CN212807565U - 光纤激光器及其监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光纤激光器领域，公开了一种光纤激光器及其监测系统，其中，光纤激光器包括通过光纤顺次连接的泵浦光源、光纤合束器、光学谐振腔和输出头；监测系统包括用于监测未被光学谐振腔吸收的残余泵浦光的强度数据的光电传感器，以及用于根据光电传感器发送的强度数据确定泵浦光源的工作状态的控制模块；控制模块与光电传感器电连接；泵浦光源产生的泵浦光通过光纤合束器进入光学谐振腔并产生激光，激光通过输出头输出；光电传感器设置在光学谐振腔外，且处于泵浦光或激光经过的光纤上。本实用新型可以快速确定泵浦光的吸收率，判断泵浦光源的中心波长是否存在较大幅度的偏移，防范因泵浦光源的中心波长漂移对光纤激光器造成的损害。

Description

光纤激光器及其监测系统

技术领域

本实用新型属于光纤激光器领域，更具体地说，是涉及一种光纤激光器及其监测系统。

背景技术

在现有技术中，为了提高光纤激光器的输出功率，需要使用指定波长的泵浦源，如波长为976nm的半导体泵浦源。然而使用此类泵浦源存在一定的技术难度。在976nm附近，增益光纤对泵浦光的吸收系数存在最大值，且吸收峰极窄，3dB吸收宽度只有10nm左右。在970nm附近，增益光纤对泵浦光的吸收只有976nm处的1/3。而泵浦源波长随电流的漂移约为0.4～0.6nm/A，随温度的漂移约为0.2～0.4nm/℃。泵浦源的中心波长会随着电流和冷却温度的变化而变化。当泵浦源的中心波长发生变化时，增益光纤对泵浦光的吸收率也随着变化。

当增益光纤对泵浦光的吸收率过低时，未被吸收的泵浦光一方面降低了光纤激光器的光光效率(激光功率与泵浦光功率的比值)，另一方面会对包层光剥除器、光纤合束器等高功率光纤器件造成损害。严重情况下，会导致光纤激光器直接报废。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种光纤激光器及其监测系统，以减少未被吸收的泵浦光对光纤激光器造成损害。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种光纤激光器的监测系统，所述光纤激光器包括通过光纤顺次连接的泵浦光源、光纤合束器、光学谐振腔和输出头；

所述光纤激光器监测系统包括用于监测未被所述光学谐振腔吸收的残余泵浦光的强度数据的光电传感器，以及用于根据所述光电传感器发送的所述强度数据确定所述泵浦光源的工作状态的控制模块；所述控制模块与所述光电传感器电连接，所述光电传感器和所述控制模块均位于所述光纤激光器内；

所述泵浦光源产生的泵浦光通过所述光纤合束器进入所述光学谐振腔，所述泵浦光被所述光学谐振腔吸收之后产生的激光通过所述输出头输出；所述光电传感器设置在所述光学谐振腔外，且处于泵浦光或激光经过的光纤上。

可选的，所述光电传感器设置在所述光学谐振腔与所述输出头之间的光纤上。

可选的，所述光电传感器设置在所述泵浦光源与所述光纤合束器之间的光纤上。

可选的，所述光学谐振腔内设置有光纤光栅，所述光纤光栅包括低反光栅和高反光栅；

所述光电传感器设置于反向光纤上，所述反向光纤为处于所述光学谐振腔外且连接所述高反光栅的光纤。

可选的，所述光纤激光器监测系统还包括电阻器，所述电阻器与所述光电传感器并联。

可选的，所述光电传感器的感光直径为0.5mm-2mm。

可选的，所述光纤激光器还包括用于固定所述光电传感器的光纤固定夹具，所述光纤固定夹具设置有安装孔位。

本实用新型还提供了一种光纤激光器，包括上述监测系统。

可选的，所述光纤激光器的光纤合束器包括正向合束器和/或反向合束器。

可选的，所述光纤激光器的泵浦光源的中心波长处于960nm～985nm。

本实用新型提供的光纤激光器及其监测系统的有益效果在于：与现有技术相比，本实用新型通过在存在残余泵浦光的光纤上设置光电传感器，可以快速确定泵浦光的吸收率，判断泵浦光源的中心波长是否存在较大幅度的偏移，防范因泵浦光源的中心波长漂移对光纤激光器造成的损害。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的光纤激光器的监测系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的光纤激光器的第一结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的光纤激光器的第二结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的光纤激光器的第三结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的光纤固定夹具的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请一并参阅图1-4，本实用新型提供的光纤激光器的监测系统中，监测系统设置在光纤激光器内部。光纤激光器包括通过光纤052顺次连接的泵浦光源01、光纤合束器、光学谐振腔03和输出头04；

