CN110455495A - 一种光纤激光器模式稳定性检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤激光器技术领域，公开了一种光纤激光器模式稳定性检测装置及方法，其中，检测装置包括光电探测器和示波器；所述光电探测器朝向所述光纤激光器内存在信号光泄漏的光器件设置，用于探测泄漏光信号并将泄漏光信号转换为电信号，所述示波器与所述光电探测器连接，并用于显示及存储所述电信号。本发明具有结构简单、操作容易、安全性高的技术效果。

Description

一种光纤激光器模式稳定性检测装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，具体涉及一种光纤激光器模式稳定性检测装置及方法。

背景技术

自1988年snizer提出双包层光纤以来，光纤激光器发展迅猛。由于光纤激光器在效率、光束质量、成本、寿命、体积等方面相比与CO₂激光器和固体激光器有着明显的优势，在高功率切割和焊接应用方面，光纤激光器已经从高功率CO₂激光器和固体激光器手中抢占了大量市场份额。而全光纤激光器通过泵浦合束器对泵浦光和信号光进行信号耦合，无需分立元件，因此比起空间耦合的激光器结构更稳定，对环境要求低，另一方面，由于在全光纤结构中可利用包层光滤除器对激光器系统中的剩余泵浦光和包层光进行滤除，保证了输出光信号的光束质量，因此全光纤激光器广受消费者青睐。

近年，学者们发现光纤激光器输出功率的进一步提升面临模式不稳定的难题。模式不稳定效应具体表现在当激光器的平均输出功率增大到某一阈值时，突然出现由于热致折射率光栅而引起的模式周期性耦合，导致光束质量恶化的问题。对于全光纤结构的激光器而言，由于包层模滤除器的存在，有时会出现进一步增加泵浦功率而输出功率滞涨甚至下降的现象。随着光纤激光器的运行时间增加，光子暗化效应的出现不仅导致平均输出功率下降，还会造成光纤激光器的模式不稳定阈值降低，造成激光器输出光束质量变差，威胁激光器的工作稳定性。因此在激光器使用过程中及时检测到模式不稳定的发生是非常有必要的。

目前公开的在线实时监测全光纤激光器中模式不稳定的方法可分为两类。一类是通过测输出功率，在全光纤激光器中由于包层模滤除器的存在，当发生模式不稳定时有时会出现功率滞涨或下降。将输出功率滞涨或下降作为模式不稳定发生与否的判据存在两点不足，一是在全光纤激光器中并不总是存在功率滞涨或下降，二是模式不稳定阈值一般为百瓦或千瓦量级，一般应用热偶功率计检测，而从热偶功率计上观察到功率滞涨或下降会有延迟。另一类是监测输出信号的时域抖动。当未发生模式不稳定时，输出信号为直流信号，时域上波动平稳；而当发生模式不稳定时，输出信号即刻出现明显的振荡起伏，时域上波动剧烈。相对于通过输出功率的增长趋势来监测模式不稳定，通过探测时域信号波动的实时监测手段更为灵敏可靠。

然而，目前通过监测输出信号时域抖动的方法检测模式不稳定时，通常需要先采用光学分立器件对光纤激光器的输出光信号进行分光，然后再对分光后的光信号的时域稳定性进行监测。由于使用分立元器件，使得结构变复杂，并且分立元件对振动敏感，增大了操作难度。或者是将输出激光传输到漫反射表面，例如功率计靶面，然后探测经漫反射表面的散射光信号的时域稳定性。模式不稳定阈值一般为百瓦至千瓦量级，大部分输出光打在功率计靶面，其余被靶面漫反射。该检测方法需从高能输出光附近取散射信号这个位置相对而言不是特别安全。在实际操作过程中，探测器与激光器的输出头之间、探测器与靶面之间都需要保持一定的安全距离，否则可能影响光路传输或损伤探测器。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种光纤激光器模式稳定性检测装置及方法，解决现有技术中模式稳定性检测装置结构复杂、操作难度高、安全性差的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种光纤激光器模式稳定性检测装置，包括光电探测器和示波器；所述光电探测器朝向所述光纤激光器内存在信号光泄漏的光器件设置，用于探测泄漏光信号并将泄漏光信号转换为电信号，所述示波器与所述光电探测器连接，并用于显示及存储所述电信号。

