CN104993359B - 光纤激光器及其安全连锁装置与安全连锁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光纤激光器及其安全连锁装置与安全连锁控制方法，该安全连锁装置包括与依次连接在一起的采样模块、信号转换模块和逻辑控制电路；采样模块与光纤激光器连接。该安全连锁控制方法包括：采集光纤激光器的前向光信号和后向光信号；将前向光信号和后向光信号分别转换为第一电信号和第二电信号；对第一电信号和第二电信号进行放大和滤波处理；读取滤波处理后的第一电信号和第二电信号分别对应的前向功率和后向功率；比较泵浦功率与前向功率和后向功率之间的关系：若前向功率不随泵浦功率线性上升，或后向功率随泵浦功率非线性上升，则切断光纤激光器供电电源。该光纤激光器包括振荡器、放大器、准直器和安全连锁装置。

Description

光纤激光器及其安全连锁装置与安全连锁控制方法

技术领域

本发明涉及光纤激光器保护装置，具体涉及光纤激光器及其安全连锁装置与安全连锁控制方法。

背景技术

目前，光纤激光器已经在社会生产及科研领域获得了广泛的应用。然而，光纤激光器（特别是高功率光纤激光器）的器件或者光纤损伤，容易诱发光纤熔融(Fiber Fusion)现象。此现象极易引起级联效应，导致其余主光路器件和光纤损毁，造成整个光纤激光器系统崩溃。

此外，由于各种原因导致的光纤激光器信号光反向放大，反向放大自发辐射效应，非线性效应（如受激布里渊散射等）等亦会严重影响整个光纤激光器的安全运行和有效输出。为了解决上述问题，传统保证光纤激光器的安全仅仅依靠传统的监测主光路器件的温度，采用这种方式虽能起到一定的保护作用，但整体而言存在着反应时间慢，可靠性差等问题。

因此，光纤激光器亟需一种安全连锁装置，最大限度地减小光纤激光器系统故障时产生的损失，以有效地保障光纤激光器正常和稳定运行。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的光纤激光器及其安全连锁装置与安全连锁控制方法通过分析泵浦功率与前向功率和后向功率之间的关系，来快速切断光纤激光器供电电源。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

在本发明的一个实施例中，提供一种光纤激光器的安全连锁装置，其包括：

采样模块，与光纤激光器连接，用于采集光纤激光器的前向光信号和后向光信号；

信号转换装置，与采样模块连接，用于将前向光信号转换为第一电信号，将后向光信号转换为第二电信号；以及

逻辑控制电路，与信号转换装置连接，用于接收第一电信号和第二电信号；并对第一电信号和第二电信号经进行放大和滤波处理；读取滤波处理后的第一电信号和第二电信号分别对应的前向功率和后向功率；

判断前向功率和后向功率是否随泵浦功率增加呈线性增加：

若两者任一不呈线性增加，则控制所述光纤激光器停止工作。

在本发明的另一个实施例中，提供一种光纤激光器的安全连锁控制方法，其包括以下步骤：

采集光纤激光器的前向光信号和后向光信号；

将前向光信号转换为第一电信号，将后向光信号转换为第二电信号；

接收第一电信号和第二电信号，并对第一电信号和第二电信号进行放大和滤波处理；

读取滤波处理后的第一电信号和第二电信号分别对应的前向功率和后向功率；

判断前向功率和后向功率是否随泵浦功率增加呈线性增加：

若两者任一不呈线性增加，则控制所述光纤激光器停止工作。

在本发明的再一个实施例中，提供一种光纤激光器，其包括上述提到的安全连锁装置。

本发明的光纤激光器的安全连锁装置的工作原理为：当光纤激光器处于正常运行状态时，其前向功率和后向功率随泵浦功率增加呈近似线性增长；当光纤激光器出现异常时（包括器件损毁以及非线性效应等），前向功率将不再随泵浦功率线性上升，或后向功率不随泵浦功率线性上升。

本发明的有益效果为：通过采集光纤激光器的前向光信号和后向光信号，并读取前向光信号转换的电信号对应的前向功率，后向光信号转换的电信号对应的后向功率；当出现前向功率和后向功率任一不再随泵浦功率线性上升的情形时，快速切断光纤激光器供电电源并给出报警信息，从而达到保护光纤激光器的目的和最大限度地减少光纤激光器故障时的损失。

