一种光纤放大器实时保护装置及其激光器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及激光控制技术领域，具体涉及一种光纤放大器实时保护装置及其激光器，本实用新型实时采集激光器中的光脉冲信号，并将该光脉冲信号通过转换、调理与整形，得到标准波形信号，并对该标准波形信号的重复频率与预设的频率范围进行比较，若在预设的频率范围之外，则停止激光器中的光纤泵浦驱动；若在预设的频率范围之内，则获取其峰值功率，并与预设的功率范围进行比较，若电压信号的峰值功率低于预设的功率范围，则停止激光器中的光纤泵浦驱动。本实用新型能对光脉冲重复频率和光功率进行同时监测，使其根据激光器运行状态与故障源判断进行不同优先级别的保护响应，最大限度地提供系统可靠性。
【专利说明】
一种光纤放大器实时保护装置及其激光器
技术领域
[0001]本实用新型涉及激光控制技术领域，具体涉及一种光纤放大器实时保护装置、一种光纤脉冲激光放大器实时保护方法以及一种具有光纤放大器实时保护装置的激光器。
【背景技术】
[0002]光纤因其柔软、轻便的特性以及光纤器件小巧的结构，使得光纤激光器和光纤激光啁啾脉冲放大器能够很大程度地减小体积、减轻重量、提高可靠性、降低设备维护成本。光纤激光啁啾脉冲放大器一般采用高功率半导体激光器作为栗浦源，采用掺稀土元素光纤作为增益介质，栗浦光与信号光经波分复用器或光纤合束器等耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收栗浦光后形成粒子数反转或非线性增益并产生自发辐射使信号光经受激放大后实现激光放大。在由多级光纤放大器组成预放大器的光纤脉冲激光器中，进入增益光纤中的信号光由前级种子激光器输出或前一级预放大器输出，具有特定的重复频率与功率。
[0003]基于多级光纤放大器的光纤脉冲激光器在工作过程中，若进入增益光纤中的信号光因前级某些光学器件突发故障而无法正常输出或输出光功率过低，处于高增益栗浦状态下的栗浦光不仅会因自发辐射或自激振荡产生杂散光能量骤然剧增对激光器内部增益光纤、波分复用器、光纤合束器等昂贵光学器件造成瞬间损坏，还会对激光器内部的电控线缆等产生毁灭性损坏。为了避免出现上述问题，现有的激光器中均设有针对光纤激光放大器监测装置。但由于光纤脉冲激光具有脉宽窄、重复频率可变、脉冲幅值范围宽等非标特性，目前的监测与保护装置仅能针对该问题采用光谱仪、数字示波器等通用仪器对输出激光进行单端监测，无法实现在毫秒量级对光纤激光放大器进行高速闭环保护响应。
【实用新型内容】
[0004]为克服上述缺陷，本实用新型的目的即在于提供一种光纤放大器实时保护装置及其激光器。
[0005]本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的:
[0006]本实用新型是一种光纤放大器实时保护装置，其设置于激光器上，包括:
[0007]光电探测器，所述光电探测器用于实时采集激光器中光脉冲信号，并将该光脉冲信号转换为电流脉冲信号；
[0008]放大调理器，所述放大调理器与所述光电探测器连接，用于对该电流脉冲信号进行转换与调理，得到标准幅值的电压脉冲信号；
[0009]高速比较器，所述高速比较器与所述放大调理器连接，用于对标准幅值的电压脉冲信号进行整形，得到标准波形信号，并对该标准波形信号的重复频率与预设的频率范围进行比较，如该重复频率在预设的频率范围之外，则生成第一异常信号，并通过通信模块将该第一异常信号发送至主控模块中；
[0010]高速数字逻辑电路，所述高速数字逻辑电路分别与所述高速比较器、激光器中的光纤栗浦驱动电路相接，用于根据第一异常信号，通过调节工作电平，关闭光纤栗浦驱动电路；
[0011]峰值功率保持电路，所述峰值功率保持电路与所述放大调理器连接，用于获取放大调理器的电压脉冲信号，并保持该电压脉冲信号的脉冲峰值电压；
[0012]抗混叠滤波电路，所述抗混叠滤波电路与所述峰值功率保持电路连接，用于对通过该峰值功率保持电路后的电压脉冲信号进行滤波，得到直流电压信号；
[0013]高速采样电路，所述高速采样电路与所述抗混叠滤波电路连接，用于对直流电压信号进行采样与转换，获得电压信号的峰值功率；
[0014]主控模块，所述主控模块分别与所述高速采样电路、所述高速比较器和激光器中的光纤栗浦驱动电路相接，用于将电压信号的峰值功率与预设的功率范围进行比较，若电压信号的峰值功率低于预设的功率范围，则生成第二异常信号，并通过通信模块控制光纤栗浦驱动电路关闭。
