CN209150478U - 一种光纤激光器保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光纤激光器保护电路，该光纤激光器保护电路包括：设置在光纤激光器光路上以检测光纤包层漏光大小的光电检测器,比较光电检测器的检测信号和漏光参考信号的光信号比较器,根据光信号比较器的输出结果关闭泵浦源驱动器的高速保护控制器、为光信号比较器提供漏光参考信号的数模转换器以及连接控制高速保护控制器和数模转换器的微处理器。本方案利用光电检测器检测光纤包层漏光大小、并根据检测结果，当异常情况出现时，由高速保护控制器迅速做出反应，立即关闭泵浦源驱动器，实现对光纤激光器故障的快速响应，避免光纤激光器烧毁或引起火灾等意外。

Description

一种光纤激光器保护电路

技术领域

本实用新型涉及激光技术领域，特别涉及一种光纤激光器保护电路。

背景技术

光纤激光器(Fiber Lasers)是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出，包括泵浦源、波分复用器(Wavelength Division Multiplexing，简写WDM)、有源光纤、光栅、包层功率剥离器(Cladding Power Stripper，简写CPS)、(Quartz Block Head，简写QBH)等元件。

然而，现有光纤激光器保护系统响应速度很慢，速度在毫秒级，而在光纤激光器出现不可恢复灾难性的故障时，以这么慢的速度，既不能保护光纤激光器内部的光学子系统包括昂贵的光学器件如泵浦源、有源光纤、光栅、CPS、QBH等，也很难保护电控子系统和冷却子系统，因而有可能引起火灾，造成人员伤亡和财产损失。

实用新型内容

鉴于现有技术光纤激光器保护系统响应速度慢的问题，提出了本实用新型的一种光纤激光器保护电路，以便克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种光纤激光器保护电路，该光纤激光器保护电路包括：设置在光纤激光器光路上以检测光纤包层漏光大小的光电检测器、比较光电检测器的检测信号和漏光参考信号的光信号比较器、根据光信号比较器的输出结果关闭泵浦源驱动器的高速保护控制器、为光信号比较器提供漏光参考信号的数模转换器以及连接高速保护控制器和数模转换器的微处理器。

可选地，光电检测器包括如下的一个或多个：设置在波分复用器前侧处的第一光电检测器、设置在有源光纤后的光栅后侧处的第二光电检测器、设置在包层功率剥离器处的第三光电检测器以及设置在光纤输出元件前侧处的第四光电检测器。

可选地，该光纤激光器保护电路还包括：设置在光电检测器和光信号比较器之间的检测放大电路。

可选地，微处理器通过报警信号线路接收高速保护控制器发出的激光器故障报警信号，并通过内部使能线路、复位线路、报警清除线路、光电检测器报警屏蔽线路和内部调制信号线路中的一种或多种连接控制高速保护控制器。

可选地，对应每个光电检测器，分别设置有两个光信号比较器，以分别将光电检测器的检测信号与漏光参考信号的上限阈值和下限阈值进行比较。

可选地，高速保护控制器设有接收外部使能信号、互锁信号、外部急停信号和外部调制信号中一种或多种的输入接口。

可选地，该光纤激光器保护电路还包括：用于比较功率设定值和功率参考值的功率比较器；高速保护控制器连接功率比较器以根据功率比较器的输出结果关闭泵浦源驱动器。

可选地，数模转换器连接功率比较器为功率比较器提供功率参考值。

可选地，光信号比较器和功率比较器均为滞回比较器。

可选地，高速保护控制器包括离散的触发器或现场可编程门阵列。

综上所述，本实用新型的有益效果是：

利用光电检测器检测光纤包层漏光大小，并根据比较结果使用高速保护控制器关闭泵浦源驱动器，实现对光纤激光器故障的快速响应，避免光纤激光器烧毁或引起火灾等意外。

而且，在本实用新型的优选方案中，设计有更加全面的保护电路，高速保护控制器能够接收光信号比较结果、激光器使能信号、功率设定值比较结果和激光器调制信号等，在这些信号触发下产生快速报警和保护。从而，能够实现根据光信号比较结果、激光器是否被使能、有无设定功率、激光器是否在调制等条件决定何时产生快速报警和保护，可防范的情况多、范围广，保护作用更加丰富可靠。

