CN107994445B - 一种用于激光装置的复合安全连锁装置和方法 - Google Patents

一种用于激光装置的复合安全连锁装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于激光装置的复合安全连锁装置和方法，属于激光设备技术领域，所述复合安全连锁装置包括沿着激光信号传输方向通过光纤连接或者自由空间耦合的相位调制器、光纤分束器、第一光学开关和第二光学开关，还包括射频分压电路、微波检测模块、电光转换单元、同步触发模块与第一光学开关连接，还包括光谱检测模块、电光转换单元、同步触发模块与第二光学开关连接。本发明可以有效地判断光谱展宽量是否达到设定要求，并通过同步触发模块实现两级光学开关的关断和畅通，确保安全连锁机制可靠运行，避免输出光谱展宽失效时对后续光学元件的损伤，极大的增强了激光装置运行的安全性。

Description

一种用于激光装置的复合安全连锁装置和方法
技术领域
本发明属于激光设备技术领域，具体地说涉及一种用于激光装置的复合安全连锁装置和方法。
背景技术
大型高功率激光装置通常采用相位调制技术实现小宽带光源的产生，以满足激光装置抑制大口径光学元件横向受激布里渊散射效应(SBS)和光谱谱色散匀滑(SSD)的需求，如美国的NIF激光装置、ZBL装置，法国的LMJ激光装置以及中国的神光系列激光装置。在激光装置运行过程中，如果单频激光脉冲经相位调制展宽量大于抑制SBS效应所需的带宽，激光在后续系统传输则是安全的，如果未发生展宽或者展宽量较小，则不能有效抑制SBS效应，对大口径光学元件可能会造成很大的损伤甚至破坏。因此，为了确保激光装置运行的安全性，需要在激光装置中加入安全连锁装置，即在一定的位置检测系统的带宽，将检测结果及时地通过使能信号，传输至后续的开关，开关则完成系统的关断与畅通作用。
根据参考文献“Peter J.W,Mark W.B,Gaylen V.E,et al.NIF injection lasersystem.Proc.SPIE,5341:146–155,2004”的记载，美国NIF激光装置的研究人员采用基于单个窄带布拉格光纤光栅的光谱检测装置直接对相位调制激光脉冲的光谱信息进行检测、判断，并根据其检测结果控制其下一级声光开关的关断与畅通。类似的，根据文献“Jolly A,Gleyze J F,Penninckx D,et al.Fiber lasers integration for LMJ[J].C.R.Phys,2006,7(2):,198-212”的记载，法国LMJ激光装置的研究人员也采用基于单个窄带布拉格光纤光栅的光谱检测安全连锁装置实现对相位调制激光脉冲的展宽状态判别。在实际使用中，由于窄带光纤光栅非常精密敏感，容易受到环境温度等因素的影响，上述仅仅采用基于单光纤光栅的直接光谱检测方式有可能产生错误判断，影响激光装置运行的安全性可靠性。根据文献“Patrick K.R,Darrell J.A,Jens S,et al.Injection of a PhaseModulated Source into the Z-Beamlet Laser for Increased EnergyExtraction.Sand2014-20011”的记载,美国ZBL装置的研究人员采用一种基于光学外差探测技术的光谱检测安全连锁装置实现了对相位调制激光脉冲的光谱展宽状态判别，这种装置的单元模块构成较多，结构复杂，成本较高，同时由于需要调节的参量较多，不利于大型激光装置的运行维护。
发明内容
针对现有技术的种种不足，本申请提供了一种用于激光装置的复合安全连锁装置和方法，能同时采用光谱检测方式和微波检测方式实现光谱展宽状态的直接和间接检测，可以有效地判断光谱展宽量是否达到设定要求，并通过同步触发模块实现两级光学开关的关断和畅通，确保安全连锁机制可靠运行，避免输出光谱展宽失效时对后续光学元件的损伤，极大的增强了激光装置运行的安全性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于激光装置的复合安全连锁装置，沿着激光信号传输方向通过光纤或自由空间依次连接有用以实现激光信号的光谱展宽的相位调制器(2)、用以将主激光信号按比例分成两束的光纤分束器(3)、用以实现激光信号的关断和畅通的第一光学开关(4)与第二光学开关(5)；
所述复合安全连锁装置还包括用以对注入的射频信号进行取样分束的射频分压电路(1)，在注入的射频信号传输方向上射频分压电路(1)与相位调制器(2)连接，在分束信号传输方向上射频分压电路(1)还与用以对注入的射频信号进行包络检测和门限电压判别的微波检测模块(6)、用以将微波检测信号转换为使能光信号的第一电光转换单元(7)、用以输出相关的第一同步触发信号的第一同步触发模块(8)依次连接，第一同步触发模块8的输出端与第一光学开关(4)连接；