附图说明

图1为光纤激光器安全连锁装置一个实施例的原理框图。

图2为光纤激光器安全连锁装置另一个实施例的原理框图。

图3为光纤激光器安全连锁控制方法的流程图。

图4为光纤激光器一个实施例的原理框图。

图5为光纤激光器另一个实施例的原理框图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

在本发明的安全连锁装置工作之前，需要先对光纤激光器的前向信号与泵浦功率的比值和后向信号与泵浦功率的比值进行标定，同时将前向光信号转换的电信号与前向功率的对照表、后向光信号转换的电信号与后向功率的对照表和与安全连锁装置连接的光纤激光器的泵浦功率存储于安全连锁装置内。

参考图1，图1示出了光纤激光器安全连锁装置一个实施例的原理框图；如图1所示，该光纤激光器安全连锁装置包括采样装置、信号转换装置和逻辑控制电路。

参考图4，图4示出了光纤激光器一个实施例的原理框图，如图4所示，该光纤激光器可以包括安全连锁装置及依次连接在一起的振荡器、放大器和准直器。其中，安全连锁装置分别与振荡器和放大器连接。

参考图5，图5示出了光纤激光器另一个实施例的原理框图，如图5所示，该光纤激光器也可以包括安全连锁装置及依次连接在一起的振荡器和准直器。其中，安全连锁装置分别与振荡器的输入端和输出端连接。

如图1所示，该采样模块与光纤激光器连接，用于采集光纤激光器的前向光信号和后向光信号。

在本发明的一个实施例中，该采样模块可以由前向光采样器和后向光采样器组成，具体可以参考图2。

当光纤激光器包括安全连锁装置及依次连接在一起的振荡器、放大器和准直器时，前向光采样器与光纤激光器的放大器连接，用于采集放大器输出的前向光信号；后向光采样器与光纤激光器的振荡器连接，用于采集振荡器输出的后向光信号。

此时，在进行光信号采集时，优选前向光采样器设置于放大器输出尾纤上，后向光采样器设置于振荡器后向尾纤上。

当光纤激光器包括安全连锁装置及依次连接在一起的振荡器和准直器时，前向光采样器与光纤激光器的振荡器的输出端连接，用于采集振荡器输出端的前向光信号；后向光采样器与光纤激光器的振荡器的输入端连接，用于采集振荡器输入端的后向光信号。

使用时，前向光采样器和后向光采样器均为与被采样光纤匹配的光纤分束器，该光纤分束器的采样比例优选为1/100或1/1000。

如图1所示，信号转换装置与采样模块连接，用于将前向光信号转换为第一电信号，将后向光信号转换为第二电信号。

在本发明的一个实施例中，信号转换装置由第一光电二极管和第二光电二极管组成，具体参见附图2。其中，第一光电二极管与前向光采样器连接，用于将前向信号光转换为第一电信号；第二光电二极管与后向光采样器连接，用于将后向信号光转换为第二电信号。

其中，第一光电二极管和第二光电二极管在测量功率范围内是线性响应的。

再次参考图1，逻辑控制电路与信号转换装置连接，用于接收第一电信号和第二电信号；并读取第一电信号和第二电信号分别对应的前向功率和后向功率；

判断前向功率和后向功率是否随泵浦功率增加呈线性增加：若两者（前向功率与泵浦功率之间、后向功率与泵浦功率之间）任一不呈线性增加，则控制光纤激光器停止工作。

为了避免第一电信号和第二电信号过小及其内部存在的杂波影响后续准确地进行分析比较，该逻辑控制电路还包括用于对第一电信号和第二电信号进行放大和滤波处理的步骤。

如图2所示，该逻辑控制电路可以包括信号放大电路和逻辑判断电路模块；其中，信号放大模块与信号转换装置连接，用于接收第一电信号和第二电信号，并对第一电信号和第二电信号经进行放大和滤波处理。

逻辑判断电路模块与信号放大模块连接，用于读取滤波处理后的第一电信号和第二电信号分别对应的前向功率和后向功率；同时比较泵浦功率与前向功率和后向功率之间的关系：若前向功率不随泵浦功率线性上升，或后向功率不随泵浦功率线性上升时，则切断光纤激光器供电电源。

安全连锁装置在确保光纤激光器是否工作时的具体做法是，时刻判断泵浦功率与前向功率和后向功率之间的线性关系：

若发现前向功率不随泵浦功率线性上升，或后向功率不随泵浦功率线性上升时，表明光纤激光器可能处于异常状态，于是逻辑控制电路快速地切断光纤激光器供电电源，使光纤激光器停止工作，以避免光纤激光器发生故障。

