CN107219063B - 一种高功率光纤激光器安全监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种高功率光纤激光器安全监测方法，其包括如下步骤：S1、搭建监测通道，用于监测输出端和正向合束器回光端(一般是合束器的悬空臂)；S2、搭建监测系统，所述监测系统包括红光指示部分、光谱监测部分、波形监测部分、热像仪监测部分、功率计监测部分；S3、建立监测指标，用于建立光纤激光器正常运行下的指标，包括静态指标和动态指标。

Description

一种高功率光纤激光器安全监测方法及装置

技术领域

本发明涉及光纤激光器监测技术领域，特别涉及一种高功率光纤激光器安全监测方法及装置。

背景技术

高功率光纤激光器的工作状态的安全监测主要有两种方法，一种是通过功率计监测功率异常，一种是通过热像仪观察光纤及其器件的表面温度。或者两种方法结合起来观察，以判断光纤激光器的工作状态是否存在异常。但是在很多情况下，有源光纤是埋在水冷槽中，并且周围是涂满导热硅脂的，此外，光纤器件如光栅，合束器，或者CPS等都具有封装结构，这些因素导致其内部温度难以观察，而表面温度无法提前预知异常，这个时候热像仪就显得无能为力了。除了少数情况下激光器的异常可以通过功率异常来反映外，大多数情况下激光器都是突然崩溃的，功率上是不会有征兆的，并且功率计无法精细地反映出功率轻微波动。因此单纯地通过功率计和者热像仪是难以全面地监测激光器的工作状态的。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种高功率光纤激光器安全监测方法及装置。

一种高功率光纤激光器安全监测方法，其包括如下步骤：

S1、搭建监测通道，用于监测输出端和正向合束器回光端；

S2、搭建监测系统，所述监测系统包括红光指示部分、光谱监测部分、波形监测部分、热像仪监测部分、功率计监测部分；

S3、建立监测指标，用于建立光纤激光器正常运行下的指标，包括静态指标和动态指标。

在本发明所述的高功率光纤激光器安全监测方法中，还包括如下步骤：

S4、通过对比数据库指标和观察监测指标的状态和数值来提前判断光纤激光器是否异常。

在本发明所述的高功率光纤激光器安全监测方法中，

所述步骤S1包括：在输出端先加一个45度高反镜，在高反镜透射一端放置n根两端切割平角的无芯光纤，组成n条监测通道，然后通过改变无芯光纤和信号接收光纤的角度来调整接收信号的强弱，即为输出端的监测通道。

在本发明所述的高功率光纤激光器安全监测方法中，

所述步骤S2中搭建红光指示部分包括：

在回光端较远处放置一块平面镜，与回光端成45度角，将氦氖激光器的激光通过45度反射镜反射进入回光端光纤；在输出端已经搭好的监测通道中选择一路，接上可以监测可见光的光谱仪，完成搭建红光指示部分。

在本发明所述的高功率光纤激光器安全监测方法中，

所述步骤S2中搭建光谱监测部分包括：

在搭建好的监测通道中再选择一路，接上高精度光谱仪作为第一路输入信号，然后再用一路信号接收光纤对着45度反射镜30度或者60度方向，然后再接上光谱仪作为第二路输入信号。

在本发明所述的高功率光纤激光器安全监测方法中，

所述步骤S2中搭建波形监测部分包括：

在搭建好的监测通道中再选择一路，成角度打入到光电探头信号接收光纤中，然后光电探头输出的信号接入到示波器中，做为第一路输入信号，然后再用一路信号接收光纤对着45度反射镜60度或者30度方向，然后接入到示波器作为第二路输入信号。

在本发明所述的高功率光纤激光器安全监测方法中，

所述步骤S4中通过对比数据库指标和观察监测指标的状态和数值来提前判断光纤激光器是否异常包括：

在光纤激光器异常时进行提示并关机。

本发明还提供一种高功率光纤激光器安全监测装置，

其包括输出光纤、高反镜、功率计、两路无芯光纤、光纤激光器、反射镜、信号接收光纤、氦氖激光器、示波器、热像仪、光谱仪；

反射镜设置在光纤激光器离其回光端预设距离处；氦氖激光器发射红光经过准直后经过反射镜进入到光纤激光器回光端，然后通过光纤激光器到达输出光纤处输出，经过高反镜进入到无芯光纤；将一路无芯光纤作为监测红光的监测通道；将信号接收光纤中红光信号接收光纤接入到光谱仪中；