所述复合安全连锁装置还包括与光纤分束器(3)的分束信号传输方向上依次连接的光纤分束器(3)、光谱检测模块(9)、用以将光谱检测信号转换为使能光信号第二电光转换单元(10)、用以输出相关的第二同步触发信号的第二同步触发模块(11)，第二同步触发模块(11)的输出端与第二光学开关(5)连接。
进一步的，所述的相位调制器(2)为波导相位调制器，用以将单频激光信号调制展宽为多边带的小宽带激光信号，以满足激光装置抑制大口径光学元件SBS效应。
进一步的，所述的光纤分束器(3)的分束比为95:5，其中5％部分作为取样注入到光谱检测模块(9)，95％部分作为主激光信号继续传输；
所述射频分压电路(1)的分压比为90:10，其中90％部分注入到相位调制器(2)中，10％部分的注入到微波检测模块(6)。
进一步的，所述的微波检测模块(6)对取样射频信号进行包络检测，比较检测得到的脉冲与门限判别电路的门限电压，若其幅值大于门限电压，则输出高电平，若小于门限电压，则输出低电平，从而根据标定的射频功率与输出光谱宽度的对应关系，间接检测激光脉冲的光谱展宽量。
所述的光谱检测模块(9)采用窄带光纤光栅实现光谱展宽状态的直接检测，当光谱展宽量达到设定要求时，输出高电平，当光谱展宽量小于设定要求时，则输出低电平。
进一步的，所述第一电光转换单元(7)用以将微波检测信号转换为相应的使能光信号，当注入高电平信号时输出使能信号，当注入低电平时不输出使能信号；
所述的第二电光转换单元(10)用以将光谱检测信号转换为相应的使能光信号，当注入高电平信号时输出使能信号，当注入低电平时不输出使能信号。。
进一步的，所述的第一光学开关(4)和第二光学开关(5)为声光开关、电光开关、磁光开关或机械光开关的一种。
进一步的，当光谱展宽达到设定要求时，第一电光转换单元7提供给第一同步触发模块8一个使能信号，第一同步触发模块8输出相关的第一同步触发信号，触发第一光学开关4正常工作，保证主激光信号的正常传输，并在同步触发信号输出后及时关闭第一光学开关4，等待下一次使能信号的输入；当光谱展宽未达到设定要求时，第一电光转换单元7不输出使能信号，第一同步触发模块无相关同步触发信号输出，相应的第一光学开关4不工作，切断主激光信号的传输
进一步的，当光谱展宽达到设定要求时，第二电光转换单元(10)提供给第二同步触发模块(11)一个使能信号，第二同步触发模块(11)输出相关的第二同步触发信号，触发第二光学开关(5)正常工作，保证主激光信号的正常传输，并在第二同步触发信号输出后及时关闭第二光学开关(5)，等待下一次使能信号的输入；当光谱展宽未达到设定要求时，第二电光转换单元(10)不输出使能信号，第二同步触发模块(11)无相关第二同步触发信号输出，相应的第二光学开关(5)不工作，切断主激光信号的传输。
另一方面，本发明提供了一种用于激光装置的复合安全连锁方法，用于运行前述任一一种复合安全连锁装置。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的技术方案同时采用光谱检测方式和微波检测方式实现光谱展宽状态的直接和间接检测，既监测了无源光纤器件，又监测了有源射频放大电路部分，可最大限度的确保光谱展宽状态判断的准确性。
2、本发明提供的技术方案同时采用光谱检测方式和微波检测方式实现复合安全连锁，分别与两级光学开关连接，可以确保安全连锁机制可靠运行，实现“双保险”。
3、本发明提供的技术方案可以通过调节微波检测模块的门限电压与光谱检测模块的光栅反射位置实现对不同光谱展宽状态的辨别和安全连锁，适用性强，光谱检测范围广。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是同一激光脉冲在不同相位调制展宽状态下的光谱图；
图3是利用本发明输出的激光信号时间波形。
附图中：1-射频分压电路、2-相位调制器、3-光纤分束器、4-第一光学开关、5-第二光学开关、6-微波检测模块、7-第一电光转换单元、8-第一同步触发模块、9-光谱检测模块、10-第二电光转换单元、11-第二同步触发模块。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例一：
