍的基础上，采取的技术方案一般为：将激光发生系统放置在水面上，并配置恒温冷却系统，将包括有激光头的激光作业机构通过有源光纤与激光发生系统光连通，再将激光头下放至水下作业位置处。例如专利号为CN202122476372.X，CN202210923039.5，CN201710197878.2的三个专利，均是将激光作业机构放置于水下，激光发生系统位于水面以上的布局方式。

现有技术虽然可以实现水下激光作业，但是受限于有源光纤长度，作业深度有限，且在复杂水下环境中有源光纤容易被杂物干扰而出现：激光作业装置不能运动至目标工作为，或有源光纤被异物割伤、隔断等导致激光作业无法进行的事故出现。这严重限制了水下激光作业的适用范围。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种水下高功率光纤激光器，包括激光发生装置和激光工作装置。所述激光发生装置包括：激光发生室，所述激光发生室顶部安装有冷却室，底部通过安装固定件可拆卸固定有恒温室。所述恒温室内部装填有固-液相变恒温材料，所述恒温室底部通过安装固定件可拆卸固定有水流控制室。

所述激光发生室底板上盘状固定安装有有源光纤。所述有源光纤两侧自近而远镜像设置且依次安装有两组包层光剥除器、两组光纤光栅、两组光纤合束器、数个排列设置的半导体激光器。所述半导体激光器发出的激光经过光纤合束器、光纤光栅、包层光剥除器后射入有源光纤，并由有源光纤传导至激光工作装置的激光头处。

所述水流控制室包括：中空的水流通道。所述水流控制室底部至少在水流通道前后两端开设有水流通孔，在所述水流通孔处安装有螺旋助推器。螺旋助推器使得外部的水穿过螺旋助推器进入水流通道后自另一螺旋助推器处流出。

所述半导体激光器通过散热导管固定在激光发生室底板上。所述散热导管包括固定在半导体激光器外部的固定段和沿激光发生室底板安装的安装段。所述固定段面对半导体激光器的一端设有靠近或接触半导体激光器散热板或热源的内传热板。所述安装段底部设有数个穿过激光发生室底板并延伸至恒温室固-液相变恒温材料内的加强传热板。

所述冷却室底部设有电源、恒压器和控制系统。所述电源通过恒压器为全部用电机构供电。所述控制系统根据预设程序或受人工遥控的控制半导体激光器、螺旋助推器启动/关闭。所述冷却室内设有冷却管。所述冷却室顶部设有散热齿。

所述激光工作装置的光接收端与有源光纤光连通。所述激光工作装置内设有进行工作的激光头和冷却激光头机构的水冷却管，且水冷却管上设有循环泵。所述水冷却管与冷却管连通，所述循环泵受控制系统控制启动/关闭。

进一步的，所述水流控制室底部设有防腐蚀层。

进一步的，所述散热导管的固定段和安装段均设有连通的空腔，所述空腔内部填充有导热油。所述固定段顶部设与空腔连通的加油管，所述加油管顶部设有密封圈，封锁螺钉与加油管螺接并封闭空腔。

进一步的，所述水流控制室顶部设有防腐蚀隔板，底部设有三组且每组至少并排设有两个螺旋助推器。所述三组螺旋助推器分别位于靠近水流控制室前端、中间端、后端位置处。三组螺旋助推器使得外部的水通过前、后两端的螺旋助推器处进入水流通道后，自中间端的螺旋助推器处流出。或三组螺旋助推器使得外部的水通过中间端的螺旋助推器处进入水流通道后，自前、后两端的螺旋助推器处流出。

进一步的，所述螺旋助推器包括：固定在水流控制室通孔孔壁上的第一步进电机，位于所述第一步进电机对侧的第二步进电机。所述第一步进电机和第二步进电机通过第一转轴连接导流板，使得导流板可相对水流控制室通孔沿水平X轴转动。所述导流板上沿水平Y轴方向设有第三步进电机和第四步进电机，所述第三步进电机和第四步进电机通过第二转轴连接螺旋桨装置，使得螺旋桨装置可相对导流板沿水平Y轴转动。所述螺旋桨装置上固定设有电动机，所述电动机驱动螺旋桨转动。

