雷射功率傳感器的製造方法

2023-07-09 05:38:01

雷射功率傳感器的製造方法
【專利摘要】一種傳感器單元，用於檢測沿光路在光纖中導引的雷射的瑞利散射，配置有保持器。所述保持器具有以相對光路橫向延伸的軸為中心的U形凹口。所述凹口的彎曲底部具有不光滑反射表面，並且配置有這樣的曲率半徑，使得在與凹口共軸的測光器的光輸入窗口的焦平面中收集入射到所述底部上的瑞利散射光。在光輸入窗口上反射的瑞利散射的量足以提供與參考值偏差不超過約±3％的測量數據。
【專利說明】雷射功率傳感器

【技術領域】
[0001] 本發明涉及雷射系統，更具體地涉及配置有功率傳感器單元的光纖雷射器系統， 所述功率傳感器單元能夠檢測沿光纖傳播的雷射的瑞利散射，所述瑞利散射的量足以可靠 地測量雷射輸出功率。

【背景技術】
[0002] 檢查雷射器性能的最基本方法是測量其功率或能量輸出。雷射輸出直接影響雷射 器的執行手頭的工藝的能力。從最初製造出雷射器時起，到系統集成整個過程，直到最終 終端用戶將在諸如醫療、科學、生物醫學、工業和軍事應用等遠程應用中使用所述雷射器系 統，測量和監測這種參數常常都是非常重要的。正如存在具有廣泛不同的規格的多種不同 類型的雷射器一樣，存在適用於特定的雷射器類型並且通常與具體的雷射器規格相匹配的 不同測量技術。
[0003] 測量系統典型地包括功率傳感器，所述功率傳感器放置於雷射束中，並且提供與 雷射器輸入成正比的信號輸出。第二部件是測光表。典型的功率傳感器，即能夠檢測功率 (連續波（CW)雷射器的光功率輸出或者脈衝或調製雷射器的平均功率）的器件，具有包括 分光器在內的結構。分光器配置為分接光束的預定部分。因此，使用分光器會引入對所發 射光束的不希望的功率損耗。
[0004] 對於包括光纖雷射器在內的大功率雷射器（本文特別感興趣的雷射器），這種損 耗因為對雷射器系統的效率造成不利影響，因此可能是不可接受的。此外，這種功率損耗的 必然利用導致了熱的產生，從而降低了雷射器系統的可靠性。
[0005] 具體地參考光纖雷射器，除了如上所述的損耗之外，還存在本徵損耗，即在光纖中 實際上不可避免的光損耗。本徵光纖損耗是與光纖材料本身相關聯的損耗，並且包括吸收 和散射。清楚地是，對於手頭的任務（即檢測沿光纖傳播的光的功率）而言，優先的是使用 本徵損耗，而不是產生不必要的附加損耗。
[0006] 參考線性散射，如雷射器領域的普通技術人員所知曉的，由於這種光學現象引起 的功率損耗是由芯區材料中的缺陷和結與包層之間的不規則性引起的。最著名的線性散射 類型-瑞利散射-可以是由玻璃中的微小的電介質不一致性的存在引起的。因為這些幹擾 相對於正在傳播的波來說較小，遭受瑞利缺陷的光沿所有方向散射。散射光缺乏明確的方 向性並且因此難以收集，使得檢測工藝相當困難且不可靠。因此，限制了已知探測器的用 途，所述已知探測器可操作用於感測在光沿光纖傳播的同時根據瑞利機制散射的光。
[0007] 因此，需要一種能夠有效地檢測沿光纖導引的散射光的傳感器。
[0008] 因此，還需要一種配置有功率傳感器的光纖雷射器系統，所述功率傳感器配置為 可靠地檢測根據瑞利機制散射的光。


