CN114813053A - 监测模块和光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种监测模块和光纤激光器，用于监测光纤激光器产生的荧光信号，监测模块包括：光电感应器，用于接收荧光信号并将荧光信号转换为第一电信号；信号处理电路，与光电感应器连接，用于接收第一电信号并将第一电信号放大为第二电信号；和电源，与光电感应器及信号处理电路连接，用于给光电感应器及信号处理电路供电；其中，第二电信号用于作为待监测信号。本申请通过信号处理电路将第一电信号放大为第二电信号，第二电信号作为待监测信号，使得回返光的监测精度得以提高，以实现对光纤激光器内激光光强变化的准确及实时监测。

Description

监测模块和光纤激光器

技术领域

本申请涉及激光器技术领域，尤其涉及一种监测模块和光纤激光器。

背景技术

光纤激光器包括多个光模块、合束器和光纤。多个光模块产生多路激光。多路激光分别通过光纤传导至合束器。合束器将多路激光汇聚到单根光纤并输出。光纤激光器在出光检测或者在应用时产生回返光，回返光容易损伤光模块或者烧断光纤，使得光纤激光器无法正常工作。

发明内容

本申请实施例提供一种监测模块和光纤激光器，用于通过光电感应器接收光纤激光器产生荧光信号并转换为第一电信号，以及通过信号处理电路将第一电信号放大为第二电信号，第二电信号作为待监测信号，以实现对光纤激光器内激光光强变化的准确及实时监测。

本申请提供一种监测模块，用于监测光纤激光器产生的荧光信号，监测模块包括：

光电感应器，用于接收荧光信号并将荧光信号转换为第一电信号；

信号处理电路，与光电感应器连接，用于接收第一电信号并将第一电信号放大为第二电信号；和

电源，与光电感应器及信号处理电路连接，用于给光电感应器及信号处理电路供电；

其中，第二电信号用于作为待监测信号。

本申请还提供一种光纤激光器，其包括：

多个光模块；每一光模块用于发射第一激光束；

合束器；用于接收至少一束第一激光束并合束为第二激光束；

多个第一光纤；多个第一光纤与多个光模块一一对应；第一光纤的一端与光模块连接，第一光纤的另一端与合束器连接；第一光纤用于将第一激光束传导至合束器；至少一个第一光纤的侧壁设有第一槽体，光纤激光器产生的荧光信号能够经第一槽体溢出；

第二光纤，与合束器连接，用于将第二激光束输出；和

至少一个监测模块；监测模块中的光电感应器设置于第一槽体，用于接收从第一槽体溢出的荧光信号。

本申请实施例中，用于通过光电感应器接收光纤激光器产生荧光信号并转换为第一电信号，以及通过信号处理电路将第一电信号放大为第二电信号，第二电信号作为待监测信号，通过对光纤激光器产生的荧光光强的监测，实现对光纤激光器内激光光强变化的准确及实时监测，避免光纤激光器被回返光损坏。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的监测模块的结构示意图。

图2为图1所示监测模块的电路结构图。

图3为相关技术的光纤激光器的结构示意图。

图4为相关技术的光纤激光器产生的反馈光的示意图。

图5为本申请实施例提供的光纤激光器的第一结构示意图。

图6为本申请实施例提供的光纤激光器的第二结构示意图。

图7为图5中所示的第一光纤和图6中所示的第一光纤及第二光纤的结构示意图。

图8为图7中局部A的放大图。

图9为图5中的监测模块与第一光纤的结构示意图。

图10为本申请实施例提供的光纤激光器的第三结构示意图。

图11为图10中所示的控制模块的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请的保护范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，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。

请参阅图1-图2和图3-图5，本申请实施例提供一种监测模块100，用于监测光纤激光器20产生的荧光信号，监测模块100包括光电感应器120、信号处理电路140和电源160。