所述冷却室底部设有电子陀螺仪，所述控制系统与第一步进电机、第二步进电机、第三步进电机、第四步进电机、电子陀螺仪分别信号连接。

所述控制系统包括：激光发生装置自稳定控制模块。所述激光发生装置自稳定控制模块首先接收电子陀螺仪发出的信号，相应生成激光发生装置相对水平面的偏转角度数据。然后当偏转角度超过第一预设阈值时，根据偏转角度数据形成对相应位置螺旋助推器的推力变化控制信息。最后根据推力变化控制信息形成对相应螺旋助推器中导流板或螺旋桨装置的偏转控制信息和/或螺旋桨的转速控制信息。第一步进电机和第二步进电机根据导流板偏转控制信息控制导流板进行偏转，第三步进电机和第四步进电机根据螺旋桨装置偏转控制信息控制螺旋桨装置进行偏转，电动机根据转速控制信息控制螺旋桨的转向和转速。

进一步的，所述螺旋桨装置为夹层结构，内部夹层处设有螺旋桨，在螺旋桨两侧通过数条相互间隔的连接板分别固定电动机和轴承的外圈。所述电动机的输出轴与螺旋桨固定，并与轴承的内圈固定。

进一步的，所述激光发生装置外部设有至少两组受控制系统控制的机械臂，其中一组机械臂末端固定激光工作装置，一组机械臂末端通过球头连接器连接有安装盘。所述安装盘上设有至少三组电控伸缩装置，所述电控伸缩装置末端通过万向接头连接有吸盘。

进一步的，所述激光工作装置在激光头的发射口外部延伸有隔水罩。所述隔水罩底端排列设置有数个压力传感器，所述压力传感器与控制系统信号连接。

所述控制系统包括压力控制模块。所述压力控制模块接收压力传感器发出的压力信息，当某一压力信息超过第二预设阈值时，根据该压力信息形成对相应位置处螺旋助推器的推力变化控制信息。最后根据推力变化控制信息形成对相应螺旋助推器中导流板或螺旋桨装置的偏转控制信息和/或螺旋桨的转速控制信息。第一步进电机和第二步进电机根据导流板偏转控制信息控制导流板进行偏转，第三步进电机和第四步进电机根据螺旋桨装置偏转控制信息控制螺旋桨装置进行偏转，电动机根据转速控制信息控制螺旋桨的转向和转速。

进一步的，所述吸盘包括：柔质弹性体隔水材料制备得到的内隔膜，硬质弹性体隔水材料制备得到的外隔膜。所述外隔膜和内隔膜之间形成空腔，所述内隔膜上设有与空腔连通的数个排水孔。所述外隔膜顶部设有与空腔连通的抽水管。所述抽水管与双向水泵连通。

进一步的，所述激光发生室外部固定有储罐。所述储罐内部储存有干冰或液氮，且所述储罐外部套设有隔热套，所述隔热套与储罐罐壁之间设有真空隔温腔。所述储罐的出口处通过第一电控阀连接管道。所述管道穿过恒温室内部装填的固-液相变恒温材料后在恒温室外部与第二电控阀连通。所述管道在恒温室内部的部分沿径向连通有数根外接管。所述第一电控阀、第二电控阀与控制系统信号连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明克服了现有技术不能将激光发生装置和激光作业装置一并下水的技术难题，使得激光发生装置在水下也能实现良好的恒温控制，工作状态稳定。

2.本发明通过水流控制室可以实现装置整体在水下的自适应运动，既可以配合工作人员进行水下运动，也可以起到帮助恒温室冷却固-液相变恒温材料的作用。

附图说明

图1为本发明水下高功率光纤激光器的结构示意图；

图2为本发明激光发生室底板上安装的部件结构示意图；

图3为本发明冷却室内安装部件的结构示意图；

图4为本发明侧向整体结构示意图；

图5为本发明激光发生室、恒温室、水流控制室的安装结构示意图；

图6为本发明散热导管安装结构示意图；

图7为图6的A处放大结构示意图；

图8为本发明三组螺旋助推器结构的水流控制室的结构示意图；

图9为本发明螺旋助推器的结构示意图；

图10为本发明螺旋桨装置的结构示意图；

图11为本发明一种调节导流板朝向的示意图；

图12为本发明隔水罩的安装结构示意图；

图13为本发明安装盘的结构示意图；

图14为本发明吸盘的剖面结构示意图；

图15为本发明吸盘的整体结构示意图；

图16为本发明干冰或液氮储罐的结构示意图；

图17为本发明位于恒温室的管道结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种水下高功率光纤激光器，如图1-5所示，包括激光发生装置1和激光工作装置3。所述激光发生装置1包括：激光发生室11，所述激光发生室11顶部安装有冷却室2，底部通过安装固定件5可拆卸固定有恒温室12。所述恒温室12内部装填有固-液相变恒温材料，所述恒温室12底部通过安装固定件5可拆卸固定有水流控制室13。