光纤激光器监测系统包括用于监测未被光学谐振腔吸收的残余泵浦光的强度数据的光电传感器05，以及用于根据光电传感器05发送的强度数据确定泵浦光源01的工作状态的控制模块06；控制模块06与光电传感器05电连接，光电传感器05和控制模块06均位于光纤激光器内；

泵浦光源01产生的泵浦光通过光纤合束器进入光学谐振腔03，泵浦光被光学谐振腔03吸收之后产生的激光通过输出头04输出；光电传感器05设置在光学谐振腔03外，且处于泵浦光或激光经过的光纤052上。

本实施例中，光纤激光器包括泵浦光源01、光纤合束器(可以是正向合束器021，也可以是反向合束器022，或者同时包含两者)、光学谐振腔03、输出头04和监测系统。其中，监测系统包括光电传感器05和控制模块06。泵浦光源01可以产生能量较高的泵浦光。泵浦光通过光纤合束器进入光学谐振腔03内，被光学谐振腔03内的增益光纤032吸收，并产生激光。为了提高光纤激光器的输出功率，可以通过光纤合束器与多个泵浦光源01连接。这样可以使更多的泵浦光进入光学谐振腔03，并激发更多的激光。

增益光纤032对不同波长的泵浦光具有不同的吸收率。例如，增益光纤032对976nm的泵浦光存在吸收最大值，吸收峰较窄，3dB吸收宽度仅为10nm。在970nm附近，增益光纤032对泵浦光的吸收只有976nm处的1/3。若增益光纤032对泵浦光的吸收率过低，则未被吸收的泵浦光会被包层光剥除器、光纤合束器等高功率光纤器件所吸收，导致这些光纤器件急速升温，发生损毁。对于双端泵浦结构的光纤激光器，过大的残余光还会烧毁与反向合束器022连接的泵浦光源01。

因而，泵浦光源01的波长变化对光纤激光器的稳定性有重要的影响。泵浦光源01的波长受温度和电流影响。泵浦光源01的波长随电流的漂移约为0.4～0.6nm/A，随温度的漂移约为0.2～0.4nm/℃。当泵浦光源01的电流和温度发生较大变化时，其中心波长也会产生较大变化，进而影响增益光纤032对泵浦光的吸收率。

虽然，可以同时设置电流传感器监测泵浦光源01的电流，设置温度传感器监测泵浦光源01的温度。然而，温度传感器的温度响应时长为10s量级，反馈速度慢。当监测到泵浦光源01的温度时，光纤激光器可能已经遭受损坏，因而无法起到保护作用。

本实施例提供的光纤激光器的监测系统，可以快速监测光纤激光器光路内泵浦光的强度变化，减少未被吸收的泵浦光对光纤激光器造成损害。本实施例提供的光纤激光器的监测系统包括光电传感器05和控制模块06。

具体的，可以将光电传感器05设置在光学谐振腔03外，用于监测光纤052内残余泵浦光的强度数据。光电传感器05是一种可以将光信号转化为电信号的装置，其响应速度快(一般低于1毫秒)，可以快速测量出残余泵浦光的强度数据。在此处，电信号可以是电流，也可以是电压。可以根据需要在激光器泵浦光传播路径上的光纤052处设置光电传感器05。

控制模块06可由单片机组成。控制模块06与光电传感器05电连接，可从光电传感器05获取残余泵浦光的强度数据。控制模块06判断该强度数据是否处于预设强度范围。若该强度数据不处于预设强度范围，则可以判定泵浦光的吸收存在问题，需要发出相应的控制信号，以保护光纤激光器免受伤害。例如，当强度数据超出预设强度范围的最大值时，可以判定泵浦光的吸收过低，光纤激光器可能存在被烧坏的风险。此时，可以发出关闭所有泵浦光源01的控制信号，停止泵浦光的输出，以保护光纤激光器。在一些情况下，泵浦光的吸收过低也会降低光纤激光器的光光效率(激光功率与泵浦光功率的比值)。当强度数据低于预设强度范围的最小值时，可以判定泵浦光的强度过低(可能部分泵浦光源01没有正常工作)，光纤激光器产生的激光的功率不达标。此时，可以发出增加泵浦光源01的控制信号，提高泵浦光的输出，以保证光纤激光器可以正常工作。在此处，可以结合光纤激光器泵浦光的吸收特点确定合适的预设强度范围。处于预设强度范围，表明光纤激光器正常工作；不处于预设强度范围，表明光纤激光器非正常工作。

