CN204495462U - 一种高功率全光纤激光器在线功率监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种高功率全光纤激光器在线功率监测装置的技术方案，该方案采用在全光纤激光器的各级输出与下一级之间的熔接点处，涂覆有低折射率涂覆胶，以加固光纤熔接点，将固定有光电探测器的金属夹具与该处熔接点封装在一起，将该装置紧贴激光器冷却热沉放置，使熔接点和光电探头的产热由金属夹具与热沉之间的热传导而带走，能够不损伤光纤，也不会破坏整个全光纤激光器结构，且光电探测器响应速度快，故可实现对激光器功率实现快速、实时、在线监测，并通过与激光器系统电源形成闭环控制，可有效保护激光器系统，测得的功率值准确度较高。

Description

一种高功率全光纤激光器在线功率监测装置

技术领域

本实用新型涉及的是激光器监测技术领域，尤其是一种高功率全光纤激光器在线功率监测装置。

背景技术

高功率全光纤激光器的在线功率监测对于保护工程化激光器的安全运行有着重要意义。对于MOPA结构高功率固体激光器，全光纤激光器常常作为种子源，若整个激光器运行过程中光纤激光器发生功率异常，将会影响整个激光器系统的性能，严重时更会引起后续整个放大链路的损毁。另一方面，对于高功率全光纤激光器本身，运行过程中易发生Fiber fuse等危险，而Fiber fuse会以很快速度沿光纤链路逆向传输，若不及时关闭激光器电源，将会使整个全光纤激光器链路完全损毁。针对上述以及其他情况，若能在全光纤激光器中加入在线实时功率监测，并与整个激光器系统电源形成闭环控制，将可以在全光纤激光器发生功率异常时及时关闭整个激光器系统，从而达到保护激光器系统和运行人员，减小损失的目的。

目前对于全光纤激光器，常在光纤链路中加入分束器分光进行功率监测，但目前分束器承受功率有限，无法满足高功率情况下的功率监测要求。美国专利“Power monitor for optical fiber using background scattering”（专利号 US 20140313513A1），主要通过监测光纤纤芯在光纤中的瑞利散射光来监测激光器功率，但其瑞利散射光功率相对较小，且它的探测需要将光纤剥掉涂覆层，将探测器与裸露光纤放置在一起，大大降低了该段光纤的机械性能。“全光纤光功率监测器”专利（专利号 CN 101325453 B）应用侧边抛磨光纤的倏逝波原理，用光电探测器对光纤侧边抛磨区出射光能进行监测，从而监测光纤激光器的输出功率，该方法会对传输光纤结构有一定损伤，激光器高功率运行时风险较大。美国专利“Integrated parameter monitoring in a fiber laser/amplifier”（专利号 US 20130087694A1）其将光电探测器与泵浦剥离器集成在一起，通过监测其中所残留在包层中的泵浦光功率和纤芯激光，监测光纤实际输出光功率。该专利提出了两种方案，第一方案利用了输出激光和残余泵浦光之间的相关关系，但是由于输出激光和残余泵浦光之间不是线性相关，后续数据处理较为困难且误差较大。第二种方案中，该专利在泵浦剥离器中加入了光纤熔接点，从而可以探测部分纤芯激光器，但由于泵浦剥离器表面为高折射率胶水，熔接点在此处的损耗散射会被快速导出，产生严重的发热，从而在高功率的全光纤激光器中应用时运行风险很大，且由于探测器同时接收到泵浦光与纤芯激光，使测量值受到干扰，从而测量结果精确度不高。

实用新型内容

本实用新型的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种高功率全光纤激光器在线功率监测装置的技术方案，该方案采用在全光纤激光器的各级输出与下一级之间的熔接点处，涂覆有低折射率涂覆胶，以加固光纤熔接点，将固定有光电探测器的金属夹具与该处熔接点封装在一起，将该装置紧贴激光器冷却热沉放置，使熔接点和光电探头的产热由金属夹具与热沉之间的热传导而带走，并将该监测装置放置在泵浦剥离器之后，利用全光纤激光器输出段熔接点处散射光与输出激光之间的良好线性关系，通过光电探测器监测熔点处的散射光，反推出激光器的实时输出功率，能够不损伤光纤，也不会破坏整个全光纤激光器结构，且光电探测器响应速度快，故可实现对激光器功率实现快速、实时、在线监测，并通过与激光器系统电源形成闭环控制，可有效保护激光器系统，测得的功率值准确度较高。

本方案是通过如下技术措施来实现的：

一种高功率全光纤激光器在线功率监测装置，包括有激光器通水热沉、光纤、高折射率紫外固化灌封胶、低折射率再涂覆层、金属夹具、光电探测器；光纤的熔接点处包裹有低折射率再涂覆层；金属夹具固定在激光器通水热沉上；金属夹具顶部沿光纤排布方向设置有光电探测器；光电探测器贯穿金属夹具顶部；金属夹具设置在低折射率再涂覆层上方；高折射率紫外固化灌封胶填充在金属夹具和光纤及低折射率再涂覆层之间。