若是在判断过程发现前向功率、后向功率随泵浦功率增加呈线性增加，则表明光纤激光器处于正常工作状态，返回继续采集光纤激光器的前向光信号和后向光信号步骤。

参考图3，图3示出了光纤激光器的安全连锁控制方法；如图3所示，该控制方法包括以下步骤：

通过采样装置时刻采集光纤激光器的前向光信号和后向光信号。

信号转换模块接收采样装置输出的前向光信号和后向光信号，并将前向光信号转换为第一电信号，将后向光信号转换为第二电信号。

逻辑控制电路接收信号转换模块上传的第一电信号和第二电信号，并对第一电信号和第二电信号进行放大和滤波处理。

读取滤波处理后的第一电信号和第二电信号分别对应的前向功率和后向功率。

比较泵浦功率与前向功率和后向功率之间的线性关系：

若前向功率不随泵浦功率线性上升，或后向功率不随泵浦功率线性上升时，（即前向功率与泵浦功率的比值出现明显下降或后向信号与泵浦功率的比值不出现上升现象）表明光纤激光器出现异常，逻辑控制电路则切断光纤激光器供电电源，同时输出光纤激光器工作异常信号。

若前向功率和后向功率随泵浦功率增加呈近似线性增长，（即前向与泵浦功率的比值或后向信号与泵浦功率的比值不会出现明显的变化）表明光纤激光器处于正常工作状态，返回继续采集光纤激光器的前向光信号和后向光信号步骤，同时输出光纤激光器工作正常信号。

虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (10)

1.光纤激光器的安全连锁装置，其特征在于，包括：

采样模块，与光纤激光器连接，用于采集光纤激光器的前向光信号和后向光信号；

信号转换装置，与所述采样模块连接，用于将前向光信号转换为第一电信号，将后向光信号转换为第二电信号；以及

逻辑控制电路，与所述信号转换装置连接，用于接收第一电信号和第二电信号；读取第一电信号和第二电信号分别对应的前向功率和后向功率；

判断前向功率和后向功率是否随泵浦功率增加呈线性增加：

若两者任一不呈线性增加，则控制所述光纤激光器停止工作。

2.根据权利要求1所述的光纤激光器的安全连锁装置，其特征在于，所述逻辑控制电路还包括用于对第一电信号和第二电信号进行放大和滤波处理。

3.根据权利要求1或2所述的光纤激光器的安全连锁装置，其特征在于，所述采样模块由前向光采样器和后向光采样器组成；所述前向光采样器与所述光纤激光器的放大器连接，用于采集放大器输出的前向光信号；所述后向光采样器与所述光纤激光器的振荡器连接，用于采集振荡器输出的后向光信号。

4.根据权利要求3所述的光纤激光器的安全连锁装置，其特征在于，所述前向光采样器设置于放大器输出尾纤上，所述后向光采样器设置于振荡器后向尾纤上。

5.根据权利要求1或2所述的光纤激光器的安全连锁装置，其特征在于，所述采样模块由前向光采样器和后向光采样器组成；所述前向光采样器与所述光纤激光器的振荡器的输出端连接，用于采集振荡器输出端的前向光信号；所述后向光采样器与所述光纤激光器的振荡器的输入端连接，用于采集振荡器输入端的后向光信号。

6.根据权利要求3所述的光纤激光器的安全连锁装置，其特征在于，所述信号转换装置由第一光电二极管和第二光电二极管组成；所述第一光电二极管与所述前向光采样器连接，用于将所述前向光信号转换为第一电信号；所述第二光电二极管与所述后向光采样器连接，用于将所述后向光信号转换为第二电信号。

7.根据权利要求1、2或4所述的光纤激光器的安全连锁装置，其特征在于，所述逻辑控制电路包括：

信号放大模块，与信号转换装置连接，用于接收第一电信号和第二电信号，并对第一电信号和第二电信号经进行放大和滤波处理；以及

逻辑判断电路模块，与所述信号放大模块连接，用于读取滤波处理后的第一电信号和第二电信号分别对应的前向功率和后向功率；判断前向功率和后向功率是否随泵浦功率增加同时呈线性增加：若两者任一不呈线性增加，则控制所述光纤激光器停止工作。

8.根据权利要求3所述的光纤激光器的安全连锁装置，其特征在于，所述前向光采样器和所述后向光采样器均为光纤分束器；所述光纤分束器的采样比例为1/100或1/1000。

9.根据权利要求1-8任一所述的光纤激光器的安全连锁控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集光纤激光器的前向光信号和后向光信号；

将前向光信号转换为第一电信号，将后向光信号转换为第二电信号；

接收第一电信号和第二电信号，并对第一电信号和第二电信号进行放大和滤波处理；

读取滤波处理后的第一电信号和第二电信号分别对应的前向功率和后向功率；

判断前向功率和后向功率是否随泵浦功率增加呈线性增加：

若两者任一不呈线性增加，则控制所述光纤激光器停止工作。

10.光纤激光器，其特征在于，其包括如权利要求1-8任一所述的安全连锁装置。