CN113991411A - 回返光监测装置及其监测调节方法 - Google Patents

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CN113991411A CN202111327647.1A CN202111327647A CN113991411A CN 113991411 A CN113991411 A CN 113991411A CN 202111327647 A CN202111327647 A CN 202111327647A CN 113991411 A CN113991411 A CN 113991411A
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谭小妹
李文涛
李骁军
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Abstract

本发明涉及一种回返光监测装置及其监测调节方法，包括正反向光分离器、回返光功率衰减器和控制电路系统；用于分离正反向激光的正反向光分离器包括3个端口，激光从正反向光分离器的输入端口Port1进入后，从输出端口Port2输出，回返光从输出端口Port2从侧端口Port3输出后进入回返光功率衰减器，回返光功率衰减器对回返光进行功率衰减送控制电路系统监测。通过调整光纤熔融耦合部分的长度将正、反向激光的光路进行分离，采用漫反射原理对回返光进行功率衰减，通过在线调节衰减率来灵活改变衰减器可承受的额定光功率，具有结构简单、成本低廉以及可靠性高等特点，可准确监测回返光的强度并及时采取保护措施，有效避免因回返光导致的激光器损坏。

Description

回返光监测装置及其监测调节方法
技术领域
本发明涉及一种激光技术，特别涉及一种回返光监测装置及其监测调节方法。
背景技术
随着激光技术的发展，光纤激光器输出功率不断提高，应用场景越来越复杂，对光纤激光器的抗回返能力要求变得更高。在激光器正常工作或应用加工过程中，会有部分激光沿原路反射回去作用于激光器内部的核心器件，当回返光的强度达到一定阈值时会导致激光器运行不稳定或受到不可逆的损坏。因此，准确监测回返光的强度及时采取保护措施可有效避免因回返光太强导致激光器损坏。
为了解决上述问题，在先技术CN 111106512 A提供了一种处理回返光的监控装置、光纤激光器及方法，包括衰减单元、光电监测器、温度监测器以及处理器，其中衰减单元用于减弱进入光纤激光器的回返光，处理器用于接收并判断光电监测器输出的光电信号和温度监测器输出的温度信号是否大于第一预设阈值，还用于控制光纤激光器在判断光电信号和温度信号大于第一预设阈值时停止工作。在先技术方案解决了回返光对光纤激光器损害的问题，但是，采用的衰减单元可承受的光功率比较受限，当回返光功率超过其额定功率时，会造成衰减单元不可逆的损坏，导致回返光监控装置不能正常工作。
发明内容
针对光纤激光器回返光处理问题，提出了一种回返光监测装置及其监测调节方法，通过调整光纤熔融耦合部分的长度将正、反向激光的光路进行分离，采用漫反射原理对回返光进行功率衰减，可通过在线调节衰减率来灵活改变衰减器可承受的额定光功率，可准确监测回返光的强度并及时采取保护措施。
本发明的技术方案为：一种回返光监测装置，包括正反向光分离器、回返光功率衰减器和控制电路系统；用于分离正反向激光的正反向光分离器包括3个端口Port1、Port2、Port3，激光从正反向光分离器的输入端口Port1进入后，从输出端口Port2输出，回返光从输出端口Port2进入正反向光分离器后从反向光从侧端口Port3输出后进入回返光功率衰减器，回返光功率衰减器对回返光进行功率衰减后输出至控制电路系统，被监测。
优选的，所述正反向光分离器由两根双包层光纤熔融拉制而成；双包层光纤分别为主光纤和主光纤上分支出的侧臂光纤。
优选的，所述主光纤中心为主光纤纤芯，主光纤纤芯外由主光纤包层包裹，在主光纤包层外涂有主光纤涂覆层，沿着正向光光路，在侧臂光纤前端有主光纤包层光泄露段。