作为本方案的优选：金属夹具通过螺钉固定在激光器通水热沉上。

作为本方案的优选：光电探测器的数量为至少一个。

作为本方案的优选：光电探测器的探测波段、响应功率范围都与传输激光和熔点散射光功率相匹配。

作为本方案的优选：高折射率紫外固化灌封胶的折射率大于低折射率再涂覆层的折射率。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中将固定有光电探测器的金属夹具与该处熔接点封装在一起，能够保证熔接点自然贯穿无应力。激光器通水热沉使熔接点和光电探头的产热由金属夹具与热沉之间的热传导而带走，可解决高功率全光纤激光器，熔接点存在一定的发热情况。光电探测器通过电线与采样和数据处理电路相连，对光电探测器进行定标，则探测器探测到的光电信号经电路数据处理后即可显示为功率信息。

由于熔接点处存在损耗，会有与传输激光成比例的散射光从熔点处再涂覆层散射出来，并在整个涂覆胶段分布。这部分散射光功率与传输激光呈良好的的线性关系，通过光电探测器接受这部分散射光，将其转换为电压信号。同时固定光电探测器与熔接点的相对位置，则光电探测器电压信号只与熔点散射光成线性相关，进而与激光器输出功率呈线性相关。故通过测量熔接点处散射出来的散射光功率，与激光器实测输出功率进行标定，则可以拟合出探测器电压与激光器功率之间的线性曲线，从而达到通过光电探测器监测激光器输出功率的目的。

特别需要指出的是，该功率监测方法需将功率监测装置放置在泵浦剥离器（或泵浦倾泄器）之后，这是由于需要监测的只是激光器的传输功率，若不加入泵浦剥离器，熔点处散射出来的光会含有较多残余泵浦光成分，使光电探测器测得的光功率不能与激光功率相对应，从而不能准确反应出激光器传输功率。

本实用新型不损伤光纤，也不会破坏整个全光纤激光器结构，且光电探测器响应速度快，故可实现对激光器功率实现快速、实时、在线监测，并通过与激光器系统电源形成闭环控制，可有效保护激光器系统。此外，由于熔点散射光与激光器传输激光呈良好的线性相关，因此采用该方法测得的功率值准确度较高。

由此可见，本实用新型与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本实用新型具体实施方式的结构示意图。

图2为本实用新型所设计的监测装置横向结构示意图。

图3为本实用新型所设计的监测装置横切面结构示意图。

图中，101为MOPA结构光纤激光器第一级输出功率监测装置；102为MOPA结构光纤激光器第二级输出功率监测装置；103为MOPA结构光纤激光器第一级；104为MOPA结构光纤激光器第二级；105为MOPA结构光纤激光器第一级中的泵浦剥离器；106为MOPA结构光纤激光器第二级中的泵浦剥离器；107为信号采集与控制电路；108为激光器电源；201为传输双包层光纤；202为高折射率紫外固化灌封胶；203为激光器通水热沉；204为金属夹具；205为低折射率再涂覆层；206为传输光纤熔接点；207为光电探测器；210为熔接点再涂覆段的散射光；309为紧固螺钉。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

图1为本实用新型的监测装置在常见MOPA结构光纤激光器中的应用，尤其是监测装置在激光器中的安装位置。本实用新型涉及的监测装置101、102应安装在每一级激光器（103、104）的输出与下级之间的熔接点处，同时必须安装于泵浦剥离器105、106之后，这是由于本实用新型是利用探测熔点处传输激光的散射光来反推激光输出功率。激光监测装置101、102通过线缆与数据采集和控制电路107连接。控制电路经过数据处理实施监控激光器的输出功率，并与设定的安全阈值进行比对，若激光器某一级功率发生异常，控制电路将根据设定程序控制电源108关断激光器供电，从而达到保护激光系统和人员安全的目的。

优选的，由于功率监控装置探测的散射光信号较弱，光电探测器获得的信号需要经过放大后传输，因此建议将信号采集放大电路和监控装置的机械件集成在一起，使光电探测器的信号在很短距离内传输到采集电路上，以减小探测信号传输的损耗和噪声的影响，进而提高功率监控的精度。

图2和图3为本实用新型设计的监测装置机械件，以及其安装方法。机械装置主要包为光纤与光电探测器夹具204。该夹具贯穿有宽度大于再涂覆后的光纤尺寸的直线槽道，如对于20/400双包层光纤201，再涂覆后熔接段206尺寸为650μm，则直线槽道宽度一般为2mm-3mm，以及大小与光电探测器匹配且沿光纤槽道顺序排列的一系列通孔，以便安装固定光电探测器207。

