CN104335018B - 激光功率传感器 - Google Patents

Abstract

一种传感器单元，用于检测沿光路在光纤中导引的激光的瑞利散射，配置有保持器。所述保持器具有以相对光路横向延伸的轴为中心的U形凹口。所述凹口的弯曲底部具有不光滑反射表面，并且配置有这样的曲率半径，使得在与凹口共轴的测光器的光输入窗口的焦平面中收集入射到所述底部上的瑞利散射光。在光输入窗口上反射的瑞利散射的量足以提供与参考值偏差不超过约±3％的测量数据。

Description

激光功率传感器

技术领域

本发明涉及激光系统，更具体地涉及配置有功率传感器单元的光纤激光器系统，所述功率传感器单元能够检测沿光纤传播的激光的瑞利散射，所述瑞利散射的量足以可靠地测量激光输出功率。

背景技术

检查激光器性能的最基本方法是测量其功率或能量输出。激光输出直接影响激光器的执行手头的工艺的能力。从最初制造出激光器时起，到系统集成整个过程，直到最终终端用户将在诸如医疗、科学、生物医学、工业和军事应用等远程应用中使用所述激光器系统，测量和监测这种参数常常都是非常重要的。正如存在具有广泛不同的规格的多种不同类型的激光器一样，存在适用于特定的激光器类型并且通常与具体的激光器规格相匹配的不同测量技术。

测量系统典型地包括功率传感器，所述功率传感器放置于激光束中，并且提供与激光器输入成正比的信号输出。第二部件是测光表。典型的功率传感器，即能够检测功率(连续波(CW)激光器的光功率输出或者脉冲或调制激光器的平均功率)的器件，具有包括分光器在内的结构。分光器配置为分接光束的预定部分。因此，使用分光器会引入对所发射光束的不希望的功率损耗。

对于包括光纤激光器在内的大功率激光器(本文特别感兴趣的激光器)，这种损耗因为对激光器系统的效率造成不利影响，因此可能是不可接受的。此外，这种功率损耗的必然利用导致了热的产生，从而降低了激光器系统的可靠性。

具体地参考光纤激光器，除了如上所述的损耗之外，还存在本征损耗，即在光纤中实际上不可避免的光损耗。本征光纤损耗是与光纤材料本身相关联的损耗，并且包括吸收和散射。清楚地是，对于手头的任务(即检测沿光纤传播的光的功率)而言，优先的是使用本征损耗，而不是产生不必要的附加损耗。

参考线性散射，如激光器领域的普通技术人员所知晓的，由于这种光学现象引起的功率损耗是由芯区材料中的缺陷和结与包层之间的不规则性引起的。最著名的线性散射类型-瑞利散射-可以是由玻璃中的微小的电介质不一致性的存在引起的。因为这些干扰相对于正在传播的波来说较小，遭受瑞利缺陷的光沿所有方向散射。散射光缺乏明确的方向性并且因此难以收集，使得检测工艺相当困难且不可靠。因此，限制了已知探测器的用途，所述已知探测器可操作用于感测在光沿光纤传播的同时根据瑞利机制散射的光。

因此，需要一种能够有效地检测沿光纤导引的散射光的传感器。

因此，还需要一种配置有功率传感器的光纤激光器系统，所述功率传感器配置为可靠地检测根据瑞利机制散射的光。

发明内容

公开了一种激光功率传感器单元的改进结构，其包括具有容纳一段光纤的凹口的壳体、光反射器和光电二极管；所述反射器和所述光电二极管在相反方向上与光纤段间隔开。本发明的传感器单元被配置为提供与通过校准的已鉴定传感器获得的实际光功率偏差在约±3％范围内的测量数据。这种范围小于业界接受的5％范围。

在一个方面，限定凹口-反射器的表面之一是弓形的，以便对入射到其上的大部分瑞利辐射进行反射。所述表面构建为具有在光纤后面形成的焦平面。配置本发明的单元使得光电二极管的光输入窗口位于焦平面上，这允许收集足够量的散射光，从而克服了已知的现有技术的主要困难：收集足够量的瑞利散射光。

在本发明的另一个方面，反射表面是不光滑的。不光滑的反射表面有效地减小了制造缺陷的不利影响，并且放松了在制造工艺期间通常会发生的容限。在另一个方面，对包括不光滑的反射表面的壳体进行镀金，这提供了具有高反射率和折射系数的长期可靠性的表面。