[0015]进一步，所述主控模块上连接有人机交互模块和报警模块，
[0016]所述人机交互模块用于输入控制命令，并通过主控模块对预设的功率范围和预设的频率范围进行修改；
[0017]所述报警模块用于根据第一、第二异常信号进行报警提示，其包括:信号指示灯、报警提示及报警信息记录器。
[0018]进一步，所述主控模块通过放电电路与所述峰值功率保持电路，当主控模块接收到第一异常信号时，通过放电电路使该峰值功率保持电路停止工作。
[0019]进一步，所述光电探测器上设有光学法兰接口，该光电探测器通过光学法兰接口与激光器中的光纤相连接。
[0020]本实用新型一种光纤脉冲激光放大器实时保护装置的激光器，包括:
[0021]实时采集激光器中的光脉冲信号，并将该光脉冲信号转换为电流脉冲信号；
[0022]对该电流脉冲信号进行转换与调理，得到标准幅值的电压脉冲信号；
[0023]将该标准幅值的电压脉冲信号进行整形，得到标准波形信号，并对该标准波形信号的重复频率与预设的频率范围进行比较，若在预设的频率范围之外，则停止激光器中的光纤栗浦驱动;若在预设的频率范围之内，则保持标准幅值的电压脉冲信号的脉冲峰值电压并将其转换为直流电压信号；
[0024]获取直流电压信号的峰值功率，并与预设的功率范围进行比较，若电压信号的峰值功率低于预设的功率范围，则停止激光器中的光纤栗浦驱动。
[0025]进一步，所述实时采集激光器中的光脉冲信号包括:
[0026]利用光学法兰接口将激光器中的光纤与光电探测器的同轴尾纤连接，进行对光信号的米集；
[0027]或，将激光器中的信号光聚焦到光电探测器的光敏面上进行对光信号的采集。
[0028]进一步，所述停止激光器中的光纤栗浦驱动之后包括:
[0029]根据比较结果得到相应的报警信息，并根据该报警信息进行报警提示。
[0030]本实用新型一种具有光纤放大器实时保护装置的激光器，包括:依光路顺序连接的种子激光器、前级光纤放大器、声光调制器、反射镜组、棒状光纤主放大器和输出反射镜构成;所述光路上接有如上所述的光纤放大器实时保护装置。
[0031]进一步，所述前级光纤放大器和棒状光纤主放大器的总量与所述光纤放大器实时保护装置的数量相等。
[0032]进一步，所述的光纤放大器实时保护装置设置于前级光纤放大器和/或棒状光纤主放大器的光路后方。
[0033]本实用新型能对光脉冲重复频率和光功率进行同时监测，使其根据激光器运行状态与故障源判断进行不同优先级别的保护响应，最大限度地提供系统可靠性，并可通过分析报警信息定位激光器的故障源，便于后期维修与故障排查。
【附图说明】
[0034]为了易于说明，本实用新型由下述的较佳实施例及附图作详细描述。
[0035]图1为本实用新型光纤放大器实时保护装置的逻辑结构示意图；
[0036]图2为本实用新型光纤脉冲激光放大器实时保护方法的工作原理示意图；
[0037]图3为本实用新型具有光纤放大器实时保护装置的激光器的逻辑结构示意图；
[0038]图4为本实用新型具有光纤放大器实时保护装置的激光器的工作流程示意图。
【具体实施方式】
[0039]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0040]请参阅图1，本实用新型是一种光纤放大器实时保护装置，其设置于激光器上，包括:
[0041]光电探测器101，所述光电探测器101用于对前级种子激光器或预放大器开启后输出特定重复频率与功率的脉冲激光进行实时采集，得到光脉冲信号，并将该光脉冲信号转换为电流脉冲信号;光电探测器101可采用高线性度、响应速度快的PIN探测器；
[0042]放大调理器102，所述放大调理器102与所述光电探测器101连接，用于对该电流脉冲信号进行转换与调理，得到标准幅值的电压脉冲信号以便于后续电路处理;所述放大调理器102中的放大增益幅度可调，即可实现宽幅值范围的脉冲信号采集与处理；
[0043]高速比较器103，所述高速比较器103与所述放大调理器102连接，用于对标准幅值的电压脉冲信号进行整形，得到标准波形信号，并对该标准波形信号的重复频率与预设的频率范围进行比较，如该重复频率在预设的频率范围之外，则生成第一异常信号，并通过通信模块109将该第一异常信号发送至主控模块中；其实现对输入信号光的重复频率进行实时监测，其中预设的频率范围由主控模块进行设定，重复频率的判断基准为前级种子激光器或预放大器正常输出时的重复频率；