附图说明

图1为本实用新型光纤激光器保护电路一个实施例的组成结构示意图；

图2为本实用新型光纤激光器保护电路一个实施例中光电检测器设置位置示意图；

图3为本实用新型光纤激光器保护电路一个实施例关闭泵浦源驱动器的原理示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，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；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本实用新型的技术构思是：利用光电检测器检测光纤包层漏光大小，并根据比较结果使用高速保护控制器关闭泵浦源驱动器，实现对光纤激光器故障的快速响应，避免光纤激光器烧毁或引起火灾等意外。

图1为本实用新型光纤激光器保护电路一个实施例的组成结构示意图，如图1所示，一种光纤激光器保护电路，该光纤激光器保护电路包括：设置在光纤激光器光路上以检测光纤包层漏光大小的光电检测器(即图1中的PD1、PD2、PD3和PD4)、比较光电检测器的检测信号和漏光参考信号的光信号比较器、根据光信号比较器的输出结果关闭泵浦源驱动器的高速保护控制器、为光信号比较器提供漏光参考信号的数模转换器以及连接控制高速保护控制器和数模转换器的微处理器。

参考图1所示电路，本申请的光纤激光器保护电路设有光电检测器，这些光电检测器放在光纤激光器光路上适当的位置，可以检测这些位置附近从光纤包层出来的漏光，并通过光信号比较器将检测到的信号与光信号参考信号比较，从而获得光纤激光器的工作状态。当检测到光纤激光器的漏光状态发生异常时，可快速判断光纤激光器发生故障，并通过高速保护控制器关闭泵浦源驱动器，响应速度在微秒级(如1-2微秒)范围内，从而保护了光纤激光器内部的光学子系统包括昂贵的光学器件如泵浦源、有源光纤、光栅、CPS、QBH等，而且还避免了可能由此造成的引起火灾、人员伤亡和财产损失。微处理器连接数模转化器，是用以调整数模转化器输出的漏光参考信号，连接高速保护控制器是为了获取光纤激光器的故障状态信息和控制高速保护控制器的工作状态。

在本实施例中，高速保护控制器包括离散的触发器或现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，简写FPGA)，从而保证具有高速响应速度(微秒级)，以迅速关断泵浦源驱动器，保护光纤激光器不被烧毁。

图2为本实用新型光纤激光器保护电路一个实施例中光电检测器设置位置示意图，参考图2所示，光电检测器包括如下的一个或多个：设置在波分复用器前侧处的第一光电检测器PD1、设置在有源光纤后的光栅后侧处的第二光电检测器PD2、设置在包层功率剥离器处的第三光电检测器PD3以及设置在光纤输出元件前侧处的第四光电检测器PD4。

在本实施例中，上述光电检测器PD1～PD4均采用光敏二极管。优选地，在图2中，PD1，PD2和PD4用来作为上限报警的光电检测器，当检测到漏光过高，可知光纤激光器发生故障，以使高速保护控制器迅速生成关断驱动器1～n(n为正整数，表示驱动器数量)或其电源的电信号；由于包层功率剥离器CPS能够吸收在双包层光纤中内包层部分传输的光，因此，PD3用来作为下限报警的光电检测器，检测光纤激光器是否正常工作。在实际的使用中，光电检测器的数量和位置不限于图2中所示，光电检测器的数量可能减少或增加，用于检测上下限报警的光电检测器的数量也可不同，可根据光纤激光器的实际大小和要求设置，每个光电检测器的安装位置和方向都需要设定和校准，以保证漏光检测信号的准确性。

如图3所示，泵浦源驱动器能接受高速保护控制器的电子控制信号，这些电子控制信号如图3中所示的“电子控制1”，“电子控制2”,…,“电子控制n-1”,“电子控制n”，泵浦源驱动器在收到这些电子控制信号后，可以在几微秒内切断泵浦源的电源，从而起到微秒级的快速保护作用。

