专利名称：基于积分球的光纤激光输出功率在线监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤激光输出功率在线监测系统，尤其是使用积分球对光纤激光输出功率进行取样和无扰动测量的一种光纤激光输出功率在线测量系统。
背景技术：
在医疗及军事等激光应用技术中，实现激光输出功率的实时测量同时又不减少输出能量是极为重要的，尤其是在激光研究过程中，必须实时地对激光器每一次发射的能量予以测定，它是诊断激光性能的直接指标，对激光器的设计、制造、检测和应用等均具有十分重要的意义。目前，实现激光输出功率实时测量的常用方法之一是在线测试，即从激光输出主光束中部分取样，然后对取样得到的光束进行测量。在线测试既可以满足激光输出功率实时测试的要求，又可以满足激光器同时进行其他应用的要求，其中最简洁、最常用的方法就是采用分光器件分光测试法[魏继锋，张凯，钱绍圣，高学燕，周山，周殿华，“高能激光能量在线测试中的不确定度分析，”强激光与粒子束，2007，1103-1106]。光纤激光是一种新型的固态激光器，具有转换效率高、光束质量好、热管理方便、结构紧凑等优点，能够获得高功率和高光束质量的激光输出。目前对光纤激光输出功率进行实时在线监测所采取的主要方法是使用前面介绍的分光方法，将光纤激光器输出光束中的一部分能量分出，对分出的光使用光电探测器进行测量[G.D.Goodno, S.J.McNaught, J.E.Rothenberg,T.S.McCombj P.A.Thielenj M.G.Wickham, and Μ.E.Weber, "Active phase andpolarization locking of a 1.4kW fiber amplifier.0ptics Letters, 2010，35，1542-1544]。但是，上述方法采用空间结构并需在出射光路上插入光学器件(偏振分光镜等)，增加了系统的复杂性，并对输出激光造成不必要的扰动，影响后续应用。此外，激光对插入传输光路器件的抗损伤性提出了挑战。因此，在实际工程化应用中，前面介绍的分光式在线监测激光输出功率的方法并不适合对光纤激光器输出功率进行实时在线监测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:针对现有激光输出功率在线监测方法存在光路复杂、难以应用到光纤激光输出功率在线监测的不足，提供一种基于积分球的光纤激光输出功率取样及在线监测的方法，采用该方法可以实现光纤激光输出功率的无扰动实时监测。本发明的技术方案是:由于光纤制造工艺、材料等原因，在光纤中会存在缺陷。当激光在光纤中传输时，光纤中的缺陷会将入射的激光散射。其中一部分散射光会经光纤包层泄露出来，利用积分球收集从光纤中泄露出来的激光，通过光电探测器、信号处理电路及数据采集处理单元就可以监测散射光功率。而散射光功率与光纤中传输的光功率是成正比的，通过实时监测散射光功率就可以实现光纤激光输出功率的在线监测。具体技术方案如下:一种光纤激光输出功率在线监测系统，包括光纤激光输出功率取样器和探测单元；其中，所述探测单元包括光电探测器、信号处理电路和数据采集处理单元；光电探测器放入所述光纤激光输出功率取样器输出窗口中；所述光电探测器产生的信号经信号处理电路处理后送入数据采集处理单元，所述光纤激光输出功率取样器为一金属积分球,包括上半球和下半球；所述上下半球拼接的地方设有凹槽，用于放置光纤；所述积分球上半球或下半球上设有小孔，作为积分球输出窗口 ；所述上半球四个角处设有螺纹，下半球对应的位置也设有螺纹。所述积分球上半球上的凹槽为半圆柱形，下半球上的凹槽为半圆柱形，上下半球拼接后形成完整的圆柱形；光纤放入上述拼接凹槽后，可以笔直地在积分球内经球心穿过；圆柱形凹槽的直径尺寸根据所要放入光纤的直径尺寸决定，以到达允许光纤穿过圆柱形凹槽。所述的积分球上半球或下半球上的小孔用于放置光电探测器，小孔大小和形状根据选用的光电探测器决定。所述的积分球内表面、上下半球拼接平面以及上下半球凹槽内表面均抛光处理为光洁面。所述的积分球材料优选为铝，也可以是铜、铁、PTFE等其他对监测激光波长高反的材料。采用本发明可以达到以下技术效果:1、本发明能对光纤激光的输出功率进行取样和实时无扰动在线监测，避免了对后续激光应用的影响；2、本发明可通过更换不同类型的探测器，用于多种不同波长的光纤激光能量监测；3、本发明能保持光纤激光系统的全光纤紧凑结构；4、本发明不需要承受强激光辐照，无激光损伤阈值问题，可用于高功率、高能量的光纤激光取样和在线监测；5、本发明中的光纤凹槽内表面抛光处理为光洁面，可防止取样器对光纤包层的影响，确保无扰动取样；6、本发明还可以根据实际测量需要对积分球取样器、信号处理电路进行改进，如积分球的大小、形状、信号处理电路中放大电路的放大倍率等，进一步大幅度提高系统的技术指标，包括分辨率、灵敏度等。7、本发明不需要精密的测控装置，结构简单，成本低而且容易实施。
图1为本发明光纤激光输出功率取样器示意图，图2为本发明光纤激光输出功率在线监测系统示意图，图3为本发明光纤激光输出功率在线监测系统应用实例功率标定关系图。
具体实施例方式图中，1-金属积分球；11_上半球；12_下半球；13_凹槽；14_积分球小孔；螺纹孔-15 ;2_光纤激光器；21_输出传能光纤；22_准直器；23_输出激光；3_光电探测器；4-信号处理电路；5_电线；6_数据采集处理单元；7_激光功率计。
