CN115882937A - 基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路及方法，该系统包括种子激光器、多个脉冲光源、多个光纤环形器、多个光纤放大器、多个WDM模块、多个光纤耦合器和多个探测器，种子激光器和至少一个脉冲光源连接一个光纤环形器，余下的脉冲光源连接余下的光纤环形器，不同的光纤环形器分别连接不同的WDM模块，不同的WDM模块与不同的光纤耦合器和探测器相连。本发明能够在不影响光纤激光器本身正常工作的状态下实时监测光纤激光器光路的断纤状态、主光路中各点光纤的温度、光路中非线性成分、激光器在工作过程中的异常回返脉冲等信息，使光纤激光器烧坏之前就切断电源，减少损失，可用在光纤激光器设计之初的方案可行性分析等场景。

Description

基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路及方法

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域，具体涉及基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路及方法。

背景技术

作为新一代的激光技术，光纤激光器具有良好的散热性能、优良的输出光束质量以及极高的光电转换效率，且结构简单、稳定可靠，使用寿命长，在激光切割、医疗、雷达等多个领域得到了广泛的使用。对光纤激光器状态进行监测有助于保障光纤激光器的安全稳定运行，将能够在光纤激光器烧坏之前切断电源，减少经济损失，但现有技术往往采用单一的信息检测，缺少能够同时监测光路中各点光纤的温度、断纤状态、光路中非线性成分、激光器在工作过程中的异常回返脉冲等信息的系统及方法，因此，无法有效的实时获得激光器工作过程中多方面的异常，这样就大大增加了激光器使用过程中失效的模式发生。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路及方法。

为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用的技术方案为：

基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路，包括种子激光器、多个脉冲光源、多个光纤环形器、多个光纤放大器、多个WDM模块、多个光纤耦合器和多个探测器，所述种子激光器和至少一个脉冲光源连接同一个光纤环形器，余下的脉冲光源连接余下的光纤环形器，相邻两个光纤环形器之间设置有光纤放大器，不同的光纤环形器分别连接不同的WDM模块，每个WDM模块均通过若干个光纤耦合器连接若干个探测器，不同的WDM模块与不同的光纤耦合器和探测器相连，通过不同的探测器实现光纤温度、非线性成分监测以及断纤监测和高反射材料监测。

在本发明提供的基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路中，所述种子激光器设有一个；所述脉冲光源设有两个，分别为小功率脉冲光源Ⅰ、小功率脉冲光源Ⅱ；所述光纤环形器设有两个，分别为光纤环形器Ⅰ、光纤环形器Ⅱ；所述光纤放大器设有两个，分别为光纤放大器Ⅰ、光纤放大器Ⅱ；所述WDM模块设有两个，分别为WDM模块Ⅰ、WDM模块Ⅱ；所述光纤耦合器设有六个，分别为光纤耦合器Ⅰ、光纤耦合器Ⅱ、光纤耦合器Ⅲ、光纤耦合器Ⅳ、光纤耦合器Ⅴ、光纤耦合器Ⅵ；所述探测器设有十二个，分别为探测器Ⅰ、探测器Ⅱ、探测器Ⅲ、探测器Ⅳ、探测器Ⅴ、探测器Ⅵ、探测器Ⅶ、探测器Ⅷ、探测器Ⅸ、探测器Ⅹ、探测器Ⅺ、探测器Ⅻ。

在本发明提供的基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路中，所述种子激光器和小功率脉冲光源Ⅰ分别与光纤环形器Ⅰ相连，所述小功率脉冲光源Ⅰ按照特定时序安排发射脉冲至光纤环形器Ⅰ，脉冲通过光纤环形器Ⅰ耦合到光纤激光器光路的光纤中，脉冲在光纤中传播时产生的背向瑞利散射用来探测光路中各节点的熔接质量和相对损耗，其产生自发拉曼散射用来探测光路中光纤的每一点的光纤温度，当经过激光器输出头与外界物质发生作用时，用来探测外界物体的反射率大小，实现光纤激光器状态监测，所述光纤环形器Ⅰ与光纤放大器Ⅰ输入端和WDM模块Ⅰ相连，所述光纤放大器Ⅰ输出端和小功率脉冲光源Ⅱ分别与光纤环形器Ⅱ相连，所述光纤环形器Ⅱ与光纤放大器Ⅱ输入端和WDM模块Ⅱ相连。

在本发明提供的基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路中，所述光纤环形器Ⅰ具有3个端口，分别记为端口①、端口②、端口③，所述种子激光器和小功率脉冲光源Ⅰ分别与光纤环形器Ⅰ的端口①相连，所述光纤环形器Ⅰ的端口②与光纤放大器Ⅰ输入端相连，所述光纤环形器Ⅰ的端口③与WDM模块Ⅰ相连，当光从光纤环形器Ⅰ的端口①进入时只能从光纤环形器Ⅰ的端口②输出，当光从光纤环形器Ⅰ的端口②进入时只能从光纤环形器Ⅰ的端口③输出。

在本发明提供的基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路中，所述种子激光器采用小功率半导体种子激光器，所述小功率半导体种子激光器采用DFB结构或FP结构的半导体激光器，其脉冲宽度经过驱动电路在1ns～500ns进行灵活调制，频率调节范围是1Hz-4MHz，波长为1030nm、1070nm、1080nm、1535nm、1550nm或1560nm。

