CN110429453A - 一种带回光监测系统的高功率激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带回光监测系统的高功率激光器，包括电源控制系统、多个半导体激光发射器、光束整形系统、多个光纤隔离器、光纤合束器、包层光滤除器、光纤输出头和回光监测系统；通过在所述高功率激光器内设置光阑、光纤隔离器、包层光滤除器等抑制回光的光学组件，削减了回光强度，降低回光对激光器的影响；并通过设置多个回光探测器对激光器内部从光源到光纤输出头进行实时多节点监控检测，当任一监测数据超过设定阈值时即触发报警，通过电源控制系统切断半导体激光发射器的电源进行保护，避免了由于回光过强导致的激光器损坏，从而保障高功率激光器的安全稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种带回光监测系统的高功率激光器。
背景技术
激光器本质上是一种将其他能量转换为激光的器件，根据工作介质的不同可以分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器、光纤激光器和染料激光器等，其中，半导体激光器以其转换效率高、功率高、可靠性高、寿命长、体积小及成本低等优点被广泛应用于工业加工、现代国防、科学研究及医疗工程等领域；同时，随着近年来各领域技术及半导体激光器相关技术的飞速发展，对高功率、高性能的半导体激光器的需求也与日俱增，进而推动了半导体激光器向高功率发展。
为了获得高功率的半导体激光器，当前主要采用光纤合束的方法，利用光纤合束器将多个低功率的半导体激光器模块通过光纤熔接，从而实现高功率的半导体激光器输出；与传统半导体激光器相比，高功率的半导体激光器具有极高的加工效率，在切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等工业加工领域应用前景广阔；但在实际应用中，由于铜、铝、金等高反射材料在加工总量中占据了非常高的比例，高功率半导体激光器不可避免的会用于高反射材料上，使输出的激光在待加工件表面发生反射，产生的回反光通过光纤回到激光器，从而影响激光器的正常工作，甚至导致激光器损坏，大大降低了激光器的使用寿命；为了避免回光的影响，在使用高功率激光器进行加工时通常要求将激光头倾斜一定角度，但这也降低了加工速率，且不利于达到最优的加工效果，制约了高功率激光器的应用；因此，对激光器使用时产生的回光进行削减及监测具有重要意义。
当前，市场上的高功率半导体激光器主要是采用偏振分光镜和波片来解决回光过强的问题，利用波片改变回光的偏振特性，并用偏振分光镜将回光从半导体激光器中分离出去，从而防止回光射入半导体激光器芯片表面，避免回光对激光器造成损害；但由于回光的偏振态并不是恒定的，而是随机变化的，该方法的实际回光消除效果不佳，仅能消除一部分回光，而对于高功率半导体激光器来说，剩余的部分回光仍具有较高强度，对激光器的安全稳定工作构成威胁；因此，仅靠回光削减方法不足以完全消除回光，为保证激光器的安全使用，还需要安装光电探测器对回光进行监测，而目前设置于高功率半导体激光器中的光电探测器数量单一、位置局限，因而不能全面反映激光器内各部分的回光强度，容易产生误判，使得激光器受损或很多反射率较高的材料无法正常加工，限制了高功率激光器的应用。
发明内容
基于现有技术中对高功率激光器内的回光消除效果不佳及监测不够全面、容易误判等问题，本发明提供了一种带回光监测系统的高功率激光器，通过在激光器内设置抑制回光的光学组件，削减回光强度，降低其对激光器的影响；并通过设置多个回光探测器对激光器内部从光源到光纤输出头进行实时多节点监控检测，并进行阈值报警，避免了由于回光过强导致的激光器损坏，从而保障高功率激光器的安全稳定运行。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种带回光监测系统的高功率激光器，包括电源控制系统、多个半导体激光发射器、光束整形系统、多个光纤隔离器、光纤合束器、包层光滤除器、光纤输出头和回光监测系统；所述光束整形系统包括多组相同的光束整形模块，所述光束整形模块的数量与半导体激光发射器、光纤隔离器的数量一致；所述电源控制系统与各个半导体激光发射器分别连接，每个半导体激光发射器发出的光束分别经过一组光束整形模块聚焦后耦合至对应的光纤隔离器的输入端，每个光纤隔离器的输出端分别通过光纤与所述光纤合束器的输入端连接，所述光纤合束器的输出端通过光纤与所述包层光滤除器的一端熔接，所述包层光滤除器的另一端通过光纤与所述光纤输出头熔接，所述回光监测系统通过光纤与多个元件连接，用于对激光器内多个节点进行实时监测，所述回光监测系统还与电源控制系统连接，用于控制激光器的运行。