优选的，所述回返光功率衰减器包括回返光反射模块、回返光输出光纤和回返光探测模块，所述回返光输出光纤为正反向光分离器中的输出端口Port3，回返光输出光纤将回返光导出至回返光反射模块，回返光反射模块反射并衰减回返光后，被回返光探测模块探测后输出至控制电路系统。
优选的，所述回返光反射模块表面粗糙处理，对回返光漫反射原理衰减，衰减系数α关系式表示：α∝κ·lf·θf，其中，lf为回返光输出光纤端面与回返光反射模块表面的垂直距离，θf为回返光输出光纤与回返光反射模块20表面的夹角，κ为回返光反射模块表面的粗糙度；接收到的漫反射光功率Ps关系式：
Figure BDA0003347513290000021
其中，lp为回返光探测模块与回返光反射模块表面的垂直距离，θp为回返光探测模块与回返光反射模块表面的夹角。
一种用于激光正反向光分离的正反向光分离器，由两根双包层光纤熔融拉制而成，包含主光纤和主光纤上分支出的侧臂光纤，主光纤中心为主光纤纤芯，主光纤纤芯外由主光纤包层包裹，在主光纤包层外涂有主光纤涂覆层，沿着正向光光路，在侧臂光纤前端有主光纤包层光泄露段；主光纤和侧臂光纤熔融耦合长度为lr，主光纤包层光泄露段的长度为lx，主光纤纤芯100的直径为d1，主光纤包层的直径为d2；激光从主光纤一端Port1输入，从主光纤另一端Port2输出；回返光从主光纤输出端Port2进入，从侧臂光纤端口Port3输出。
优选的，所述正反向光分离器的正向光隔离度为IS1-2，IS1-2关系式：
Figure BDA0003347513290000031
其中，P1-3为Port1进入Port3的光功率，P1为主光纤输入端Port1注入的正向激光总功率，包括主光纤包层光功率和纤芯光功率；lx越长，P1-3越小，IS1-2越高；所述正反向光分离器的反向激光透过率T2-3关系式：
Figure BDA0003347513290000032
其中，P2-3为Port2进入Port3的光功率，P2为Port2端注入的回返光总功率；lr越长，P2-3越大，T2-3越高。
优选的，所述正反向光分离器的正向激光隔离度IS1-2＞20dB，正反向光分离器的反向激光透过率T2-3＞97％。
优选的，所述主光纤选用与激光器光路匹配的双包层无源光纤，侧臂光纤选用多模或单模双包层光纤。
一种回返光监测调节方法，包括回返光监测装置，调节步骤如下：
S1、回返光耦合进入回返光监测装置内，反向传输至正反向光分离器；正反向光分离器将激光器的正向激光、反向激光的光路分离开；
S2、反向传输的回返光耦合至Port3进入回返光功率衰减器的回返光输出光纤，从回返光监测装置内部导出，被监测，监测调节步骤如S201～S203；
S201、调节回返光输出光纤与回返光反射模块的夹角与距离；在线调节衰减系数α；
S202、回返光反射模块对回返光进行功率衰减；
S203、回返光探测模块接收经过漫反射后的回返光，进行光电信号转换；在线调节接收到的回返光功率；
S3、控制电路系统读取回返光探测模块的电信号，控制激光器工作状态；在电信号超过阈值时关闭激光。
本发明的有益效果在于：本发明回返光监测装置及其监测调节方法，通过调整光纤熔融耦合部分的长度将正、反向激光的光路进行分离，采用漫反射原理对回返光进行功率衰减，可通过在线调节衰减率来灵活改变衰减器可承受的额定光功率，具有结构简单、成本低廉以及可靠性高等特点，可准确监测回返光的强度并及时采取保护措施，能够有效避免因回返光导致的激光器损坏。
附图说明
图1为本发明回返光监测装置结构示意图；
图2为本发明正反向光分离器结构示意图；
图3为本发明正反向光分离器正向光隔离度示意图；
图4为本发明正反向光分离器正向光透过率示意图；
图5为本发明正反向光分离器反向光传输路径示意图；
图6为本发明正反向光分离器反向光透过率示意图；
图7为本发明回返光功率衰减器工作原理图；
图8为本发明回返光监测调节方法的流程图。