可选的，光电传感器设置在光学谐振腔03与输出头04之间的光纤上。

如图2所示，可以将光电传感器05设置在光学谐振腔03与输出头04之间的光纤上。

可选的，光电传感器05设置在泵浦光源01与光纤合束器之间的光纤上。

如图3所示，可以将光电传感器05设置在泵浦光源01与光纤合束器之间的光纤上。

可选的，光学谐振腔03内设置有光纤光栅，光纤光栅包括低反光栅033和高反光栅031；

光电传感器05设置于反向光纤上，反向光纤为处于光学谐振腔03外且连接高反光栅031的光纤。

如图4所示，可以将光电传感器05设置光学谐振腔03外的反向光纤(与激光的发射方向相反)上。

可选的，光纤激光器监测系统还包括电阻器(未图示)，电阻器与光电传感器05并联。

本实施例中，可以根据需要设置电阻器与光电传感器05并联，以使光电传感器05处于最佳的测量范围内。

可选的，光电传感器05的感光直径为0.5mm-2mm。

本实施例中，可以选用感光直径为0.5mm-2mm的光电传感器。在这个尺寸范围内，光电传感器具有足够的光学敏感度，同时器件成本也较为低廉。

可选的，如图5所示，光纤激光器还包括用于固定光电传感器的光纤固定夹具051，光纤固定夹具051设置有安装孔位。

本实施例中，可以通过光纤固定夹具051将光电传感器05固定在存在残余泵浦光的光纤052上。存在残余泵浦光的光纤052所在位置，可以是如图2-4所示的光电传感器05的设置位置，即光学谐振腔03与输出头04之间的光纤、泵浦光源01与光纤合束器之间的光纤、与高反光栅031连接的反向光纤。大部分的残余泵浦光在光纤052的包层中传播，少量的会通过结合部位或泄漏点从包层中泄露到涂覆层中，进而从涂覆层中再泄露到空气中。在设置有光电传感器05的部位，光电传感器05可以检测到这些泄露的残余泵浦光的强度数据，进而确定泵浦光的吸收率。强度数据越高，说明泵浦光的吸收率越低。

光纤052穿过光纤固定夹具051。光纤固定夹具051设置有孔位，可以安装光电传感器05。

结合图1-4，本实用新型还提供了一种光纤激光器，包括上述监测系统。

本实施例中，光纤激光器包括泵浦光源01、光纤合束器(可以是正向合束器021，也可以是反向合束器022，或者同时包含两者)、光学谐振腔03、输出头04和监测系统。其中，监测系统包括光电传感器05和控制模块06。泵浦光源01可以产生能量较高的泵浦光。泵浦光通过光纤合束器进入光学谐振腔03内，被光学谐振腔03内的增益光纤032吸收，并产生激光。为了提高光纤激光器的输出功率，可以通过光纤合束器与多个泵浦光源01连接。这样可以使更多的泵浦光进入光学谐振腔03，并激发更多的激光。

可选的，光纤激光器的光纤合束器包括正向合束器021和/或反向合束器022。

本实施例中，光纤合束器可以是正向合束器021，也可以是反向合束器022，或者同时使用正向合束器021和反向合束器022。激光经反向合束器022至输出头04输出，而不经过正向合束器021。若单独使用正向合束器021，其结构简单，成本较低，但是受光纤光学非线性效应影响较大，激光输出功率提升有瓶颈。若单独使用反向合束器022，其结构简单，受光纤光学非线性效应影响较小。但是由于高功率激光会通过反向合束器022，且全部的泵浦光也会通过反向合束器022，反向合束器022的压力较大，可靠性降低。若同时使用正向合束器021和反向合束器022，受光纤光学非线性效应影响较小。但反向合束器022与泵浦光源01之间的光纤内部的残余泵浦光会降低泵浦光源01的可靠性。