光电感应器120用于接收荧光信号并将荧光信号转换为第一电信号。信号处理电路140与光电感应器120连接，用于接收第一电信号并将第一电信号放大为第二电信号。电源160与光电感应器120及信号处理电路140连接，用于给光电感应器120及信号处理电路140供电。其中，第二电信号用于作为待监测信号。

可以理解的是，请参阅图3-图4，光纤激光器20在出光检测或者应用时产生回返光L3。将光纤激光器20朝出光方向传播的激光称为正向激光。回返光L3的传播方向为出光方向的逆向方向。光纤激光器20出光检测时，合束器600的锥区端面620对正向激光进行反射，形成回返光L3。光纤激光器20在应用时，正向激光经出光光纤出射至待处理物体10的表面后，部分正向激光被该表面反射并入射出光光纤后在光纤激光器20内沿出光反向的反方向传导，形成回返光L3。

可以理解的是，回返光L3入射光纤激光器20的光模块200，会对光模块200内的熔接点造成损伤而对光模块200造成损伤。回返光L3入射光纤激光器20的光栅，会对光栅造成损伤。回返光L3入射光纤激光器20的耦合器，会对耦合器造成损伤。

可以理解的是，本申请实施例避免光纤激光器20被回返光L3损伤的原理为：当光纤激光器20内产生回返光L3时，回返光L3与正向激光叠加使得光纤激光器20内的激光光强增强，激光光强的变化趋势能够通过光纤激光器20产生的荧光信号的变化趋势来进行表征；因此通过监测光纤激光器20的荧光信号，得到荧光信号的变化趋势，进而得到激光光强的变化趋势。通过光电感应器120可以将荧光信号转变荧光对应的电信号。但由于光电感应器120直接转换而成的电信号的强度整体较弱，不能准确表达电信号的变化趋势，进而不能准确表征电信号对应的荧光强度的变化趋势，更无法表征激光强度的变化趋势。从而无法识别出光纤激光器20内是否有回返光L3产生。

本申请实施例通过光电感应器120接收荧光信号并将荧光信号转换为第一电信号，以及通过信号处理电路140将第一电信号放大为第二电信号，使得第二电信号的强度变化能够被准确识别，进而准确实时的识别出光纤激光器20内产生回返光L3的危险状态。

示例性的，请参阅图1-图2，光电感应器120可以为光电二极管D4。

可以理解的是，信号处理电路140用于将第一电信号放大至第二电信号，使得根据第二电信号能够准确识别第一电信号的强度变化。示例性的，信号处理电路140将第一电信号呈倍数放大。示例性的，信号处理电路140将第一电信号放大十倍或者十倍以上倍数。第一电信号为0.01V～0.33V，第二电信号的电压为0.1V-3.3V。

示例性的，请参阅图1-图2，光电感应器120的正极与第一电阻R1连接；光电感应器120的负极与电源地连接。信号处理电路140包括运算放大器F、第一电阻R1和第二电阻R2。

请参阅图2，运算放大器F包括同相输入引脚、反向输入引脚、输出引脚、正电源引脚、负电源引脚。同相输入引脚用“+”表示。反向输入引脚用“-”表示。输出引脚用Vo表示。正电压引脚用V+表示。负电压引脚用V-表示。

正电源引脚与电源连接；负电源引脚与电源地连接。第一电阻R1的第一端与光电感应器120的正极连接，第一电阻R1的第二端与同相输入引脚连接。第二电阻R2的第一端连接于第一电阻R1的第二端与同相输入引脚之间；第二电阻R2的第二端与输出引脚连接。

示例性的，请参阅图1-图2，监测模块100包括第一电容C1。第一电容C1的第一端连接于光电感应器120的正极与第一电阻R1的第一端之间；第一电容C1的第二端与电源地连接。可以理解的是，第一电容C1用于过滤光电感应器120中的干扰电信号。示例性的，请参阅图1-图2，监测模块100包括第二电容C2。第二电容C2的第一端与电源160连接，第二电容C2的第二端与电源地连接。可以理解的是，第二电容C2用于维持正电源引脚与负电源引脚之间的电压的稳定并与电源160电压相等。示例性的，电源160的电压为5V时，第二电容C2用于维持正电源引脚与负电源引脚之间的电压稳定在5V。