附图标识：1、正反向光分离器；10、主光纤；100、主光纤纤芯；101、主光纤包层；102、主光纤涂覆层；103、主光纤包层光泄露段；11、侧臂光纤；2、回返光功率衰减器；20、回返光反射模块；21、回返光输出光纤；22、回返光探测模块；3、控制电路系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示回返光监测装置结构示意图，装置包括正反向光分离器1、回返光功率衰减器2和控制电路系统3。正反向光分离器1用于分离正反向激光，包括3个端口Port1、Port2、Port3，激光从正反向光分离器1的输入端口Port1进入后，从输出端口Port2输出，回返光输出端口Port2进入后从侧端口Port3输出后进入回返光功率衰减器2后，经过降功率后送入控制电路系统3被监测。
如图2所示正反向光分离器结构示意图，正反向光分离器：用于分离正反向激光的光路，由两根双包层光纤熔融拉制而成；包含主光纤10和主光纤10上分支出的侧臂光纤11，其中主光纤10为双包层光纤，中心为主光纤纤芯100，主光纤纤芯100外由主光纤包层101包裹，在主光纤包层外涂有主光纤涂覆层102，沿着正向光光路，在侧臂光纤11前端有主光纤包层光泄露段103；lr为主光纤10和侧臂光纤11熔融耦合部分的长度，lx为主光纤包层光泄露段103的长度，d1为主光纤纤芯100的直径，d2为主光纤包层101的直径；实线箭头表示正向激光传输光路及方向(Port1至Port2)，虚线箭头表示反向激光传输光路及方向(Port2至Port3)。
正向激光包括激光器信号光、泵浦光等，信号光大部分在主光纤纤芯100中传输，少部分高阶模式的信号光和未被增益介质吸收的残余泵浦光在主光纤包层101传输。为了提高正、反向激光分离度，需要避免正向激光从Port1传输至Port3，这里将Port1至Port3的激光功率占比定义为正向光隔离度IS1-2，IS1-2关系式：
Figure BDA0003347513290000051
其中，P1-3为Port1进入Port3的光功率，P1为主光纤输入端Port1注入的正向激光总功率(包括主光纤包层光功率和纤芯光功率)。如图3所示，θ1表示进入主光纤包层101的入射光角度，θ2表示进入主光纤纤芯100的入射光角度。由光线传输原理(全反射)可知，入射光角度满足纤芯NA(数值孔径)的激光在主光纤纤芯100传输，即从Port1传输至Port2；入射光角度满足包层NA的激光在主光纤包层101传输，从Port1入射，传输至Port2，也可能传输至Port3。为了提高正向激光隔离度IS1-2，对主光纤进行包层光泄露处理，如图4所示，当Port1端注入光角度θ1一定时，P1-3与主光纤包层光泄露段103的长度lx有关：lx越长，P1-3越小，IS1-2越高。
反向激光包括激光器输出光纤端面的回返光、激光加工材料时材料表面的回返光等。如图5所示，反向激光通过光纤端面耦合进入光纤，由于d2＞d1，则耦合进入包层的回返光功率显著大于耦合进入纤芯的回返光功率。为了提高正、反向激光分离度，需要避免反向激光从Port2传输至Port1(图5)，提高Port2传输至Port3的透过率(图6)。反向激光透过率T2-3关系式：
Figure BDA0003347513290000061
其中，P2-3为Port2进入Port3的光功率，P2为Port2端注入的回返光总功率；如图6所示，当Port2端注入光角度θ3(即回返光注入光角度)一定时，P2-3与lr的长度有关：lr越长，P2-3越大，T2-3越高。
在正反向光分离器的制作工艺中，通过监控P1-3和P2-3，在线调整主光纤包层光泄露段103的长度lx和两光纤熔融耦合部分的长度lr，来制备符合应用需求的正反向光分离器，要求正向激光隔离度IS1-2＞20dB，反向激光透过率T2-3＞97％；主光纤可选用与激光器光路匹配的双包层无源光纤，包括但不限于10/125、20/400、30/250、50/400等，侧臂光纤可选用多模或单模双包层光纤，包括但不限于10/125、20/130、105/125、135/155、200/220等。