本发明还提供一种光纤激光器模式稳定性检测方法，包括以下步骤：

探测光纤激光器内部的泄漏光信号，并将其转换为电信号；

显示并存储所述电信号；

根据所述电信号的显示结果判断所述光纤激光器的模式稳定性。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明利用光纤激光器内部存在信号光泄漏的光器件，将泄漏光信号用于模式不稳定的检测中。由于采用的是光纤激光器内部的光器件，因此无需另设光学分立器件，结构简单、操作难度低。同时，泄漏的光信号只有瓦级别，相比于激光器输出头直接输出的百瓦至千瓦的高能激光，本发明具有更安全的技术效果。

附图说明

图1是本发明提供的光纤激光器模式稳定性检测装置一实施方式的结构示意图；

图2是本发明提供的光纤激光器模式稳定性检测装置采用泵浦合束器进行检测时的结构示意图；

图3是本发明提供的光纤激光器模式稳定性检测装置采用包层模滤除器进行检测时的结构示意图；

图4是本发明中光纤激光器一实施方式的结构示意图；

图5是采用本发明提供的光纤激光器模式稳定性检测装置进行检测的一种检测结果的波形图；

图6是采用本发明提供的光纤激光器模式稳定性检测装置进行检测的另一种检测结果的波形图。

附图标记：

1、光电探测器，2、示波器，3、存在信号光泄漏的光器件，31、泵浦合束器，31A、前向泵浦合束器，31B、后向泵浦合束器，311、空置泵浦臂，32、包层模滤除器，321、封装窗口。

具体实施方式

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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，本发明的实施例1提供了光纤激光器模式稳定性检测装置，以下简称检测装置，包括光电探测器1和示波器2；所述光电探测器1朝向所述光纤激光器内存在信号光泄漏的光器件3设置，用于探测泄漏光信号并将泄漏光信号转换为电信号，所述示波器2与所述光电探测器1连接，并用于显示及存储所述电信号。

本实施例提供的检测装置，包括光电探测器1和示波器2，光电探测器1和示波器2通过同轴电缆连接。利用光纤激光器内部的光器件存在信号光泄漏现象这一特点，通过光电探测器1探测光纤激光器内部的泄漏光信号并转换成电信号，将电信号将其传输至示波器2，通过示波器2实时显示和存储光电探测器1所探测的电信号。由于泄漏光信号为光纤激光器中信号光的一部分，因此泄漏光信号直接反映了光纤激光器中光信号的信息。当未发生模式不稳定现象时，随着泵浦功率的增加，泄漏光信号随之增加，在光电探测器1上表现为直流信息，通过示波器2可直接观察出；当模式不稳定现象发生时，信号光中存在剧烈的模式耦合，泄漏光信号出现剧烈的起伏，在光电探测器1上表现为混乱的振荡，通过示波器2可直接观察出；从而实现了模式稳定性的检测。

本发明利用光纤激光器所包含的部分光器件，会对光纤激光器造成一部分的信号光泄漏，利用这部分泄漏的信号光对模式不稳定进行在线实时监测，无需增加元器件，操作难度低，抗干扰强。同时，由于泄漏光信号只有瓦级别，相比从光纤激光器输出头直接输出的百瓦至千瓦的高能激光，采用泄漏光信号进行模式稳定性检测更安全。