将信号接收光纤与氦氖激光器发射光线配置成一定角度，调整其角度使得接收到的信号光达到预设强度；

将作为回光端监测波形的信号接收光纤以及激光输出的波形监测的信号接收光纤接入示波器中；

热像仪用于观测光纤激光器表面的温度是否异常；功率计用于观测光纤激光器的功率是否发生异常。

在本发明所述的高功率光纤激光器安全监测装置中，

高反镜的高反值为99.5％-99.95％。

在本发明所述的高功率光纤激光器安全监测装置中，

所述无芯光纤为250-400微米的无芯光纤。

实施本发明提供的高功率光纤激光器安全监测方法及装置与现有技术相比具有以下有益效果：通过监测输出端和回光端的光谱和波形和红光损耗情况反映出光纤激光器的内部信息，再配合功率计和热像仪等传统手段更加全面的监测光纤激光器的工作状态。具有安全，实施简单等优点。首先通过光谱情况可以反映出残余泵浦光或激光功率，光栅工作状态，LD波长漂移，激光光谱展开以及吸收过程和波长锁定过程等等，示波器可以反映出功率轻微抖动或波动以及总功率大小等，红光指示则可以一定程度反映出光纤纤芯损耗情况或涂覆的高温变性情况，以及光暗化等过程。再配合热像仪关键点的监测，和功率计的示数可以更加全面可靠的监测光纤激光器工作状态，更加科学合理的判断激光器是否存在异常。较好的解决了热像仪无法观察器件内部情况和功率计无法提前预知异常状况及反应缓慢等缺点。

附图说明

图1是本发明实施例的搭建监测通道的示意图；

图2是本发明实施例的搭建监测系统的示意图；

图3是本发明实施例的监测系统的原理图。

具体实施方式

如图1所示，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明实施例的高功率光纤激光器安全监测方法实施方式为：

首先搭建输出端的监测通道，如图1所示，1为输出光纤，2为对激光高反(反射率99.5％-99.95％)的高反镜，3为功率计，输出激光从1输出，绝大部分经过高反镜进入功率计，只有极少部分光经过2透射进入到无芯光纤4和5(即监测通道)中。无芯光纤4和5需要靠的尽量近以接收足够多的信号光。

接着就是搭建监测系统。首先就是搭建红光指示部分，如图2所示，6为光纤激光器或者放大器，7为光纤激光器6的泵浦输入，8为激光器的回光端，10为反射镜，12为氦氖激光器，首先在回光端8较远处(距离一定要足够大)放一个较小的45度反射镜10,氦氖激光器(内部自带准直)12发射红光经过反射镜10进入到光纤激光器6的回光端，然后通过光纤激光器6到达1处输出，经过2(仅对激光高反)进入到无芯光纤4或5即监测通道中。然后选其中一根无芯光纤4作为监测红光的监测通道，11,13,16,17为信号接收光纤，16为红光信号接收光纤，16接入到光谱仪14中，9为光线。在光谱仪14中观察红光光谱。接着就是搭建光谱监测系统，如图2所示，11为回光信号接收光纤，8为回光端。11信号光纤与氦氖激光器发射光线按如图2所示方式成一定角度，调整其角度使得接收到的信号光不至于太强。11接入到光谱仪14中，通过光谱仪14监测其回光光谱。然后是波形监测部分，13为回光端监测波形的信号接收光纤，17为激光输出的波形监测的信号接收光纤，15为示波器，17和13都接入到示波器15中，监测输出和回光端的波形。最后就是配合常见的热像仪和功率计，观测光纤激光器6表面的温度和功率的异常。其整体结构示意图如图3所示。

监测指标的建立：如表1所示，列出了常见的几种安全监测指标，监测指标分为功率计示数，热像仪温度，光谱仪14指标和示波器15指标等四大类。在搭建好的安全监测系统平台上，通过大量安全情况下的实验，观察在不同功率下各指标正常的状态和数值，建立相应的安全指标数据库。

建立的指标如下表：

安全指标数据库的使用。在进行更高功率的激光器安全监测时，通过对比数据库指标和观察指标的状态和数值来提前判断光纤激光器6的异常，做到在灾难发生前能察觉出异常并安全关机。举例来说，对功率计读数而言，在等电流间隔(指的是光纤激光器6的泵浦LD驱动电源)调节情况下，功率的增幅应该大致是一样的；双端泵浦大致是单端泵浦(这里的单端指的是只开双端泵浦的某一端泵浦)的在相同条件(指的是双端和单端所有LD相同电流情况下)的线性叠加；多个LD泵浦大致是单个LD泵浦在相同电流下功率的叠加。如果功率计读数不满足这些规律那么功率就是异常的。对热像仪观察到的温度而言，比如LD表面温度正常情况下不超过48度，LD输出头温度正常情况下不超过50度，合束器接近封装的无源纤温度正常情况下不超过60度，CPS温度正常情况下不能超过70度，高反光栅与有源光纤熔点不超过50度，双端泵浦情况下低反光栅与有源光纤熔点不超过56度。对光谱仪指标而言，LD波长不宜超过或者少于(漂移)标称的波长1nm，正常情况下，比如976nmLD，LD波长不宜超过977nm或少于975nm，即激光波长漂移不宜超过1nm。在信号光纤位置都不改变的情况下，可以通过观察红光指示部分(或回光端)的光谱(泵浦光或者激光)峰值强度和对比功率计功率(或测量回光功率)，从而计算标定其单位光谱强度对应的功率，动态监测正向(或反向)剩余泵浦光和激光功率。在光纤激光器6中回光端8功率一般最不要超过40瓦。还可以对比不开激光器驱动电流情况下的红光光谱和激光器运行情况下的红光光谱来判断光纤激光器6的光纤纤芯损耗是否增加(主要是指光暗化是否会发生)，或涂覆是否存在变性情况，即涂覆温度是否过高。对示波器15指标而言，同样可以通过对比波形强度和回光功率来确定单位功率对应的波形强度，从而可以在线监测回光功率。此外，正常情况下在激光器稳定过后示波器上的功率随时序的波动几乎是没有的，如果波形出现变形甚至出现脉冲就预示着某种异常工作状态。还可以监测光纤激光器6在安全开启时示波器15波形的变化，通过对比光纤激光器6开启时波形与安全开启情况下波形来判断此时光纤激光器6的开启是否存在异常，做到提前预知危险。