①将激光器输出光纤熔接点206使用折射率1.37的低折射率光纤涂覆胶再涂覆，以便保护熔点的机械性能，同时隔绝熔点处散射光被其他高折射率环境大量导出。

②优选的，由于高功率光纤激光器中输出光纤熔接点存在一定的发热情况，因此常常将该熔点放置在激光器冷却热沉203上并紧贴以散热，并保证该段熔接点光纤段自然无应力。

③将监测装置夹具204从上而下盖住熔接点光纤段206，使该段光纤完全被夹具容纳且无干涉，并使用紧固螺钉309将金属夹具与冷却热沉固定，使用紧固螺钉将光电探测器207与装置夹具固定。

④所选用的光电探测器207应该使其相应波段与激光器激光波段相匹配，且响应功率范围应与熔点处散射光功率相匹配。优选的，高功率全光纤激光器输出端熔点处散射光功率一般在百微瓦到百毫瓦量级，激光波段一般在1μm-2μm波段，因此可选用如InGaAs光电二极管等类似器件作为散射光光电探测器，其探测功率范围、接收波段、响应速度等都符合探测所需要求。优选的，为了防止光电探测器周围环境光、残余泵浦光等的影响，可以在InGaAs光电二极管的探测窗口上镀上带通滤波膜系，使光电探测器只能接收到激光器熔点处的散射激光。

⑤将光电探头与数据采集处理电路107连接，从低到高加载激光器，记录采集电路获得的电压信号与激光器输出功率值，若光电探头获的信号很小或者已经饱和，则松开光电探头紧固螺钉，沿通孔排列更改光电探头的相对位置，使光电探测器的响应值在整个激光器加载过程中都处在其响应范围的线性区域内，既不微弱也不饱和。经过调整后，光电探测器测得的电压值与激光器输出功率呈良好的线性关系，通过多个特征点数据采集，则可以拟合出光电探测器电压信号与激光器输出功率之间的线性曲线，从而通过获取光电探测器的电压信号，反推出激光器的实时功率值。

⑥最后，为了保证光纤熔点206、金属夹具204以及光电探测器207这三者之间的相对位置不变，因此从夹具槽道两侧往内加入紫外固化胶并予以固化。优选的，由于本实用新型的监测方法需探测熔点再涂覆段205的散射光，因此常在槽道内再涂覆段与光电探测器之间灌封上透明、且折射率大于再涂覆段涂覆胶的固化胶，如折射率为1.55的NOA 155。通过灌封进高折射率胶水的方法，改变了熔点与光电探测器之间的折射率布局（[熔点-低折射率胶-空气-光电探测器]→[熔点-低折射率胶-高折射率胶-光电探测器]），使再涂覆层中的散射光210不会发生全反射，能更容易进入到光电探测器中。

⑦优选的，由于熔接点散射光210引起的功率监测装置内部（201、202、204）的热形变，以及探测电路107中的噪声影响，单个探头所拟合的曲线可能与实际值有所偏差。利用该熔接点再涂覆段整段光纤上都会有散射光发射，可在监测装置的不同位置再加装一个光电探测器207，由于位置不同，该探测器也可以拟合出一条与光电探测器207不同的线性曲线，通过两条拟合曲线的数据处理，可以将单个探测器拟合得到的功率误差予以抵消，故通过双探头测量，可获得更精确的激光器在线功率监测效果。

以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求限定。

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式，本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种高功率全光纤激光器在线功率监测装置，其特征是：包括有激光器通水热沉、光纤、高折射率紫外固化灌封胶、低折射率再涂覆层、金属夹具、光电探测器；所述光纤的熔接点处包裹有低折射率再涂覆层；所述金属夹具固定在激光器通水热沉上；所述金属夹具顶部沿光纤排布方向设置有光电探测器；所述光电探测器贯穿金属夹具顶部；所述金属夹具设置在低折射率再涂覆层上方；所述高折射率紫外固化灌封胶填充在金属夹具和光纤及低折射率再涂覆层之间。

2. 根据权利要求1所述的一种高功率全光纤激光器在线功率监测装置，其特征是：所述金属夹具通过螺钉固定在激光器通水热沉上。

3. 根据权利要求1所述的一种高功率全光纤激光器在线功率监测装置，其特征是：所述光电探测器的数量为至少一个。

4. 根据权利要求1所述的一种高功率全光纤激光器在线功率监测装置，其特征是：所述光电探测器的探测波段、响应功率范围都与传输激光和熔点散射光功率相匹配。

5. 根据权利要求1所述的一种高功率全光纤激光器在线功率监测装置，其特征是：所述高折射率紫外固化灌封胶的折射率大于低折射率再涂覆层的折射率。