所述激光发生室11底板111上盘状固定安装有有源光纤42。所述有源光纤42两侧自近而远镜像设置且依次安装有两组包层光剥除器45、两组光纤光栅43、两组光纤合束器44、数个排列设置的半导体激光器41。所述半导体激光器41发出的激光经过光纤合束器44、光纤光栅43、包层光剥除器45后射入有源光纤42，并由有源光纤42传导至激光工作装置3的激光头处。

所述水流控制室13包括：中空的水流通道16。所述水流控制室13底部至少在水流通道16前后两端开设有水流通孔，在所述水流通孔处安装有螺旋助推器15。螺旋助推器15使得外部的水穿过螺旋助推器15进入水流通道16后自另一螺旋助推器15处流出。

如图6所示，所述半导体激光器41通过散热导管6固定在激光发生室11底板上。所述散热导管6包括固定在半导体激光器41外部的固定段611和沿激光发生室11底板安装的安装段612。所述固定段611面对半导体激光器41的一端设有靠近或接触半导体激光器41散热板或热源的内传热板63。所述安装段612底部设有数个穿过激光发生室11底板111并延伸至恒温室12固-液相变恒温材料内的加强传热板613。

所述冷却室2底部设有电源23、恒压器24和控制系统25。所述电源23通过恒压器24为全部用电机构供电。所述控制系统25根据预设程序或受人工遥控的控制半导体激光器41、螺旋助推器15启动/关闭。所述冷却室2内设有冷却管22。所述冷却室2顶部设有散热齿21。

所述激光工作装置3的光接收端与有源光纤42光连通。所述激光工作装置3内设有进行工作的激光头和冷却激光头机构的水冷却管，且水冷却管上设有循环泵31。所述水冷却管与冷却管22连通，所述循环泵31受控制系统25控制启动/关闭。

本发明水下高功率光纤激光器当需要进行水下激光作业时，可以同时将激光发生装置1和激光工作装置3一并放入水下，有效克服了现有技术激光发生装置1放在水面上，激光工作装置3潜入水下存在以下问题：

1.受限于有源光纤长度，作业深度有限。

2.复杂水下环境中有源光纤容易被杂物干扰而出现：激光作业装置不能运动至目标工作为，或有源光纤被异物割伤、隔断等导致激光作业无法进行的事故。

本发明能构实现激光发生装置1下水工作的原因在于：激光发生装置中的主要热源体是半导体激光器41，现有技术一般对半导体激光器的散热板处加装流动的水冷系统进行半导体激光器41的温度控制，这就导致需要精确控制冷却水的温度和流量，因此需要在水面的大型配套控制系统来进行控温。

而本发明通过特殊的散热导管6结构设计，可以将半导体激光器41的热源温度快速传递至恒温室12内，然后基于恒温室12内的固-液相变恒温材料吸收传递的热量。固-液相变恒温材料吸热会从固相转变为液相，但是在相变材料完全相变完成前，固-液相变恒温材料本身温度不会发生变化，因此恒温室12内的温度不会出现明显的波动，从而可以对散热导管6进行恒温，进而保持半导体激光器41的温度处于最佳工作温度范围内。当固-液相变恒温材料受热转变为液相时，会流动至恒温室12底部，此时安装在恒温室12下方的水流控制室13可以对恒温室12底部进行水冷，使得液相的固-液相变恒温材料冷却后重新转变为固相，从而实现对散热导管6的持久恒温作用。借助固-液相变恒温材料的上述控温特性，本发明可以不用特意精确控制水流控制室13内流经的冷却水流量和温度，基于温度传感器进行大致的控制即可。