如图1所示，为一种用于激光装置的复合安全连锁装置，其中，图1虚线箭头表示激光信号传输方向，粗实线箭头表示射频信号传输方向，细实线箭头表示通讯控制信号传输方向；沿着激光信号传输方向通过光纤或自由空间依次设置有相位调制器2、光纤分束器3、第一光学开关4、第二光学开关5。相位调制器2，用以实现单频激光信号的光谱展宽，这里光谱展宽量为0.15nm，如图2中曲线所示。光纤分束器3，用以将主激光信号按比例分成两束，这里分束比为95:5，其中5％部分作为取样注入到光谱检测模块9，95％部分作为主激光信号继续传输。光学开关，包括第一光学开关4和第二光学开关5，这里为电光晶体开关，用以实现主激光信号的关断和畅通。光纤分束器3发射的主激光信号沿激光信号传输方向通过一系列光学器件后入射到第一光学开关4上，然后再沿光路入射到第二光学开关5上。
所述复合安全连锁装置还包括通过射频线与相位调制器2连接的射频分压电路1，用以对注入到相位调制器2的射频信号进行取样分压，分压比为90:10，90部分注入到相位调制器2中，10％部分的取样注入到微波检测模块6。微波检测模块6与射频分压电路1通过射频线连接，用以实现对注入的射频信号进行包络检测和门限电压判别。第一电光转换单元7与微波检测模块6连接用以将微波检测信号转换为使能光信号。第一同步触发模块8与第一电光转换单元7通过通讯光纤连接，其输出端与第一光学开关4连接，用以输出相关的第一同步触发信号。
所述复合安全连锁装置还包括与通过光纤跳线与光纤分束器3连接的光谱检测模块9，用以实现对5％的分束注入激光信号进行光谱检测和展宽量判别。第二电光转换单元10与光谱检测模块9通过射频线连接，用以将光谱检测信号转换为使能光信号。第二同步触发模块11与第二电光转换单元10通过通讯光纤连接，其输出端与第二光学开关5连接，用以输出相关的第二同步触发信号。
本实施例中采用光纤的纤芯直径均为6μm、包层直径均为125μm，不同光纤器件之间通过光纤适配器连接，灵活方便。如图2所示，图2中横坐标表示波长，单位为nm，纵坐标表示相对强度；可以看出同一激光脉冲在不同相位调制展宽状态下的光谱分布不同，随着激光脉冲经相位调制光谱展宽，光谱向中心波长两侧分布，中心波长处光强度降低，两边带处光强度增加。所述的相位调制器为LiNbO3波导相位调制器，用以将单频激光信号调制展宽为光谱带宽为0.15nm的小宽带激光信号，以满足激光装置抑制大口径光学元件SBS效应。
所述的微波检测模块6对取样射频信号进行包络检测，比较检测得到的脉冲与门限判别电路的门限电压，若其幅值大于门限电压，则输出高电平，若小于门限电压，则输出低电平，从而根据标定的射频功率与输出光谱宽度的对应关系，间接检测激光脉冲的光谱展宽量。所述第一电光转换单元7用以将微波检测信号转换为相应的使能光信号，当注入高电平信号时输出使能信号，当注入低电平时不输出使能信号。当光谱展宽达到设定要求时，第一电光转换单元7提供给第一同步触发模块8一个使能信号，第一同步触发模块8输出相关的第一同步触发信号，触发第一光学开关4正常工作，保证主激光信号的正常传输，并在同步触发信号输出后及时关闭第一光学开关4，等待下一次使能信号的输入；当光谱展宽未达到设定要求时，第一电光转换单元7不输出使能信号，第一同步触发模块无相关同步触发信号输出，相应的第一光学开关4不工作，切断主激光信号的传输。
所述的光谱检测模块9采用窄带光纤光栅实现光谱展宽状态的直接检测，当光谱展宽量达到设定要求时，输出高电平，当光谱展宽量小于设定要求时，则输出低电平。所述的第二电光转换单元10用以将微波检测信号(或光谱检测信号)转换为相应的使能光信号，当注入高电平信号时输出使能信号，当注入低电平时不输出使能信号。当光谱展宽达到设定要求时，第二电光转换单元10提供给第二同步触发模块11一个使能信号，第二同步触发模块11输出相关的第二同步触发信号，触发第二光学开关5正常工作，保证主激光信号的正常传输，并在同步触发信号输出后及时关闭第二光学开关5，等待下一次使能信号的输入；当光谱展宽未达到设定要求时，第二电光转换单元10不输出使能信号，第二同步触发模块11无相关第二同步触发信号输出，相应的第二光学开关5不工作，切断主激光信号的传输。
如图3所示的是当光谱展宽正常时，复合安全连锁机制正常工作，通过示波器采集的第二光学开关5后的激光信号时间波形，图3中横坐标表示时间，单位为ns，纵坐标表示归一化强度。
本实施例同时采用光谱检测方式和微波检测方式实现光谱展宽状态的直接和间接检测，既监测了无源光纤器件，又监测了有源射频放大电路部分，可最大限度的确保光谱展宽状态判断的准确性。同时采用光谱检测方式和微波检测方式实现复合安全连锁，分别与两级光学开关连接，可以确保安全连锁机制可靠运行，实现“双保险”。此外，本实例可以通过调节微波检测模块的门限电压与光谱检测模块的光栅反射位置实现对不同光谱展宽状态的辨别和安全连锁，适用性强，光谱检测范围广。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (9)

