TWI623755B - Power measuring device for high power fiber laser system - Google Patents

Abstract

一種可用於高功率光纖雷射系統的功率量測裝置，包括：一回饋雷射光單元，其係用以提供一回饋雷射光；一光衰減元件，設置於該回饋雷射光單元前方，其係具有一針孔結構；一光偵測元件，設置於該光衰減元件後方，其係用以接收通過該針孔結構的回饋雷射光；一訊號調整單元，設置於該光衰減元件及光偵測元件下方，其係用以調整該光偵測元件接收該回饋雷射光的位置。藉此，藉由回饋至雷射系統之電控裝置，可依狀況即時切斷電源，以達到保護高功率光纖雷射系統的目的。

Description

一種用於高功率光纖雷射系統的功率量測裝置

本發明係關於一種功率量測裝置，特別是關於一種用於高功率光纖雷射系統的功率量測裝置。

現今的高功率光纖雷射系統，其良好的光束品質，可應用於標記、切割、焊接、加工等工業處理，具有良好的成效，且其能源轉換率高，光束品質佳，因而產品可輕薄短小，並具有生命週期長等優點，如今已廣為各業界所使用；功率量測裝置則是高功率光纖雷射系統重要關鍵零組件之一，其功用為即時量測高功率光纖雷射系統輸出功率，所量測到的光訊號強度，可回饋至電控裝置，即時補償與調整操作電流，以達到穩定的輸出功率，此外，如有異常大的光訊號變化量，表明系統有異常，藉由回饋至雷射系統之電控裝置，即時切斷電源，以達到保護高功率光纖雷射系統的目的。

習知技術中，量測光纖傳輸訊號的習知方法包含使用錐形耦合器和量測背景散射訊號兩種方法，其中，使用錐形耦合器，其技術為從主傳輸光纖分出固定的一小部份訊號進行量測，而量測背景散射訊號者，則利用光纖纖芯傳輸 的訊號源會產生背景瑞立散射訊號，在光纖表面加上光偵測器量測背景散射訊號，藉由建立輸出功率與光偵檢器量測功率的關係，即可用來監控輸出訊號強度；但使用錐形耦合器的習知技術，其缺點為只適合小於10W功率光纖雷射系統，過大的功率會超過錐形耦合器所能耐受的功率，而使用量測背景散射訊號的習知技術，其缺點為光纖纖芯傳輸中所產生的背景瑞立散射訊號非常微弱，往往需要靈敏度高的光偵測器，以及無法區別所量測的訊號為往前(direct)訊號或者是反射(reflected)的訊號。

習知技術應用於監控具有準直輸出鏡(collimator)的雷射系統，其主要概念為使用光隔離器(isolator)來令雷射光打在後端光學元件不會反射回系統，以及裝設平板狀(plate-shaped)之光束分光鏡(beam splitter)，來用來反射一小部份的正向與反向傳遞的訊號光，再以光偵測器量測反射光達到監控之目的，若該裝置用於監控高功率的雷射系統，必須在光偵測器前方加裝漫射器(diffuser)來衰減反射光，避免光偵檢器因太強的光功率而損壞；但其應用於監控不同功率的雷射系統輸出功率時，必須更換適當光束分離器與漫射器，或耐受功率更高的光偵檢器，並且重新進行校準程序，此外，經由準直輸出的雷射光，尚須經由偏振器(polarizer)與旋轉器(rotator)等光學元件的作用，來使訊號光反射，因而增加了裝置架設的難度與成本。

因此目前業界極需發展出一種可用於高功率光纖雷射系統的功率量測裝置，能以簡單結構並能應用於監控不同功率的雷射系統輸出功率，即時管控雷射輸出，如此一來，方能同時兼具監控準確度與雷射安全，以達到保護高功率光纖雷射系統之目的。

鑒於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種用於雷射系統的功率量測裝置，整合一回饋雷射光單元、一光衰減元件、一光偵測元件及一訊號調整單元等，以完成高功率光纖雷射系統的即時雷射光功率量測。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種用於雷射系統的功率量測裝置，包括：一調整方位機構；一回饋雷射光單元，其係用以提供一回饋雷射光；一光衰減元件，設置於該回饋雷射光單元前方，其係具有一針孔結構；一光偵測元件，設置於該光衰減元件後方，其係用以接收通過該針孔結構的回饋雷射光；一訊號調整單元，設置於該光衰減元件及光偵測元件下方，其係用以調整該光偵測元件接收該回饋雷射光的位置。

上述中回饋雷射光單元可包含一回饋雷射光訊號輸入接頭及一回饋雷射光訊號埠，其連接一雷射裝置，可將雷射裝置產生的雷射光，經由回饋雷射光訊號埠及回饋雷射光訊號輸入接頭，導入到光衰減元件的針孔結構內；光衰 減元件若用於高功率的雷射系統，則必須耐得住例如500W的高功率雷射，否則將大幅影響光衰減元件的壽命，本案發明中的光衰減元件可以金屬或陶瓷材料來構成，以增加功率量測裝置的使用週期。

