CN114374136A - 一种脉冲光纤激光器回返光监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种脉冲光纤激光器回返光监测装置，属于激光技术领域，其连接在激光器增益光纤和激光器输出头之间，包括依次连接的正向包层光处理器、正向纤芯光探测器、反向纤芯光处理器、反向包层光处理器、以及光探测器；激光器增益光纤和激光器输出头分别与正向包层光处理器和光探测器连接。本发明可以分离回返光和信号光，准确标定信号光，在线实时监测回返光功率大小。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，涉及一种光纤激光器，尤其是涉及一种脉冲光纤激光器回返光监测装置。
背景技术
脉冲光纤激光器在工业领域具有广泛的应用，在处理高反材料时，材料表面反射的激光会通过激光器的输出头耦合至激光器内部，并作用于激光器内部的核心部件，从而导致激光器运行不稳定，甚至还会对激光器造成永久性损坏。为了满足更复杂的应用场景，对回返光进行实时监测及反馈，有益于保护激光器及指导客户应用端的具体操作，避免激光器受回返光的影响。
在连续光纤激光器中，一般采用功率差值法来进行回返光的监测，具体方法是：将光电探测器置于激光器输出光纤上，当激光器正常出光、不加工材料时，标定此时光电探测器测到的电压值Vs，此电压值反馈的是激光器的信号功率Ps；当激光器加工材料时，实时记录此时光电探测器测到的电压值Va，此电压值反馈的是激光器的信号功率Ps与耦合进入激光器的回返光功率Pr之和Pa；由于Vs不变，当回返光功率Pr增大，对应的电压值△V＝Va-Vs随之增大，通过规定△V的上限，当进入激光器回返光的功率对应电压差超过△V的上限时，强制关闭激光，以避免激光器受到不可逆的损伤，间接保证了激光器工作在回返光可承受范围内。
在脉冲激光器中，采用功率差值法进行回返光的监测会遇到信号功率的标定值不唯一的问题。这是由于在实际应用中，用户需要灵活调节激光器的脉宽、频率，甚至需要调制功率来适应不同的应用场景，做到精细加工。因此，脉冲激光器输出的信号功率Ps会随设定的脉宽及重复频率发生改变，导致光电探测器测到的电压值Vs存在差异。
难点在于：对于连续光，在没有回返光的情况下标定信号光功率值，在实际应用过程中，测得的所有大于该值的光都是回返光产生的，易于量化回返光。不同于连续光，针对脉冲光而言，第一，脉冲的信号光功率随参数变化(不同脉宽、频率对应不同信号光功率，甚至客户会直接调制功率)，客户可能使用的参数组合有无数个，无法做到在应用前先一一标定功率，只能在应用过程中实时监测；第二，在应用中监测信号光功率，必须严格区分回返光和信号光，才能准确标定信号光功率，从而反推出回返光功率。可见，关键技术在于如何实时区分回返光和信号光。
发明内容
本发明的目的：提供一种脉冲光纤激光器回返光监测装置，可以分离回返光和信号光，从而准确标定信号光，并实现在线实时监测回返光功率的功能。
为了达到上述目的，本发明的技术方案提供了一种脉冲光纤激光器回返光监测装置，连接在激光器增益光纤和激光器输出头之间，包括依次连接的正向包层光处理器、正向纤芯光探测器、反向纤芯光处理器、反向包层光处理器、以及光探测器；所述激光器增益光纤和所述激光器输出头分别与所述正向包层光处理器和所述光探测器连接。
优选的，所述正向包层光处理器包括光纤纤芯、光纤包层、以及光纤涂覆层；所述光纤涂覆层上设有光纤包层光泄露处理区。
优选的，所述光纤包层光泄露处理区设于所述光纤涂覆层远离所述正向纤芯光探测器一端。
优选的，所述反向包层光处理器靠近所述光探测器一端设有反向包层光泄露处理区。
优选的，所述反向纤芯光处理器包括隔离芯、第一准直器、第二准直器、第三准直器、Port1端、Port2端、以及Port3端；
所述第一准直器和所述第三准直器设于所述隔离芯靠近所述正向纤芯光探测器一端，所述第二准直器设于所述隔离芯靠近所述反向包层光处理器一端；
所述第一准直器通过所述Port1端与所述正向纤芯光探测器连接；所述第二准直器通过所述Port2端与所述反向包层光处理器连接；所述第三准直器通过所述Port3端与反向纤芯光收集器连接。
优选的，所述隔离芯包括法拉第旋转片和两个双折射晶体；所述法拉第旋转片设于两个所述双折射晶体之间。
优选的，所述反向纤芯光处理器还连接有所述反向纤芯光收集器。
优选的，所述反向纤芯光收集器包括黑色金属壳体和密封盖。
综上所述，本发明包括以下有益技术效果：
本发明提供的一种脉冲光纤激光器回返光监测装置，可以分离回返光和信号光，从而准确标定信号光，并实现在线实时监测回返光功率的功能。
本发明不需复杂的结构、易实施、集成度高、成本低，可有效指导用户在应用端的操作以保护激光器。
附图说明
图1是本发明的脉冲光纤激光器回返光监测装置的结构图；
图2是本发明中正向包层光处理器的结构及工作原理示意图；