如图1所不,光纤激光输出功率取样器为一金属积分球I,包括上半球11和下半球12。首先将上半球11和下半球12内表面和拼接平面抛光后，依据光纤21的尺寸设计半圆形凹槽13，并在上半球11和下半球12上过球心的直线位置上刻画凹槽13，并将凹槽13的内表面做抛光处理；然后根据光电探测器3尺寸设计积分球小孔14尺寸，并在金属积分球I适当位置钻孔，用于放置光电探测器3测量激光功率。将光纤激光2的输出光纤21穿过金属积分球1，即可实现对光纤激光的输出功率进行取样。上述光纤激光输出功率取样器在光纤激光输出功率在线监测装置中得到成功应用。将输出传能光纤21放入积分球I的凹槽13内，用固化胶固定在凹槽13内，这样可以使光纤在凹槽13位置固定，增加了取样的可靠性。然后通过螺纹孔15拼接紧固上半球11和下半球12，最后将光电探测器3放入积分球小孔14内，用固化胶固定，光电探测器输出端接信号处理电路4，信号经电线5送入数据采集处理单元6，如图2所示。通过标定信号处理电路4输出与光纤激光输出23功率关系即可实时在线监测光纤激光的输出功率。方法是:I)标定功率关系。利用激光功率计7测量输出激光功率，并记录相应的信号处理电路4输出(电压等)，对在线监测系统进行标定，得到信号处理电路4输出与激光输出功率的关系。2)实现实时监测。利用信号处理电路4输出与激光输出功率的关系和计算机程序实现对光纤激光输出功率的实时在线监测。下面给出本发明的一个具体实施实例:在光纤激光输出功率在线监测装置中，取样器积分球采用金属铝材料制成，积分球与光电探测器、信号处理电路、多通道数据采集处理单元配合完成光纤激光输出功率的在线测量。定标关系如图3所示，输出电压=0.15X输出功率+0.29，根据上述关系，通过测量输出电压即可实时在线监测光纤激光的输出功率。在该应用实例中，该实时监测系统能响应高于IW的光纤激光输出。
权利要求
1.一种高能光纤激光输出功率在线监测系统，包括光纤、高能光纤激光输出功率取样器和探测单元，其特征在于，所述探测单元包括光电探测器、信号处理电路和数据采集处理单元；光电探测器放入所述高能光纤激光输出功率取样器输出窗口中；所述光电探测器产生的信号经信号处理电路处理后送入数据采集处理单元， 所述高能光纤激光输出功率取样器为一金属积分球，包括上半球和下半球；所述上下半球拼接的地方设有凹槽，用于放置光纤；所述积分球上半球或下半球上设有小孔，作为积分球输出窗口 ；所述上半球四个角处设有螺纹，下半球对应的位置也设有螺纹。
2.根据权利要求1所述的一种高能光纤激光输出功率在线监测系统，其特征在于，所述积分球上半球上的凹槽为半圆柱形，下半球上的凹槽为半圆柱形，上下半球拼接后形成完整的圆柱形；光纤放入上述拼接凹槽后，可以笔直地在积分球内经球心穿过；圆柱形凹槽的直径尺寸根据所要放入光纤的直径尺寸决定，以到达允许光纤穿过圆柱形凹槽。
3.根据权利要求1所述的一种高能光纤激光输出功率在线监测系统，其特征在于，所述的积分球上半球或下半球上的小孔用于放置光电探测器，小孔大小和形状根据选用的光电探测器决定。
4.根据权利要求1所述的一种高能光纤激光输出功率在线监测系统，其特征在于，所述的积分球内表面、上下半球拼接平面以及上下半球凹槽内表面均处理为光洁面。
5.根据权利要求1所述的一种高能光纤激光输出功率在线监测系统，其特征在于，所述的积分球材料为铝，也可以是铜、铁或PTFE。
6.根据权利要求1所述的一种高能光纤激光输出功率在线监测系统，其特征在于，所述光纤放入积分球的凹槽内，用固化胶固定在凹槽内，使光纤在凹槽位置固定，然后通过螺纹孔拼接紧固上半球和下半球，最后将光电探测器放入积分球小孔内，用固话胶固定，光电探测器输出端接信号处理电路，信号经电线送入数据采集处理单元，通过标定信号处理电路输出与高能光纤激光输出功率关系实时在线监测高能光纤激光的输出功率，标定方法是: 1)标定功率关系，利用激光功率计测量输出激光功率，并记录相应的信号处理电路输出，对在线监测系统进行标定，得到信号处理电路输出与激光输出功率的关系； 2)实现实时监测，利用信号处理电路输出与激光输出功率的关系和计算机程序实现对高能光纤激光输出功率的实时在线监测。
全文摘要
本发明涉及一种基于积分球的光纤激光输出功率在线监测系统。该系统包括高能光纤激光输出功率取样器和探测单元；其中，所述探测单元包括光电探测器、信号处理电路和数据采集处理单元；光电探测器放入所述高能光纤激光输出功率取样器输出窗口中；所述光电探测器产生的信号经信号处理电路处理后送入数据采集处理单元。该系统通过更换不同类型的探测器，用于多种不同波长的光纤激光能量监测；能保持高能光纤激光系统的全光纤紧凑结构；不需要承受强激光辐照，无激光损伤阈值问题，可用于高功率、高能量的光纤激光取样和在线监测。该系统结构简单，成本低而且容易实施。
文档编号G01J1/04GK103162822SQ201310062948
公开日2013年6月19日 申请日期2013年2月28日 优先权日2013年2月28日
发明者陶汝茂, 王小林, 周朴, 马阎星, 肖虎, 张汉伟, 司磊, 许晓军, 陈金宝, 刘泽金 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学