在本实施例中，如图1所示，该光纤激光器保护电路还包括：设置在光电检测器和光信号比较器之间的检测放大电路，以放大光电检测器检测漏光生成的电信号，以供后续的光信号比较器使用。

在本实施例中，如图1所示，微处理器通过报警信号线路接收高速保护控制器发出的激光器故障报警信号，其中，故障报警信号既包括发生故障后锁定故障状态的锁住的PD报警信号，又包括指示故障是由哪个光电检测器检测到的PD报警源信号，从而保证电路保护状态的稳定可靠，同时迅速实现故障定位。此外，微处理器通过内部使能线路、逻辑控制线路、逻辑复位线路、报警清除线路、光电检测器报警屏蔽线路(图2中包括PD1、PD2、PD3和PD4的报警屏蔽线路)和内部调制信号线路中的一种或多种连接控制高速保护控制器，以分别通过微处理器实现保护电路内部对高速保护控制器的内部使能、逻辑控制、逻辑复位、报警清除、光电保护器报警屏蔽和内部调制通知。

在本实施例中，如图1所示，高速保护控制器设有接收外部使能信号、互锁信号、外部急停信号和外部调制信号中一种或多种的输入接口。当激光器收到外部急停信号和互锁信号等信号时，高速保护控制器可以关断驱动器和驱动器的电源，从而可以供使用者灵活开发，在需要外部信号控制的情况下，灵活接入使能、互锁、急停和调制等信号，以满足对光纤激光器的全面灵活保护。

在本实施例中，如图1所示，对应每个光电检测器，分别设置有两个光信号比较器，以分别将光电检测器的检测信号与漏光参考信号的上限阈值和下限阈值进行比较。

本保护电路在收集到来自各路光电检测器的漏光检测信号后，由高速保护控制器判断这些漏光检测信号是否在正常工作范围内，是否超出了允许的上下限阈值。当来自某一个光电检测器的信号远超出其设定的上限或下限时，表明光纤激光器的相应的部分出现了不可恢复的、灾难性的故障，高速保护控制器在1-2微秒内，发出电子控制信号，迅速关断所有的泵浦源驱动器，以避免光纤激光器损坏。

此外，各个光电检测器之间的检查结果还可以相互配合使用，例如，当高速保护控制器检测到两个及以上的光电检测器的输出结果同时满足预设条件时，才判断光纤激光器产生故障，从而在更复杂、更准确的情况下关断泵浦源驱动器，保护光纤激光器。

在本实施例中，如图1所示，该光纤激光器保护电路还包括：用于比较功率设定值和功率参考值的功率比较器，当然，本领域技术人员可理解的，功率检测可以是对功率的直接检测结果，也可以是检测电压或电流值，这些方式在多数时候是等同的。在此基础上，高速保护控制器连接功率比较器以根据功率比较器的输出结果关闭泵浦源驱动器，优选地，功率比较器的输出结果配合光电检测器的输出结果一并使用，例如，在激光器的功率或电流设定值较大时才允许高速保护控制器根据光电检测器的检测结果关断泵浦源驱动器，从而避免激光器出光之前或激光器处于调制状态时，漏光强度过小导致低于光电检测器的下限阈值而产生错误的报警关断。

在上述设置功率比较器的基础上，如图1所示，在本实施例中，数模转换器同时连接功率比较器为功率比较器提供功率参考值。

在本实施例中，为了提高光纤激光器保护电路报警的抗干扰能力，光信号比较器和功率比较器均为滞回比较器，带有迟滞回环。

结合图1-3所示，说明本保护电路的工作原理：

图1中锁住的PD报警信号，是一个自锁信号，一经产生一直保留，直到操作员排除故障，再从微处理器(或单片机)发出复位信号，锁住的PD报警信号才被清除。同样地，在产生PD报警以后，驱动器和驱动器电源被高速保护控制器立即关断，并保持关断，直到操作员发出复位信号后，它们才可以被重新启动。