在本发明提供的基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路中，所述光纤环形器Ⅱ具有3个端口，分别为端口①、端口②、端口③，所述光纤环形器Ⅱ的端口①连接光纤放大器Ⅰ的输出端和小功率脉冲光源Ⅱ，所述光纤环形器Ⅱ的端口②连接光纤放大器Ⅱ的输入端，所述光纤放大器Ⅱ的输出端与多级光纤激光器放大结构相连再连接激光器输出头，所述光纤环形器Ⅱ的端口③连接WDM模块Ⅱ，当光从光纤环形器Ⅱ的端口①进入时只能从光纤环形器Ⅱ的端口②输出，当光从光纤环形器Ⅱ的端口②进入时只能从光纤环形器Ⅱ的端口③输出。

在本发明提供的基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路中，所述WDM模块Ⅰ的第一个端口连接至光纤耦合器Ⅰ，分光波段为1660nm±40nm，所述WDM模块Ⅰ的第二个端口连接光纤耦合器Ⅱ，分光波段为1550nm±10nm，所述WDM模块Ⅰ的第三个端口连接光纤耦合器Ⅲ，分光波段为1450nm±40nm，所述WDM模块Ⅰ的输入端连接光纤环形器Ⅰ的端口③；所述WDM模块Ⅱ的第一个端口连接至光纤耦合器Ⅳ，分光波段为1660nm±40nm，所述WDM模块Ⅱ的第二个端口连接光纤耦合器Ⅴ，分光波段为1550nm±10nm，所述WDM模块Ⅱ的第三个端口连接光纤耦合器Ⅵ，分光波段为1450nm±40nm，所述WDM模块Ⅱ的输入端连接光纤环形器Ⅱ的端口③。

在本发明提供的基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路中，所述WDM模块Ⅰ通过光纤耦合器Ⅰ与探测器Ⅰ、探测器Ⅱ相连，所述WDM模块Ⅰ通过光纤耦合器Ⅱ与探测器Ⅲ、探测器Ⅳ相连，所述WDM模块Ⅰ通过光纤耦合器Ⅲ与探测器Ⅴ、探测器Ⅵ相连。

在本发明提供的基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路中，所述WDM模块Ⅱ通过光纤耦合器Ⅳ与探测器Ⅶ、探测器Ⅷ相连，所述WDM模块Ⅱ通过光纤耦合器Ⅴ与探测器Ⅸ、探测器Ⅹ相连，所述WDM模块Ⅱ通过光纤耦合器Ⅵ与探测器Ⅺ、探测器Ⅻ相连。

本发明还提供了基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测方法，采用如上所述的基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路进行监测，所述方法包括以下步骤：

1)温度监测

小功率脉冲光源在光纤激光器中传播时，每一点都会发生自发拉曼散射，散射光的不同成分是由探测器Ⅱ和探测器Ⅵ或者探测器Ⅷ和探测器Ⅻ采集得到并进行解调获得温度信息，最终得到光路中不同位置的光纤的温度；

2)非线性成分监测

当光纤激光器中发生受激拉曼散射时，其背向成分被探测器Ⅰ和探测器Ⅴ或者探测器Ⅶ和探测器Ⅺ接收，经处理后得到光路受激拉曼散射成分的大小；

3)断纤检测

在光路中，发射的小功率脉冲光源在光纤激光器中传播时不断发生瑞利散射，如果熔接点质量出现问题或者光纤出现断点，则产生异常背向散射脉冲，正常或异常的背向散射脉冲被探测器Ⅳ或者探测器Ⅹ采集，经处理后即可判断断纤状态；

4)高反射材料监测

小功率脉冲光源在光纤激光器中传播到激光器输出头后时，如果脉冲光经过激光器输出头以外的高反射率物质则产生异常回光脉冲，探测器Ⅲ或者探测器Ⅸ采集异常回光脉冲，实现高反射材料监测。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明公开了基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路及方法，探测器Ⅰ主要进行受激拉曼散射的斯托克斯光探测，探测器Ⅱ主要进行自发拉曼散射的斯托克斯光探测，探测器Ⅲ主要进行瑞利散射光探测，探测器Ⅳ主要进行背向菲涅尔光探测，探测器Ⅴ主要进行自发拉曼散射的反斯托克斯光探测，探测器Ⅵ主要进行自发拉曼散射的反斯托克斯光探测，探测器Ⅶ主要进行受激拉曼散射的斯托克斯光探测，探测器Ⅷ主要进行自发拉曼散射的斯托克斯光探测，探测器Ⅸ主要进行瑞利散射光探测，探测器Ⅹ主要是进行背向菲涅尔光探测，探测器Ⅺ主要进行自发拉曼散射的反斯托克斯光探测，探测器Ⅻ主要进行自发拉曼散射的反斯托克斯光探测，能够在不影响光纤激光器本身正常工作的状态下实时监测光纤激光器光路的断纤状态、主光路中各点光纤的温度、光路中非线性成分、激光器在工作过程中的异常回返脉冲等信息，通过这些信息的获取与处理，使得光纤激光器烧坏之前就切断电源，防止造成不可挽回的损失；本发明可以用在光纤激光器设计之初的方案可行性分析等场景，在方案验证阶段大大减少光器件烧坏的情况发生，可有效降低新产品开发过程中的成本；也可以用于特种增益光纤的实验数据测量，有利于光纤激光器数值仿真、理论计算方面的研究。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的运行方法一的状态图；