在本发明的再一个方面，通过封盖装置气密地密封凹口和探测器的光输入窗口，防止空气进入所述凹口。这种气密性提供了传感器的各种参数的附加稳定性、对于诸如背景曝光和增大的湿度之类的环境因素的增大的抵抗力，其中增大的湿度会导致在镜子上形成薄雾。

附图说明

通过结合附图阅读以下描述，本发明的以上和其他方面、特征和优点将变得清楚明白，其中类似的参考数值表示相同的元件。

图1A是本发明的激光功率传感器单元的正交视图；

图1B是图1A的传感器单元的正交分解视图；

图1C是在装配状态下的传感器单元的正交视图；

图1D是沿图1A的D-D线得到的传感器单元的截面图；

图1E是沿图1C的E-E线得到的传感器单元的截面图；以及

图2是配置有图1A-1E的传感器单元的光纤激光器系统的示意图；

图3A是说明了，在受控时间段期间，针对沿光纤传播的120W功率的光，由所公开的传感器单元获得的数据与由已鉴定的功率计测量的数据之间的偏差的曲线。

图3B是说明了在受控时间段期间的温度变化的曲线。

图4A是与图3A类似但是针对60W功率的光的曲线。

图4B是说明了在受控时间段期间的温度变化的曲线。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的优选实施例，其公开了配置为提供对足以进行可重复和可靠的检测的数量的散射瑞利光进行聚焦的结构。在可能的情况下，相同或类似的参考数字在附图和说明书中用来表示相同或类似的部件或步骤。附图是简化形式，并且没有精确按比例绘制。只是为了方便和清楚的目的，方向性(向上/向下等等)或者运动性(向前/向后等等)术语可以相对于附图来使用。这些和类似的方向性术语不应该解释为按照任何方式限制本发明的范围。

参考图1A-1E，激光功率传感器单元10包括壳体12，所述壳体可以具有多种结构，但是如所示的，所述壳体具有基本上矩形的本体14。本体14的相对较大面积的面16之一具有在本体14的相对短的侧面20之间延伸的凹槽或沟道18。沟道18的横截面取决于光纤类型，并且更具体地取决于光纤的外直径及其相对于二极管38的光敏区域40(图1E)以及反射表面的距离。此外，沟道18不是均匀地配置的，并且具有相对较窄且基本上均匀尺寸的区域22，所述区域22从相应的短侧面20开始延伸、并且延伸进入到相对较大的区域或凹口24中，该相对较大的区域或凹口24因此中断了沟道18，从而限定了两个间隔开的窄区域22。窄区域22通常配置为容纳光纤26以便防止光纤相对于本体14的过多移动。再次，只是作为示例，凹槽18的深度大约是本体14的厚度的一半，即约1/6”。在相应的短侧面20中终止的凹槽18的外端面28通常是U形的，以便防止光纤和本体14之间不必要的摩擦。

尽管可以对整个单元10的几何结构进行修改，所示的壳体是约1”长、约1/3”厚和约1/2”宽。沟道18深得足以可靠地固定一段光纤26。最终，期望的光纤位置应该是使得测量数据不会与参考值(由已鉴定的传感器测量的光的分接部分的功率)偏差大于约3％，进而偏差小于工业标准中通常考虑的5％。

凹口24可以定位于本体12上的任意方便的位置，但是优选地占据凹陷的大面积的面16上的中央位置。凹口24的侧边32具有U形横截面，即，凹口24的底部44是弯曲的。侧边32的表面32’优选地是平坦的，但这并不是必需的。通道36(图1B)钻孔穿过本体14，并且在长边面30和凹口24的侧边32之间延伸。通道36的几何结构配置为允许PIN光电二极管38从本体14的长边面30穿过通道至所需位置，在所需位置处光电二极管的光输入窗口40(图1E)停止于相距凹口24的侧边32一定距离。

凹口24的相对侧边44(图1A、1B和1D)也具有U形横截面，但是与侧边32的表面32’相反，侧边44的表面44’从侧边32向外弯曲或者向外弓起。弯曲表面44’配置有半径R(图1D)，所述半径被选择为使得从光纤26入射到这一表面上的散射光总是聚焦到表面32’的焦平面中，所述焦平面包括由图1A的箭头所示的光输入窗口40(图1E)。所述半径R还被选择为，使得反射足以进行可靠的检测和进一步测量的数量的散射光。对作为本体14一部分的反射面44’优选是电镀的并且被处理为不光滑的，所述表面提供传感器单元10的附加的稳定性和长期可检测性。如现有技术中已知的，金对环境应力具有高度耐受性，并且具有长期稳定的反射系数。替代地，作为金的代替，不锈钢、镍、铝和其他稳定金属、陶瓷和塑料也可以单独地或者彼此任意组合地用于制造壳体12。关键条件是材料与金结合以便经受环境应力并且长期表现出稳定且高的反射系数的能力。作为金的替代，也可以使用不锈钢和/或镍。用于制造壳体12的优选材料组合包括用镍层覆盖的铝，并且在镍层上涂覆有金层。