回返光功率衰减器2，如图7所示，回返光输出光纤21为正反向光分离器1中的输出端口Port3，将激光器的回返光导出至回返光反射模块20，回返光反射模块20接收的回返光总功率为P3；回返光反射模块20表面需进行粗糙处理，利用漫反射原理对接收到的回返光进行反射，P3回返光经过回返光反射模块20后的功率有所衰减，衰减系数α用以下关系式表示：α∝κ·lf·θf，其中，lf为回返光输出光纤21端面与回返光反射模块20表面的垂直距离，θf为回返光输出光纤21与回返光反射模块20表面的夹角，κ为回返光反射模块20表面的粗糙度，若lf、θf、κ越大，则α越大，相应地回返光反射模块20对回返光功率的衰减更大，衰减后光功率为Pr；回返光反射模块20反射光通过回返光探测模块22接收，接收到的漫反射光功率Ps关系式：
Figure BDA0003347513290000062
其中，lp为回返光探测模块22与回返光反射模块20表面的垂直距离，θp为回返光探测模块22与回返光反射模块20表面的夹角，若lp、θp、α越大，则Ps越小；综上，通过调整lf、θf、lp、θp等参数可在线调节功率衰减率β＝(P3-Ps)/P3，当Ps一定时(Ps≤回返光探测模块22的损坏阈值光功率)，衰减率β越大，回返光反射模块20接收的回返光总功率P3越大，即衰减器可承受的额定光功率增大。
控制电路系统3，与回返光功率衰减器2中的回返光探测模块22相连，用于判断电信号是否超过阈值，并在符合判定条件时关闭激光，从而保护激光器免受回返光的损坏。
如图8所示，一种回返光监测调节方法的流程图，包括：
S1，回返光耦合进入回返光监测装置内，反向传输至正反向光分离器；正反向光分离器1将激光器的正向激光、反向激光的光路分离开；
S2，反向传输的回返光耦合至Port3进入回返光功率衰减器的回返光输出光纤21，从回返光监测装置内部导出，被监测，监测调节步骤如S201～S203。
S201，调节回返光输出光纤21与回返光反射模块20的夹角与距离；在线调节衰减系数α。
S202，回返光反射模块20对回返光进行功率衰减。
S203，回返光探测模块22接收经过漫反射后的回返光，进行光电信号转换；在线调节接收到的回返光功率。
S3，控制电路系统3读取回返光探测模块22的电信号，控制激光器工作状态；在电信号超过阈值时关闭激光。
实施例：
正反向光分离器：用于分离正反向激光的光路，将反向传输的回返光通过Port3导出激光器；本实施例采用30/250(d1＝30um，d2＝250um)的无源光纤作主光纤，105/135(d1＝105um，d2＝135um)的无源光纤作侧臂光纤，工艺控制参数lx、lr，通过监测Port3功率，控制隔离度及透过率分别满足IS1-2＞25dB、T2-3＞98％，最终制成结构如图1所示的正反向光分离器1；
回返光功率衰减器：本实施例采用表面经磨砂处理过的、镀有黑漆的铝块作20回返光反射模块；在本实施例中，当lf＝1cm、θf＝6°；lp＝3cm、θp＝10°时，衰减器可承受＞10W回返光功率，并实现＞20dB的功率衰减；当lf＝2cm、θf＝10°；lp＝3cm、θp＝12°时，衰减器可承受＞25W回返光功率，并实现＞30dB的功率衰减。
控制电路系统：与回返光探测模块相连，用于读取回返光探测模块的电信号并判断是否超过阈值，在电信号超过阈值时启动保护机制关闭激光，从而保护激光器免受回返光损坏；在本实施例中，激光器最大可承受的回返光功率阈值为30W，此时回返光探测模块测得的电压值为0.245V，将该值设置为电压阈值，当回返光功率＞30W时，控制电路系统触发保护机制关闭激光。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种回返光监测装置，其特征在于，包括正反向光分离器、回返光功率衰减器和控制电路系统；用于分离正反向激光的正反向光分离器包括3个端口Port1、Port2、Port3，激光从正反向光分离器的输入端口Port1进入后，从输出端口Port2输出，回返光从输出端口Port2进入正反向光分离器后从反向光从侧端口Port3输出后进入回返光功率衰减器，回返光功率衰减器对回返光进行功率衰减后输出至控制电路系统，被监测。
