CN114284841A - 一种光纤激光器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤激光器及其控制方法。光纤激光器包括激光模块、指示光模块、光电检测模块及控制模块；激光模块用于输出激光；指示光模块与激光模块连接，用于输出指示光，指示光用于指示激光作用的位置；光电检测模块与指示光模块连接，用于检测回返光的强度，回返光由激光反射后生成，经激光模块传输到指示光模块；控制模块，用于根据光电检测模块的检测信号，控制激光模块的工作状态。本发明通过光电检测模块检测指示光模块中的回返光强度，如果控制模块判断光电检测模块的检测信号过大，则表明激光模块中的回返光强度过大，需要降低激光模块的工作功率或停止所述激光模块的激光发射工作，避免回返光强度过大对光纤激光器造成损坏。

Description

一种光纤激光器及其控制方法

技术领域

本发明涉及激光器的技术领域，尤其涉及一种光纤激光器及其控制方法。

背景技术

光纤激光器性能稳定，在很多领域都有广泛的应用。一些复杂的应用领域对光纤激光器的要求很高。比如，光纤激光器在加工高反材料时，材料表面反射的激光会通过光纤激光器输出光缆耦合至光纤激光器内部形成回返光，这些回返光作用于光纤激光器内部的核心部件，严重时会导致光纤激光器内部光纤和器件熔断，造成不必要的损失。

发明内容

基于上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种光纤激光器及其控制方法，可以监控光纤激光器中的回返光的强度，避免回返光强度过大导致光纤激光器损坏。

为实现上述目的，本发明首先提供一种光纤激光器，包括：

激光模块，用于输出激光；

指示光模块，与激光模块连接，用于输出指示光，指示光用于指示激光作用的位置；

光电检测模块，与指示光模块连接，用于检测回返光的强度，回返光由激光反射后生成，经激光模块传输到指示光模块；

控制模块，用于根据光电检测模块的检测信号，控制激光模块的工作状态。

可选地，控制模块包括：

信号采集单元，用于采集光电检测模块的检测信号；

存储单元，用于存储光电信号阈值；

信号处理单元，用于根据检测信号和光电信号阈值发送控制指令；

开关单元，用于根据信号处理单元的指令控制激光电源是否断开，以使激光模块通电或断电。

可选地，信号处理单元包括：

比较单元，用于获取并比较检测信号和光电信号阈值；

计时单元，用于记录检测信号的值大于光电信号阈值的持续时间，并根据持续时间向开关单元发送指令。

可选地，指示光模块包括指示光发射单元和空间耦合单元，光电检测模块设置在空间耦合单元上，指示光发射单元发射的指示光经过空间耦合单元后，传输到激光模块中。

可选地，空间耦合单元包括：

指示光输入光纤，与指示光发射单元连接；

指示光输出光纤，与激光模块连接；

吸收腔，与光电检测模块连接，用于吸收回返光；

镜片构件，用于反射指示光输入光纤中的指示光至指示光输出光纤，透射指示光输出光纤中的回返光至吸收腔。

可选地，激光模块包括通过传输光纤沿着激光输出方向依次连接的第一回返光剥除单元、激光发射单元及第二回返光剥除单元，传输光纤包括纤芯和包层，第一回返光剥除单元用于剥除纤芯和包层中的回返光，第二回返光剥除单元用于剥除包层中的回返光，第一回返光剥除单元与指示光模块连接。