为了装配单元10，将密封环56(图1B)放置于通道36的外部开口上，使得当将探测器38插入到通道中时，将环56夹在探测器38的轮缘58和壳体12的长边面30之间。将固定板54安装到壳体12的侧边30的顶部，使得将开口34(图1C)与通道36同轴地放置，以被传感器38的管脚横贯。在建立所需位置时，紧固件42将板54和探测器38可靠地耦合至壳体12。

盖子50覆盖壳体12，使得容纳光纤26的凹口是气密的。这可以通过在壳体12和盖子50之间放置密封板52来确保。因此，装配好的传感器单元10的特征在于密封结构，所述密封结构防止环境大气与单元10内部之间的空气连通，使得气密地密封了具有光纤26和光电二极管28的光输入窗口40的凹槽，这改善了背景曝光，并且增加了对于湿度变化的耐受性，其中湿度会引起在反射表满44’的不光滑表面上形成薄雾。

图2说明了包括一个或多个放大级联装置62、64在内的光纤激光器系统65的示意图。系统65可以按照CW或脉冲方式操作。如所示地，所公开的传感器单元10位于放大器(booster)64的下游。然而，单元10可以放置于沿光路的感兴趣的任意位置。测光表66(通常包括控制器)耦合至单元10的输出端，并且配置为测量检测到的信号。

光探测器的性能通常通过多个不同参数来表征。典型地，光敏面积越大，光电探测器的灵敏度越好。回到在光纤激光器的领域中使用的功率传感器，5％的误差容限(即，检测到的沿光纤传播的光的功率与实际功率因子的偏差)是可接受的值。

表A说明了在所公开的利用众多成品光电二极管之一(例如Hamamatse G8370)的测光器的多次试验期间获得的数据。

已经选择了五条光纤，其中包括分别具有100、50和200微米芯区直径的三条有源光纤(“AF”)，所有的有源光纤都支持多模(“MM”)传播。具有25微米芯区直径的两条无源光纤(“PF”)均配置为支持单模(“SM”)光。沿光纤传播的光的功率对于不同光纤是不同的，对AF100是4.4kW，对AF50是2.5kW，对PF25是120W和60，而对AF2000是15kW。除了AF200之外的所有光纤都配置有均匀的外直径，并且与光敏区域相隔统一的距离。AF200的外直径基本上大于其他光纤的外直径，使光纤更靠近光敏区域。

使用所公开的如图1和图2所示的并且操作为收集散射光的传感器，可以看出，无论所传播的光的模式及其功率如何，光电二极管的灵敏度对于有源光纤和无源光纤两者基本上是一样的，。

现在转到表B，可以看出：无论光功率如何，在使用所公开的结构期间获得的数据与从校准的已鉴定的功率计获得的数据的偏差不超过3％。已经使用各种各样的功率实施了众多实验(这里只示出了一小部分)，并且如这里作为示例示出的，下表指示针对120W的光功率获得的数据。

表A

从所述表可以看出，对于利用上述Hamamatse G8370光电二极管的479秒的时间段，测量的数据与通过已鉴定的测光器获得的数据偏差不大于0.49％，如果与5％的标准偏差相比，这是格外的好。

如所述的，使用广泛范围的Po激光器输出功率对所公开的传感器单元进行了测试。下表B示出了针对60W输出功率的测试结果。

表B

像表A那样，表B清楚地示出了利用所公开结构的测量工艺的可靠性和稳定性，所述结构产生了与实际数据的偏差小于1％的测量结果。

图3A、3B、4A和4B说明了包括表A和表B所示内容在内的结果。应该理解的是，所使用的和已知的光电二极管的灵敏度为高。然而，即使利用不太复杂的光电二极管，所公开的结构也提供了具有不超过3％的偏差的优秀结果。

已经参考附图描述了本发明优选实施例中的至少一个，本领域普通技术人员应该清楚明白的是本发明不局限于那些精确的实施例，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改和变化。因此，旨在让本公开涵盖落在所附权利要求及其等价物范围内的本公开的修改和变化。

Claims (20)