【發明內容】

[0009] 公開了一種雷射功率傳感器單元的改進結構，其包括具有容納一段光纖的凹口的 殼體、光反射器和光電二極體；所述反射器和所述光電二極體在相反方向上與光纖段間隔 開。本發明的傳感器單元被配置為提供與通過校準的已鑑定傳感器獲得的實際光功率偏差 在約±3%範圍內的測量數據。這種範圍小於業界接受的5%範圍。
[0010] 在一個方面，限定凹口-反射器的表面之一是弓形的，以便對入射到其上的大部 分瑞利輻射進行反射。所述表面構建為具有在光纖後面形成的焦平面。配置本發明的單元 使得光電二極體的光輸入窗口位於焦平面上，這允許收集足夠量的散射光，從而克服了已 知的現有技術的主要困難：收集足夠量的瑞利散射光。
[0011] 在本發明的另一個方面，反射表面是不光滑的。不光滑的反射表面有效地減小了 製造缺陷的不利影響，並且放鬆了在製造工藝期間通常會發生的容限。在另一個方面，對包 括不光滑的反射表面的殼體進行鍍金，這提供了具有高反射率和折射係數的長期可靠性的 表面。
[0012] 在本發明的再一個方面，通過封蓋裝置氣密地密封凹口和探測器的光輸入窗口， 防止空氣進入所述凹口。這種氣密性提供了傳感器的各種參數的附加穩定性、對於諸如背 景曝光和增大的溼度之類的環境因素的增大的抵抗力，其中增大的溼度會導致在鏡子上形 成薄霧。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 通過結合附圖閱讀以下描述，本發明的以上和其他方面、特徵和優點將變得清楚 明白，其中類似的參考數值表示相同的元件。
[0014] 圖1A是本發明的雷射功率傳感器單元的正交視圖；
[0015] 圖1B是圖1A的傳感器單元的正交分解視圖；
[0016] 圖1C是在裝配狀態下的傳感器單元的正交視圖；
[0017] 圖1D是沿圖1A的D-D線得到的傳感器單元的截面圖；
[0018] 圖1E是沿圖1C的E-E線得到的傳感器單元的截面圖；以及
[0019] 圖2是配置有圖1A-1E的傳感器單元的光纖雷射器系統的示意圖；
[0020] 圖3A是說明了，在受控時間段期間，針對沿光纖傳播的120W功率的光，由所公開 的傳感器單元獲得的數據與由已鑑定的功率計測量的數據之間的偏差的曲線。
[0021] 圖3B是說明了在受控時間段期間的溫度變化的曲線。
[0022] 圖4A是與圖3A類似但是針對60W功率的光的曲線。
[0023] 圖4B是說明了在受控時間段期間的溫度變化的曲線。