可选地，激光发射单元包括：

多个泵浦源；

泵浦源耦合器，用于耦合多个泵浦源产生的激光；

激光振荡单元，用于接收泵浦源耦合器耦合的激光，并使激光产生振荡。

可选地，还包括激光合束器，激光模块设有多个，每个激光模块均与激光合束器连接，激光合束器的输出端与第二回返光剥除单元连接。

本发明同时提供一种光纤激光器控制方法，应用于上述的光纤激光器，该方法包括：

接收光电检测模块的检测信号，检测信号是根据光纤激光器中的回返光生成的；

获取光电信号阈值；

根据检测信号和光电信号阈值，控制光纤激光器的工作状态。

可选地，根据检测信号和光电信号阈值，控制光纤激光器的工作状态的步骤，包括：

当检测信号的值大于光电信号阈值时，开始记录检测信号的值大于光电信号阈值的持续时间；

当持续时间大于设定的时间阈值时，向光纤激光器的开关单元发送电源断开指令，使光纤激光器的激光模块断电停止输出激光。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：提供一种光纤激光器，包括激光模块、指示光模块、光电检测模块及控制模块；激光模块用于输出激光；指示光模块与激光模块连接，用于输出指示光，指示光用于指示激光作用的位置；光电检测模块与指示光模块连接，用于检测回返光的强度，回返光由激光反射后生成，经激光模块传输到指示光模块；控制模块，用于根据光电检测模块的检测信号，控制激光模块的工作状态。本发明的光纤激光器在工作时，光电检测模块检测指示光模块中的回返光强度，如果控制模块判断光电检测模块的检测信号过大，则表明激光模块中的回返光强度过大，需要降低激光模块的工作功率或停止所述激光模块的激光发射工作，避免回返光强度过大对光纤激光器造成损坏。

附图说明

为了更清楚地说明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例光纤激光器的结构示意图一；

图2是本发明实施例指示光模块的结构示意图；

图3是本发明实施例镜片构件的结构示意图；

图4是本发明实施例吸收腔的结构示意图一；

图5是本发明实施例吸收腔的结构示意图二；

图6是本发明实施例吸收腔的结构示意图三；

图7是本发明实施例光纤激光器的结构示意图二；

图8是本发明实施例光纤激光器控制方法的步骤图。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附加的图示，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

现有技术中监控回返光的方式一般包括以下三种：

1.在输出光缆内部加入热敏电阻，通过观察热敏电阻的温度间接得出回返光强度。

2.在输出光缆光纤上安装探测器来监控回返光。

3.在输出光缆光纤外，设计了一种分光棱镜，用以将加工过程中的回返光在进入光纤激光器前就反射到探测器上。

在第一种方式中，通过输出光缆内部温度间接得出回返光强度，会存在误判。

在第二种方式中，在输出光缆光纤上进行回返光监控，无法与正向传输的激光强度区分开，也容易存在误判。

在第三种方式中，在激光器输出光缆头位置加入分光棱镜，对环境清洁度要求高，操作难道较大。

针对上述现有技术的问题和不足，本发明实施例提供一种光纤激光器，如图1所示，包括激光模块1、指示光模块2、光电检测模块3及控制模块4；激光模块1用于输出激光；指示光模块2与激光模块1连接，用于输出指示光，指示光用于指示激光作用的位置；光电检测模块3与指示光模块2连接，用于检测回返光的强度，回返光由激光加工高反材料时，由高反材料表面反射后生成的，经激光模块1传输到指示光模块2；控制模块4，用于根据光电检测模块3的检测信号，控制激光模块1的工作状态。

其中，指示光可以为红光、蓝光、绿光、黄光或其他颜色的可见光。本实施例中，指示光优选为红光，指示光模块2具体为红光模块。指示光与激光的传播路径一致，在进行激光加工时，通过指示光可以知道激光作用在材料A上的具体位置。

本实施例的光纤激光器在工作时，激光作用在待加工的材料A上，经材料A反射后，进入到光纤激光器，形成回返光，回返光经过激光模块1后进入到指示光模块2中。光电检测模块3检测指示光模块2中的回返光强度，如果控制模块4判断光电检测模块3的检测信号过大，则表明激光模块1中的回返光强度过大，需要降低激光模块1的工作功率或停止所述激光模块1的激光发射工作，避免回返光强度过大对光纤激光器造成损坏。

相比通过观察热敏电阻的温度间接得出回返光强度，本实施例的光纤激光器中，光电检测模块3直接检测指示光模块2中的回返光，检测精度更高。

相比在输出光缆光纤上安装探测器来监控回返光，本实施例的光纤激光器中，光电检测模块3检测的是指示光模块2中的回返光，指示光模块2中没有输出光缆光纤上的正向激光，避免了正向激光对回返光检测结果的干扰。