图3为本发明的运行方法二的状态图；

其中，1-小功率半导体种子激光器；2-小功率脉冲光源Ⅰ；3-光纤环形器Ⅰ；4-光纤放大器Ⅰ；5-小功率脉冲光源Ⅱ；6-光纤环形器Ⅱ；7-光纤放大器Ⅱ；8-多级光纤激光器放大结构；9-激光器输出头；10-探测器Ⅰ；11-探测器Ⅱ；12-探测器Ⅲ；13-探测器Ⅳ；14-探测器Ⅴ；15-探测器Ⅵ；16-光纤耦合器Ⅰ；17-光纤耦合器Ⅱ；18-光纤耦合器Ⅲ；19-WDM模块Ⅰ；20-探测器Ⅶ；21-探测器Ⅷ；22-探测器Ⅸ；23-探测器Ⅹ；24-探测器Ⅺ；25-探测器Ⅻ；26-光纤耦合器Ⅳ；27-光纤耦合器Ⅴ；28-光纤耦合器Ⅵ；29-WDM模块Ⅱ。

具体实施方式

下面对本发明进行详细阐述，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。

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

实施例1

如图1-3所示，基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路，包括小功率半导体种子激光器1、小功率脉冲光源Ⅰ2、光纤环形器Ⅰ3、光纤放大器Ⅰ4、小功率脉冲光源Ⅱ5、光纤环形器Ⅱ6、光纤放大器Ⅱ7、多级光纤激光器放大结构8、激光器输出头9、探测器Ⅰ10、探测器Ⅱ11、探测器Ⅲ12、探测器Ⅳ13、探测器Ⅴ14、探测器Ⅵ15、光纤耦合器Ⅰ16、光纤耦合器Ⅱ17、光纤耦合器Ⅲ18、WDM模块Ⅰ19、探测器Ⅶ20、探测器Ⅷ21、探测器Ⅸ22、探测器Ⅹ23、探测器Ⅺ24、探测器Ⅻ25、光纤耦合器Ⅳ26、光纤耦合器Ⅴ27、光纤耦合器Ⅵ28和WDM模块Ⅱ29，其中，小功率半导体种子激光器1和小功率脉冲光源Ⅰ2分别与光纤环形器Ⅰ3相连，光纤环形器Ⅰ3与光纤放大器Ⅰ4和WDM模块Ⅰ19相连，光纤放大器Ⅰ4与光纤环形器Ⅱ6相连，小功率脉冲光源Ⅱ5与光纤环形器Ⅱ6相连，光纤环形器Ⅱ6与光纤放大器Ⅱ7和WDM模块Ⅱ29相连，光纤放大器Ⅱ7与多级光纤激光器放大结构8相连再连接激光器输出头9，WDM模块Ⅰ19通过光纤耦合器Ⅰ16与探测器Ⅰ10、探测器Ⅱ11相连，WDM模块Ⅰ19通过光纤耦合器Ⅱ17与探测器Ⅲ12、探测器Ⅳ13相连，WDM模块Ⅰ19通过光纤耦合器Ⅲ18与探测器Ⅴ14、探测器Ⅵ15相连，WDM模块Ⅱ29通过光纤耦合器Ⅳ26与探测器Ⅶ20、探测器Ⅷ21相连，WDM模块Ⅱ29通过光纤耦合器Ⅴ27与探测器Ⅸ22、探测器Ⅹ23相连，WDM模块Ⅱ29通过光纤耦合器Ⅵ28与探测器Ⅺ24、探测器Ⅻ25相连。

小功率半导体种子激光器1是一种能够发射特定波长、特定脉宽、特定频率的峰值功率在10mw量级小功率激光器，它的输出尾纤是与光纤环形器Ⅰ3的端口①进行熔接，从光纤环形器Ⅰ3的端口②输出进行入光纤放大器Ⅰ4，它是整个激光器的脉冲光最初始的来源，它发出的光在光纤中传播并且在经过光纤放大器时被放大，由于单级光纤放大器在保证信噪比的情况下放大能力有限，所以想要获得高峰值，大单脉冲能量时就需要多级放大来获得。

小功率半导体种子激光器1可以是DFB结构的，也可以是FP结构的，本发明优选DFB结构的半导体激光器，可以获得光谱质量相当好的激光种子源，其脉冲宽度可以经过驱动电路在1ns～500ns进行灵活调制，频率调节范围是1Hz-4MHz，波长可以是1030nm、1070nm、1080nm、1535nm、1550nm、1560nm等，优选1064nm。

小功率脉冲光源Ⅰ2是可以发射特定波长、特定脉宽和特定频率的激光器。它主要的作用是按照特定时序安排来发射脉冲，这些脉冲会经过光纤环形器Ⅰ3耦合到光纤激光器光路的光纤中，它在光纤中传播时产生的背向瑞利散射可以用来探测光路中各节点的熔接质量和相对损耗，其产生自发拉曼散射可以探测光路中光纤的每一点的光纤温度。当它经过光纤激光器的输出头与外界物质发生作用时，可以探测外界物体的反射率的大小，光纤激光器可以利用这些信息对激光器系统的整个工作过程进行实时状态采集，当系统根据这些信息判断激光器将要出现危险或者正在出现非正常状态时，及时切断电源来保护激光器，防止其烧毁或损坏。它可以是半导体激光器、固体激光器或者光纤激光器，本发明优选光纤激光器，光纤激光器具有效率高、发热量小、光束质量好、易于集成等特点。波长可以是1030nm、1070nm、1080nm、1535nm、1550nm、1560nm等，优选1550nm；其脉冲宽度可以经过驱动电路在1ns～500ns进行灵活调制，频率调节范围是1Hz-4MHz。

光纤环形器Ⅰ3的主要特点是具有3个端口，分别记为端口①、端口②、端口③，当光从光纤环形器Ⅰ3的端口①进入时只能从光纤环形器Ⅰ3的端口②输出，当光从光纤环形器Ⅰ3的端口②进入时只能从光纤环形器Ⅰ3的端口③输出。光纤环形器Ⅰ3的端口①连接小功率半导体种子激光器1，端口②连接光纤放大器Ⅰ4的输入端，端口③连接WDM模块Ⅰ19。它的主要作用是在将种子光输送到光纤放大器Ⅰ4的同时可以将后级放大光路中产生的背向反射、散射光输入到WDM模块Ⅰ19进行分光处理，它的尾纤规格可以单包层或者是双包层的6/125、10/125、20/125光纤等，优选10/125单包层光纤。

