CN204334575U - 一种快速探测和抑制光纤中光学放电传输的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种快速探测和抑制光纤中光学放电传输的装置。包括积分球，可见光探测器以及电源控制切断电路，积分球为中空的半球体，并且内壁光滑利于反光，从而提高探测的准确性，确保及时、准确切断系统电源。同时还公开了一种基于该积分球的光学放电传输速度测量系统，主要包括两套积分球探测装置和以及一个计时电路，通过积分球内探测器的测量准确判断光学放电在特定长度光纤内开始和结束的时间，计算出其传输速度。本实用新型与现有光学放电探测系统相比结构简单、精度高、测量准确。

Description

一种快速探测和抑制光纤中光学放电传输的装置

技术领域

本发明属于光纤激光技术领域，涉及一种快速探测和抑制光纤中光学放电传输的装置。

背景技术

光纤是现代通信系统和高功率光纤激光器的重要组成部分，随着传输功率的提升，要求光纤能够承受的功率也越来越高，然而这将大大降低光纤系统的可靠性，极易产生一系列对信号提取、功率输出、甚至光纤本身的不利现象，其中较为严重的、会对系统造成永久性破坏的一类现象就是光纤熔融或者叫做光学放电（fiber fuse or optical discharge）现象。石英光纤通常情况下对其传输窗口内的光基本不会吸收，但是在高温下（约1000K），由于材料结构缺陷，光纤对传输的光的吸收会迅速增加，这又进一步增加了光纤温度使吸收更强，最终诱发纤芯材料电离，产生类似等离子体的现象。产生的等离子体对激光具有强烈的吸收，并且以几米每秒的速度沿纤芯向光源方向传播，同时伴随着黄色或白色的亮光，关闭光源传输停止，此时会在亮光经过的纤芯内观察到一连串类似子弹头形状的小孔，对光纤造成永久性破坏。光纤熔融最早是在光纤通信领域被发现和研究报导，虽然通信光纤中传输的功率一般不高，但由于纤芯比较小，功率密度较大，而维持光纤熔融传输的阈值功率密度只需要几MW/cm²，一般光纤激光器很容易达到，因此对光纤系统是一个潜在的隐患，一旦光学放电发生，若不能及时关闭光源，光纤系统有可能被完全破坏。在高功率光纤激光器系统中，由于传输的功率更高，若发生光学放电危害将更大。

对于全光纤结构的激光器系统，光纤输出头、泵浦合束器和掺杂光学熔点以及泵浦倾泻等位置较为脆弱，通常也是最容易发热的地方，这样就极有可能诱发光学放电，因此在其发生后及时发现并阻止其传播对光纤系统来说具有重要的意义。

目前来说抑制光纤中的光学放电的方法主要有两大类。在先技术之一：在光纤系统中接入一段放电阈值较高的光纤如光子晶体光纤(PCF)（Dianov E M, Frolov A A, Bufetov L, et al. The fibre fuse effect in microstructured fibres[J]. Quantum Electronics. 2004, 34(1): 59-61）、小孔辅助光纤(HAF)（Kurokawa K, Hanzawa N. Fiber fuse propagation and its suppression in hole-assisted fibers[J]. IEICE Transactions On Communications. 2011, E94-B(2): 384-391）或者拉锥光纤（Dianov E M, Bufetov I A, Frolov A A. Destruction of silica fiber cladding by the fuse effect[J]. Optics Letters. 2004, 29(16): 1852-1854）等。该技术是利用了一些特殊光纤更高的放电阈值或者在放电过程中光纤结构被破坏从而阻止其传播。但是这类方式由于需要熔接一段特殊光纤，因此都不适用于高功率光纤系统。

在先技术之二：是利用光电探测器（K. Kurokawa, and N. Hanzawa, Suppression of fiber fuse propagation and its break in compact fiber fuse terminator[C], OECC/PS, WS4-5 (2013)）或者传感元件（Rocha A M, Antunes P F D C, de Fátima F. Domingues M, et al. Detection of fiber fuse effect using FBG sensors[J]. IEEE Sensors Journal. 2011, 11(6): 1390-1394）在光纤外部探测光纤熔融发生时产生的可见光。采用探测器的方式可以在不影响现有光纤系统的情况下进行探测，可行性较高，但是现有的探测方式比较简单，一般是直接把探测器置于光纤外部，这样在实际应用中由于探测器是对可见光响应，所以很容易引起误报和漏报的情况，探测误差较大，精度低。采用传感元件探测的方式，一定程度上精度较高，但是探测系统比较复杂。因此有必要设计一种简单、可靠的探测结构增强高功率光纤系统的放电探测和抑制能力。