进一步地，所述回光监测系统包括多个回光探测器和数据采集模块，所述回光探测器用于探测返回的激光量，并将采集到的回光信号转换为电信号，所述数据采集模块与多个回光探测器之间通过电路连接，用于接收及处理各回光探测器的电信号，并进行实时显示，所述数据采集模块还与电源控制系统相连，用于将接收到的电信号的数据信息传输至电源控制系统进行处理。
进一步地，所述回光探测器的数量为五个，第一回光探测器与光纤输出头的输入端相连，第二回光探测器与包层光滤除器的输入端相连，第三回光探测器与光纤合束器的输入端相连，第四回光探测器与任一光纤隔离器的输入端相连，第五回光探测器与任一半导体激光发射器连接；五个回光探测器用于对激光器内不同位置的回光量进行探测。
进一步地，所述五个回光探测器测得的电信号经数据采集模块处理后得到五个对应的电信号值，任一电信号值超出该位置所对应的阈值时则触发报警，并通过电源控制系统切断半导体激光发射器的电源。
进一步地，所述光束整形系统中每组光束整形模块均由准直透镜、第一透镜、光阑、第二透镜和聚焦透镜组成，所述准直透镜、第一透镜、光阑、第二透镜和聚焦透镜依次设置于对应半导体激光发射器的光路上。
进一步地，所述光阑为小孔光阑，孔径小于0.5 mm，用于阻碍大角度回光的通过。
进一步地，所述光阑位于第一透镜和第二透镜的焦点处。
进一步地，所述光纤隔离器为偏振无关型光纤隔离器，用于隔离反向回光。
进一步地，所述包层光滤除器内光纤表面经含有氢氟酸的刻蚀胶腐蚀，包层表面紧贴高折射率高导热性的石墨烯材料。
进一步地，所述光纤输出头的主体为纯石英块，在输出端镀有一层增透膜，用于减少回光，所述增透膜的透过率为99.5%。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过在激光器内设置抑制回光的光学组件及回光监测系统，既削减了回光强度、降低回光对激光器的影响，又对激光器内部从光源到光纤输出头进行实时多节点监控检测，并进行阈值报警，避免了由于回光过强导致的激光器损坏，从而保障高功率激光器的安全稳定运行。
2、本发明通过设置光束整形系统，对半导体激光发射器发出的光束进行准直与聚焦，提高了光束质量，使发散的光束聚合成极细的光束，从而耦合进入光纤隔离器；且光束整形系统中设有小孔光阑，能够阻碍大角度回光的通过，从而降低进入半导体激光发射器的回光强度。
3、本发明通过设置包层光滤除器对包层光进行滤除，既能防止包层光在光纤输出头的边界处发射散射、引起高温，又能有效抑制包层回光，减少进入激光器内的回光量；本发明还设有光隔离器，进一步对激光器内的回光进行隔离，防止其进入半导体激光发射器并造成损坏。
4、本发明通过在高功率激光器的光纤输出头、包层光滤除器、光纤合束器、光纤隔离器和半导体激光发射器五个位置设置回光探测器，对激光器内部的回光量进行多节点实时监测，并通过数据采集模块对回光探测器测得的电信号值进行处理，在任一数值超过对应阈值时即触发报警，通过电源控制系统切断半导体激光发射器的电源进行保护，避免激光器受损。
附图说明
图1是本发明一种带回光监测系统的高功率激光器的结构示意图；
附图中各部件的标记如下：1、电源控制系统；2、半导体激光发射器；3、光束整形系统；4、光纤隔离器；5、光纤合束器；6、包层光滤除器；7、光纤输出头；8、回光监测系统；31、准直透镜；32、第一透镜；33、光阑；34、第二透镜；35、聚焦透镜；81、第一回光探测器；82、第二回光探测器；83、第三回光探测器；84、第四回光探测器；85、第五回光探测器；86、数据采集模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定；显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
实施例