同时，本发明还在激光发生室11顶部设置冷却室2，并在冷却室2底部安装各电器设备，从而使得工作中会散发热量的电器设备相对远离半导体激光器41，同时可以通过冷却室2顶部的散热齿21进行散热，保持激光发生室11内的工作环境温度适宜。并且，激光工作装置3工作过程中的水冷系统中受激光头加热的冷却水回流至冷却管22后，在冷却室2进行冷却降温。

此外，本发明激光发生室11、恒温室12、水流控制室13之间采用安装固定件5进行可拆卸固定安装，因此可以根据激光工作装置的需要，选择适宜的恒温室12进行安装，根据水下工作需要选择对应的水流控制室13。

此外，本发明激光发生室11采用带大量空间的腔室设计，而非密集结构设计的原因在于，通过带大量空间的腔室设计可在水下作业时提供一定的浮力，避免由于激光发生装置1自重过大而难以在水体中维持姿态稳定的问题。

实施例2

基于实施例1的水下高功率光纤激光器，如图1-4所示，所述水流控制室13底部设有防腐蚀层14。所述恒温室12的室壁由导热材料制备得到。

实施例3

基于实施例1的水下高功率光纤激光器，如图6和图7所示，所述散热导管6的固定段611和安装段612均设有连通的空腔62，所述空腔62内部填充有导热油。所述固定段611顶部设与空腔62连通的加油管65，所述加油管65顶部设有密封圈66，封锁螺钉64与加油管65螺接并封闭空腔62。

加装导热油可以进一步加快散热导管6的热传递速度，但是导热油在不用时应当取出，因此本发明加装了导热油的快速取出和装入装置。需要取出或装入导热油时，仅需要将封锁螺钉64旋下，即可通过加油管65进行导热油的取出或装入操作，之后将封锁螺钉64旋入，即可实现对导热油的密封作用。

实施例4

基于实施例1的水下高功率光纤激光器，如图4、图8所示，所述水流控制室13顶部设有防腐蚀隔板131，底部设有三组且每组至少并排设有两个螺旋助推器15。所述三组螺旋助推器15分别位于靠近水流控制室13前端、中间端、后端位置处。三组螺旋助推器15使得外部的水通过前、后两端的螺旋助推器15处进入水流通道16后，自中间端的螺旋助推器15处流出。或三组螺旋助推器15使得外部的水通过中间端的螺旋助推器15处进入水流通道16后，自前、后两端的螺旋助推器15处流出。

对于水流控制室13，当有水流通过水流通道16时即可完成对恒温室12内的固-液相变恒温材料的降温作用。当激光发生装置1位于水面上时，通过水流通道16的水流不会影响激光发生装置1的工作姿态，因此水流从水流通道16的一端进入另一端流出即可。但是当激光发生装置1位于水下时，水流的运动会影响激光发生装置1的姿态，尤其是当水流从水流通道16的一端进入另一端流出时，会导致激光发生装置1在流体作用力下逐渐变为前倾或后仰的姿态，影响激光发生装置1内激光器的工作稳定性。因此申请人经过研究，采用了一种两端进入中间流出或中间进入两端流出的水流控制方式，使得流体作用力可以相互抵消，从而使得激光发生装置1可以保持稳定水平的工作姿态，保障冷却作用的同时提高了激光器的工作稳定性。

如图9所示，所述螺旋助推器15包括：固定在水流控制室13通孔孔壁上的第一步进电机151，位于所述第一步进电机151对侧的第二步进电机152。所述第一步进电机151和第二步进电机152通过第一转轴连接导流板153，使得导流板153可相对水流控制室13通孔沿水平X轴转动。所述导流板153上沿水平Y轴方向设有第三步进电机154和第四步进电机155，所述第三步进电机154和第四步进电机155通过第二转轴连接螺旋桨装置156，使得螺旋桨装置156可相对导流板153沿水平Y轴转动。所述螺旋桨装置156上固定设有电动机157，所述电动机157驱动螺旋桨158转动。