图3是本发明中纤芯光处理器的结构及工作原理示意图；
图4是本发明中包层光处理器的结构及工作原理示意图；
图5是本发明中正向包层光处理器作用后的正向光路示意图；
图6是本发明中反向包层光处理器和反向纤芯光处理器共同作用后的反向光路示意图。
附图标记：1、激光器增益光纤；2、回返光监测装置；21、正向包层光处理器；211、光纤涂覆层；212、光纤包层；213、光纤纤芯；214、光纤包层光泄露处理区；22、正向纤芯光探测器；23、反向纤芯光处理器；231、隔离芯；232、第一准直器；233、第二准直器；234、第三准直器；235、Port1端；236、Port2端；237、Port3端；24、反向纤芯光收集器；25、反向包层光处理器；251、反向包层光泄露处理区；26、光探测器；3、激光器输出头。
具体实施方式
以下结合附图1至附图6对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例公开一种脉冲光纤激光器回返光监测装置。本发明可以分离回返光和信号光，准确标定信号光，在线实时监测回返光功率大小，其主要功能结构如附图1虚线框内所示。附图1中最上方箭头为信号光传输方向(正向)，最下方箭头为回返光传输方向(反向)。
回返光监测装置2位于激光器增益光纤1和激光器输出头3之间，包括正向包层光处理器21、正向纤芯光探测器22、反向纤芯光处理器23、反向纤芯光收集器24、反向包层光处理器25、以及光探测器26。其中，反向纤芯光处理器23包含Port1端235、Port2端236、以及Port3端237共3个光纤端口；Port1端235与正向纤芯光探测器22出端光纤连接；Port2端236与反向包层光处理器25入端光纤连接；Port3端237与反向纤芯光收集器24相连。
正向包层光处理器21：用于滤除正向传输(定义信号激光传输的方向为正向)的包层光(包括剩余泵浦光、高阶模式的激光等)，滤除率＞18～50dB，位于激光器增益光纤1的后面。
正向包层光处理器21的结构及工作原理如附图2所示，包含光纤涂覆层211、光纤包层212、光纤纤芯213、以及光纤包层光泄露处理区214。光纤纤芯213、光纤包层212和光纤涂覆层211由内至外依次设置；光纤包层光泄露处理区214设于光纤包层212，并位于靠近激光器增益光纤1一端。
附图2中，最左侧箭头和最右侧箭头均为信号光传输方向；lx为光纤包层光泄露处理区214的长度(lx越长，包层光泄露得越多，与滤除率呈正相关)，d1为光纤纤芯213的直径，d2为光纤包层212的直径；附图2中部，虚线箭头表示光纤光轴；点划线箭头表示正向激光传输光路示意(入射角θ1的点划线箭头表示正向包层激光传输光路示意；入射角θ2的点划线箭头表示正向纤芯激光传输光路示意；)。
在本实施例中，正向包层光约20W，包括剩余泵浦光、高阶模式的激光等，包层光处理器的滤除率＞40dB，经过正向包层光处理器21后的剩余正向包层光＜2mW。附图5为正向包层光处理器21作用后的正向光路示意图，可见，正向包层光经正向包层光处理器21后泄露出光纤，不再继续传播，正向纤芯光依次传输到正向纤芯光探测器22和光探测器26处。
正向纤芯光探测器22：位于正向包层光处理器21和反向纤芯光处理器23或反向包层光处理器25之间，用于探测光纤中传输的正向纤芯信号光功率，反馈电压信号。
在本实施例中，随着脉宽、频率的改变，纤芯信号激光功率会在190～220W范围内相应改变，由于正向包层光处理器21、反向纤芯光处理器23和反向包层光处理器25的共同作用，正向纤芯光探测器22可以通过电压值准确反馈出正向纤芯信号光的功率；本实施例中，当脉宽＝100ns、频率＝200kHz时，激光器输出的信号光功率Ps1＝190W，正向纤芯光探测器22电压反馈值Vs1＝0.106；当脉宽＝20ns、频率＝5000kHz时，激光器输出的信号光功率Ps2＝220W，正向纤芯光探测器22电压反馈值Vs2＝0.121。
反向纤芯光处理器23：用于隔离纤芯中的反向传输光(包括被各种介质端面反射回来的信号光)，隔离度＞18～50dB，位于正向纤芯光电探测器后。
反向纤芯光处理器23的结构及工作原理如附图3所示，包括第一准直器232、第二准直器233、第三准直器234、Port1端235、Port2端236、Port3端237、以及1个隔离芯231。光从Port1端235进入第一准直器232，对光进行准直后射入隔离芯231，正向传输的信号光通过隔离芯231继续向前进入第二准直器233从Port2端236出射。反向传输的回返光从Port2端236进入第二准直器233对光进行准直后射入隔离芯231，经隔离芯231回返光光路发生偏移，进入第三准直器234从Port3端237导出至反向纤芯光收集器24。
其中，隔离芯231由两个双折射晶体中间夹持法拉第旋转片组成，用以保证正向传输的信号光透过，阻止反向传输的信号光沿原光路继续反向传输(利用双折射晶体的正反向光路不同及高隔离度)。