相比在输出光缆光纤外，设计分光棱镜，用以将加工过程中的回返光在进入光纤激光器前就反射到探测器上，本实施例的光纤激光器无需分光棱镜，对环境清洁度要求低，操作简单，使用成本更低。

一种实施例中，控制模块4包括信号采集单元41、存储单元42、信号处理单元43及开关单元44。其中，信号采集单元41用于采集光电检测模块3的检测信号。存储单元42用于存储光电信号阈值。信号处理单元43用于根据检测信号和光电信号阈值发送控制指令。开关单元44用于根据信号处理单元43的指令控制激光电源是否断开，以使激光模块1通电或断电。当检测信号大于光电信号阈值时，信号处理单元43可以向开关单元44发送断电指令，使激光电源关闭。

一种实施例中，信号处理单元43包括比较单元431和计时单元432。其中比较单元431用于获取并比较检测信号和光电信号阈值。计时单元432用于记录检测信号的值大于光电信号阈值的持续时间，并根据持续时间向开关单元44发送指令。

一种实施例中，控制模块4还可以包括报警单元45，当开关单元44断开激光电源后，报警单元45开始发出报警信息，例如发出蜂鸣声，或者通过LED灯闪烁予以提醒，告知使用者回返光强度过大，已断开激光模块1的电源，停止输出激光。

一种实施例中，光电检测模块3包括采样电阻、光敏器件及电压检测器、激光模块1中的回返光作用在光敏器件上，使光敏器件产生回返光电流，回返光电流经过采样电阻形成回返光电压，电压检测器检测采样电阻上的回返光电压信号(即检测信号)，然后将回返光电压信号传输给信号采集单元41，信号采集单元41将回返光电压信号传输给比较单元431，比较单元431将回返光电压信号的值与存储单元42中存储的电压阈值(即光电信号阈值)进行比较，若回返光电压信号的值大于电压阈值，则计时单元432开始记录时间，若回返光电压信号的值大于电压阈值的持续时间超过时间阈值，则计时单元432向开关单元44发送指令信息，开关单元44断开激光电源。

例如，回返光电流I_back＝1mA，采样电阻3kΩ，则回返光电压信号V_back＝3V，而电压报警阈值V₀＝2.5V，那么此时，回返光电压信号V_back>V₀，此时计时器开始计时，回返光电压信号V_back>V₀的持续时间为T₁，时间阈值T₀＝10ms，当T₁>T₀时，开关单元44断开激光带能源，报警单元45发出报警信号，从而保护光纤激光器。

一种实施例中，如图2和图3所示，指示光模块2包括指示光发射单元21和空间耦合单元22，光电检测模块3设置在空间耦合单元22上，指示光发射单元21发射的指示光经过空间耦合单元22后，传输到激光模块1中。其中，空间耦合单元22包括指示光输入光纤221、指示光输出光纤222、吸收腔223及镜片构件224。指示光输入光纤221与指示光发射单元21连接；指示光输出光纤222与激光模块1连接；吸收腔223与光电检测模块3连接，用于吸收回返光；镜片构件224用于反射指示光输入光纤221中的指示光至指示光输出光纤222，透射指示光输出光纤222中的回返光至吸收腔223。

一种实施例中，镜片构件224优选为镀膜镜片，通过镀膜镜片的反射作用，可以改变指示光的传输路径和方向，方便指示光模块2内部的走线布局。该镀膜镜片可以呈45°角倾斜设置，即与指示光传播方向的夹角为45°。镀膜镜片还具有激光高透射率，激光经过镀膜镜片时，可以直接透射穿过，进入到吸收腔223中。