所述冷却室2底部设有电子陀螺仪，所述控制系统25与第一步进电机151、第二步进电机152、第三步进电机154、第四步进电机155、电子陀螺仪分别信号连接。

所述控制系统25包括：激光发生装置自稳定控制模块。所述激光发生装置自稳定控制模块首先接收电子陀螺仪发出的信号，相应生成激光发生装置1相对水平面的偏转角度数据。然后当偏转角度超过第一预设阈值时，根据偏转角度数据形成对相应位置螺旋助推器15的推力变化控制信息。最后根据推力变化控制信息形成对相应螺旋助推器15中导流板153或螺旋桨装置156的偏转控制信息和/或螺旋桨158的转速控制信息。第一步进电机151和第二步进电机152根据导流板153偏转控制信息控制导流板153进行偏转，第三步进电机154和第四步进电机155根据螺旋桨装置156偏转控制信息控制螺旋桨装置156进行偏转，电动机157根据转速控制信息控制螺旋桨158的转向和转速。

此外，由于水下作业环境的特殊性，水体一般处于流动状态，流动的水体也会带动激光发生装置1运动，一方面激光发生装置1的摆动会拉动激光工作装置3摆动，进而导致激光头受力发生偏转，从而影响激光作业的稳定性和安全性。另一方面激光发生装置1的运动或偏转会影响提供光源的稳定性，这也是现有技术激光发生装置1不得不安装在水面上的主要原因之一。

本发明可以通过调整螺旋桨装置156的朝向和螺旋桨158的转动方向，实现在流动水体环境中的自适应稳定。例如：当水体是沿水平方向的定向环流时，通过改变导流板153的方向，使得导流板153呈图11所示朝向，此时水流经过导流板153时会形成向右下方的冲击力C。通过调整螺旋桨158的转动方向，使其提供向左上方的推动力D，即可抵消水流的冲击力C，从而使得激光发生装置1在水体中位置保持基本恒定，同时流动的水体仍然可以进入水流通道16实现对恒温室12内的固-液相变恒温材料的降温作用。

当水体内水流发生改变时，由于螺旋桨158提供的推动力D不能与冲击力C相抵消，会导致激光发生装置1发生姿态变化，从而导致电子陀螺仪发出偏转角度。此时本发明控制系统25可以根据偏转角度的变化，得到偏转方向上螺旋桨158提供的推动力D的大小和方向的变化要求，从而根据预设程序形成对应的控制信息，控制对应的螺旋桨158调整方向和转速以提供适宜的推动力D，使得激光发生装置1恢复水平工作姿态。例如：当电子陀螺仪发出向左前侧偏向3°的数据时，可能是左前端螺旋桨158提供的推动力D不足，或右后端螺旋桨158提供的推动力D过大，此时控制系统25提高左前端螺旋桨158的转速或降低右后端螺旋桨158的转速，或者通过调节左前端螺旋桨158的朝向使其提供更多向下的力(以图11为例，顺时针转动至水平前可增大向下的力)，或通过调节右后端螺旋桨158的朝向使其提供更小向下的力(以图11为例，逆时针转动至数值前可减小向下的力)。

因此，本发明激光发生装置1可以通过调节各位置处的螺旋桨158的朝向、转动方向、转动速度以实现在水下的自适应稳定，从而为激光工作装置3提供接近水面安装时的稳定可靠的激光光源。

实施例5

基于实施例4的水下高功率光纤激光器，如图10所示，所述螺旋桨装置156为夹层结构，内部夹层处设有螺旋桨158，在螺旋桨158两侧通过数条相互间隔的连接板分别固定电动机157和轴承159的外圈。所述电动机157的输出轴与螺旋桨158固定，并与轴承159的内圈固定。

该设置一方面使得螺旋桨158仍可推动水流运动，另一方面可避免水体中的大型杂质，如石块、鱼、结构体等物质对螺旋桨158的损伤。

实施例6

基于实施例4的水下高功率光纤激光器，所述激光发生装置1外部设有至少两组受控制系统25控制的机械臂，其中一组机械臂末端固定激光工作装置3，一组机械臂末端通过球头连接器连接有安装盘71。如图13所示，所述安装盘71上设有至少三组电控伸缩装置72，所述电控伸缩装置72末端通过万向接头73连接有吸盘74。

如图12所示，所述激光工作装置3在激光头的发射口33外部延伸有隔水罩32。所述隔水罩32底端排列设置有数个压力传感器34，所述压力传感器34与控制系统25信号连接。

