高功率光纖雷射器關鍵點保護裝置的製作方法
2023-05-27 20:33:11 1
本發明是高功率光纖雷射器關鍵點保護裝置，屬於光纖雷射技術領域，尤其涉及高功率全光纖雷射器領域。
技術背景
高功率全光纖雷射器具有光束質量好，轉換效率高，集成度高等優勢在工業，軍事領域有著廣泛的應用。現代工業加工和軍事戰術武器需要光纖雷射器的輸出功率達到千瓦級以上乃至萬瓦量級。
然而在千瓦級或更高功率的光纖雷射器的生產需要突破很多的核心技術，如高功率核心器件的製備，關鍵發熱點的保護，返回光的保護，光電聯動控制等，這些技術大多數為國外少數公司掌握，如IPG，羅芬，SPI等。國產高功率光纖雷射器功率指標要達到國際先進水平必須掌握這一系列的關鍵技術。
高功率光纖雷射器所採用的光纖具有比表面積大，散熱性能好的優勢，但是一些關鍵點，如增益光纖與全光纖器件的熔點位置，由於其發熱量大，其發熱面積小，所以這些關鍵點的熱負載高，嚴重時會導致光纖燒毀。一旦熔點位置燒毀，其中傳輸的高功率雷射會沿著光纖快速的燒毀光纖，幾秒鐘的時間就可能將整個全光纖系統燒毀，嚴重時也會給半導體雷射器帶來不可逆損傷。一般雙包層光纖的氟化物塗覆層可承受的溫度只有80℃，超過這個溫度氟化物塗覆層會逐漸融化乃至燒毀。而熔點的塗覆層是熔接完成後再塗覆的，遠不如未處理的雙包層光纖的塗覆層的一致性好，所以對於一些關鍵位置熔點的保護尤為重要。在高功率光纖雷射器設計時應減少熔點個數，提高集成度，但是增益光纖與全光纖器件，全光纖器件之間存在熔點不可避免。如諧振腔中光纖光柵與增益光纖之間的熔點，光柵與泵浦合束器之間的熔點，放大器中泵浦合束器和增益光纖之間的熔點。由於高功率全光纖雷射器在全封閉的光纖波導中傳輸雷射，如光纖有任何一個點損壞，整個光纖雷射器都無法工作乃至燒毀，風險高，損壞成本巨大。所以對其中的關鍵點的保護尤為重要。目前商業化的高功率光纖雷射器中關鍵熔點經過穩定性測試以後直接裝機，對其中關鍵點在光纖雷射器使用過程中的監控很少。高功率光纖雷射器在工業環境中使用時，會遇到震 動，潮溼，溼度大等一系列不利因素，這些因素有可能會破壞其工作時的各個部分的熱平衡。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決技術背景中存在的問題以及目前高功率全光纖器件存在的技術缺陷，提供一種高功率全光纖雷射器中關鍵熔點保護裝置，使得高功率光纖雷射器在使用過程中各關鍵熔點位置的運行狀態可監控，關鍵熔點位置溫度超出安全值達到警戒值時可及時自動關斷雷射電源保護光路。
高功率光纖雷射器關鍵點保護裝置，包括一根光纖1，其上含一個熔點位置2，其特徵在於，將導熱導光膠4包裹在以熔點位置2為中心的光纖1的周圍，並均勻分布，並將包裹導熱導光膠4的光纖1一起安裝在散熱底板3上，在光纖1的一側的導熱導光膠4上方中間位置安裝有壓力傳感器5，在光纖1的另一側的導熱導光膠4上方一端、中間和另一端分別安裝第一微型溫度傳感器6、第二微型溫度傳感器7和第三微型溫度傳感器8，壓力傳感器5、第一微型溫度傳感器6、第二微型溫度傳感器7和第三微型溫度傳感器8分別與報警器9連接，報警器9又與雷射電源控制器10連接。
在散熱底板(3)下表面安裝有冷卻水通道。
從技術方案看，本發明的有益效果是：
1、高功率光纖雷射器關鍵點的保護裝置實現全自動保護關鍵熔點，可以根據光纖輸出功率不同而制定不同的報警溫度值，一般不高於80℃。出現設定的警戒溫度值時報警器9會及時發送關斷電源指令到雷射電源控制器10，能夠及時關斷雷射電源，保護關鍵熔點避免熱負載損傷。
2、該保護裝置不但能夠提供及時的保護，而且還帶有潛在風險預警作用，導熱導光膠4出現融化，壓力傳感器5會出現不為零數值，報警器9中會給出預警提示，以及時對其中出現的隱患給與排除。