高反光栅031的反射率高于低反光栅033。光学谐振腔03产生的激光从低反光栅033输出。

具体的，如图4所示，光纤合束器包括反向合束器022，反向合束器022处于主轴心位置的汇聚部与低反光栅033连接，处于主轴心位置的信号臂与输出头04连接。

反向合束器022包括了汇聚部以及与汇聚部的第一端连接的多条信号臂(属于光纤)。汇聚部包括第一端和第二端。汇聚部的第二端与低反光栅033连接。激光通过反向合束器022的汇聚部，并经过处于主轴心位置的信号臂，输出至输出头04。光电传感器05可以设置在处于光学谐振腔03外的且一端与高反光栅031连接的反向光纤上，也可以设置在任意一处信号臂上。若光电传感器05的设置位置不同，则根据强度数据确定泵浦光源01的工作状态的依据也存在差异。也即是，预设强度范围存在差异。

如图2所示，光纤合束器包括正向合束器021，正向合束器021处于主轴心位置的汇聚部与高反光栅031连接，输出头04与低反光栅033连接。

正向合束器021包括汇聚部以及与汇聚部的第一端连接的多条信号臂(属于光纤)。汇聚部包括第一端和第二端。汇聚部的第二端与高反光栅031连接。激光不通过正向合束器021的汇聚部。光电传感器05可以设置在任意一处信号臂上，也可以设置在连接低反光栅033和输出头04之间的光纤上。同样的，若光电传感器05的设置位置不同，则根据强度数据确定泵浦光源01的工作状态的依据也存在差异。也即是，预设强度范围存在差异。

如图3所示，光纤合束器包括反向合束器022和正向合束器021，反向合束器022处于主轴心位置的汇聚部与低反光栅033连接，处于主轴心位置的信号臂与输出头04连接；

正向合束器021处于主轴心位置的汇聚部与高反光栅031连接。

正向合束器021的汇聚部与光学谐振腔03的高反光栅031连接，反向合束器022的汇聚部与光学谐振腔03的低反光栅033连接。反向合束器022上处于主轴心位置的信号臂与输出头04连接。光纤激光器同时使用反向合束器022和正向合束器021，可以提高光纤激光器的激光功率。

可选的，光纤激光器的泵浦光源01的中心波长处于960nm～985nm。

本实施例中，泵浦光源01的最佳工作波长为960nm～985nm。在此波长下，增益光纤032的吸收率高。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤激光器的监测系统，其特征在于，所述光纤激光器包括通过光纤顺次连接的泵浦光源、光纤合束器、光学谐振腔和输出头；

所述光纤激光器监测系统包括用于监测未被所述光学谐振腔吸收的残余泵浦光的强度数据的光电传感器，以及用于根据所述光电传感器发送的所述强度数据确定所述泵浦光源的工作状态的控制模块；所述控制模块与所述光电传感器电连接，所述光电传感器和所述控制模块均位于所述光纤激光器内；

所述泵浦光源产生的泵浦光通过所述光纤合束器进入所述光学谐振腔，所述泵浦光被所述光学谐振腔吸收之后产生的激光通过所述输出头输出；所述光电传感器设置在所述光学谐振腔外，且处于泵浦光或激光经过的光纤上。

2.如权利要求1所述的光纤激光器的监测系统，其特征在于，所述光电传感器设置在所述光学谐振腔与所述输出头之间的光纤上。

3.如权利要求1所述的光纤激光器的监测系统，其特征在于，所述光电传感器设置在所述泵浦光源与所述光纤合束器之间的光纤上。

4.如权利要求1所述的光纤激光器的监测系统，其特征在于，所述光学谐振腔内设置有光纤光栅，所述光纤光栅包括低反光栅和高反光栅；

所述光电传感器设置于反向光纤上，所述反向光纤为处于所述光学谐振腔外且连接所述高反光栅的光纤。

5.如权利要求1所述的光纤激光器的监测系统，其特征在于，所述光纤激光器监测系统还包括电阻器，所述电阻器与所述光电传感器并联。

6.如权利要求1所述的光纤激光器的监测系统，其特征在于，所述光电传感器的感光直径为0.5mm-2mm。

7.如权利要求1所述的光纤激光器的监测系统，其特征在于，所述光纤激光器还包括用于固定所述光电传感器的光纤固定夹具，所述光纤固定夹具设置有安装孔位。

8.一种光纤激光器，其特征在于，包括如权利要求1-7中任意一项所述的监测系统。

9.如权利要求8所述的光纤激光器，其特征在于，所述光纤激光器的光纤合束器包括正向合束器和/或反向合束器。

10.如权利要求8所述的光纤激光器，其特征在于，所述光纤激光器的泵浦光源的中心波长处于960nm～985nm。

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