此外，图1-图3所示的实施例中，还解决了光纤激光器保护过程中的如下问题：(1)由于光纤激光器从设定电流或功率到实际出光有一定的延迟，一般在一到几个微秒，这主要取决于驱动器和光路的延迟，因而，在这段时间出现了有电流或功率设定值而没有出光的矛盾，因此，由于光电检测器检测不到漏光，会产生无光的下限报警；本实施例通过适当地延迟电流或功率设定值的比较结果，解决了上述问题。(2)当激光器处于调制状况时，由于调制设定的电流或功率时有时无，在没有电流或功率设定值时，也会出现类似上述(1)的情况，出现下限误报警，本实施例通过输入内、外调制信号给高速保护控制器，使高速保护控制器的保护功能与激光器的调制信号同步，从而避免出现误报警而关断驱动器的情况发生。(3)在关断激光器时或激光器调制的下降沿到达时，下限报警的光电检测器所检测到的漏光已经低于设定的阈值，但是电流或功率设定值还未降到其本身的阈值，在这种情况下，也会产生误报警，本实施例通过利用更多光电检测器的下限检测值来同时判断，以屏蔽该种误报警的情况。

由此，在本申请图1-图3所示的优选实施方式中，设计有更加全面的保护电路，高速保护控制器能够接收光信号比较结果、激光器使能信号(包括内外使能信号)、功率设定值比较结果和激光器调制信号等，在这些信号的触发下产生快速报警和保护，从而，根据光信号比较结果、激光器是否被使能、有无设定功率、激光器是否在调制等条件决定何时产生快速报警和保护，可防范的情况多、范围广，保护作用更加丰富可靠。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，在本实用新型的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本实用新型的目的，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光纤激光器保护电路，其特征在于，该光纤激光器保护电路包括：设置在光纤激光器光路上以检测光纤包层漏光大小的光电检测器，比较所述光电检测器的检测信号和漏光参考信号的光信号比较器，根据光信号比较器的输出结果关闭泵浦源驱动器的高速保护控制器、为所述光信号比较器提供漏光参考信号的数模转换器以及连接所述高速保护控制器和所述数模转换器的微处理器。

2.根据权利要求1所述的光纤激光器保护电路，其特征在于，所述光电检测器包括如下的一个或多个：设置在波分复用器前侧处的第一光电检测器、设置在有源光纤后的光栅后侧处的第二光电检测器、设置在包层功率剥离器处的第三光电检测器以及设置在光纤输出元件前侧处的第四光电检测器。

3.根据权利要求1所述的光纤激光器保护电路，其特征在于，该光纤激光器保护电路还包括：设置在所述光电检测器和所述光信号比较器之间的检测放大电路。

4.根据权利要求1所述的光纤激光器保护电路，其特征在于，所述微处理器通过报警信号线路接收所述高速保护控制器发出的激光器故障报警信号，并通过内部使能线路、复位线路、报警清除线路、光电检测器报警屏蔽线路和内部调制信号线路中的一种或多种连接控制所述高速保护控制器。

5.根据权利要求1所述的光纤激光器保护电路，其特征在于，对应每个所述光电检测器，分别设置有两个所述光信号比较器，以分别将所述光电检测器的检测信号与漏光参考信号的上限阈值和下限阈值进行比较。

6.根据权利要求1所述的光纤激光器保护电路，其特征在于，所述高速保护控制器设有接收外部使能信号、互锁信号、外部急停信号和外部调制信号中一种或多种的输入接口。

7.根据权利要求1所述的光纤激光器保护电路，其特征在于，该光纤激光器保护电路还包括：用于比较功率设定值和功率参考值的功率比较器；所述高速保护控制器连接所述功率比较器以根据所述功率比较器的输出结果关闭泵浦源驱动器。

8.根据权利要求7所述的光纤激光器保护电路，其特征在于，所述数模转换器连接所述功率比较器为所述功率比较器提供所述功率参考值。

9.根据权利要求7所述的光纤激光器保护电路，其特征在于，所述光信号比较器和所述功率比较器均为滞回比较器。

10.根据权利要求1-9任一项所述的光纤激光器保护电路，其特征在于，所述高速保护控制器包括离散的触发器或现场可编程门阵列。