光纤放大器Ⅰ4主要包括泵浦源、增益光纤、合束器、模式匹配器、光纤隔离器等；它的主要作用是将小功率半导体种子激光器1发出的激光的功率进行一定比例的放大，同时保证激光的光束质量，光谱宽度和脉冲形状不发生明显改变；它的前端连接着光纤环形器Ⅰ3的端口②，后端连接光纤环形器Ⅱ6的端口①；它的增益倍数可以是2倍、5倍、10倍、100倍等，优选100倍增益，可以将激光峰值功率提升至W量级。

小功率脉冲光源Ⅱ5，同小功率脉冲光源Ⅰ2一样，也是可以发射特定波长、特定脉宽和特定频率的激光器。它主要的作用是按照特定时序安排来发射脉冲，这些脉冲会经过光纤环形器Ⅱ6耦合到光纤激光器光路的光纤中，它在光纤中传播时产生的背向瑞利散射可以用来探测光路中各节点的熔接质量和相对损耗；其产生自发拉曼散射可以探测光路中光纤的每一点的光纤温度；当它经过光纤激光器的输出头与外界物质发生作用时，可以探测外界物体的反射率的大小，光纤激光器可以利用这些信息对激光器系统的整个工作过程进行实时状态采集，当系统根据这些信息判断激光器将要出现危险或者正在出现非正常状态时，及时切断电源来保护激光器，防止其烧毁或损坏。它可以是半导体激光器、固体激光器或者是光纤激光器，本发明优选光纤激光器，光纤激光器具有效率高、发热量小、光束质量好、易于集成等特点。波长可以是1030nm、1070nm、1080nm、1535nm、1550nm、1560nm等，优选1550nm；其脉冲宽度可以经过驱动电路在1ns～500ns进行灵活调制，频率调节范围是1Hz-4MHz。

光纤环形器Ⅱ6同光纤环形器Ⅰ3一样，光纤环形器Ⅱ6的主要特点是具有3个端口，当光从光纤环形器Ⅱ6的端口①进入时只能从光纤环形器Ⅱ6的端口②输出，当光从光纤环形器Ⅱ6的端口②进入时只能从光纤环形器Ⅱ6的端口③输出。光纤环形器Ⅱ6的端口①连接光纤放大器Ⅰ4的输出端，其端口②连接光纤放大器Ⅱ7的输入端，端口③连接WDM模块Ⅱ29。它的主要作用是在将种子光输送到光纤放大器Ⅱ7的同时可以将后级放大光路中产生的背向反射、散射光输入到WDM模块Ⅱ29进行分光处理，它的尾纤规格可以单包层或者是双包层的6/125、10/125、20/125光纤等，优选10/125单包层光纤。

光纤放大器Ⅱ7，同光纤放大器Ⅰ4一样，主要包括泵浦源、增益光纤、合束器、模式匹配器、光纤隔离器等。它的主要作用是将小功率脉冲光源Ⅱ5发出的激光的功率进行一定比例的放大，同时保证激光的光束质量，光谱宽度和脉冲形状不发生明显改变；光纤放大器Ⅱ7的前端连接着光纤环形器Ⅱ6的端口②，后端连接多级光纤激光器放大结构8再连接至激光器输出头9；它的增益倍数可以是2倍、5倍、10倍、100倍、1000倍等，优选1000倍增益，可以将激光峰值功率提升至kW量级。

多级光纤激光器放大结构8，类似于光纤放大器Ⅰ4和光纤放大器Ⅱ7，主要包括泵浦源、增益光纤、合束器、模式匹配器、光纤隔离器等，主要作用是将激光的功率进行多级放大的同时保证激光的光束质量，光谱宽度和脉冲形状不发生明显改变。

激光器输出头9，主要包括输出光纤、光纤端帽以及准直器等，它主要的作用是对放大后的高功率的激光进行准直输出，它的光纤端帽镀有输出激光波段的增透膜，使得激光的透过率达到99.999％以上，一方面可以减少激光的损失，另一方面可以防止端面损坏。

探测器Ⅰ10，是一种能够探测光信号的光电器件，它能够将脉冲信号转化成电信号，在经过TIA、运算放大器等多级放大后进入激光器的处理系统，当系统判断回波脉冲信号异常时及时关断激光器，防止激光器损坏，它的尾纤连接光纤耦合器Ⅰ16的其中一端，此探测器的类型可以是PD、PIN管、APD、SPAD、SIPM、光电倍增管等，优选APD作为探测元件，并且此APD的偏压可以灵活设置为10-50％Vbr，主要进行受激拉曼散射的斯托克斯光探测，并且探测元件的表面镀有带通光学滤光膜，只允许1660±40nm的波长通过。

探测器Ⅱ11，同探测器Ⅰ10一样，也是一种能够探测光信号的光电器件，它能够将脉冲信号转化成电信号，在经过TIA、运算放大器等多级放大后进入激光器的处理系统，当系统判断回波脉冲信号异常时及时关断激光器，防止激光器损坏，探测器Ⅱ11的尾纤连接光纤耦合器Ⅰ16的另一端，此探测器的类型可以是PD、PIN管、APD、SPAD、SIPM、光电倍增管等，优选APD作为探测元件，并且此APD的偏压设置为95％Vbr，主要是进行自发拉曼散射的斯托克斯光探测，并且探测元件的表面镀有带通光学滤光膜，只允许1660±40nm的波长通过。