1.一种传感器单元，用于检测沿光纤导引的激光的瑞利散射，所述传感器单元包括：

本体，配置有：

沿纵轴延伸的贯通沟道，

以凹轴为中心并且中断所述沟道的U形凹口，所述凹轴相对于纵轴横向延伸；以及

与凹口底部相对的，与所述U形凹口共轴并且开口进入到所述U形凹口中的通道；

光探测器，配置有终止于所述通道中的光输入窗口，所述凹口底部是弯曲的以将一定量的瑞利散射反射在位于光输入窗口中的焦点上，其中所聚焦的瑞利散射的量足以提供与参考值的偏差不大于±3％的测量数据。

2.根据权利要求1所述的传感器单元，其中所述测量数据与参考值的偏差小于±1％。

3.根据权利要求1所述的传感器单元，其中所述本体由从包括以下材料的组中选择的材料制成：金属、陶瓷、塑料及其组合，并且弯曲底部是不光滑的。

4.根据权利要求3所述的传感器单元，其中所述本体由金属组合物制成，所述金属组合物包括：铝基材、覆盖所述铝基材的镍层、以及涂覆在所述镍层上的金层。

5.根据权利要求1所述的传感器单元，其中所述光探测器可拆卸地安装在所述通道中。

6.根据权利要求1所述的传感器单元，还包括固定板，所述固定板可拆卸地耦合至所述本体，并且具有与所述通道共轴并且被所述光探测器横贯的开口。

7.根据权利要求6所述的传感器单元，还包括：位于所述本体和固定板之间的O型环，以及可拆卸地将所述固定板和本体彼此附着的多个紧固件。

8.根据权利要求7所述的传感器单元，还包括可拆卸地安装至本体的盖子，其中所述盖子和固定板配置为：使得在将所述本体耦合至所述盖子和固定板时，所述U形凹口的弯曲底部气密地密封以便防止所述U形凹口的内部与环境大气之间的空气流通。

9.根据权利要求8所述的传感器单元，还包括夹在盖子和本体的相对表面之间的密封板。

10.根据权利要求1所述的传感器单元，其中所述光纤是从包括以下光纤的组中选择的：单模、多模、有源和无源光纤及其组合。

11.根据权利要求10所述的传感器单元，其中沿所述光纤传播的激光具有在毫瓦与千瓦之间变化的功率。

12.一种光纤激光器系统，包括：

至少一个增益模块，配置为对沿光纤传播的激光进行放大；

光纤，耦合至所述一个增益模块的输出，并且进一步沿光路导引放大光；以及

至少一个光功率传感器组件，位于所述光路中所述一个增益模块的下游位置，并且配置为检测和测量所述放大光的瑞利散射，其中所述瑞利散射指示所述放大光的光功率，所述光功率传感器组件包括：

保持器，配置有：沿纵轴延伸的贯通沟道；以凹轴为中心并且中断细长的沟道的U形凹口，所述凹轴相对于纵轴横向延伸；以及，与所述U形凹口的弯曲底部相对的，与所述U形凹口共轴并且开口进入到所述U形凹口中的通道；

光探测器，配置有终止于所述通道中的光输入窗口，所述弯曲底部具有曲率半径，所述曲率半径的大小使得所述弯曲底部将一定量的瑞利散射反射在位于所述光输入窗口中的焦点上，其中所聚焦的瑞利散射的量足以提供与参考值的偏差不大于±3％的测量数据。

13.根据权利要求12所述的光纤激光器系统，其中所述弯曲底部具有不光滑的表面，所述保持器是由从金属、陶瓷或塑料中选择的材料制成的。

14.根据权利要求12所述的光纤激光器系统，其中所述保持器包括铝基材、所述铝基材上的镍层、以及涂覆在所述镍层上的金层。

15.根据权利要求12所述的光纤激光器系统，还包括盖子，所述盖子可拆卸地安装到所述保持器以便气密地密封所述U形凹口，避免与环境大气的空气连通。

16.根据权利要求12所述的光纤激光器系统，其中所述测量数据与参考值的偏差小于±1％。

17.根据权利要求12所述的光纤激光器系统，其中所述光纤选自包括以下光纤的组：单模、多模、有源和无源光纤及其组合。

18.根据权利要求12所述的光纤激光器系统，其中沿所述光纤传播的激光具有在毫瓦与千瓦之间变化的功率。

19.根据权利要求12所述的光纤激光器系统，其中所述光功率传感器组件还包括测光表，所述测光表可操作地耦合至所述光探测器，并且配置为接收所述放大光的瑞利散射的聚焦部分，以便确定所述放大的激光的光功率。

20.根据权利要求12所述的光纤激光器系统，其中所述光探测器包括光电二极管。