另外，对于光学放电的研究也需要对放电传输的速度进行探测。目前主要的方式有图像处理和直接探测两种。图像处理方式就是用快速摄像机记录下放电发生时场景，通过后期图像处理的方式获得在固定距离内放电传输的时间，从而计算出速度。直接探测方式是利用计时电路得到在一段固定长度内放电传输的时间，而计时触发信号由光电探测器探测到的信号提供。鉴于前述的传统探测方式精度难以保证，所以也需要新的探测方式。

发明内容

为了抑制光学放电的传输，提高对光学放电现象的探测精度，本发明提出了一种基于积分球的光学放电探测与抑制装置及一种提高光学放电探测精度的装置，

所述用于探测和抑制放电传输的装置包括：一个积分球、一个可见光探测器及一个激光电源切断电路，所述可见光探测器与激光电源切断电路连接，可见光探测器设置在积分球内；

所述积分球，用于收集放电产生时发出的可见光，其位置安装在容易产生放电点的待测光纤之前，积分球通过积分球固定螺孔固定在固定平板上；

固定平板上设有光纤放置槽，光纤放置在光纤放置槽内；

所述可见光探测器，用于把积分球收集到的信号转换为电信号，作为下一步控制的触发信号，该探测器置于积分球内；

所述激光电源切断电路通过探测信号传输线与积分球连接，通过电源切断信号传输线与激光系统电源连接，激光电源切断电路获得可见光探测器发出的信号，及时切断激光电源，对于通常的高功率激光系统一般包括多级放大结构，切断电路还必须控制激光电源从后级往前级依次切断，避免损坏激光器。

一种提高光学放电探测精度的装置包括：积分球Ⅰ、积分球Ⅱ、两个可见光探测器及一个计时控制电路，

所述积分球Ⅰ和积分球Ⅱ用于收集放电产生时发出的可见光，积分球Ⅰ位于待测光纤的前端，积分球Ⅱ位于待测光纤的后端；

所述两个可见光探测器，分别安装在两个积分球内；用于把积分球收集到的信号转换为电信号，一个可见光探测器收集的信号用于开启计时控制，另一个可见光探测器收集的信号用于关闭计时控制；

所述计时控制电路分别与两个积分球及激光器连接，用于根据控制信号进行开关计时，并切断激光器电源，其精度由测试需要决定；

激光器通过传输光纤与位于待测光纤前端的积分球连接。

该装置利用积分球对放电产生的可见光进行收集，信噪比高，不会漏警；同时把探测器置于积分球内，在没有放电发生时由于在密闭的环境中不会有干扰信号，因此无虚警。当光学放电发生时，放电产生的可见光会沿着纤芯传输，当传到积分球所在位置时，由于积分球较强的收光能力，探测器能迅速得到响应，产生电压信号，此时激光电源切断电路利用该信号立即切断激光电源，达到保护激光系统的目的。整个装置简单、可靠，可在现有激光器中直接应用。

本发明提供的基于积分球的光学放电探测与抑制装置及一种提高光学放电探测精度的装置，能够提高对光学放电现象的探测精度，抑制光学放电的传输。

附图说明

图1为本发明一种快速抑制光学放电传输的装置结构示意图；

图2为本发明探测光学放电产生的积分球装置示意图；

图3为本发明基于积分球的光学放电探测精度的装置结构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

一种如图1，图2所示的本发明的快速探测和抑制光学放电传输的装置包括积分球Ⅰ2，可见光探测器9，以及电源切断电路4，

所述积分球为一个空心半球体，半径在1cm左右，通过积分球固定螺孔7固定在固定平板8上，积分球材质为铝，积分球内壁需要抛光以增加光的反射；

所述固定平板8上设有光纤放置槽10；

所述光纤放置槽10内放置光纤，槽宽度在1~2mm，视所用光纤而定；

所述可见光探测器9为普通可见光响应探测器，置于积分球的小孔内；

所述激光电源切断电路4通过探测信号传输线3与积分球连接，通过电源切断信号传输线5与激光系统电源6连接。

当光学放电发生时，其传输的可见光在传输光纤1的纤芯内传输，当到达积分球2所在位置时，积分球收集的可见光被可见光探测器9响应，产生电压信号输入到电源切断电路4，切断激光系统的电源6，达到抑制放电继续传输的目的。