如图1所示，本发明提供了一种带回光监测系统的高功率激光器，包括电源控制系统1、多个半导体激光发射器2、光束整形系统3、多个光纤隔离器4、光纤合束器5、包层光滤除器6、光纤输出头7和回光监测系统8；所述光束整形系统3包括多组相同的光束整形模块，所述光束整形模块的数量与半导体激光发射器2、光纤隔离器4的数量一致；所述电源控制系统1与各个半导体激光发射器2分别连接，每个半导体激光发射器2发出的光束分别经过一组光束整形模块聚焦后耦合至对应的光纤隔离器4的输入端，每个光纤隔离器4的输出端分别通过光纤与所述光纤合束器5的输入端连接，所述光纤合束器5的输出端通过光纤与所述包层光滤除器6的一端熔接，所述包层光滤除器6的另一端通过光纤与所述光纤输出头7熔接，所述回光监测系统8通过光纤与多个元件连接，用于对激光器内多个节点进行实时监测，所述回光监测系统8还与电源控制系统1连接，用于控制激光器的运行。
其中，所述回光监测系统8包括多个回光探测器和数据采集模块86，所述回光探测器用于探测返回的激光量，并将采集到的回光信号转换为电信号，所述数据采集模块86与多个回光探测器之间通过电路连接，用于接收及处理各回光探测器的电信号，并进行实时显示，所述数据采集模块86还与电源控制系统1相连，用于将接收到的电信号的数据信息传输至电源控制系统1进行处理。
所述回光探测器的数量为五个，第一回光探测器81与光纤输出头7的输入端相连，第二回光探测器82与包层光滤除器6的输入端相连，第三回光探测器83与光纤合束器5的输入端相连，第四回光探测器84与任一光纤隔离器4的输入端相连，第五回光探测器85与任一半导体激光发射器2连接；五个回光探测器用于对激光器内不同位置的回光量进行探测，并将测得的回光的光信号转换为电信号；所述五个回光探测器测得的电信号经数据采集模块86处理后得到五组实时更新的电信号值，并与相应位置的设定阈值进行对比，当任一电信号值超出该位置所对应的阈值时则触发报警，并通过电源控制系统1切断半导体激光发射器2的电源，从而关闭出光信号，完成回光信号的实时采集与报警保护处理，实现高功率激光器的回光过大保护功能。
所述光束整形系统3中每组光束整形模块均由准直透镜31、第一透镜32、光阑33、第二透镜34和聚焦透镜35组成，所述准直透镜31、第一透镜32、光阑33、第二透镜34和聚焦透镜35依次设置于对应半导体激光发射器2的光路上，其中，所述光阑33位于第一透镜32和第二透镜34的焦点处，为小孔光阑，孔径小于0.5 mm，用于阻碍大角度回光的通过；因此，当半导体激光发射器2发出光束后，光束先经过准直透镜31准直，再经过第一透镜32聚焦至位于焦点处的光阑33，通过光阑33的小孔射入第二透镜34，再经过聚焦透镜35射出，获得光束质量更高的极细光束，耦合进光纤隔离器4的输入端。
所述光纤隔离器4为偏振无关型光纤隔离器，用于隔离反向回光。
所述包层光滤除器6内光纤表面经含有氢氟酸的刻蚀胶腐蚀，包层表面紧贴高折射率高导热性的石墨烯材料。
所述光纤输出头7的主体为纯石英块，在输出端镀有一层透过率为99.5%的增透膜，用于减少回光。
因此，当本实施例提供的一种带回光监测系统的高功率激光器开始使用时，通过电源控制系统1对各半导体激光发射器2供能，使其产生激光，每个半导体激光发射器2产生的激光束依次经过由准直透镜31、第一透镜32、光阑33、第二透镜34和聚焦透镜35组成的光束整形系统3，使得原本较为发散的光束先经过准直透镜31准直，再经过第一透镜32聚焦至位于焦点处的光阑33，通过光阑33的小孔射入第二透镜34，再经过聚焦透镜35射出，从而获得光束质量更高的极细光束，并耦合进光纤隔离器4的输入端，再从输出端输出；每个光纤隔离器4输出的激光均通过光纤进入光纤合束器5的输入端，并合为一束，从光纤合束器5的输出端输出，实现高功率输出；从光纤合束器5输出的光经入包层光滤除器6后通过光纤输出头7输出，作用于代加工试样表面，开始进行加工。
当高功率激光器发出的激光作用于代加工试样表面时，在试样表面会发生反射，部分激光从光纤输出头7回到激光器内，形成回光；在光纤输出头7的输入端设有第一回光探测器81，对此时进入激光器的回光进行监测；同时，回光继续向激光器内传输，经过包层光滤除器6，部分回光被剥除，剩余回光由设于包层光滤除器6输入端的第二回光探测器82进行监测；再经过光纤合束器5，被设于光纤合束器5输入端的第三回光探测器83监测；当回光经过光纤隔离器4时，由于与光纤隔离器4的光线传输方向相反，回光衰减较大，剩余的部分回光由设于光纤隔离器5输入端的第四回光探测器84进行监测；当剩余回光进入光束整形系统3时，依次经过聚焦透镜35和第二透镜34，形成具有一定角度的分散光束，则不能完全从光阑33的小孔通过，少量通过光阑33的回光由设于半导体激光发射器2出光口的第五回光探测器85进行监测。