本发明实施例的优点在于：

包括一套红光指示部分，该红光指示部分通过氦氖激光器12红光从回光端注入通过光纤激光器6后从输出端输出，对比激光器开启和未开启情况下的红光光谱，判断光纤激光器6内部纤芯损耗或涂覆损伤情况。从而判断是否发生光暗化或者内部温度过高。

建立了一套安全监测指标体系，通过光纤激光器6在大量运行情况下的各项指标数值和状态来建立安全监测数据库。

通过在输出端采用高反透镜2和无芯光纤4和5来建立安全，强度可调的监测通道。

通过在回光端较远放置较小反射镜的方式减小回光对氦氖激光器12的影响，并且可以同时在回光端放置多个监测的信号接收光纤。

可以在尽量做到提早发现光纤激光器6运行异常，做到尽量提前预判和提前关闭光纤激光器。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高功率光纤激光器安全监测方法，其特征在于，其包括如下步骤：

S1、搭建监测通道，用于监测输出端和正向合束器回光端；所述步骤S1包括：在输出端先加一个45度高反镜，在高反镜透射一端放置n根两端切割平角的无芯光纤，组成n条监测通道，然后通过改变无芯光纤和信号接收光纤的角度来调整接收信号的强弱，即为输出端的监测通道；

S2、搭建监测系统，所述监测系统包括红光指示部分、光谱监测部分、波形监测部分、热像仪监测部分、功率计监测部分；

S3、建立监测指标，用于建立光纤激光器正常运行下的指标，包括静态指标和动态指标；

所述步骤S2中搭建红光指示部分包括：

在回光端较远处放置一块45度反射镜，与回光端成45度角，将氦氖激光器的激光通过45度反射镜反射进入回光端光纤；在输出端已经搭好的监测通道中选择一路，接上可以监测可见光的光谱仪，完成搭建红光指示部分；

所述步骤S2中搭建光谱监测部分包括：

在搭建好的监测通道中再选择一路，接上光谱仪作为第一路输入信号，然后再用一路信号接收光纤对着45度反射镜30度或者60度方向，然后再接上光谱仪作为第二路输入信号；

所述步骤S2中搭建波形监测部分包括：

在搭建好的监测通道中再选择一路，成角度打入到光电探头信号接收光纤中，然后光电探头输出的信号接入到示波器中，作为第一路输入信号，然后再用一路信号接收光纤对着45度反射镜60度或者30度方向，然后接入到示波器作为第二路输入信号。

2.如权利要求1所述的高功率光纤激光器安全监测方法，其特征在于，还包括如下步骤：

S4、通过对比数据库指标和观察监测指标的状态和数值来提前判断光纤激光器是否异常。

3.如权利要求1所述的高功率光纤激光器安全监测方法，其特征在于，

所述步骤S4中通过对比数据库指标和观察监测指标的状态和数值来提前判断光纤激光器是否异常包括：

在光纤激光器异常时进行提示并关机。

4.一种高功率光纤激光器安全监测装置，其特征在于，

其包括输出光纤、高反镜、功率计、两路无芯光纤、光纤激光器、反射镜、信号接收光纤、氦氖激光器、示波器、热像仪、光谱仪；

反射镜设置在光纤激光器离其回光端预设距离处；氦氖激光器内部有准直系统，氦氖激光器发射红光经过反射镜进入到光纤激光器回光端，然后通过光纤激光器到达输出光纤处输出，通过高反镜后进入到无芯光纤；将一路无芯光纤作为监测红光的监测通道；将信号接收光纤中的红光信号接收光纤接入到光谱仪中；

将信号接收光纤与氦氖激光器发射光线配置成一定角度，调整其角度使得接收到的信号光达到预设强度；

将作为回光端监测波形的信号接收光纤以及激光输出的波形监测的信号接收光纤接入示波器中；

热像仪用于观测光纤激光器器件表面的温度是否异常；功率计用于观测光纤激光器的功率是否发生异常。

5.如权利要求4所述的高功率光纤激光器安全监测装置，其特征在于，

高反镜的高反值为99.5％-99.95％。

6.如权利要求4所述的高功率光纤激光器安全监测装置，其特征在于，

所述无芯光纤为250-400微米的无芯光纤。