在本实施例中，反向纤芯光约5W，包括被各种介质端面反射回来的信号光等，反向纤芯光处理器23的隔离度＞50dB，经过反向纤芯光处理器23后的剩余纤芯回返光＜50μW，剩余纤芯回返光通过Port3导入至反向纤芯收集器。
反向纤芯光收集器24：用于完全收集反向纤芯光，避免反向纤芯光泄露出收集器而散射到他处，造成激光损伤；反向纤芯光收集器24包括黑色金属壳体和密封盖。
反向包层光处理器25：用于将反向传输的包层光(包括应用端被加工材料表面反射的光)滤除掉，滤除率＞18～50dB，位于反向纤芯光处理器23和光探测器26之间。
反向包层光处理器25的结构及工作原理如附图4所示，lx为反向包层光泄露处理区251的长度(lx为越长，包层光泄露的越多，与滤除率呈正相关)，虚线箭头表示反向激光传输方向，点划线表示反向传输光路示意。
在本实施例中，反向包层光约10W，包括加工材料表面反射的光，滤除率＞40dB，经过处理器的剩余反向包层光＜1mW。附图6为反向光路示意图，可见光探测器26处有反向纤芯光、反向包层光，还有附图5中的正向纤芯光。而纤芯光探测器26处仅有附图5中的正向纤芯光。综上，两个探测器电压的差值，即可反馈回返光功率的大小。
光探测器26：用于探测光纤中传输的正向纤芯信号光、反向传输的纤芯光、反向传输包层光3者的光功率总和，并反馈电压信号，位于反向包层光处理器25和激光器输出头3之间。
在本实施例中，正向纤芯信号激光在190～220W范围内相应改变，反向传输包层光约10W，反向传输纤芯光约5W，光探测器26通过电压值反馈出所有光功率的总和；当脉宽＝100ns、频率＝200kHz时，光探测器26电压反馈值Va1＝0.118；当脉宽＝20ns、频率＝5000kHz时，光探测器26电压反馈值Va2＝0.132。
因此，通过△V＝Va-Vs即可实时测量回返光功率的变化。其中，Va为正向纤芯光探测器22的电压反馈值，Vs为光探测器26的电压反馈值。
本发明不需复杂的结构、易实施、集成度高、成本低，可有效指导用户在应用端的操作以保护激光器。
以上均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种脉冲光纤激光器回返光监测装置，连接在激光器增益光纤(1)和激光器输出头(3)之间，其特征在于：包括依次连接的正向包层光处理器(21)、正向纤芯光探测器(22)、反向纤芯光处理器(23)、反向包层光处理器(25)、以及光探测器(26)；所述激光器增益光纤(1)和所述激光器输出头(3)分别与所述正向包层光处理器(21)和所述光探测器(26)连接。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲光纤激光器回返光监测装置，其特征在于：所述正向包层光处理器(21)包括光纤纤芯(213)、光纤包层(212)、以及光纤涂覆层(211)；所述光纤包层(212)上设有光纤包层光泄露处理区(214)。
3.根据权利要求2所述的一种脉冲光纤激光器回返光监测装置，其特征在于：所述光纤包层光泄露处理区(214)设于所述光纤涂覆层(211)远离所述正向纤芯光探测器(22)一端。
4.根据权利要求3所述的一种脉冲光纤激光器回返光监测装置，其特征在于：所述反向包层光处理器(25)靠近所述光探测器(26)一端设有反向包层光泄露处理区(251)。
5.根据权利要求1所述的一种脉冲光纤激光器回返光监测装置，其特征在于：所述反向纤芯光处理器(23)包括隔离芯(231)、第一准直器(232)、第二准直器(233)、第三准直器(234)、Port1端(235)、Port2端(236)、以及Port3端(237)；
所述第一准直器(232)和所述第三准直器(234)设于所述隔离芯(231)靠近所述正向纤芯光探测器(22)一端，所述第二准直器(233)设于所述隔离芯(231)靠近所述反向包层光处理器(25)一端；
所述第一准直器(232)通过所述Port1端(235)与所述正向纤芯光探测器(22)连接；所述第二准直器(233)通过所述Port2端(236)与所述反向包层光处理器(25)连接；所述第三准直器(234)通过所述Port3端(237)与反向纤芯光收集器(24)连接。
6.根据权利要求5所述的一种脉冲光纤激光器回返光监测装置，其特征在于：所述隔离芯(231)包括法拉第旋转片和两个双折射晶体；所述法拉第旋转片设于两个所述双折射晶体之间。
7.根据权利要求1所述的一种脉冲光纤激光器回返光监测装置，其特征在于：所述反向纤芯光处理器(23)还连接有所述反向纤芯光收集器(24)。
8.根据权利要求7所述的一种脉冲光纤激光器回返光监测装置，其特征在于：所述反向纤芯光收集器(24)包括黑色金属壳体和密封盖。
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