探测器Ⅲ12，同探测器Ⅱ11和探测器Ⅰ10一样，探测器Ⅲ12也是一种能够探测光信号的光电器件，它能够将脉冲信号转化成电信号，在经过TIA、运算放大器等多级放大后进入激光器的处理系统，当系统判断回波脉冲信号异常时及时关断激光器，防止激光器损坏，探测器Ⅲ12的尾纤连接光纤耦合器Ⅱ17的其中一端，此探测器的类型可以是PD、PIN管、APD、SPAD、SIPM、光电倍增管等，优选APD作为探测元件，并且此APD的偏压可以灵活设置为10％-50Vbr，主要是进行瑞利散射光探测，并且探测元件的表面镀有带通光学滤光膜，只允许1550±10nm的波长通过。

探测器Ⅳ13，同探测器Ⅰ10、探测器Ⅱ11和探测器Ⅲ12一样，探测器Ⅳ13也是一种能够探测光信号的光电器件，它能够将脉冲信号转化成电信号，在经过TIA、运算放大器等多级放大后进入激光器的处理系统，当系统判断回波脉冲信号异常时及时关断激光器，防止激光器损坏，探测器Ⅳ13的尾纤连接光纤耦合器Ⅱ17的另外一端，此探测器的类型可以是PD、PIN管、APD、SPAD、SIPM、光电倍增管等，优选APD作为探测元件，并且此APD的偏压设置为95％Vbr，主要是进行背向菲涅尔光探测，并且探测元件的表面镀有带通光学滤光膜，只允许1550±10nm的波长通过。

探测器Ⅴ14，同探测器Ⅰ10、探测器Ⅱ11、探测器Ⅲ12、探测器Ⅳ13一样，探测器Ⅴ14也是一种能够探测光信号的光电器件，它能够将脉冲信号转化成电信号，在经过TIA、运算放大器等多级放大后进入激光器的处理系统，当系统判断回波脉冲信号异常时及时关断激光器，防止激光器损坏，探测器Ⅴ14的尾纤连接光纤耦合器Ⅲ18的其中一端，此探测器的类型可以是PD、PIN管、APD、SPAD、SIPM、光电倍增管等，优选APD作为探测元件，并且此APD的偏压可以灵活设置为10-50％Vbr，主要是进行自发拉曼散射的反斯托克斯光探测，并且探测元件的表面镀有带通光学滤光膜，只允许1450±40nm的波长通过。

探测器Ⅵ15，同探测器Ⅰ10、探测器Ⅱ11、探测器Ⅲ12、探测器Ⅳ13、探测器Ⅴ14类似，探测器Ⅵ15也是一种能够探测光信号的光电器件，它能够将脉冲信号转化成电信号，在经过TIA、运算放大器等多级放大后进入激光器的处理系统，当系统判断回波脉冲信号异常时及时关断激光器，防止激光器损坏，探测器Ⅵ15的尾纤连接光纤耦合器Ⅲ18的另一端，此探测器的类型可以是PD、PIN管、APD、SPAD、SIPM、光电倍增管等，优选APD作为探测元件，并且此APD的偏压设置为95％Vbr，主要是进行自发拉曼散射的反斯托克斯光探测，并且探测元件的表面镀有带通光学滤光膜，只允许1450±40nm的波长通过。

光纤耦合器Ⅰ16的主要作用是将WDM模块Ⅰ19中分出的斯托克斯拉曼光成份一分为二，分别传送至探测器Ⅰ10和探测器Ⅱ11，光纤耦合器Ⅰ16的分光比可以是1：99、10：90、20：80、50：50等，优选50：50分光比耦合器，两分光光纤中的自发拉曼散射斯托克斯光和受激拉曼散射斯托克斯光的成份分别相等。

光纤耦合器Ⅱ17的主要作用是将WDM模块Ⅰ19中分出的背向1550nm±10nm光成份一分为二，分别传送至探测器Ⅲ12和探测器Ⅳ13，光纤耦合器Ⅱ17的分光比可以是1：99、10：90、20：80、50：50等，优选50：50分光比耦合器，两分光光纤中的背向瑞利散射光和背向菲涅尔反射光的成份分别相等。

光纤耦合器Ⅲ18的主要作用是将WDM模块Ⅰ19中分出的反斯托克斯拉曼光成份一分为二，分别传送至探测器Ⅴ14和探测器Ⅵ15，此耦合器的分光比可以是1：99、10：90、20：80、50：50等，优选50：50分光比耦合器，两分光光纤中的自发拉曼散射反斯托克斯光和受激拉曼散射反斯托克斯光的成份分别相等。

WDM模块Ⅰ19的主要作用是分别将背向光中不同波段的光分出并传至光纤耦合器进行进一步分光，该模块的第一个端口连接至光纤耦合器Ⅰ16，分光波段为1660nm±40nm，第二个端口连接光纤耦合器Ⅱ17，分光波段为1550nm±10nm，第三个端口连接光纤耦合器Ⅲ18，分光波段为1450nm±40nm；WDM模块Ⅰ19的输入端连接光纤环形器Ⅰ3的端口③。

探测器Ⅶ20是一种能够探测光信号的光电器件，它能够将脉冲信号转化成电信号，在经过TIA、运算放大器等多级放大后进入激光器的处理系统，当系统判断回波脉冲信号异常时及时关断激光器，防止激光器损坏，探测器Ⅶ20的尾纤连接光纤耦合器Ⅳ26的其中一端，此探测器的类型可以是PD、PIN管、APD、SPAD、SIPM、光电倍增管等，优选APD作为探测元件，并且此APD的偏压可以灵活设置为10-50％Vbr，主要进行受激拉曼散射的斯托克斯光进行探测，并且探测元件的表面镀有带通光学滤光膜，只允许1660±40nm的波长通过。