所述控制系统25包括压力控制模块。所述压力控制模块接收压力传感器34发出的压力信息，当某一压力信息超过第二预设阈值时，根据该压力信息形成对相应位置处螺旋助推器15的推力变化控制信息。最后根据推力变化控制信息形成对相应螺旋助推器15中导流板153或螺旋桨装置156的偏转控制信息和/或螺旋桨158的转速控制信息。第一步进电机151和第二步进电机152根据导流板153偏转控制信息控制导流板153进行偏转，第三步进电机154和第四步进电机155根据螺旋桨装置156偏转控制信息控制螺旋桨装置156进行偏转，电动机157根据转速控制信息控制螺旋桨158的转向和转速。

通过机械臂将激光发生装置1和激光工作装置3形成刚性连接后，激光发生装置1姿态或位置的变化会实时反映在激光工作装置3上尤其是激光头处。通过加装压力传感器，可以通过隔水罩32底部压力的变化判断激光头是否发生了超于预设阈值的位移变化。同时还可以根据压力传感器感应的压力变化对激光发生装置1的姿态和位置进行实时调节，使其能够在水体中维持更稳定的水平工作姿态，减少受水体影响发生的摆动、位移等会影响激光头工作的不利运动。

如图14至15所示，所述吸盘74包括：柔质弹性体隔水材料制备得到的内隔膜742，硬质弹性体隔水材料制备得到的外隔膜741。所述外隔膜741和内隔膜742之间形成空腔743，所述内隔膜742上设有与空腔743连通的数个排水孔744。所述外隔膜741顶部设有与空腔743连通的抽水管75。所述抽水管75与双向水泵连通。

对于有光滑侧壁的水下作业环境，此时，激光发生装置1通过机械臂与吸盘74连接，可以通过吸盘74吸附在目标工作点附近的光滑侧壁上，从而将激光发生装置1稳定在水体中，极大减少激光发生装置1随水体流动而发生位移、偏转等运动的幅度。吸盘74实现吸附固定的原理为：

首先，机械臂将吸盘74贴合在光滑侧壁可吸附固定的位置处。

然后，双向水泵启动抽水功能，将内隔膜742与光滑侧壁吸附固定位置之间的水通过排水孔744、空腔743抽出，至内隔膜742与光滑侧壁之间无水。此时在水压的作用下，外隔膜741挤压内隔膜742并紧密贴合在光滑侧壁上。水下作业的深度越深，吸盘74提供的吸附作用力越大。

当需要解除吸附作用时，双向水泵启动排水功能，通过空腔743、排水孔744向内隔膜742与吸附固定位置之间注水，从而解除内隔膜742与光滑侧壁的紧密贴合关系。

实施例7

基于实施例1的水下高功率光纤激光器，如图16和17所示，所述激光发生室11外部固定有储罐8。所述储罐8内部储存有干冰或液氮，且所述储罐8外部套设有隔热套81，所述隔热套81与储罐8罐壁之间设有真空隔温腔85。所述储罐8的出口处通过第一电控阀82连接管道83。所述管道83穿过恒温室12内部装填的固-液相变恒温材料后在恒温室12外部与第二电控阀86连通。所述管道83在恒温室12内部的部分沿径向连通有数根外接管84。所述第一电控阀82、第二电控阀86与控制系统25信号连接。

在大部分作业环境中，水下环境的温度是低于激光器的工作温度的，因此可以直接用水体对恒温室12内的固-液相变恒温材料进行降温。但是当水下环境温度高于激光器的工作温度时，直接用水体降温将不可实现。因此本发明引入了干冰或液氮储罐对恒温室12内的固-液相变恒温材料进行降温。但是常规状态下的干冰或液氮储罐自重较大，很容易在自重作用下导致激光发生装置1发生侧翻或一直下沉。为此，本发明改进了干冰或液氮储罐，在干冰或液氮储罐外部加设了隔热套81和真空隔温腔85。一方面可以通过隔热套81和真空隔温腔85的隔热作用，避免高温的水体快速加热干冰或液氮储罐，导致罐体内压力增加，危险性增大。另一方面也提供了一定的浮力，抵消部分干冰或液氮储罐的自重力，使得激光发生装置1稳定难度下降，降低螺旋助推器15的需要提供的推动力。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种水下高功率光纤激光器，其特征在于，包括激光发生装置（1）和激光工作装置（3）；所述激光发生装置（1）包括：激光发生室（11），所述激光发生室（11）顶部安装有冷却室（2），底部通过安装固定件（5）可拆卸固定有恒温室（12）；所述恒温室（12）内部装填有固-液相变恒温材料，所述恒温室（12）底部通过安装固定件（5）可拆卸固定有水流控制室（13）；