3、該保護裝置集監測和保護功能於一體，通過保護裝置實現光電聯動控制，在雷射出現問題時及時斷電保護，安全可靠。
4、該保護裝置可以並聯使用，可以對高功率全光纖雷射器的所有關鍵點加以保護，將所有的關鍵熔點的溫度數據和壓力數據採集到報警器9中，進行序號排列，根據顯示的數值可以知道對於哪個位置熔點，實現全系統監控。
附圖說明
圖1.本發明結構示意圖。
具體實施方式
高功率光纖雷射器關鍵點保護裝置，包括一根光纖1，其上含一個熔點位置2，其特徵在於，將導熱導光膠4包裹在以熔點位置2為中心的光纖1的周圍，並均勻分布，並將包裹導熱導光膠4的光纖1一起安裝在散熱底板3上，在光纖1的一側的導熱導光膠4上方中間位置安裝有壓力傳感器5，在光纖1的另一側的導熱導光膠4上方一端、中間和另一端分別安裝第一微型溫度傳感器6、第二微型溫度傳感器7和第三微型溫度傳感器8，壓力傳感器5、第一微型溫度傳感器6、第二微型溫度傳感器7和第三微型溫度傳感器8分別與報警器9連接，報警器9又與雷射電源控制器10連接。
在散熱底板3下表面安裝有冷卻水通道。
本發明公開一種高功率光纖雷射器關鍵點保護裝置，結構如圖去所示，其包括：
一光纖1，其上含有一個熔點位置2，在高功率光纖雷射器中一般為雙包層增益光纖和無源匹配光纖之間的熔點；一散熱底板3，其上放置光纖1，其下為水冷通道，通有冷卻水，冷卻水溫度不高於23℃，在放置光纖1的上表面刻有一方形凹槽，散熱底板3是關鍵熔點的散熱與監測的平臺，集散熱與監測功能於一體；
一導熱導光膠4，其放置在散熱底板3上方形凹槽內並均勻分布在光纖1周圍，作用是將熔點位置2和光纖1在高功率雷射通過時產生的熱量傳導到散熱底板3上；
一壓力傳感器5，其在導熱導光膠4的一側中間位置，與導熱導光膠4不接觸，在高功率光纖雷射器正常工作時，導熱導光膠4不融化，壓力傳感器5沒有觸碰壓力，讀數為零，一旦導熱導光膠4融化時，就會觸碰到壓力傳感器5，其就會有大於零的讀數，反應到報警器9中，並在報警器9中給出預警提示。
一微型溫度傳感器6，其在導熱導光膠4的另一側邊緣，為實時測試導熱導光膠4在高功率光纖雷射器工作時的溫度，一般高功率光纖雷射器正常工作的時候，其溫度區間為15-35℃之間，超過35℃時數據傳遞到報警器9中會給出 預警提示，超過50℃時報警器9中會發送關斷指令到雷射電源控制器10中，及時關斷雷射電源。
另一微型溫度傳感器7，其在導熱導光膠4的另一側中間，與熔點位置2距離較近，測得的溫度如與微型溫度傳感器6、8的差值較大，則說明熔點位置2發熱量大。高功率光纖雷射器正常運行時，微型溫度傳感器7溫度區間一般為15-35℃之間，超過35℃時數據傳遞到報警器9中會給出預警提示，超過50℃時報警器9中會發送關斷指令到雷射電源控制器10中，及時關斷雷射電源。
另一微型溫度傳感器8，其在導熱導光膠4的另一側另一邊緣，其作用與微型溫度傳感器6一致，並與微型溫度傳感器6的溫度數據比對。
一報警器9，其與壓力傳感器5和微型溫度傳感器6、7、8相連接，作用是接收壓力傳感器5和微型溫度傳感器6、7、8的數據，並在達到設定的警戒值時給出相應的預警提示和發送關斷電源的指令到雷射電源控制器10。
一雷射電源控制器10，其與報警器9相連接，作用是正常工作時控制所有高功率全光纖雷射器的泵浦半導體雷射器驅動電源，包括驅動電源開關和電源電流的步進增加。以及在接收到報警器9的電源關斷指令時，會及時關斷所有半導體雷射器的驅動電源，關斷驅動電源順序是從主放大級到預放大級到諧振腔依次關斷，所有電源關斷時間小於5ms。