探测器Ⅷ21，同探测器Ⅶ20一样，也是一种能够探测光信号的光电器件，它能够将脉冲信号转化成电信号，在经过TIA、运算放大器等多级放大后进入激光器的处理系统，当系统判断回波脉冲信号异常时及时关断激光器，防止激光器损坏，探测器Ⅷ21的尾纤连接光纤耦合器Ⅳ26的另一端，此探测器的类型可以是PD、PIN管、APD、SPAD、SIPM、光电倍增管等，优选APD作为探测元件，并且此APD的偏压设置为95％Vbr，主要是进行自发拉曼散射的斯托克斯光探测，并且探测元件的表面镀有带通光学滤光膜，只允许1660±40nm的波长通过。

探测器Ⅸ22，同探测器Ⅶ20、探测器Ⅷ21一样，也是一种能够探测光信号的光电器件，它能够将脉冲信号转化成电信号，在经过TIA、运算放大器等多级放大后进入激光器的处理系统，当系统判断回波脉冲信号异常时及时关断激光器，防止激光器损坏，探测器Ⅸ22的尾纤连接光纤耦合器Ⅴ27的其中一端，此探测器的类型可以是PD、PIN管、APD、SPAD、SIPM、光电倍增管等，优选APD作为探测元件，并且此APD的偏压可以灵活设置为10％-50Vbr，主要是进行瑞利散射光探测，并且探测元件的表面镀有带通光学滤光膜，只允许1550±10nm的波长通过。

探测器Ⅹ23，同探测器Ⅸ22、探测器Ⅶ20、探测器Ⅷ21一样，也是一种能够探测光信号的光电器件，它能够将脉冲信号转化成电信号，在经过TIA、运算放大器等多级放大后进入激光器的处理系统，当系统判断回波脉冲信号异常时及时关断激光器，防止激光器损坏，探测器Ⅹ23的尾纤连接光纤耦合器Ⅴ27的另外一端，此探测器的类型可以是PD、PIN管、APD、SPAD、SIPM、光电倍增管等，优选APD作为探测元件，并且此APD的偏压设置为95％Vbr，主要是进行背向菲涅尔光探测，并且探测元件的表面镀有带通光学滤光膜，只允许1550±10nm的波长通过。

探测器Ⅺ24，同探测器Ⅶ20、探测器Ⅷ21、探测器Ⅸ22、探测器Ⅹ23一样，探测器Ⅺ24也是一种能够探测光信号的光电器件，它能够将脉冲信号转化成电信号，在经过TIA、运算放大器等多级放大后进入激光器的处理系统，当系统判断回波脉冲信号异常时及时关断激光器，防止激光器损坏，探测器Ⅺ24的尾纤连接光纤耦合器Ⅵ28的其中一端，此探测器的类型可以是PD、PIN管、APD、SPAD、SIPM、光电倍增管等，此发明选择APD作为探测元件，并且此APD的偏压可以灵活设置为10-50％Vbr，主要是进行自发拉曼散射的反斯托克斯光探测，并且探测元件的表面镀有带通光学滤光膜，只允许1450±40nm的波长通过。

探测器Ⅻ25，同探测器Ⅶ20、探测器Ⅷ21、探测器Ⅸ22、探测器Ⅹ23、探测器Ⅺ24类似，探测器Ⅻ25也是一种能够探测光信号的光电器件，它能够将脉冲信号转化成电信号，在经过TIA、运算放大器等多级放大后进入激光器的处理系统，当系统判断回波脉冲信号异常时及时关断激光器，防止激光器损坏，探测器Ⅻ25的尾纤连接光纤耦合器Ⅵ28的另一端，此探测器的类型可以是PD、PIN管、APD、SPAD、SIPM、光电倍增管等，此发明选择APD作为探测元件，并且此APD的偏压设置为95％Vbr，主要是进行自发拉曼散射的反斯托克斯光探测，并且探测元件的表面镀有带通光学滤光膜，只允许1450±40nm的波长通过。

光纤耦合器Ⅳ26的主要作用是将WDM模块Ⅱ29中分出的斯托克斯拉曼光成份一分为二，分别传送至探测器Ⅶ20和探测器Ⅷ21，此耦合器的分光比可以是1：99、10：90、20：80、50：50等，在这里我们选用50：50分光比耦合器，两分光光纤中的自发拉曼散射斯托克斯光和受激拉曼散射斯托克斯光的成份分别相等。

光纤耦合器Ⅴ27的主要作用是将WDM模块Ⅱ29中分出的反斯托克斯拉曼光成份一分为二，分别传送至探测器Ⅸ22和探测器Ⅹ23，此耦合器的分光比可以是1：99、10：90、20：80、50：50等，在这里我们选用50：50分光比耦合器，两分光光纤中的自发拉曼散射反斯托克斯光和受激拉曼散射反斯托克斯光的成份分别相等。

光纤耦合器Ⅵ28的主要作用是将WDM模块Ⅱ29中分出的反斯托克斯拉曼光成份一分为二，分别传送至探测器Ⅺ24和探测器Ⅻ25，此耦合器的分光比可以是1：99、10：90、20：80、50：50等，在这里我们选用50：50分光比耦合器，两分光光纤中的自发拉曼散射反斯托克斯光和受激拉曼散射反斯托克斯光的成份分别相等。