本發明的訊號調整單元可包含一位移溝槽及一固定鈕，該位移溝槽提供一個方向的移動空間，可調控光衰減元件及光偵測元件的移動，以因應不同功率的雷射，當光衰減元件及光偵測元件移動至適當位置後，利用固定鈕固定光衰減元件及光偵測元件的位置；本案發明更包含一固定底板，其中，光衰減元件、光偵測元件及訊號調整單元都是設置於該固定底板上。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之另一方案，提供一種高功率光纖雷射系統，包括：一光纖光學系統，其係用以產生一雷射光；一電源供應模組，電性相連該光纖光學系統，其係用以提供電源；一電控模組，其係用以控制該電源供應模組所輸出的電壓；一如請求項1所述之功率量測裝置，電性相連該電控模組，其係用以量測該光纖光學系統回饋而來的雷射光。

上述系統中，光纖光學系統利用回饋雷射光單元，將產生的雷射光回饋傳輸給功率量測裝置，功率量測裝置再將量測到的雷射光強度傳輸給電控模組，而電控模組則可利用功率量測裝置所量測到的雷射光強度，控制電源供應 模組所輸出的電壓大小，因此可隨時調整光纖光學系統所產生的雷射光強度。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

110‧‧‧回饋雷射光單元

111‧‧‧回饋雷射光

112‧‧‧回饋雷射光訊號輸入接頭

113‧‧‧回饋雷射光訊號埠

120‧‧‧光衰減元件

121‧‧‧針孔結構

130‧‧‧光偵測元件

140‧‧‧訊號調整單元

141‧‧‧位移溝槽

142‧‧‧固定鈕

150‧‧‧固定底板

210‧‧‧光纖光學系統

211‧‧‧雷射二極體模組

212‧‧‧光纖模組

220‧‧‧電源供應模組

230‧‧‧電控模組

240‧‧‧功率量測裝置

250‧‧‧輸出傳遞光纖

260‧‧‧輸出準直鏡

第一圖係為本發明一種用於雷射系統的功率量測裝置示意圖；第二圖係為本發明一種高功率光纖雷射系統示意圖；第三圖係為本發明一種應用功率量測裝置量測光偵測元件電壓與實驗輸出功率關係圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。

本發明提出高功率光纖雷射系統的輸出功率量測裝置，主要是結合具有訊號埠(signal port)的光纖合束器，來進行輸出訊號採樣，但由於所回饋的雷射光強度若非常高，必須使用與光感測元件尺寸匹配的針孔結構，來衰減輸 出採樣的光能量，因此本案發明適用於不同的光纖雷射系統，例如：100W-500W、1kW及更高能量的雷射系統，另本案發明設計出具有可調適/校正量測不同光能量的機械結構，此機械結構是裝置在一固定底板，固定底板上另具有回饋雷射光訊號輸入接頭，方便於連接與輸入由高功率光纖雷射系統所回饋的雷射光訊號，回饋雷射光訊號可以由不同方式取得。

本發明另提出一高功率光纖雷射系統，主要系統架構包含了：光纖光學系統(fiber optical system)、電源供應模組(power supply)、電控模組(controller)、功率量測裝置(power monitor module)、與輸出傳遞光纖(delivery fiber)和輸出準直鏡(QBH)等，本案發明的功率量測裝置的使用方法為，使用光合束器元件，將光纖光學系統分出一道雷射訊號光，將此雷射訊號光，連接至功率量測裝置，藉由建立輸出功率與功率量測裝置所獲得的關係後，所偵測到的光訊號值經由換算，即可對應實際輸出功率，功率量測裝置所偵測到的強度，可即時回饋至電控裝置，達到即時補償與調整操作電流，以達到穩定的輸出功率；此外，如有異常大的光訊號變化量，表明系統有異常，藉由回饋至雷射系統之電控裝置，即時切斷電源，以達到保護高功率光纖雷射系統的目的。

實施例一 請參閱第一圖，為本發明一種用於雷射系統的功率量測裝置示意圖。如圖一所示，本發明所提供一種用於雷射系統的功 率量測裝置，包括：一回饋雷射光單元110，其係用以提供一回饋雷射光111，其中，該回饋雷射光單元110係包含一回饋雷射光訊號輸入接頭112及一回饋雷射光訊號埠113，該回饋雷射光訊號埠113於本實施例中係為一光纖合束器；一光衰減元件120，設置於該回饋雷射光單元110前方，其係具有一針孔結構121，其中，該光衰減元件係以金屬或陶瓷材料所構成，該針孔結構的形狀可以是任何幾何形狀，例如：圓形、正方形、長方形等，而本實施例中，該針孔結構為圓孔結構，其直徑範圍為50微米(μm)至2釐米(mm)；一光偵測元件130，設置於該光衰減元件120後方，其係用以接收通過該針孔結構121的回饋雷射光111，其中光偵測元件130與針孔結構121組合可為多組組合，例如：1至3組，可分別量測回饋的輸出雷射訊號源、回饋的泵浦雷射光源、和非線性訊號等；一訊號調整單元140，設置於該光衰減元件120及光偵測元件130下方，其係用以調整該光偵測元件130接收該回饋雷射光111的位置，其中，該訊號調整單元140係包含一位移溝槽141及一固定鈕142，該位移溝槽141為若為直線型，可提供一維位移方向，位移溝槽141若為L型，則可提供1個或2個可調位移方向；於本實施例中，更包含一固定底板150，其中，該光衰減元件120、光偵測元件130及訊號調整單元140係設置於該固定底板150上。