【具體實施方式】
[0024] 現在將詳細參考本發明的優選實施例，其公開了配置為提供對足以進行可重複和 可靠的檢測的數量的散射瑞利光進行聚焦的結構。在可能的情況下，相同或類似的參考數 字在附圖和說明書中用來表示相同或類似的部件或步驟。附圖是簡化形式，並且沒有精確 按比例繪製。只是為了方便和清楚的目的，方向性（向上/向下等等）或者運動性（向前 /向後等等）術語可以相對於附圖來使用。這些和類似的方向性術語不應該解釋為按照任 何方式限制本發明的範圍。
[0025] 參考圖1A-1E，雷射功率傳感器單元10包括殼體12,所述殼體可以具有多種結構， 但是如所示的，所述殼體具有基本上矩形的本體14。本體14的相對較大面積的面16之一 具有在本體14的相對短的側面20之間延伸的凹槽或溝道18。溝道18的橫截面取決於光 纖類型，並且更具體地取決於光纖的外直徑及其相對於二極體38的光敏區域40 (圖1E)以 及反射表面的距離。此外，溝道18不是均勻地配置的，並且具有相對較窄且基本上均勻尺 寸的區域22,所述區域22從相應的短側面20開始延伸、並且延伸進入到相對較大的區域或 凹口 24中，該相對較大的區域或凹口 24因此中斷了溝道18,從而限定了兩個間隔開的窄 區域22。窄區域22通常配置為容納光纖26以便防止光纖相對於本體14的過多移動。再 次，只是作為示例，凹槽18的深度大約是本體14的厚度的一半，即約1/6"。在相應的短側 面20中終止的凹槽18的外端面28通常是U形的，以便防止光纖和本體14之間不必要的 摩擦。
[0026] 儘管可以對整個單元10的幾何結構進行修改，所示的殼體是約1"長、約1/3"厚和 約1/2"寬。溝道18深得足以可靠地固定一段光纖26。最終，期望的光纖位置應該是使得 測量數據不會與參考值（由已鑑定的傳感器測量的光的分接部分的功率）偏差大於約3%， 進而偏差小於工業標準中通常考慮的5%。
[0027] 凹口 24可以定位於本體12上的任意方便的位置，但是優選地佔據凹陷的大面積 的面16上的中央位置。凹口 24的側邊32具有U形橫截面。側邊32的表面32'優選地是 平坦的，但這並不是必需的。通道36 (圖1B)鑽孔穿過本體14,並且在長邊面30和凹口 24 的側邊32之間延伸。通道36的幾何結構配置為允許PIN光電二極體38從本體14的長邊 面30穿過通道至所需位置，在所需位置處光電二極體的光輸入窗口 40 (圖1E)停止於相距 凹口 24的側邊32-定距離。
[0028] 凹口 24的相對側邊44 (圖1A、1B和1D)也具有U形橫截面，但是與側邊32的表 面32'相反，側邊44的表面44'從側邊32向外彎曲或者向外弓起。彎曲表面44'配置有 半徑R(圖1D)，所述半徑被選擇為使得從光纖26入射到這一表面上的散射光總是聚焦到 表面32'的焦平面中，所述焦平面包括由圖1A的箭頭所示的光輸入窗口 40 (圖1E)。所述 半徑R還被選擇為，使得反射足以進行可靠的檢測和進一步測量的數量的散射光。對作為 本體14 一部分的反射面44'優選是電鍍的並且被處理為不光滑的，所述表面提供傳感器單 元10的附加的穩定性和長期可檢測性。如現有技術中已知的，金對環境應力具有高度耐受 性，並且具有長期穩定的反射係數。替代地，作為金的代替，不鏽鋼、鎳、鋁和其他穩定金屬、 陶瓷和塑料也可以單獨地或者彼此任意組合地用於製造殼體12。關鍵條件是材料與金結合 以便經受環境應力並且長期表現出穩定且高的反射係數的能力。作為金的替代，也可以使 用不鏽鋼和/或鎳。用於製造殼體12的優選材料組合包括用鎳層覆蓋的鋁，並且在鎳層上 塗覆有金層。
[0029] 為了裝配單元10,將密封環56 (圖1B)放置於通道36的外部開口上，使得當將探 測器38插入到通道中時，將環56夾在探測器38的輪緣58和殼體12的長邊面30之間。將 固定板54安裝到殼體12的側邊30的頂部，使得將開口 34 (圖1C)與通道36同軸地放置， 以被傳感器38的管腳橫貫。在建立所需位置時，緊固件42將板54和探測器38可靠地耦 合至殼體12。
[0030] 蓋子50覆蓋殼體12,使得容納光纖26的凹口是氣密的。這可以通過在殼體12和 蓋子50之間放置密封板52來確保。因此，裝配好的傳感器單元10的特徵在於密封結構，所 述密封結構防止環境大氣與單元10內部之間的空氣連通，使得氣密地密封了具有光纖26 和光電二極體28的光輸入窗口 40的凹槽，這改善了背景曝光，並且增加了對於溼度變化的 耐受性，其中溼度會引起在反射表滿44'的不光滑表面上形成薄霧。
[0031] 圖2說明了包括一個或多個放大級聯裝置62、64在內的光纖雷射器系統65的示 意圖。系統65可以按照CW或脈衝方式操作。如所示地，所公開的傳感器單元10位於放大 器（b 〇〇Ster)64的下遊。然而，單元10可以放置於沿光路的感興趣的任意位置。測光表 66 (通常包括控制器）耦合至單元10的輸出端，並且配置為測量檢測到的信號。
[0032] 光探測器的性能通常通過多個不同參數來表徵。典型地，光敏面積越大，光電探測 器的靈敏度越好。回到在光纖雷射器的領域中使用的功率傳感器，5%的誤差容限（即，檢 測到的沿光纖傳播的光的功率與實際功率因子的偏差）是可接受的值。
[0033] 表A說明了在所公開的利用眾多成品光電二極體之一（例如Hamamatse G8370) 的測光器的多次試驗期間獲得的數據。
[0034]