WDM模块Ⅱ29的主要作用是分别将背向光中不同波段的光分出并传至光纤耦合器进行进一步分光，该模块的第一个端口连接至光纤耦合器Ⅳ26，分光波段为1660nm±40nm，第二个端口连接光纤耦合器Ⅴ27，分光波段为1550nm±10nm，第三个端口连接光纤耦合器Ⅵ28，分光波段为1450nm±40nm；WDM模块Ⅱ29的输入端连接光纤环形器Ⅱ6的端口③。

本发明公开了基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测方法，包括以下步骤：

1)温度监测

小功率脉冲光源在光纤激光器中传播时，每一点都会发生自发拉曼散射，散射光的不同成分是由探测器Ⅱ11和探测器Ⅵ15或者探测器Ⅷ21和探测器Ⅻ25采集得到并经过解调就可以获得温度信息，这是由于自发拉曼散射中的斯托克斯与反斯托克斯分量对温度的敏感程度不一样，所以经过解调两者的比值就可以得到整个光路结构中不同位置的光纤的温度。

2)非线性成分监测

当光纤激光器在运行过程中时，由于主脉冲光的峰值功率较高，所以会产生比较大的非线性效应，最典型的就是受激拉曼散射散射，当光纤中发生受激拉曼散射时，其背向成分会被探测器Ⅰ10和探测器Ⅴ14，或者探测器Ⅶ20和探测器Ⅺ24接收，其信号被处理过后就可以得到光路受激拉曼散射成分的大小。

3)断纤检测

在整个光路结构中，发射的小功率脉冲光源在激光器光纤中传播时不断发生瑞利散射，如果熔接点质量出现问题，或者光纤出现断点，就会有异常背向散射脉冲，这些正常的或者非正常的背向散射脉冲经过探测器Ⅳ13或者探测器Ⅹ23就可以被采集到，经过处理就可以判断信号并进行下一步处理。

4)高反射材料监测

小功率脉冲光源在激光器光纤中传播到输出头以后时，如果熔接点质量出现问题，或者光纤出现断点，也或者脉冲光经过输出头以外的高反射率物质时，就会有异常回光脉冲，背向反射脉冲经过探测器Ⅲ12或者探测器Ⅸ22就可以被采集到，当探测器一致探测到异常脉冲时，则上报信息由后续系统做下一步处理。

由于此系统中的主输出光的脉冲是1064nm，当在光路中发射1550nm脉冲光时，都不会影响到激光器本身的状态，因此，此系统的检测时序可以灵活设定其中一种检测时间段：

图2为监测光路工作于被监测激光器打开正常出光之前和关闭正常出光之后，图中关机时间段代表激光器处于电源切断状态下，待机时间段代表激光器处于电源正常工作但是泵浦源没有开启，出光时间段代表激光器电源处于供电状态并且泵浦处于打开状态，也就是激光器处于正常工作状态，图2表示监测光路的工作时间处于被监测激光器的待机状态下，此时监测光路工作的时间段可以称为运行方法一。

图3为监测光路工作于被监测激光器打开正常出光之后和关闭正常出光之前，图中关机时间段代表激光器处于电源切断状态下，待机时间段代表激光器处于电源正常工作但是泵浦源没有开启，出光时间段代表激光器电源处于供电状态并且泵浦处于打开状态，也就是激光器处于正常工作状态，图3表示监测光路的工作时间处于被监测激光器的正常出光状态下，此时监测光路工作的时间段可以称为运行方法二。

本发明未具体描述的部分或结构采用现有技术或现有产品即可，在此不做赘述。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书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.基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路，其特征在于，包括种子激光器、多个脉冲光源、多个光纤环形器、多个光纤放大器、多个WDM模块、多个光纤耦合器和多个探测器，所述种子激光器和至少一个脉冲光源连接同一个光纤环形器，余下的脉冲光源连接余下的光纤环形器，相邻两个光纤环形器之间设置有光纤放大器，不同的光纤环形器分别连接不同的WDM模块，每个WDM模块均通过若干个光纤耦合器连接若干个探测器，不同的WDM模块与不同的光纤耦合器和探测器相连，通过不同的探测器实现光纤温度、非线性成分监测以及断纤监测和高反射材料监测。

2.根据权利要求1所述的基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路，其特征在于，所述种子激光器设有一个；所述脉冲光源设有两个，分别为小功率脉冲光源Ⅰ、小功率脉冲光源Ⅱ；所述光纤环形器设有两个，分别为光纤环形器Ⅰ、光纤环形器Ⅱ；所述光纤放大器设有两个，分别为光纤放大器Ⅰ、光纤放大器Ⅱ；所述WDM模块设有两个，分别为WDM模块Ⅰ、WDM模块Ⅱ；所述光纤耦合器设有六个，分别为光纤耦合器Ⅰ、光纤耦合器Ⅱ、光纤耦合器Ⅲ、光纤耦合器Ⅳ、光纤耦合器Ⅴ、光纤耦合器Ⅵ；所述探测器设有十二个，分别为探测器Ⅰ、探测器Ⅱ、探测器Ⅲ、探测器Ⅳ、探测器Ⅴ、探测器Ⅵ、探测器Ⅶ、探测器Ⅷ、探测器Ⅸ、探测器Ⅹ、探测器Ⅺ、探测器Ⅻ。