實施例二 請參閱第二圖，為本發明一種高功率光纖雷射系統示意圖。 如圖一所示，本發明所提供一種高功率光纖雷射系統，包括：一光纖光學系統210，其係用以產生一雷射光，其中該光纖光 學系統210包含一雷射二極體模組211及一光纖模組212；一電源供應模組220，電性相連該光纖光學系統210，其係用以提供電源；一電控模組230，其係用以控制該電源供應模組220所輸出的電壓；一如請求項1所述之功率量測裝置240，電性相連該電控模組230，其係用以量測該光纖光學系統210回饋而來的雷射光；其中，光纖光學系統210利用回饋雷射光單元，將產生的雷射光回饋傳輸給功率量測裝置240，而該功率量測裝置240再將量測到的雷射光強度傳輸給該電控模組230，最後該電控模組230再利用該功率量測裝置240所量測到的雷射光強度，控制該電源供應模組220所輸出的電壓大小，以調整該光纖光學系統210所產生的雷射光強度。

請參閱第三圖，為本發明一種應用功率量測裝置量測光偵測元件電壓與實驗輸出功率關係圖。如圖所示，圖當中的點-實線為量測曲線，虛線則為擬合曲線，其中，實施例設計的金屬針孔結構(光衰減元件)參數如下：光衰減元件材質為鋁，寬度和厚度分別為18mm和5mm，針孔結構直徑大小約為2mm，光偵測元件與金屬針孔結構貼付結合，且光偵測元件小於光衰減元件，只接收經過針孔結構的雷射光；光衰減元件及光偵測元件裝置於同樣為鋁製的訊號調整單元，訊號調整單元的機構具有一維位移方向，調適與校正量測數據，可令所偵測到的光訊號在線性範圍內，如圖3所示，當高功率光纖雷射系統輸出功率為460W時，光偵測元件量測值 為2.5V，線性度為0.98，顯示出藉由訊號調整單元的一維方向位移的調整，本實施例可應用在不同輸出功率的雷射系統上。

上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本創作之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本創作之權利保護範圍，應如 後述之申請專利範圍所列。

Claims (8)

1. 一種用於雷射系統的功率量測裝置，包括：一光纖光學系統，其係用以產生一雷射光；一回饋雷射光單元，其係用以量測該光纖光學系統回饋而來的雷射光後再提供出一回饋雷射光；一光衰減元件，其係具有一針孔結構；一光偵測元件，其係用以接收通過該針孔結構的回饋雷射光；一訊號調整單元，包含一位移溝槽及一固定鈕，該光衰減元件及光偵測元件設置於該訊號調整單元上，其係用該位移溝槽以調整該光偵測元件接收該回饋雷射光的位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之用於雷射系統的功率量測裝置，其中，該回饋雷射光單元係包含一回饋雷射光訊號輸入接頭及一回饋雷射光訊號埠。
3. 如申請專利範圍第1項所述之用於雷射系統的功率量測裝置，其中，該光衰減元件係以金屬或陶瓷材料所構成。
4. 如申請專利範圍第1項所述之用於雷射系統的功率量測裝置，更包含一固定底板，其中，該光衰減元件、光偵測元件及訊號調整單元係設置於該固定底板上。
5. 一種高功率光纖雷射系統，包括：一光纖光學系統，其係用以產生一雷射光； 一電源供應模組，電性相連該光纖光學系統，其係用以提供電源；一電控模組，其係用以控制該電源供應模組所輸出的電壓；如請求項1所述之功率量測裝置，電性相連該電控模組，其係用以量測該光纖光學系統回饋而來的雷射光。
6. 如申請專利範圍第5項所述之高功率光纖雷射系統，其中，該功率量測裝置係將量測到的雷射光強度傳輸給該電控模組。
7. 如申請專利範圍第6項所述之高功率光纖雷射系統，其中，該電控模組係利用該功率量測裝置所量測到的雷射光強度，控制該電源供應模組所輸出的電壓大小，以調整該光纖光學系統所產生的雷射光強度。
8. 如申請專利範圍第5項所述之高功率光纖雷射系統，其中，該光纖光學系統係利用該回饋雷射光單元，將產生的雷射光回饋給該功率量測裝置。