优选的，如图2所示，所述存在信号光泄漏的光器件3为泵浦合束器31，所述光电探测器1朝向所述泵浦合束器31的空置泵浦臂311设置。

采用光纤激光器中普遍存在且必不可少的光器件进行泄漏光信号的采集，例如泵浦合束器31，使得检测装置适用于各种不同类型的光纤激光器。泵浦合束器31为光纤激光器中必不可少的光器件，其基本工作原理是将N根泵浦光纤合束拉锥后与1根输出光纤直接熔接，实现光束耦合。当信号光在光纤激光器中传输经过泵浦合束器31时，不可避免地存在部分信号光在泵浦合束器31内部的锥区或熔点被耦合到泵浦臂中。泄漏光从空置泵浦臂311输出，将光电探测器1放置在空置泵浦臂311的输出头附近，用于采集泄漏光信号，并传送至示波器2显示，通过观察和分析示波器2的显示波形即可实现模式不稳定的在线监测。

优选的，如图4所示，所述泵浦合束器31为前向泵浦合束器31A或后向泵浦合束器31B；

所述光电探测器1朝向所述前向泵浦合束器31A的空置泵浦臂311设置，并用于探测光纤激光器反射光路上的泄漏光信号；

或所述光电探测器1朝向所述后向泵浦合束器31B的空置泵浦臂311设置，并用于探测光纤激光器正向光路上的泄漏光信号。

具体的，对于前向泵浦合束器31A的泵浦臂，可获得从光纤激光器输出头反射回来的部分信号光泄漏至泵浦臂中；对于后向泵浦合束器31B的泵浦臂，也会接收到泄漏光的正向传输信号。因此前向泵浦合束器31A和后向泵浦合束器31B均可用于泄漏光信号的检测。

优选的，如图3所示，所述存在信号光泄漏的光器件3为包层模滤除器32，所述光电探测器1朝向所述包层模滤除器32设置。

采用光纤激光器中普遍存在且必不可少的光器件进行泄漏光信号的采集，例如包层模滤除器32，使得检测装置适用于各种不同类型的光纤激光器。通常包层模滤除器32被用于滤除光纤激光器中的剩余泵浦光和包层信号光，光电探测器1朝向包层模滤除器32设置，部分信号光在包层模滤除器32处泄漏，被光电探测器1探测并输入示波器2，示波器2实时显示探测信号，通过观察和分析示波器2显示波形的波动情况，可在线监测模式不稳定。

优选的，所述包层模滤除器32为有封装的包层模滤除器32或无封装的包层模滤除器32；

所述光电探测器1朝向所述有封装的包层模滤除器32的封装窗口321设置；

或所述光电探测器1朝向所述无封装的包层模滤除器32设置。

包层模滤除器分为有封装和无封装两种。具体的，如图3所示，本实施例中选用的是有封装的包层模滤除器32，包层模滤除器32的封装窗口321一般被用于检测包层模滤除器32的工作温度，但少量滤除光将从封装窗口321处泄漏，因此为在线测定模式不稳定提供了天然的条件。在一些全光纤激光器系统中，包层模滤除器32的封装可能被直接省去，这种无封装的包层模滤除器32的泄漏光可能存在于各个方向，因此，只需要将光电探测器1朝向无封装的包层模滤除器32设置，即可完成泄漏光信号的探测。

具体的，图4中示出了的光纤激光器包括前向泵浦合束器31A、后向泵浦合束器31B以及包层模滤除器32三种可以实现泄漏光检测的光器件，应该理解的，实际检测时这三种光器件并不需要同时存在，也不需要同时朝向光电探测器1设置，只需存在至少一种并朝向光电探测器1设置，即可实现对光纤激光器的模式不稳定在线实时监测。

优选的，所述存在信号光泄漏的光器件3为模场适配器，所述光电探测器1朝向所述模场适配器设置。

模场适配器也存在泄漏光，尽管模场适配器并不存在于所有光纤激光器，但是光纤激光器内存在模场适配器时，也可以通过模场适配器实现泄漏光的采集探测，从而实现模式不稳定的检测。

