CN106654812A - 高功率光纤激光器关键点保护装置 - Google Patents

Abstract

高功率光纤激光器关键点保护装置，包括一根光纤(1)，其上含一个熔点位置(2)，其特征在于，将导热导光胶(4)包裹在以熔点位置(2)为中心的光纤(1)的周围，并均匀分布，并将包裹导热导光胶(4)的光纤(1)一起安装在散热底板(3)上，在光纤(1)的一侧的导热导光胶(4)上方中间位置安装有压力传感器(5)，在光纤(1)的另一侧的导热导光胶(4)上方一端、中间和另一端分别安装第一微型温度传感器(6)、第二微型温度传感器(7)和第三微型温度传感器(8)，压力传感器(5)、第一微型温度传感器(6)、第二微型温度传感器(7)和第三微型温度传感器(8)分别与报警器(9)连接，报警器(9)又与激光电源控制器(10)连接。本发明能很好地保护光纤的熔点位置。

Description

高功率光纤激光器关键点保护装置

技术领域

本发明是高功率光纤激光器关键点保护装置，属于光纤激光技术领域，尤其涉及高功率全光纤激光器领域。

技术背景

高功率全光纤激光器具有光束质量好，转换效率高，集成度高等优势在工业，军事领域有着广泛的应用。现代工业加工和军事战术武器需要光纤激光器的输出功率达到千瓦级以上乃至万瓦量级。

然而在千瓦级或更高功率的光纤激光器的生产需要突破很多的核心技术，如高功率核心器件的制备，关键发热点的保护，返回光的保护，光电联动控制等，这些技术大多数为国外少数公司掌握，如IPG，罗芬，SPI等。国产高功率光纤激光器功率指标要达到国际先进水平必须掌握这一系列的关键技术。

高功率光纤激光器所采用的光纤具有比表面积大，散热性能好的优势，但是一些关键点，如增益光纤与全光纤器件的熔点位置，由于其发热量大，其发热面积小，所以这些关键点的热负载高，严重时会导致光纤烧毁。一旦熔点位置烧毁，其中传输的高功率激光会沿着光纤快速的烧毁光纤，几秒钟的时间就可能将整个全光纤***烧毁，严重时也会给半导体激光器带来不可逆损伤。一般双包层光纤的氟化物涂覆层可承受的温度只有80℃，超过这个温度氟化物涂覆层会逐渐融化乃至烧毁。而熔点的涂覆层是熔接完成后再涂覆的，远不如未处理的双包层光纤的涂覆层的一致性好，所以对于一些关键位置熔点的保护尤为重要。在高功率光纤激光器设计时应减少熔点个数，提高集成度，但是增益光纤与全光纤器件，全光纤器件之间存在熔点不可避免。如谐振腔中光纤光栅与增益光纤之间的熔点，光栅与泵浦合束器之间的熔点，放大器中泵浦合束器和增益光纤之间的熔点。由于高功率全光纤激光器在全封闭的光纤波导中传输激光，如光纤有任何一个点损坏，整个光纤激光器都无法工作乃至烧毁，风险高，损坏成本巨大。所以对其中的关键点的保护尤为重要。目前商业化的高功率光纤激光器中关键熔点经过稳定性测试以后直接装机，对其中关键点在光纤激光器使用过程中的监控很少。高功率光纤激光器在工业环境中使用时，会遇到震动，潮湿，湿度大等一系列不利因素，这些因素有可能会破坏其工作时的各个部分的热平衡。

发明内容

本发明的目的是为了解决技术背景中存在的问题以及目前高功率全光纤器件存在的技术缺陷，提供一种高功率全光纤激光器中关键熔点保护装置，使得高功率光纤激光器在使用过程中各关键熔点位置的运行状态可监控，关键熔点位置温度超出安全值达到警戒值时可及时自动关断激光电源保护光路。

高功率光纤激光器关键点保护装置，包括一根光纤1，其上含一个熔点位置2，其特征在于，将导热导光胶4包裹在以熔点位置2为中心的光纤1的周围，并均匀分布，并将包裹导热导光胶4的光纤1一起安装在散热底板3上，在光纤1的一侧的导热导光胶4上方中间位置安装有压力传感器5，在光纤1的另一侧的导热导光胶4上方一端、中间和另一端分别安装第一微型温度传感器6、第二微型温度传感器7和第三微型温度传感器8，压力传感器5、第一微型温度传感器6、第二微型温度传感器7和第三微型温度传感器8分别与报警器9连接，报警器9又与激光电源控制器10连接。