示例性的，请参阅图1-图2，监测模块100包括第三电阻R3。第三电阻R3的第一端与反向输入引脚连接，第三电阻R3的第二端与电源地连接。可以理解的是，第三电阻R3用于避免运算放大器F发生短路而被烧坏。

本申请实施例还提供一种光纤激光器20，请参阅图5-图9，包括多个光模块200、合束器600、多个第一光纤401、第二光纤402、至少一个监测模块100和遮光体900。

多个光模块200中的每一光模块200用于发射第一激光束L1。

合束器600用于接收至少一束第一激光束L1并合束为第二激光束L2。

多个第一光纤401与多个光模块200一一对应；第一光纤401的一端与光模块200连接，第一光纤401的另一端与合束器600连接；第一光纤401用于将第一激光束L1传导至合束器600；至少一个第一光纤401的侧壁设有第一槽体420a，光纤激光器20产生的荧光信号能够经第一槽体420a溢出。

第二光纤402，与合束器600连接，用于将第二激光束L2输出。

至少一个监测模块100；监测模块100中的光电感应器120设置于第一槽体420a，用于接收从第一槽体420a溢出的荧光信号。

遮光体900，遮光体900覆盖监测模块100中的光电感应器120以防止光纤涂覆层460以外的光照射至光电感应器120。

可以理解的是，请参阅3-图4，光纤激光器20的回返光L3，主要来源于待处理物体10的表面的反射以及合束器600的锥区端面620的反射。多个第一光纤401的远离光模块200的一端熔接形成熔接端部640，熔接端部640与第二光纤402连接。多个第一光纤401传导的第一激光束L1通过熔接端部640导入第二光纤402，从而使得多个第一光纤401传导的第一激光束L1合束为第二激光束L2。光纤激光器20输出的第二激光束L2，用于对待处理物体10进行激光切割、激光焊接、激光打标等处理。第二激光束L2打到待处理物体10的表面时，待处理物体10的表面对第二激光束L2中的部分激光进行反射从而形成回返光L3，该部分回返光L3入射第二光纤402后向光模块200传导。光纤激光器20工作时，光模块200发射第一激光束L1，第一激光束L1经第一光纤401入射合束器600的光纤拉锥端面时，光纤拉锥端面对第一激光束L1进行反射从而形成回返光L3，该部分回返光L3向光模块200传导。回返光L3会对光模块200及对第一光纤401造成损害。回返光L3对光模块200中的光栅造成损伤、对光模块200内的熔接点造成损伤、对光模块200内的耦合器造成损伤。

可以理解的是，请参阅图7-图9，第一光纤401包括从内到外依次设置的光纤芯层420、光纤包层440及光纤涂覆层460；光纤包层440包括靠近光纤芯层420的内侧壁和远离光纤芯层420的外侧壁。

示例性的，请参阅图7-图9，第一槽体420a位于光纤涂覆层460。第一槽体420a包括槽口4202和槽底4204。槽口4202与外界连通。槽底4204中的至少一部分与光纤包层440的外侧壁的一部分重合形成溢光口4206。荧光信号能够经溢光口4206及槽口4202溢出。

可以理解的是，请参阅图7-图9，槽口4202为形成于第一光纤401及第二光纤402的V型槽剥口。槽口4202的开口尺寸从靠近光纤包层440端到远离光纤包层440端逐渐增大。

第二光纤402设有第二槽体420b。第二槽体420b设有监测模块100。

可以理解的是，第二光纤402的结构与第一光纤401的结构相同，第二槽体420b的结构与第一槽体420a的结构相同。

可以理解的是，通过光谱测试发现，光纤在通入激光后，激光会与光纤中的缺陷发生作用，产生具备热效应辐射的荧光。另外，高能量激光会与SiO₂的晶格和原子发生碰撞产生具备热效应的SBS和SRS效应，同样会产生具备热效应辐射的荧光。