一种实施例中，如图2至图6所示，吸收腔223可以为长方体、球体、三角锥或其他多面体形状，本实施例不做特殊限制。

一种实施例中，空间耦合单元22上设有传输窗口225，回返光通过传输窗口225进入到吸收腔223中。吸收腔223上设有开口槽，开口槽用于放置衰减片，衰减片用于衰减回返光的强度，避免回返光强度超过光电检测模块3的范围，导致光电检测模块3无法正常检测，或者对光电检测模块3造成损伤，同时也能降低对光电检测模块3检测范围的要求。例如，光电检测模块3直接检测回返光的检测信号为5V，如果经过衰减片处理后，再检测回返光的检测信号为2.5V，这样最大检测值为3V的光电检测模块3也能用于本实施例的光纤激光器，扩大了光电检测模块3的适用范围。

一种实施例中，激光模块1包括通过传输光纤沿着激光输出方向依次连接的第一回返光剥除单元11、激光发射单元13及第二回返光剥除单元12，传输光纤包括纤芯和包层，第一回返光剥除单元11用于剥除纤芯和包层中的回返光，第二回返光剥除单元12用于剥除包层中的回返光，第一回返光剥除单元11与指示光模块2连接。

其中，第二回返光剥除单元12只剥除和削弱传输光纤包层中的回返光，这样不会影响到激光模块1正向激光的输出。第一回返光剥除单元用于剥除削弱传输光纤的纤芯和包层中的回返光，最后纤芯中较微弱的回返光进入到吸收腔223中，被光电检测模块3检测到。

一种实施例中，激光发射单元13包括多个泵浦源131、泵浦源耦合器132及激光振荡单元133。泵浦源耦合器132用于耦合多个泵浦源131产生的激光；激光振荡单元133用于接收泵浦源耦合器132耦合的泵浦光，并使激光产生振荡，形成高功率的优质激光。

其中，激光振荡单元133包括高反光栅1331、低反光栅1332及增益光纤1333，增益光纤1333连接于高反光栅1331和低反光栅1332之间。

一种实施例中，如图7所示，本实施例的光纤激光器还包括激光合束器5，激光模块1设有多个，每个激光模块1均与激光合束器5连接，激光合束器5的输出端与第二回返光剥除单元12连接。多个激光模块1产生的激光经激光合束器5聚集后，形成更大功率的激光。

一种实施例中，本实施例的激光模块还包括输出光缆14，激光模块1产生的激光经过输出光缆14向外发射出去。

一种实施例中，激光模块1可以采用MOPA(主振荡功率放大)结构，MOPA结构包括种子组件和放大组件。种子组件用于产生激光，并对激光进行振荡，形成高功率的优质激光，放大组件用于将种子部分输出的激光进行放大，形成更大功率的激光。

一种实施例中，种子组件包括种子泵浦和激光振荡单元，其中种子泵浦包括种子前向泵浦、种子后向泵浦和种子双向泵浦中的一个或多个。种子泵浦产生的激光经过激光振荡单元后，形成大功率的激光，然后再传输到放大组件。

一种实施例中，放大组件包括放大泵浦，放大泵浦包括放大前向泵浦、放大后向泵浦和放大双向泵浦中的一个或多个。在种子组件和放大组件之间可以通过第二回返光剥除单元12进行连接，以剥除或削弱传输光纤的包层中的回返光。

本发明实施例提供一种光纤激光器控制方法，应用于上述实施例提供的光纤激光器，如图8所示，该方法包括以下步骤：

步骤100，接收光电检测模块3的检测信号，检测信号是根据光纤激光器中的回返光生成的。

具体地，通过信号采集单元41接收光电检测模块3的检测信号，然后将检测信号传输给比较单元431。

步骤200，获取光电信号阈值。

具体地，比较单元431从存储单元42上读取光电信号阈值。

步骤300，根据检测信号和光电信号阈值，控制光纤激光器的工作状态。

具体地，当检测信号的值大于光电信号阈值时，开始记录检测信号的值大于光电信号阈值的持续时间。其中，通过计时单元432记录检测信号的值大于光电信号阈值的持续时间。

当持续时间大于设定的时间阈值时，向光纤激光器的开关单元44发送电源断开指令，使光纤激光器的激光模块1断电停止输出激光。其中，当持续时间大于设定的时间阈值时，通过计时单元432向开关单元44发送电源断开指令。