在散热底板(3)下表面安装有冷却水通道。

从技术方案看，本发明的有益效果是：

1、高功率光纤激光器关键点的保护装置实现全自动保护关键熔点，可以根据光纤输出功率不同而制定不同的报警温度值，一般不高于80℃。出现设定的警戒温度值时报警器9会及时发送关断电源指令到激光电源控制器10，能够及时关断激光电源，保护关键熔点避免热负载损伤。

2、该保护装置不但能够提供及时的保护，而且还带有潜在风险预警作用，导热导光胶4出现融化，压力传感器5会出现不为零数值，报警器9中会给出预警提示，以及时对其中出现的隐患给与排除。

3、该保护装置集监测和保护功能于一体，通过保护装置实现光电联动控制，在激光出现问题时及时断电保护，安全可靠。

4、该保护装置可以并联使用，可以对高功率全光纤激光器的所有关键点加以保护，将所有的关键熔点的温度数据和压力数据采集到报警器9中，进行序号排列，根据显示的数值可以知道对于哪个位置熔点，实现全***监控。

附图说明

图1.本发明结构示意图。

具体实施方式

高功率光纤激光器关键点保护装置，包括一根光纤1，其上含一个熔点位置2，其特征在于，将导热导光胶4包裹在以熔点位置2为中心的光纤1的周围，并均匀分布，并将包裹导热导光胶4的光纤1一起安装在散热底板3上，在光纤1的一侧的导热导光胶4上方中间位置安装有压力传感器5，在光纤1的另一侧的导热导光胶4上方一端、中间和另一端分别安装第一微型温度传感器6、第二微型温度传感器7和第三微型温度传感器8，压力传感器5、第一微型温度传感器6、第二微型温度传感器7和第三微型温度传感器8分别与报警器9连接，报警器9又与激光电源控制器10连接。

在散热底板3下表面安装有冷却水通道。

本发明公开一种高功率光纤激光器关键点保护装置，结构如图去所示，其包括：

一光纤1，其上含有一个熔点位置2，在高功率光纤激光器中一般为双包层增益光纤和无源匹配光纤之间的熔点；一散热底板3，其上放置光纤1，其下为水冷通道，通有冷却水，冷却水温度不高于23℃，在放置光纤1的上表面刻有一方形凹槽，散热底板3是关键熔点的散热与监测的平台，集散热与监测功能于一体；

一导热导光胶4，其放置在散热底板3上方形凹槽内并均匀分布在光纤1周围，作用是将熔点位置2和光纤1在高功率激光通过时产生的热量传导到散热底板3上；

一压力传感器5，其在导热导光胶4的一侧中间位置，与导热导光胶4不接触，在高功率光纤激光器正常工作时，导热导光胶4不融化，压力传感器5没有触碰压力，读数为零，一旦导热导光胶4融化时，就会触碰到压力传感器5，其就会有大于零的读数，反应到报警器9中，并在报警器9中给出预警提示。

一微型温度传感器6，其在导热导光胶4的另一侧边缘，为实时测试导热导光胶4在高功率光纤激光器工作时的温度，一般高功率光纤激光器正常工作的时候，其温度区间为15-35℃之间，超过35℃时数据传递到报警器9中会给出预警提示，超过50℃时报警器9中会发送关断指令到激光电源控制器10中，及时关断激光电源。

另一微型温度传感器7，其在导热导光胶4的另一侧中间，与熔点位置2距离较近，测得的温度如与微型温度传感器6、8的差值较大，则说明熔点位置2发热量大。高功率光纤激光器正常运行时，微型温度传感器7温度区间一般为15-35℃之间，超过35℃时数据传递到报警器9中会给出预警提示，超过50℃时报警器9中会发送关断指令到激光电源控制器10中，及时关断激光电源。

另一微型温度传感器8，其在导热导光胶4的另一侧另一边缘，其作用与微型温度传感器6一致，并与微型温度传感器6的温度数据比对。

一报警器9，其与压力传感器5和微型温度传感器6、7、8相连接，作用是接收压力传感器5和微型温度传感器6、7、8的数据，并在达到设定的警戒值时给出相应的预警提示和发送关断电源的指令到激光电源控制器10。

一激光电源控制器10，其与报警器9相连接，作用是正常工作时控制所有高功率全光纤激光器的泵浦半导体激光器驱动电源，包括驱动电源开关和电源电流的步进增加。以及在接收到报警器9的电源关断指令时，会及时关断所有半导体激光器的驱动电源，关断驱动电源顺序是从主放大级到预放大级到谐振腔依次关断，所有电源关断时间小于5ms。