【權利要求】
1. 一種傳感器單元，用於檢測沿光纖導引的雷射的瑞利散射，所述傳感器單元包括： 本體，配置有： 沿縱軸延伸的貫通溝道， 以凹軸為中心並且中斷所述溝道的U形凹口，所述凹軸相對於縱軸橫向延伸；以及 與凹口底部相對的，與所述U形凹口共軸並且開口進入到所述U形凹口中的通道； 光探測器，配置有終止於所述通道中的光輸入窗口，所述凹口底部是彎曲的以將一定 量的瑞利散射反射在位於光輸入窗口中的焦點上，其中所聚焦的瑞利散射的量足以提供與 參考值的偏差不大於約±3%的測量數據。
2. 根據權利要求1所述的傳感器單元，其中所述測量數據與參考值的偏差小於約 ± 1 %。
3. 根據權利要求1所述的傳感器單元，其中所述本體由從包括以下材料的組中選擇的 材料製成：金屬、陶瓷、塑料及其組合，並且彎曲底部是不光滑的。
4. 根據權利要求3所述的傳感器單元，其中所述本體由金屬組合物製成，所述金屬組 合物包括：鋁基材、覆蓋所述鋁基材的鎳層、以及塗覆在所述鎳層上的金層。
5. 根據權利要求1所述的傳感器單元，其中所述光探測器可拆卸地安裝在所述通道 中。
6. 根據權利要求1所述的傳感器單元，還包括固定板，所述固定板可拆卸地耦合至所 述本體、並且具有與所述通道共軸並且被所述光探測器橫貫的開口。
7. 根據權利要求6所述的傳感器單元，還包括：位於所述本體和固定板之間的0型環， 以及可拆卸地將所述固定板和本體彼此附著的多個緊固件。
8. 根據權利要求7所述的傳感器單元，還包括可拆卸地安裝至本體的蓋子，其中所述 蓋子和固定板配置為：使得在將所述本體耦合至所述蓋子和固定板時，所述彎曲底部氣密 地密封以便防止所述U形凹口的內部與環境大氣之間的空氣流通。
9. 根據權利要求8所述的傳感器單元，還包括夾在相應的板和殼體的相對表面之間的 密封板。
10. 根據權利要求1所述的傳感器單元，其中所述光纖是從包括以下光纖的組中選擇 的：單模、多模、有源和無源光纖及其組合。
11. 根據權利要求10所述的傳感器單元，其中沿所述光纖傳播的雷射具有在毫瓦與千 瓦之間變化的功率。
12. -種光纖雷射器系統，包括： 至少一個增益模塊，配置為對沿光纖傳播的雷射進行放大； 光纖，耦合至所述一個增益模塊的輸出，並且進一步沿光路導引放大光；以及 至少一個光功率傳感器組件，位於所述光路中所述一個增益模塊的下遊位置，並且配 置為檢測和測量所述放大光的瑞利散射，其中所述瑞利散射指示所述放大光的光功率，所 述傳感器組件包括： 保持器，配置有：沿縱軸延伸的貫通溝道；以凹軸為中心並且中斷細長的溝道的U形凹 口，所述凹軸相對於縱軸橫向延伸；以及，與所述U形凹口的彎曲底部相對的，與所述U形凹 口共軸並且開口進入到所述U形凹口中的通道； 光探測器，配置有終止於所述通道中的光輸入窗口，所述彎曲底部具有曲率半徑，所述 曲率半徑的大小使得所述底部將一定量的瑞利散射反射在位於所述光輸入窗口中的焦點 上，其中所聚焦的瑞利散射的量足以提供與參考值的偏差不大於約±3%的測量數據。
13. 根據權利要求12所述的光纖系統，其中所述底部具有不光滑的表面，所述保持器 是由從金屬、陶瓷或塑料中選擇的材料製成的。
14. 根據權利要求12所述的光纖系統，其中所述保持器包括鋁基材、所述鋁基材上的 鎳層、以及塗覆在所述鎳層上的金層。
15. 根據權利要求12所述的光纖系統，還包括蓋子，所述蓋子可拆卸地安裝到所述保 持器以便氣密地密封所述U形凹口，避免與環境大氣的空氣連通。
16. 根據權利要求12所述的傳感器單元，其中所述測量數據與參考值的偏差小於約 ± 1 %。
17. 根據權利要求12所述的傳感器單元，其中所述光纖選自包括以下光纖的組：單模、 多模、有源和無源光纖及其組合。
18. 根據權利要求12所述的傳感器單元，其中沿所述光纖傳播的雷射具有在毫瓦與千 瓦之間變化的功率。
19. 根據權利要求12所述的光纖系統，其中所述傳感器組件還包括測光表，所述測光 表可操作地耦合至所述光探測器，並且配置為接收所述散射雷射的所述聚焦部分，以便確 定所述放大的雷射的光功率。
20. 根據權利要求12所述的光纖系統，其中所述光探測器包括光電二極體。
【文檔編號】G01J1/02GK104335018SQ201380028019
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年5月29日 優先權日:2012年5月30日
【發明者】瓦倫丁·弗明, 安德雷·阿布拉莫夫, 安德烈·馬什金 申請人:Ipg光子公司