所述激光发生室（11）底板（111）上盘状固定安装有有源光纤（42）；所述有源光纤（42）两侧自近而远镜像设置且依次安装有两组包层光剥除器（45）、两组光纤光栅（43）、两组光纤合束器（44）、数个排列设置的半导体激光器（41）；所述半导体激光器（41）发出的激光经过光纤合束器（44）、光纤光栅（43）、包层光剥除器（45）后射入有源光纤（42），并由有源光纤（42）传导至激光工作装置（3）的激光头处；

所述水流控制室（13）包括：中空的水流通道（16）；所述水流控制室（13）底部至少在水流通道（16）前后两端开设有水流通孔，在所述水流通孔处安装有螺旋助推器（15）；螺旋助推器（15）使得外部的水穿过螺旋助推器（15）进入水流通道（16）后自另一螺旋助推器（15）处流出；

所述半导体激光器（41）通过散热导管（6）固定在激光发生室（11）底板上；所述散热导管（6）包括固定在半导体激光器（41）外部的固定段（611）和沿激光发生室（11）底板安装的安装段（612）；所述固定段（611）面对半导体激光器（41）的一端设有靠近或接触半导体激光器（41）散热板或热源的内传热板（63）；所述安装段（612）底部设有数个穿过激光发生室（11）底板（111）并延伸至恒温室（12）固-液相变恒温材料内的加强传热板（613）；

所述冷却室（2）底部设有电源（23）、恒压器（24）和控制系统（25）；所述电源（23）通过恒压器（24）为全部用电机构供电；所述控制系统（25）根据预设程序或受人工遥控的控制半导体激光器（41）、螺旋助推器（15）启动/关闭；所述冷却室（2）内设有冷却管（22）；所述冷却室（2）顶部设有散热齿（21）；

所述激光工作装置（3）的光接收端与有源光纤（42）光连通；所述激光工作装置（3）内设有进行工作的激光头和冷却激光头机构的水冷却管，且水冷却管上设有循环泵（31）；所述水冷却管与冷却管（22）连通，所述循环泵（31）受控制系统（25）控制启动/关闭。

2.根据权利要求1所述水下高功率光纤激光器，其特征在于，所述水流控制室（13）底部设有防腐蚀层（14）。

3.根据权利要求1所述水下高功率光纤激光器，其特征在于，所述散热导管（6）的固定段（611）和安装段（612）均设有连通的第一空腔（62），所述第一空腔（62）内部填充有导热油；所述固定段（611）顶部设与第一空腔（62）连通的加油管（65），所述加油管（65）顶部设有密封圈（66），封锁螺钉（64）与加油管（65）螺接并封闭第一空腔（62）。

4.根据权利要求1所述水下高功率光纤激光器，其特征在于，所述水流控制室（13）顶部设有防腐蚀隔板（131），底部设有三组且每组至少并排设有两个螺旋助推器（15）；所述三组螺旋助推器（15）分别位于靠近水流控制室（13）前端、中间端、后端位置处；三组螺旋助推器（15）使得外部的水通过前、后两端的螺旋助推器（15）处进入水流通道（16）后，自中间端的螺旋助推器（15）处流出；或三组螺旋助推器（15）使得外部的水通过中间端的螺旋助推器（15）处进入水流通道（16）后，自前、后两端的螺旋助推器（15）处流出。

5.根据权利要求1或4任一所述水下高功率光纤激光器，其特征在于，所述螺旋助推器（15）包括：固定在水流控制室（13）通孔孔壁上的第一步进电机（151），位于所述第一步进电机（151）对侧的第二步进电机（152）；所述第一步进电机（151）和第二步进电机（152）通过第一转轴连接导流板（153），使得导流板（153）可相对水流控制室（13）通孔沿水平X轴转动；所述导流板（153）上沿水平Y轴方向设有第三步进电机（154）和第四步进电机（155），所述第三步进电机（154）和第四步进电机（155）通过第二转轴连接螺旋桨装置（156），使得螺旋桨装置（156）可相对导流板（153）沿水平Y轴转动；所述螺旋桨装置（156）上固定设有电动机（157），所述电动机（157）驱动螺旋桨（158）转动；