该保护装置通过微型温度传感器6、7、8、和压力传感器5传回到报警器9中的数据判断该熔点位置2的发热状态。通过温度传感器6、7、8和压力传感器5分别实现及时关断电源保护和预警功能。在应急关断法保护方面，如果微型温度传感器7的温度值在高功率光纤激光器运行期间出现高于设定的警戒值，则报警器会给激光电源控制器10发送关断电源的指令，及时切断电源保护光纤激光器。同时，辅助监测的微型温度传感器6、8的数据也有预警值和警戒值，以放置微型温度传感器7出现故障或者熔接后的涂覆层界面处发热导致温度升高。

在长时间运行导热导光胶4融化预警方面，如果压力传感器的数值是0，说明导热导光胶4没有融化，如果压力传感器的数值大于0，说明导热导光胶4发生融化，应及时检查该熔点。

该保护装置具有体积小、灵敏度高、全自动控制等优点。保护分为预警和警戒两种状态保护。预警提示时需要人为检修维护，达到警戒状态时候会自动有序的关闭激光电源。该保护装置可以并联使用，可以对高功率全光纤激光器的所有关键点加以保护，将所有的关键熔点的温度数据和压力数据采集到报警器9中，进行序号排列，根据显示的数值可以知道对于哪个位置熔点，实现全***监控。

该保护装置简单易行，可以实现商业化生产并装配到高功率全光纤激光器产品中，提高高功率全光纤激光器的安全性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：将本发明简单应用到全光纤激光器中的涂覆层缺陷处的保护，光栅位置的保护，泵浦合束器位置的保护，以及包层光滤除位置温度保护。

本发明的技术方案为：高功率全光纤激光器关键点保护装置，结构如图1所示，包括一散热底板3，是整个保护装置的温度产生和监控平台，其为一块热导率高的金属块，可以为铜或铝，其下通有冷却水，上面留有一方形的凹槽，以放置导热导光胶4，并在凹槽的边缘留有四个小的沉孔，分别用于放置压力传感器5和微型温度传感器6，7，8，放置位置如图1所示；一光纤1，其上有熔点位置2，熔点位置2为热源产生的地方，为所要的保护的对象，熔点位置的涂覆层是在熔接后涂覆的；一导热导光胶4，其均匀放置在散热底板3上方的凹槽中，并没过光纤1，其主要作用是将熔点位置2和光纤1上产生的热传递给散热底板3，并通过散热底板3的水冷通道消耗掉热量，同时将熔点位置2漏出的激光导出；一压力传感器5，在导热导光胶的一侧，其为判断导热导光胶4是否融化，一旦导热导光胶4融化，就会触碰到压力传感器5的探头，其在报警器9中就会有相应的不为零读数，并提供预警；三个微型温度传感器6、7、8用于监测导热导光胶4另一侧边缘三个不同位置的温度，同时微型温度传感器6和8处于温度传感器7的两边对称位置，微型温度传感器6、8测得两个数值应为相近值，如果出现大于5℃的数据差，则说明导热导光胶4出现变质或者散热底板3的水冷通道出现堵塞，则需停止激光工作，排除问题隐患；一报警器9，用于采集微型温度传感器6、7、8所测得的实时温度数值和压力传感器5所采集的实时数据情况，同时可以根据高功率全光纤激光器的输出功率而设定相应的警戒温度值，一旦温度传感器6、7、8中有任何一个数据值达到警戒值，会及时向激光电源控制器10发送关断指令，时间间隔小于1ms，如果压力传感器5所采集到的数据大于0，说明导热导光胶4出现融化也会给出预警提示；一激光电源控制器10，其对整个高功率全光纤激光器的半导体泵浦源的驱动电源统一控制，包括激光信号种子源的谐振腔的半导体激光器的驱动电源和各放大级的半导体激光器的驱动电源，可以对所有的驱动电源进行瞬间关断，在出现紧急情况时保护光路，在光纤激光器运行时电源的启动顺序也是由激光电源控制器控制，避免在没有开启种子信号源的时候开启放大级的电源，损伤增益光纤。

在光纤1中通有高功率激光时，熔点位置2会因为激光功率、熔接工艺、涂覆工艺水平不同而产生相应的热量，其热量通过散热底板3和导热导光胶4耗散掉，一般2kW的光纤激光器正常工作情况下熔点位置2处的温度不高于50℃，通过散热底板3和导热导光胶4能将熔点位置2处产生的热量消耗并维持热平衡。但是工业应用中很难排除高功率光纤激光器在使用过程中出现震动、环境温度高、潮湿、灰尘等不利因素的影响，使得熔点位置2处的热平衡被打破，出现短时间热量激增的情况。这个时候的监控和保护就很有必要，如果温度传感器7监测的温度数据超过警戒值，报警器9能立即发送关断指令到激光电源控制器10关断所有的半导体激光器驱动电源，保护光路不受损。在多个关键点保护装置时，报警器9上会有对应的序号，此时可以根据报警器9上的序号得知哪个熔点位置2出现问题。