一般对于高功率的激光系统，都包含若干级放大，因此在控制关闭电源时，必须按照先关闭后级再关闭前级的顺序，时间间隔通常在十毫秒量级。与现有光学放电保护系统相比，基于积分球的光学放电探测和抑制系统安装方便，无需对现有激光器系统改造，探测迅速、准确，保护效果更好。

如图3所示的本发明的一种提高光学放电探测精度的装置包括积分球Ⅰ2、积分球Ⅱ15、2个可见光探测器9、计时控制电路13、激光器11及待测光纤12；

所述积分球Ⅰ2及积分球Ⅱ15分别设置在待测光纤12的前后端；两个可见光探测器9分别置于积分球Ⅰ2及积分球Ⅱ15内；计时控制电路13通过探测信号传输线3与积分球Ⅰ2连接，通过计时电路开启信号传输线14与积分球Ⅱ15连接，通过电源切断信号传输线与激光器11连接；激光器11通过传输光纤1与积分球Ⅰ2连接。

具体实施过程如下：在待测光纤的输出端诱发光纤放电产生，使其沿待测光纤向回传输，当到达积分球Ⅱ15时，可见光探测器测量到可见光信号，通过计时电路开启信号传输线14触发计时控制电路13开启计时电路，光学放电继续在待测光纤12中传输，当传输到积分球Ⅰ2时，可见光探测器再次探测到信号，通过探测信号传输线3控制计时控制电路13结束计时，并同时通过电源切断信号传输线5关闭激光器11电源。

由于待测光纤长度L可以方便的测量，通过计时控制电路又获得了传输时间t，即可计算出放电传输的速度v=L/t。与现有测量方式相比，基于积分球的放电传输速度测量系统方便准确，具有更强的实用性。

Claims (5)

1.一种快速探测和抑制光纤中光学放电传输的装置，包括积分球和可见光探测器，其特征在于，还包括一个激光电源切断电路，

所述可见光探测器与激光电源切断电路连接，可见光探测器设置在积分球内；

所述积分球，用于收集放电产生时发出的可见光，安装在容易产生放电点的待测光纤之前，积分球通过积分球固定螺孔固定在固定平板上；

固定平板上设有光纤放置槽，光纤放置在光纤放置槽内；

所述激光电源切断电路通过探测信号传输线与积分球连接，通过电源切断信号传输线与激光系统电源连接，激光电源切断电路获得可见光探测器发出的信号，切断激光电源。

2.根据权利要求1所述的一种快速探测和抑制光纤中光学放电传输的装置，其特征在于，所述积分球为一个空心半球体，半径在1cm，积分球材质为铝，积分球内壁抛光以增加光的反射。

3.根据权利要求1所述的一种快速探测和抑制光纤中光学放电传输的装置，其特征在于，所述光纤放置槽的宽度在1～2mm。

4.根据权利要求1所述的一种快速探测和抑制光纤中光学放电传输的装置，其特征在于，所述可见光探测器为普通可见光响应探测器。

5.一种提高光学放电探测精度的装置，包括：积分球Ⅰ、积分球Ⅱ、两个可见光探测器，其特征在于，还包括及一个计时控制电路，

所述积分球Ⅰ和积分球Ⅱ用于收集放电产生时发出的可见光，积分球Ⅰ位于待测光纤的前端，积分球Ⅱ位于待测光纤的后端；

所述两个可见光探测器，分别安装在积分球Ⅰ及积分球Ⅱ内；用于把收集到的信号转换为电信号，一个可见光探测器收集的信号用于开启计时控制，另一个可见光探测器收集的信号用于关闭计时控制；

所述计时控制电路分别与积分球Ⅰ、积分球Ⅱ及激光器连接，用于根据控制信号进行开关计时，并切断激光器电源；

激光器通过传输光纤与积分球Ⅰ连接。