所述冷却室（2）底部设有电子陀螺仪，所述控制系统（25）与第一步进电机（151）、第二步进电机（152）、第三步进电机（154）、第四步进电机（155）、电子陀螺仪分别信号连接；

所述控制系统（25）包括：激光发生装置自稳定控制模块；所述激光发生装置自稳定控制模块首先接收电子陀螺仪发出的信号，相应生成激光发生装置（1）相对水平面的偏转角度数据；然后当偏转角度超过第一预设阈值时，根据偏转角度数据形成对相应位置螺旋助推器（15）的推力变化控制信息；最后根据推力变化控制信息形成对相应螺旋助推器（15）中导流板（153）或螺旋桨装置（156）的偏转控制信息和/或螺旋桨（158）的转速控制信息；第一步进电机（151）和第二步进电机（152）根据导流板（153）偏转控制信息控制导流板（153）进行偏转，第三步进电机（154）和第四步进电机（155）根据螺旋桨装置（156）偏转控制信息控制螺旋桨装置（156）进行偏转，电动机（157）根据转速控制信息控制螺旋桨（158）的转向和转速。

6.根据权利要求5所述水下高功率光纤激光器，其特征在于，所述螺旋桨装置（156）为夹层结构，内部夹层处设有螺旋桨（158），在螺旋桨（158）两侧通过数条相互间隔的连接板分别固定电动机（157）和轴承（159）的外圈；所述电动机（157）的输出轴与螺旋桨（158）固定，并与轴承（159）的内圈固定。

7.根据权利要求5所述水下高功率光纤激光器，其特征在于，所述激光发生装置（1）外部设有至少两组受控制系统（25）控制的机械臂，其中一组机械臂末端固定激光工作装置（3），一组机械臂末端通过球头连接器连接有安装盘（71）；所述安装盘（71）上设有至少三组电控伸缩装置（72），所述电控伸缩装置（72）末端通过万向接头（73）连接有吸盘（74）。

8.根据权利要求7所述水下高功率光纤激光器，其特征在于，所述激光工作装置（3）在激光头的发射口（33）外部延伸有隔水罩（32）；所述隔水罩（32）底端排列设置有数个压力传感器（34），所述压力传感器（34）与控制系统（25）信号连接；

所述控制系统（25）包括压力控制模块；所述压力控制模块接收压力传感器（34）发出的压力信息，当某一压力信息超过第二预设阈值时，根据该压力信息形成对相应位置处螺旋助推器（15）的推力变化控制信息；最后根据推力变化控制信息形成对相应螺旋助推器（15）中导流板（153）或螺旋桨装置（156）的偏转控制信息和/或螺旋桨（158）的转速控制信息；第一步进电机（151）和第二步进电机（152）根据导流板（153）偏转控制信息控制导流板（153）进行偏转，第三步进电机（154）和第四步进电机（155）根据螺旋桨装置（156）偏转控制信息控制螺旋桨装置（156）进行偏转，电动机（157）根据转速控制信息控制螺旋桨（158）的转向和转速。

9.根据权利要求7所述水下高功率光纤激光器，其特征在于，所述吸盘（74）包括：柔质弹性体隔水材料制备得到的内隔膜（742），硬质弹性体隔水材料制备得到的外隔膜（741）；所述外隔膜（741）和内隔膜（742）之间形成第二空腔（743），所述内隔膜（742）上设有与第二空腔（743）连通的数个排水孔（744）；所述外隔膜（741）顶部设有与第二空腔（743）连通的抽水管（75）；所述抽水管（75）与双向水泵连通。

10.根据权利要求1所述水下高功率光纤激光器，其特征在于，所述激光发生室（11）外部固定有储罐（8）；所述储罐（8）内部储存有干冰或液氮，且所述储罐（8）外部套设有隔热套（81），所述隔热套（81）与储罐（8）罐壁之间设有真空隔温腔（85）；所述储罐（8）的出口处通过第一电控阀（82）连接管道（83）；所述管道（83）穿过恒温室（12）内部装填的固-液相变恒温材料后在恒温室（12）外部与第二电控阀（86）连通；所述管道（83）在恒温室（12）内部的部分沿径向连通有数根外接管（84）；所述第一电控阀（82）、第二电控阀（86）与控制系统（25）信号连接。