五个回光探测器将所测的回光的光信号转换为电信号，经数据采集模块86处理后得到五组实时更新的电信号值，并与相应位置的设定阈值进行对比，当任一电信号值超出该位置所对应的阈值时则触发报警，通过电源控制系统1切断半导体激光发射器2的电源，从而关闭出光信号，完成回光信号的实时采集与报警保护处理，实现高功率激光器的回光过大保护功能，保障了高功率激光器的安全稳定运行。
以上所述仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种带回光监测系统的高功率激光器，其特征在于：包括电源控制系统（1）、多个半导体激光发射器（2）、光束整形系统（3）、多个光纤隔离器（4）、光纤合束器（5）、包层光滤除器（6）、光纤输出头（7）和回光监测系统（8）；所述光束整形系统（3）包括多组相同的光束整形模块，所述光束整形模块的数量与半导体激光发射器（2）、光纤隔离器（4）的数量一致；所述电源控制系统（1）与各个半导体激光发射器（2）分别连接，每个半导体激光发射器（2）发出的光束分别经过一组光束整形模块聚焦后耦合至对应的光纤隔离器（4）的输入端，每个光纤隔离器（4）的输出端分别通过光纤与所述光纤合束器（5）的输入端连接，所述光纤合束器（5）的输出端通过光纤与所述包层光滤除器（6）的一端熔接，所述包层光滤除器（6）的另一端通过光纤与所述光纤输出头（7）熔接，所述回光监测系统（8）通过光纤与多个元件连接，用于对激光器内多个节点进行实时监测，所述回光监测系统（8）还与电源控制系统（1）连接，用于控制激光器的运行。
2.根据权利要求1所述的一种带回光监测系统的高功率激光器，其特征在于：所述回光监测系统（8）包括多个回光探测器和数据采集模块（86），所述回光探测器用于探测返回的激光量，并将采集到的回光信号转换为电信号，所述数据采集模块（86）与多个回光探测器之间通过电路连接，用于接收及处理各回光探测器的电信号，并进行实时显示，所述数据采集模块（86）还与电源控制系统（1）相连，用于将接收到的电信号的数据信息传输至电源控制系统（1）进行处理。
3.根据权利要求2所述的一种带回光监测系统的高功率激光器，其特征在于：所述回光探测器的数量为五个，第一回光探测器（81）与光纤输出头（7）的输入端相连，第二回光探测器（82）与包层光滤除器（6）的输入端相连，第三回光探测器（83）与光纤合束器（5）的输入端相连，第四回光探测器（84）与任一光纤隔离器（4）的输入端相连，第五回光探测器（85）与任一半导体激光发射器（2）连接；五个回光探测器用于对激光器内不同位置的回光量进行探测。
4.根据权利要求3所述的一种带回光监测系统的高功率激光器，其特征在于：所述五个回光探测器测得的电信号经数据采集模块（86）处理后得到五个对应的电信号值，任一电信号值超出该位置所对应的阈值时则触发报警，并通过电源控制系统（1）切断半导体激光发射器（2）的电源。
5.根据权利要求1所述的一种带回光监测系统的高功率激光器，其特征在于：所述光束整形系统（3）中每组光束整形模块均由准直透镜（31）、第一透镜（32）、光阑（33）、第二透镜（34）和聚焦透镜（35）组成，所述准直透镜（31）、第一透镜（32）、光阑（33）、第二透镜（34）和聚焦透镜（35）依次设置于对应半导体激光发射器（2）的光路上。
6.根据权利要求5所述的一种带回光监测系统的高功率激光器，其特征在于：所述光阑（33）为小孔光阑，孔径小于0.5 mm，用于阻碍大角度回光的通过。
7.根据权利要求5所述的一种带回光监测系统的高功率激光器，其特征在于：所述光阑（33）位于第一透镜（32）和第二透镜（34）的焦点处。
8.根据权利要求1所述的一种带回光监测系统的高功率激光器，其特征在于：所述光纤隔离器（4）为偏振无关型光纤隔离器，用于隔离反向回光。
9.根据权利要求1所述的一种带回光监测系统的高功率激光器，其特征在于：所述包层光滤除器（6）内光纤表面经含有氢氟酸的刻蚀胶腐蚀，包层表面紧贴高折射率高导热性的石墨烯材料。
10.根据权利要求1所述的一种带回光监测系统的高功率激光器，其特征在于：所述光纤输出头（7）的主体为纯石英块，在输出端镀有一层增透膜，用于减少回光，所述增透膜的透过率为99.5%。
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