該保護裝置通過微型溫度傳感器6、7、8、和壓力傳感器5傳回到報警器9中的數據判斷該熔點位置2的發熱狀態。通過溫度傳感器6、7、8和壓力傳感器5分別實現及時關斷電源保護和預警功能。在應急關斷法保護方面，如果微型溫度傳感器7的溫度值在高功率光纖雷射器運行期間出現高於設定的警戒值，則報警器會給雷射電源控制器10發送關斷電源的指令，及時切斷電源保護光纖雷射器。同時，輔助監測的微型溫度傳感器6、8的數據也有預警值和警戒值，以放置微型溫度傳感器7出現故障或者熔接後的塗覆層界面處發熱導致溫度升高。
在長時間運行導熱導光膠4融化預警方面，如果壓力傳感器的數值是0，說明導熱導光膠4沒有融化，如果壓力傳感器的數值大於0，說明導熱導光膠4發生融化，應及時檢查該熔點。
該保護裝置具有體積小、靈敏度高、全自動控制等優點。保護分為預警和警戒兩種狀態保護。預警提示時需要人為檢修維護，達到警戒狀態時候會自動有序的關閉雷射電源。該保護裝置可以並聯使用，可以對高功率全光纖雷射器的 所有關鍵點加以保護，將所有的關鍵熔點的溫度數據和壓力數據採集到報警器9中，進行序號排列，根據顯示的數值可以知道對於哪個位置熔點，實現全系統監控。
該保護裝置簡單易行，可以實現商業化生產並裝配到高功率全光纖雷射器產品中，提高高功率全光纖雷射器的安全性。
以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。此外，上述對各元件和方法的定義並不僅限於實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換，例如：將本發明簡單應用到全光纖雷射器中的塗覆層缺陷處的保護，光柵位置的保護，泵浦合束器位置的保護，以及包層光濾除位置溫度保護。
本發明的技術方案為：高功率全光纖雷射器關鍵點保護裝置，結構如圖1所示，包括一散熱底板3，是整個保護裝置的溫度產生和監控平臺，其為一塊熱導率高的金屬塊，可以為銅或鋁，其下通有冷卻水，上面留有一方形的凹槽，以放置導熱導光膠4，並在凹槽的邊緣留有四個小的沉孔，分別用於放置壓力傳感器5和微型溫度傳感器6，7，8，放置位置如圖1所示；一光纖1，其上有熔點位置2，熔點位置2為熱源產生的地方，為所要的保護的對象，熔點位置的塗覆層是在熔接後塗覆的；一導熱導光膠4，其均勻放置在散熱底板3上方的凹槽中，並沒過光纖1，其主要作用是將熔點位置2和光纖1上產生的熱傳遞給散熱底板3，並通過散熱底板3的水冷通道消耗掉熱量，同時將熔點位置2漏出的雷射導出；一壓力傳感器5，在導熱導光膠的一側，其為判斷導熱導光膠4是否融化，一旦導熱導光膠4融化，就會觸碰到壓力傳感器5的探頭，其在報警器9中就會有相應的不為零讀數，並提供預警；三個微型溫度傳感器6、7、8用於監測導熱導光膠4另一側邊緣三個不同位置的溫度，同時微型溫度傳感器6和8處於溫度傳感器7的兩邊對稱位置，微型溫度傳感器6、8測得兩個數值應為相近值，如果出現大於5℃的數據差，則說明導熱導光膠4出現變質或者散熱底板3的水冷通道出現堵塞，則需停止雷射工作，排除問題隱患；一報警器9，用於採集微型溫度傳感器6、7、8所測得的實時溫度數值和壓力傳感器5所採集的 實時數據情況，同時可以根據高功率全光纖雷射器的輸出功率而設定相應的警戒溫度值，一旦溫度傳感器6、7、8中有任何一個數據值達到警戒值，會及時向雷射電源控制器10發送關斷指令，時間間隔小於1ms，如果壓力傳感器5所採集到的數據大於0，說明導熱導光膠4出現融化也會給出預警提示；一雷射電源控制器10，其對整個高功率全光纖雷射器的半導體泵浦源的驅動電源統一控制，包括雷射信號種子源的諧振腔的半導體雷射器的驅動電源和各放大級的半導體雷射器的驅動電源，可以對所有的驅動電源進行瞬間關斷，在出現緊急情況時保護光路，在光纖雷射器運行時電源的啟動順序也是由雷射電源控制器控制，避免在沒有開啟種子信號源的時候開啟放大級的電源，損傷增益光纖。