可以进一步理解的是，光纤对激光光束的约束需满足NA折射率分布条件时才能产生全反射。具备热效应辐射的荧光中的大部分荧光，满足NA折射率分布条件，这部分荧光会被约束在光纤内部产生全反射。而具备热效应辐射的荧光中的小部分荧光，是不满足NA折射率分布条件的，这部分荧光会从光纤芯层420及光纤包层440向外溢出，但会被光纤涂覆层460束缚。因此，通过剥离涂覆层形成第一槽体420a及第二槽体420b，能够使得不满足NA折射率分布条件的荧光通过第一槽体420a及第二槽体420b溢出。

当光纤激光器20的激光光强增强时，激光中伴随的热效应和荧光光强随着激光光强的增强而增强。当光纤激光器20的激光光强减弱时，激光中伴随的热效应和荧光光强也都随着激光光强的减弱而减弱。因此，通过检测从第一槽体420a及第二槽体420b溢出的荧光光强的变化，能够得到光纤内激光光强的变化。

示例性的，请参阅图10-图11，光纤激光器20包括第一电源模块500和控制模块300。第一电源模块500，用于给光模块200供电。控制模块300与监测模块100电连接。其中，控制模块300用于将第二电信号与设定的阈值电信号进行比较，以及用于在第二电信号的强度大于阈值电信号时控制第一电源模块500断电。

示例性的，请参阅图10-图11，第一电源模块500包括第一电源520和第一开关540。第一电源520与第一开关540连接。第一开关540与多个光模块200分别连接。控制模块300与第一开关540连接。控制模块300通过控制第一开关540关断实现第一电源520与多个光模块200之间电路的关断。

可以理解的是，通过本申请实施例提供的光纤激光器20在使用过程中，操作人员发现光模块200存在烧坏迹象或者光纤存在烧断迹象例如冒烟时，立即断电，并通过监测模块100获取第二电信号中的峰值。在该峰值以下的区间内取一数值，作为光纤激光器20的阈值电信号。将与阈值电信号对应的荧光信号，称为阈值荧光信号。也就是说，当从第一槽体420a或第二槽体420b溢出的荧光信号的强度等于或大于阈值荧光信号的强度时，光纤激光器20的光模块200及光纤有被烧坏烧断的危险。

可以理解的是，阈值荧光信号，只与光纤激光器20器件结构对回返光L3的承受度有关，与应用场景的材料及材料表面状况无关。

示例性的，阈值电信号可以通过数千台光纤激光器20使用过程中，收集光纤激光器20被回返光L3损伤时监测模块100获取的第二电信号数据，对这些数据进行统计分析进行确定。

示例性的，请参阅图10-图11，控制模块300包括接收单元320、第一存储单元340、第二存储单元350、比较单元360和控制单元380。

接收单元320用于接收第二电信号。第一存储单元340用于存储阈值电信号。第二存储单元350用于存储第二电信号。比较单元360用于将第二电信号的强度与阈值电信号的强度进行比较，得到第一比较结果和第二比较结果，第一比较结果为第二电信号的强度大于阈值电信号的强度，第二比较结果为第二电信号的强度小于或等于阈值电信号的强度。控制单元380用于根据第一比较结果控制第二电源模块700保持供电状态；以及用于根据第二比较结果控制第二电源模块700转变为断电状态。

以上对本申请实施例所提供的监测模块和光纤激光器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种监测模块，其特征在于，用于监测光纤激光器产生的荧光信号，所述监测模块包括：