1.一种用于激光装置的复合安全连锁装置，其特征在于：沿着激光信号传输方向通过光纤或自由空间依次连接有用以实现激光信号的光谱展宽的相位调制器(2)、用以将主激光信号按比例分成两束的光纤分束器(3)、用以实现激光信号的关断和畅通的第一光学开关(4)和第二光学开关(5)；
所述复合安全连锁装置还包括用以对注入的射频信号进行取样分束的射频分压电路(1)，在注入的射频信号传输方向上射频分压电路(1)与相位调制器(2)连接，在分束信号传输方向上射频分压电路(1)还与用以对注入的射频信号进行包络检测和门限电压判别的微波检测模块(6)、用以将微波检测信号转换为使能光信号的第一电光转换单元(7)、用以输出相关的第一同步触发信号的第一同步触发模块(8)依次连接，第一同步触发模块8的输出端与第一光学开关(4)连接；
所述复合安全连锁装置还包括与光纤分束器(3)的分束信号传输方向上依次连接的光纤分束器(3)、光谱检测模块(9)、用以将光谱检测信号转换为使能光信号的第二电光转换单元(10)、用以输出相关的第二同步触发信号的第二同步触发模块(11)，第二同步触发模块(11)的输出端与第二光学开关(5)连接；
所述的相位调制器(2)为波导相位调制器，用以将单频激光信号调制展宽为多边带的小宽带激光信号，以满足激光装置抑制大口径光学元件SBS效应；
所述第一电光转换单元(7)用以将微波检测信号转换为相应的使能光信号，当注入高电平信号时输出使能信号，当注入低电平时不输出使能信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光装置的复合安全连锁装置，其特征在于：所述的光纤分束器(3)的分束比为95:5，其中5％部分作为取样注入到光谱检测模块(9)，95％部分作为主激光信号继续传输；
所述射频分压电路(1)的分压比为90:10，其中90％部分注入到相位调制器(2)中，10％部分的注入到微波检测模块(6)。
3.根据权利要求2所述的一种用于激光装置的复合安全连锁装置，其特征在于：所述的微波检测模块(6)对取样射频信号进行包络检测，比较检测得到的脉冲与门限判别电路的门限电压，若其幅值大于门限电压，则输出高电平，若小于门限电压，则输出低电平，从而根据标定的射频功率与输出光谱宽度的对应关系，间接检测激光脉冲的光谱展宽量。
4.根据权利要求2所述的一种用于激光装置的复合安全连锁装置，其特征在于：所述的光谱检测模块(9)采用窄带光纤光栅实现光谱展宽状态的直接检测，当光谱展宽量达到设定要求时，输出高电平，当光谱展宽量小于设定要求时，则输出低电平。
5.根据权利要求1所述的一种用于激光装置的复合安全连锁装置，其特征在于：
所述的第二电光转换单元(10)用以将光谱检测信号转换为相应的使能光信号，当注入高电平信号时输出使能信号，当注入低电平时不输出使能信号。
6.根据权利要求5所述的一种用于激光装置的复合安全连锁装置，其特征在于：所述第一光学开关(4)和第二光学开关(5)为声光开关、电光开关、磁光开关或机械光开关的一种。
7.根据权利要求6所述的一种用于激光装置的复合安全连锁装置，其特征在于：当光谱展宽达到设定要求时，第一电光转换单元(7)提供给第一同步触发模块(8)一个使能信号，第一同步触发模块(8)输出相关的第一同步触发信号，触发第一光学开关(4)正常工作，保证主激光信号的正常传输，并在同步触发信号输出后及时关闭第一光学开关(4)，等待下一次使能信号的输入；当光谱展宽未达到设定要求时，第一电光转换单元(7)不输出使能信号，第一同步触发模块无相关同步触发信号输出，相应的第一光学开关(4)不工作，切断主激光信号的传输。
8.根据权利要求7所述的一种用于激光装置的复合安全连锁装置，其特征在于：当光谱展宽达到设定要求时，第二电光转换单元(10)提供给第二同步触发模块(11)一个使能信号，第二同步触发模块(11)输出相关的第二同步触发信号，触发第二光学开关(5)正常工作，保证主激光信号的正常传输，并在第二同步触发信号输出后及时关闭第二光学开关(5)，等待下一次使能信号的输入；当光谱展宽未达到设定要求时，第二电光转换单元(10)不输出使能信号，第二同步触发模块(11)无相关第二同步触发信号输出，相应的第二光学开关(5)不工作，切断主激光信号的传输。
9.一种用于激光装置的复合安全连锁方法，其特征在于，用于运行权利要求1-8任一权利要求中的复合安全连锁装置。
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