3.根据权利要求2所述的基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路，其特征在于，所述种子激光器和小功率脉冲光源Ⅰ分别与光纤环形器Ⅰ相连，所述小功率脉冲光源Ⅰ按照特定时序安排发射脉冲至光纤环形器Ⅰ，脉冲通过光纤环形器Ⅰ耦合到光纤激光器光路的光纤中，脉冲在光纤中传播时产生的背向瑞利散射用来探测光路中各节点的熔接质量和相对损耗，其产生自发拉曼散射用来探测光路中光纤的每一点的光纤温度，当经过激光器输出头与外界物质发生作用时，用来探测外界物体的反射率大小，实现光纤激光器状态监测，所述光纤环形器Ⅰ与光纤放大器Ⅰ输入端和WDM模块Ⅰ相连，所述光纤放大器Ⅰ输出端和小功率脉冲光源Ⅱ分别与光纤环形器Ⅱ相连，所述光纤环形器Ⅱ与光纤放大器Ⅱ输入端和WDM模块Ⅱ相连。

4.根据权利要求3所述的基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路，其特征在于，所述光纤环形器Ⅰ具有3个端口，分别记为端口①、端口②、端口③，所述种子激光器和小功率脉冲光源Ⅰ分别与光纤环形器Ⅰ的端口①相连，所述光纤环形器Ⅰ的端口②与光纤放大器Ⅰ输入端相连，所述光纤环形器Ⅰ的端口③与WDM模块Ⅰ相连，当光从光纤环形器Ⅰ的端口①进入时只能从光纤环形器Ⅰ的端口②输出，当光从光纤环形器Ⅰ的端口②进入时只能从光纤环形器Ⅰ的端口③输出。

5.根据权利要求4所述的基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路，其特征在于，所述种子激光器采用小功率半导体种子激光器，所述小功率半导体种子激光器采用DFB结构或FP结构的半导体激光器，其脉冲宽度经过驱动电路在1ns～500ns进行灵活调制，频率调节范围是1Hz-4MHz，波长为1030nm、1070nm、1080nm、1535nm、1550nm或1560nm。

6.根据权利要求3所述的基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路，其特征在于，所述光纤环形器Ⅱ具有3个端口，分别为端口①、端口②、端口③，所述光纤环形器Ⅱ的端口①连接光纤放大器Ⅰ的输出端和小功率脉冲光源Ⅱ，所述光纤环形器Ⅱ的端口②连接光纤放大器Ⅱ的输入端，所述光纤放大器Ⅱ的输出端与多级光纤激光器放大结构相连再连接激光器输出头，所述光纤环形器Ⅱ的端口③连接WDM模块Ⅱ，当光从光纤环形器Ⅱ的端口①进入时只能从光纤环形器Ⅱ的端口②输出，当光从光纤环形器Ⅱ的端口②进入时只能从光纤环形器Ⅱ的端口③输出。

7.根据权利要求2所述的基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路，其特征在于，所述WDM模块Ⅰ的第一个端口连接至光纤耦合器Ⅰ，分光波段为1660nm±40nm，所述WDM模块Ⅰ的第二个端口连接光纤耦合器Ⅱ，分光波段为1550nm±10nm，所述WDM模块Ⅰ的第三个端口连接光纤耦合器Ⅲ，分光波段为1450nm±40nm，所述WDM模块Ⅰ的输入端连接光纤环形器Ⅰ的端口③；所述WDM模块Ⅱ的第一个端口连接至光纤耦合器Ⅳ，分光波段为1660nm±40nm，所述WDM模块Ⅱ的第二个端口连接光纤耦合器Ⅴ，分光波段为1550nm±10nm，所述WDM模块Ⅱ的第三个端口连接光纤耦合器Ⅵ，分光波段为1450nm±40nm，所述WDM模块Ⅱ的输入端连接光纤环形器Ⅱ的端口③。

8.根据权利要求7所述的基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路，其特征在于，所述WDM模块Ⅰ通过光纤耦合器Ⅰ与探测器Ⅰ、探测器Ⅱ相连，所述WDM模块Ⅰ通过光纤耦合器Ⅱ与探测器Ⅲ、探测器Ⅳ相连，所述WDM模块Ⅰ通过光纤耦合器Ⅲ与探测器Ⅴ、探测器Ⅵ相连。

9.根据权利要求7所述的基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路，其特征在于，所述WDM模块Ⅱ通过光纤耦合器Ⅳ与探测器Ⅶ、探测器Ⅷ相连，所述WDM模块Ⅱ通过光纤耦合器Ⅴ与探测器Ⅸ、探测器Ⅹ相连，所述WDM模块Ⅱ通过光纤耦合器Ⅵ与探测器Ⅺ、探测器Ⅻ相连。

10.基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一所述的基于光时域反射的光纤激光器状态在线监测光路进行监测，所述方法包括以下步骤：

1)温度监测

小功率脉冲光源在光纤激光器中传播时，每一点都会发生自发拉曼散射，散射光的不同成分是由探测器Ⅱ和探测器Ⅵ或者探测器Ⅷ和探测器Ⅻ采集得到并进行解调获得温度信息，最终得到光路中不同位置的光纤的温度；

2)非线性成分监测

当光纤激光器中发生受激拉曼散射时，其背向成分被探测器Ⅰ和探测器Ⅴ或者探测器Ⅶ和探测器Ⅺ接收，经处理后得到光路受激拉曼散射成分的大小；

3)断纤检测

在光路中，发射的小功率脉冲光源在光纤激光器中传播时不断发生瑞利散射，如果熔接点质量出现问题或者光纤出现断点，则产生异常背向散射脉冲，正常或异常的背向散射脉冲被探测器Ⅳ或者探测器Ⅹ采集，经处理后即可判断断纤状态；

4)高反射材料监测

小功率脉冲光源在光纤激光器中传播到激光器输出头后时，如果脉冲光经过激光器输出头以外的高反射率物质则产生异常回光脉冲，探测器Ⅲ或者探测器Ⅸ采集异常回光脉冲，实现高反射材料监测。

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