光电感应器，用于接收所述荧光信号并将所述荧光信号转换为第一电信号；

信号处理电路，与所述光电感应器连接，用于接收所述第一电信号并将所述第一电信号放大为第二电信号；和

电源，与所述光电感应器及所述信号处理电路连接，用于给所述光电感应器及所述信号处理电路供电；

其中，所述第二电信号用于作为待监测信号。

2.根据权利要求1所述的监测模块，其特征在于，

所述光电感应器的正极与第一电阻连接；所述光电感应器的负极与电源地连接；

所述信号处理电路包括：

运算放大器；包括同相输入引脚、反向输入引脚、输出引脚、正电源引脚、负电源引脚；所述正电源引脚与电源连接；所述负电源引脚与电源地连接；

第一电阻；所述第一电阻的第一端与所述光电感应器的正极连接，所述第一电阻的第二端与所述同相输入引脚连接；和

第二电阻；所述第二电阻的第一端连接于所述第一电阻的第二端与所述同相输入引脚之间；所述第二电阻的第二端与所述输出引脚连接。

3.根据权利要求2所述的监测模块，其特征在于，包括：第一电容；所述第一电容的第一端连接于所述光电感应器的正极与所述第一电阻的第一端之间；所述第一电容的第二端与电源地连接。

4.根据权利要求3所述的监测模块，其特征在于，包括：

第二电容，所述第二电容的第一端与所述电源连接，所述第二电容的第二端与电源地连接。

5.根据权利要求4所述的监测模块，其特征在于，包括：

第三电阻，所述第三电阻的第一端与所述反向输入引脚连接，所述第三电阻的第二端与电源地连接。

6.一种光纤激光器，其特征在于，包括：

多个光模块；每一所述光模块用于发射第一激光束；

合束器；用于接收至少一束所述第一激光束并合束为第二激光束；

多个第一光纤；所述多个第一光纤与所述多个光模块一一对应；所述第一光纤的一端与所述光模块连接，所述第一光纤的另一端与所述合束器连接；所述第一光纤用于将所述第一激光束传导至所述合束器；至少一个所述第一光纤的侧壁设有第一槽体，所述光纤激光器产生的荧光信号能够经所述第一槽体溢出；

第二光纤，与所述合束器连接，用于将所述第二激光束输出；

至少一个权利要求1-5任一项所述监测模块；所述监测模块中的所述光电感应器设置于所述第一槽体，用于接收从所述第一槽体溢出的所述荧光信号；和

遮光体，所述遮光体覆盖所述监测模块中的所述光电感应器以防止所述光纤涂覆层以外的光照射至所述光电感应器。

7.根据权利要求6所述的光纤激光器，其特征在于，所述第一光纤包括从内到外依次设置的光纤芯层、光纤包层及光纤涂覆层；所述光纤包层包括靠近所述光纤芯层的内侧壁和远离所述光纤芯层的外侧壁；

所述第一槽体位于所述光纤涂覆层；所述第一槽体包括槽口和槽底；所述槽口与外界连通；所述槽底中的至少一部分与所述光纤包层的外侧壁的一部分重合形成溢光口；所述荧光信号能够经所述溢光口及所述槽口溢出。

8.根据权利要求6所述的光纤激光器，其特征在于，所述第二光纤设有第二槽体；所述第二槽体设有所述监测模块。

9.根据权利要求8所述的光纤激光器，其特征在于，包括：

第一电源模块，用于给所述光模块供电；和

控制模块；所述控制模块与监测模块电连接；

其中，所述控制模块用于将所述第二电信号与设定的阈值电信号进行比较，以及用于在所述第二电信号的强度大于所述阈值电信号时控制所述第一电源模块断电。

10.根据权利要求9所述的光纤激光器，其特征在于，所述控制模块包括：

接收单元，用于接收所述第二电信号；

第一存储单元，用于存储所述阈值电信号；

第二存储单元，用于存储所述第二电信号；

比较单元，用于将所述第二电信号的强度与所述阈值电信号的强度进行比较，得到第一比较结果和第二比较结果，所述第一比较结果为所述第二电信号的强度大于所述阈值电信号的强度，所述第二比较结果为所述第二电信号的强度小于或等于所述阈值电信号的强度；和

控制单元，用于根据所述第一比较结果控制所述第二电源模块保持供电状态；以及用于根据所述第二比较结果控制所述第二电源模块转变为断电状态。

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