2.根据权利要求1所述回返光监测装置，其特征在于，所述正反向光分离器由两根双包层光纤熔融拉制而成；双包层光纤分别为主光纤和主光纤上分支出的侧臂光纤。
3.根据权利要求2所述回返光监测装置，其特征在于，所述主光纤中心为主光纤纤芯，主光纤纤芯外由主光纤包层包裹，在主光纤包层外涂有主光纤涂覆层，沿着正向光光路，在侧臂光纤前端有主光纤包层光泄露段。
4.根据权利要求1所述回返光监测装置，其特征在于，所述回返光功率衰减器包括回返光反射模块、回返光输出光纤和回返光探测模块，所述回返光输出光纤为正反向光分离器中的输出端口Port3，回返光输出光纤将回返光导出至回返光反射模块，回返光反射模块反射并衰减回返光后，被回返光探测模块探测后输出至控制电路系统。
5.根据权利要求4所述回返光监测装置，其特征在于，所述回返光反射模块表面粗糙处理，对回返光漫反射原理衰减，衰减系数α关系式表示：α∝κ·lf·θf，其中，lf为回返光输出光纤端面与回返光反射模块表面的垂直距离，θf为回返光输出光纤与回返光反射模块20表面的夹角，κ为回返光反射模块表面的粗糙度；接收到的漫反射光功率Ps关系式：
Figure FDA0003347513280000011
其中，lp为回返光探测模块与回返光反射模块表面的垂直距离，θp为回返光探测模块与回返光反射模块表面的夹角。
6.一种用于激光正反向光分离的正反向光分离器，其特征在于，由两根双包层光纤熔融拉制而成，包含主光纤和主光纤上分支出的侧臂光纤，主光纤中心为主光纤纤芯，主光纤纤芯外由主光纤包层包裹，在主光纤包层外涂有主光纤涂覆层，沿着正向光光路，在侧臂光纤前端有主光纤包层光泄露段；主光纤和侧臂光纤熔融耦合长度为lr，主光纤包层光泄露段的长度为lx，主光纤纤芯100的直径为d1，主光纤包层的直径为d2；激光从主光纤一端Port1输入，从主光纤另一端Port2输出；回返光从主光纤输出端Port2进入，从侧臂光纤端口Port3输出。
7.根据权利要求6所述用于激光正反向光分离的正反向光分离器，其特征在于，所述正反向光分离器的正向光隔离度为IS1-2，IS1-2关系式：
Figure FDA0003347513280000021
其中，P1-3为Port1进入Port3的光功率，P1为主光纤输入端Port1注入的正向激光总功率，包括主光纤包层光功率和纤芯光功率；lx越长，P1-3越小，IS1-2越高；所述正反向光分离器的反向激光透过率T2-3关系式：
Figure FDA0003347513280000022
其中，P2-3为Port2进入Port3的光功率，P2为Port2端注入的回返光总功率；lr越长，P2-3越大，T2-3越高。
8.根据权利要求7所述用于激光正反向光分离的正反向光分离器，其特征在于，所述正反向光分离器的正向激光隔离度IS1-2＞20dB，正反向光分离器的反向激光透过率T2-3＞97％。
9.根据权利要求6至8中任意一项所述用于激光正反向光分离的正反向光分离器，其特征在于，所述主光纤选用与激光器光路匹配的双包层无源光纤，侧臂光纤选用多模或单模双包层光纤。
10.一种回返光监测调节方法，其特征在于，包括回返光监测装置，调节步骤如下：
S1、回返光耦合进入回返光监测装置内，反向传输至正反向光分离器；正反向光分离器将激光器的正向激光、反向激光的光路分离开；
S2、反向传输的回返光耦合至Port3进入回返光功率衰减器的回返光输出光纤，从回返光监测装置内部导出，被监测，监测调节步骤如S201～S203；
S201、调节回返光输出光纤与回返光反射模块的夹角与距离；在线调节衰减系数α；
S202、回返光反射模块对回返光进行功率衰减；
S203、回返光探测模块接收经过漫反射后的回返光，进行光电信号转换；在线调节接收到的回返光功率；
S3、控制电路系统读取回返光探测模块的电信号，控制激光器工作状态；在电信号超过阈值时关闭激光。
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