通过本实施例的光纤激光器控制方法，当光纤激光器在工作时，光电检测模块3检测指示光模块2中的回返光强度，如果控制模块4判断光电检测模块3的检测信号过大，则表明激光模块1中的回返光强度过大，需要降低激光模块1的工作功率或停止所述激光模块1的激光发射工作，避免回返光强度过大对光纤激光器造成损坏。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光纤激光器，其特征在于，包括：

激光模块，用于输出激光；

指示光模块，与所述激光模块连接，用于输出指示光，所述指示光用于指示所述激光作用的位置；

光电检测模块，与所述指示光模块连接，用于检测回返光的强度，所述回返光由所述激光反射后生成，经所述激光模块传输到所述指示光模块；

控制模块，用于根据所述光电检测模块的检测信号，控制所述激光模块的工作状态。

2.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述控制模块包括：

信号采集单元，用于采集所述光电检测模块的检测信号；

存储单元，用于存储光电信号阈值；

信号处理单元，用于根据所述检测信号和所述光电信号阈值发送控制指令；

开关单元，用于根据所述信号处理单元的指令控制激光电源是否断开，以使所述激光模块通电或断电。

3.根据权利要求2所述的光纤激光器，其特征在于，所述信号处理单元包括：

比较单元，用于获取并比较所述检测信号和所述光电信号阈值；

计时单元，用于记录所述检测信号的值大于所述光电信号阈值的持续时间，并根据所述持续时间向所述开关单元发送指令。

4.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述指示光模块包括指示光发射单元和空间耦合单元，所述光电检测模块设置在所述空间耦合单元上，所述指示光发射单元发射的指示光经过所述空间耦合单元后，传输到所述激光模块中。

5.根据权利要求4所述的光纤激光器，其特征在于，所述空间耦合单元包括：

指示光输入光纤，与所述指示光发射单元连接；

指示光输出光纤，与所述激光模块连接；

吸收腔，与所述光电检测模块连接，用于吸收所述回返光；

镜片构件，用于反射所述指示光输入光纤中的指示光至所述指示光输出光纤，透射所述指示光输出光纤中的回返光至所述吸收腔。

6.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述激光模块包括通过传输光纤沿着激光输出方向依次连接的第一回返光剥除单元、激光发射单元及第二回返光剥除单元，所述传输光纤包括纤芯和包层，所述第一回返光剥除单元用于剥除所述纤芯和所述包层中的回返光，所述第二回返光剥除单元用于剥除所述包层中的回返光，所述第一回返光剥除单元与所述指示光模块连接。

7.根据权利要求6所述的光纤激光器，其特征在于，所述激光发射单元包括：

多个泵浦源；

泵浦源耦合器，用于耦合所述多个泵浦源产生的激光；

激光振荡单元，用于接收所述泵浦源耦合器耦合的激光，并使激光产生振荡。

8.根据权利要求6所述的光纤激光器，其特征在于，还包括激光合束器，所述激光模块设有多个，每个所述激光模块均与所述激光合束器连接，所述激光合束器的输出端与所述第二回返光剥除单元连接。

9.一种光纤激光器控制方法，其特征在于，应用于权利要求1至8任一项所述的光纤激光器，所述方法包括：

接收光电检测模块的检测信号，所述检测信号是根据所述光纤激光器中的回返光生成的；

获取光电信号阈值；

根据所述检测信号和所述光电信号阈值，控制所述光纤激光器的工作状态。

10.根据权利要求9所述的光纤激光器控制方法其特征在于，所述根据所述检测信号和所述光电信号阈值，控制所述光纤激光器的工作状态的步骤，包括：

当所述检测信号的值大于所述光电信号阈值时，开始记录所述检测信号的值大于所述光电信号阈值的持续时间；

当所述持续时间大于设定的时间阈值时，向所述光纤激光器的开关单元发送电源断开指令，使所述光纤激光器的激光模块断电停止输出激光。

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