本发明公开一种高功率光纤激光器关键点保护装置，通过光纤激光器使用过程中，关键熔点位置的温度传感器和压力传感器传回的数据，来判断熔点的运行状态，一旦熔点温度达到警戒数值，可以通过报警器发出指令到激光电源控制器来切断激光电源，保护光纤激光器避免损伤乃至烧毁。

高功率光纤激光器关键点保护装置，结构如图1所示，包括：

一光纤1，其上含有一个熔点位置2；

一散热底板3，其上放置光纤1；

一导热导光胶4，其在散热底板3上并均匀分布在光纤1周围；

一压力传感器5，其在导热导光胶4的一侧中间；

一微型温度传感器6，其在导热导光胶4的另一侧边缘；

另一微型温度传感器7，其在导热导光胶4的另一侧中间；

另一微型温度传感器8，其在导热导光胶4的另一侧另一边缘；

一报警器9，其与压力传感器5，微型温度传感器6，7，8相连接；

一激光电源控制器10，其与报警器9相连接。

该保护装置特征在于通过微型温度传感器6，7，8，和压力传感器5传回到报警器9中的数据判断该熔点的发热状态，如果压力传感器的数值是0，说明导热导光胶4没有融化，如果压力传感器的数值大于0，说明导热导光胶4发生融化，应及时检查该熔点。如果微型温度传感器6、7、8中任一测得的温度高于设定的预警值，则报警器9会给出预警提示；如果微型温度传感器6、7、8中任一测得的温度高于设定的警戒值，则报警器9会给激光电源控制器10发送关断电源的指令，及时切断电源保护光纤激光器，在微型温度传感器6、7、8中所有的温度数据都低于设定的预警值，压力传感器5中没有压力读数，则报警器9不会出现任何预警提示，激光电源控制器10会正常运行保障高功率全光纤激光器正常工作。

所述的导热底板3下通有冷却水通道，冷却水温度不高于23℃。

所述的导热导光胶4涂在光纤上，并在导热底板3上固定的槽内均匀涂覆一层。该导热导光胶4能将熔点位置泄露的激光导出，同时导热，降低激光在熔点位置2处热积累。

所述压力传感器5为微型压力传感器，只要有压力就能测得，在导热导光胶4没有融化时，压力传感器5探头不接触任何东西，此时的读数为0，只要有导热导光胶4融化触碰到压力传感器5探头其就会有读数，并在报警器9中显示有压力预警状态。

所述微型温度传感器6，7，8的精度为0.05℃，响应时间ms量级，测温区间5-500℃。并将测得的数据传回到报警器9中并显示出来。

所述报警器9读取压力传感器5和微型温度传感器6、7、8传回的数据，并可根据高功率全光纤激光器的输出功率设定相应的报警值和给激光电源控制器10发送急停指令的数据值。

所述激光电源控制器10为高功率全光纤激光器各个单元半导体激光器驱动电源的控制器，包括谐振腔和各放大级的半导体激光器驱动电源。可以实现所有电源的开关升降电流步进控制也包括紧急情况按顺序急停断电，所有电源关断时间小于5ms。

为解决这一技术难题，本发明公开一种关键点保护装置，在高功率光纤激光器使用过程中一直监控关键熔点的运行状态。对容易发热的熔点位置提供及时急停保护和长时间运作中的隐患预警。实现高功率光纤激光器关键点的双重保护，以确保高功率光纤激光器能够长时间稳定运行。

Claims (2)

1.高功率光纤激光器关键点保护装置，包括一根光纤(1)，其上含一个熔点位置(2)，其特征在于，将导热导光胶(4)包裹在以熔点位置(2)为中心的光纤(1)的周围，并均匀分布，并将包裹导热导光胶(4)的光纤(1)一起安装在散热底板(3)上，在光纤(1)的一侧的导热导光胶(4)上方中间位置安装有压力传感器(5)，在光纤(1)的另一侧的导热导光胶(4)上方一端、中间和另一端分别安装第一微型温度传感器(6)、第二微型温度传感器(7)和第三微型温度传感器(8)，压力传感器(5)、第一微型温度传感器(6)、第二微型温度传感器(7)和第三微型温度传感器(8)分别与报警器(9)连接，报警器(9)又与激光电源控制器(10)连接。

2.根据权利要求1所述的高功率光纤激光器关键点保护装置，其特征在于，在散热底板(3)下表面安装有冷却水通道。