应该理解的，本发明中存在信号光泄漏的光器件3还可以是其它光器件，并不限于以上列举的三种，只要是光纤激光器内置的，且存在信号光泄漏的器件，均可用于本发明中，均在本发明的保护范围之内，在此不再过多赘述。

实施例2

本发明的实施例2提供了光纤激光器模式稳定性检测方法，包括以下步骤：

探测光纤激光器内部的泄漏光信号，并将其转换为电信号；

显示并存储所述电信号；

根据所述电信号的显示结果判断所述光纤激光器的模式稳定性。

本发明实施例提供的光纤激光器模式稳定性检测方法，基于光纤激光器模式稳定性检测装置，因此，上述光纤激光器模式稳定性检测装置所具备的技术效果，光纤激光器模式稳定性检测方法同样具备，在此不再赘述。

优选的，根据所述电信号的显示结果判断所述光纤激光器的模式稳定性，具体为：

所述电信号的显示结果为直流信号时，所述光纤激光器未发生模式不稳定现象；

所述电信号的显示结果为振荡信号时，所述光纤激光器发生模式不稳定现象。

具体的，图5和图6示出了采用本发明提供的检测装置进行检测的两种不同的检测结果，图5、图6中，横轴为时间Time,纵轴为振幅Amplitude。如图5所示，未发生模式不稳定时，示波器2上显示波形为平稳波动的直流信号；如图6所示，发生模式不稳定时，示波器2显示波形出现大幅度的剧烈波动，产生振荡；成功的实现了模式不稳定现象的实时监测。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种光纤激光器模式稳定性检测装置，其特征在于，包括光电探测器和示波器；所述光电探测器朝向所述光纤激光器内存在信号光泄漏的光器件设置，用于探测泄漏光信号并将泄漏光信号转换为电信号，所述示波器与所述光电探测器连接，并用于显示及存储所述电信号。

2.根据权利要求1所述的光纤激光器模式稳定性检测装置，其特征在于，所述存在信号光泄漏的光器件为泵浦合束器，所述光电探测器朝向所述泵浦合束器的空置泵浦臂设置。

3.根据权利要求2所述的光纤激光器模式稳定性检测装置，其特征在于，所述泵浦合束器为前向泵浦合束器或后向泵浦合束器；

所述光电探测器朝向所述前向泵浦合束器的空置泵浦臂设置，并用于探测光纤激光器反射光路上的泄漏光信号；

或所述光电探测器朝向所述后向泵浦合束器的空置泵浦臂设置，并用于探测光纤激光器正向光路上的泄漏光信号。

4.根据权利要求1所述的光纤激光器模式稳定性检测装置，其特征在于，所述存在信号光泄漏的光器件为包层模滤除器，所述光电探测器朝向所述包层模滤除器。

5.根据权利要求4所述的光纤激光器模式稳定性检测装置，其特征在于，所述包层模滤除器为有封装的包层模滤除器或无封装的包层模滤除器；

所述光电探测器朝向所述有封装的包层模滤除器的封装窗口设置；

或所述光电探测器朝向所述无封装的包层模滤除器设置。

6.根据权利要求1所述的光纤激光器模式稳定性检测装置，其特征在于，所述存在信号光泄漏的光器件为模场适配器，所述光电探测器朝向所述模场适配器设置。

7.一种光纤激光器模式稳定性检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

探测光纤激光器内部的泄漏光信号，并将其转换为电信号；

显示并存储所述电信号；

根据所述电信号的显示结果判断所述光纤激光器的模式稳定性。

8.根据权利要求7所述的光纤激光器模式稳定性检测方法，其特征在于，根据所述电信号的显示结果判断所述光纤激光器的模式稳定性，具体为：

所述电信号的显示结果为直流信号时，所述光纤激光器未发生模式不稳定现象；

所述电信号的显示结果为振荡信号时，所述光纤激光器发生模式不稳定现象。