在光纖1中通有高功率雷射時，熔點位置2會因為雷射功率、熔接工藝、塗覆工藝水平不同而產生相應的熱量，其熱量通過散熱底板3和導熱導光膠4耗散掉，一般2kW的光纖雷射器正常工作情況下熔點位置2處的溫度不高於50℃，通過散熱底板3和導熱導光膠4能將熔點位置2處產生的熱量消耗並維持熱平衡。但是工業應用中很難排除高功率光纖雷射器在使用過程中出現震動、環境溫度高、潮溼、灰塵等不利因素的影響，使得熔點位置2處的熱平衡被打破，出現短時間熱量激增的情況。這個時候的監控和保護就很有必要，如果溫度傳感器7監測的溫度數據超過警戒值，報警器9能立即發送關斷指令到雷射電源控制器10關斷所有的半導體雷射器驅動電源，保護光路不受損。在多個關鍵點保護裝置時，報警器9上會有對應的序號，此時可以根據報警器9上的序號得知哪個熔點位置2出現問題。
本發明公開一種高功率光纖雷射器關鍵點保護裝置，通過光纖雷射器使用過程中，關鍵熔點位置的溫度傳感器和壓力傳感器傳回的數據，來判斷熔點的運行狀態，一旦熔點溫度達到警戒數值，可以通過報警器發出指令到雷射電源控制器來切斷雷射電源，保護光纖雷射器避免損傷乃至燒毀。
高功率光纖雷射器關鍵點保護裝置，結構如圖1所示，包括：
一光纖1，其上含有一個熔點位置2；
一散熱底板3，其上放置光纖1；
一導熱導光膠4，其在散熱底板3上並均勻分布在光纖1周圍；
一壓力傳感器5，其在導熱導光膠4的一側中間；
一微型溫度傳感器6，其在導熱導光膠4的另一側邊緣；
另一微型溫度傳感器7，其在導熱導光膠4的另一側中間；
另一微型溫度傳感器8，其在導熱導光膠4的另一側另一邊緣；
一報警器9，其與壓力傳感器5，微型溫度傳感器6，7，8相連接；
一雷射電源控制器10，其與報警器9相連接。
該保護裝置特徵在於通過微型溫度傳感器6，7，8，和壓力傳感器5傳回到報警器9中的數據判斷該熔點的發熱狀態，如果壓力傳感器的數值是0，說明導熱導光膠4沒有融化，如果壓力傳感器的數值大於0，說明導熱導光膠4發生融化，應及時檢查該熔點。如果微型溫度傳感器6、7、8中任一測得的溫度高於設定的預警值，則報警器9會給出預警提示；如果微型溫度傳感器6、7、8中任一測得的溫度高於設定的警戒值，則報警器9會給雷射電源控制器10發送關斷電源的指令，及時切斷電源保護光纖雷射器，在微型溫度傳感器6、7、8中所有的溫度數據都低於設定的預警值，壓力傳感器5中沒有壓力讀數，則報警器9不會出現任何預警提示，雷射電源控制器10會正常運行保障高功率全光纖雷射器正常工作。
所述的導熱底板3下通有冷卻水通道，冷卻水溫度不高於23℃。
所述的導熱導光膠4塗在光纖上，並在導熱底板3上固定的槽內均勻塗覆一層。該導熱導光膠4能將熔點位置洩露的雷射導出，同時導熱，降低雷射在熔點位置2處熱積累。
所述壓力傳感器5為微型壓力傳感器，只要有壓力就能測得，在導熱導光膠4沒有融化時，壓力傳感器5探頭不接觸任何東西，此時的讀數為0，只要有導熱導光膠4融化觸碰到壓力傳感器5探頭其就會有讀數，並在報警器9中顯示有壓力預警狀態。
所述微型溫度傳感器6，7，8的精度為0.05℃，響應時間ms量級，測溫區間5-500℃。並將測得的數據傳回到報警器9中並顯示出來。
所述報警器9讀取壓力傳感器5和微型溫度傳感器6、7、8傳回的數據，並可根據高功率全光纖雷射器的輸出功率設定相應的報警值和給雷射電源控制器10發送急停指令的數據值。
所述雷射電源控制器10為高功率全光纖雷射器各個單元半導體雷射器驅動電源的控制器，包括諧振腔和各放大級的半導體雷射器驅動電源。可以實現所有電源的開關升降電流步進控制也包括緊急情況按順序急停斷電，所有電源關 斷時間小於5ms。
為解決這一技術難題，本發明公開一種關鍵點保護裝置，在高功率光纖雷射器使用過程中一直監控關鍵熔點的運行狀態。對容易發熱的熔點位置提供及時急停保護和長時間運作中的隱患預警。實現高功率光纖雷射器關鍵點的雙重保護，以確保高功率光纖雷射器能夠長時間穩定運行。