[0044]高速数字逻辑电路104，所述高速数字逻辑电路104分别与所述高速比较器103、激光器中的光纤栗浦驱动电路相接，用于根据第一异常信号，通过调节工作电平，关闭光纤栗浦驱动电路；
[0045]若标准波形信号的重复频率出现异常，则输出一路数字输出给高速数字逻辑电路104按照预定的策略在第一时间触发保护动作，关断光纤栗浦驱动电路，关闭峰值功率保持电路的使能，同时通信模块109将判定状态告知主控模块启动报警与在人机交互模块中进行提示。该高速比较器103、高速数字逻辑电路104、光纤栗浦驱动电路所形成的一级高速闭环控制回路的核心保护响应由高速数字逻辑电路104实现，并独立于主控模块，即使出现控制核心或通信模块109失效的情况也可以由自身电路做出最基本保护动作，时间延迟性优于lms，其应急保护控制的优先级最高，从而最大程度避免关键的、昂贵的部分毁灭性损坏；
[0046]峰值功率保持电路105，所述峰值功率保持电路105与所述放大调理器102连接，用于获取放大调理器102的电压脉冲信号，并保持该电压脉冲信号的脉冲峰值电压；
[0047]抗混叠滤波电路106，所述抗混叠滤波电路106与所述峰值功率保持电路105连接，用于对通过该峰值功率保持电路105后的电压脉冲信号进行滤波，得到直流电压信号；
[0048]高速采样电路107，所述高速采样电路107与所述抗混叠滤波电路106连接，用于对直流电压信号进行采样与转换，获得电压信号的峰值功率；
[0049]经放大调理器102进行放大调理后的电压脉冲信号经峰值功率保持电路105、抗混叠滤波转电路换成直流电压信号，提供给高速采样电路107进行采样，采样电压通过SPI总线传递给主控模块，再根据电压信号的峰值功率判断是否出现光功率异常，且一级高速闭环控制回路未响应，则通过通信模块109对激光光纤栗浦驱动源传递安全保护决策，同时启动报警提示。由于多次采用硬件紧急关闭栗浦源影响其长期使用寿命，因此采用上述双闭环控制回路可根据激光器运行状态与故障源判断实现不同优先级别的保护响应，不仅最大限度地提供系统可靠性，并可通过分析报警信息，定位激光器的故障源，便于后期维修与故障排查。
[0050]主控模块108，所述主控模块108分别与所述高速采样电路107、所述高速比较器103和激光器中的光纤栗浦驱动电路相接，用于将电压信号的峰值功率与预设的功率范围进行比较，若电压信号的峰值功率低于预设的功率范围，则生成第二异常信号，并通过通信模块109控制光纤栗浦驱动电路关闭。峰值功率判断基准可由人机交互模块写入与修改，其中信号光的脉冲峰值功率PP-P与ADC采样的脉冲峰值电压值VP—P之间的标定关系为:Pp—P = A*VP-P，A为匹配系数，由实际测试计算得出。如果前级种子激光器或预放大器出现突发故障导致输出光重复频率正常，但光功率过低超出功率判断基准范围，主控模块108通过通信模块109发送指令将光纤放大器的栗浦驱动关闭，并启动相应报警响应。
[0051 ]进一步，所述主控模块108上连接有人机交互模块110和报警模块111，
[0052]所述人机交互模块110用于输入控制命令，并通过主控模块108对预设的功率范围和预设的频率范围进行修改；
[0053]所述报警模块111用于根据第一、第二异常信号进行报警提示，其包括:信号指示灯、报警提示及报警信息记录器。
[0054]进一步，所述主控模块108通过放电电路与所述峰值功率保持电路105，当主控模块108接收到第一异常信号时，通过放电电路使该峰值功率保持电路105停止工作。
[0055]进一步，所述光电探测器101上设有光学法兰接口，该光电探测器101通过光学法兰接口与激光器中的光纤相连接。
[0056]请参阅图2，本实用新型一种光纤脉冲激光放大器实时保护方法，包括:
[0057]201.采集光脉冲信号
[0058]实时采集激光器中的光脉冲信号，并将该光脉冲信号转换为电流脉冲信号；
[0059]其中，所述实时采集激光器中的光脉冲信号包括光纤传输与空间光传输两种方式，其分别为:
[0060]利用光学法兰接口将激光器中的光纤与光电探测器的同轴尾纤连接，进行对光信号的米集；
[0061]或，将激光器中的信号光聚焦到光电探测器的光敏面上进行对光信号的采集；
[0062]202.进行信号转换与调理
[0063]对该电流脉冲信号进行转换与调理，得到标准幅值的电压脉冲信号；
[0064]203.判断重复频率是否在预设的频率范围内
[0065]将该标准幅值的电压脉冲信号进行整形，得到标准波形信号，并对该标准波形信号的重复频率与预设的频率范围进行比较，若在预设的频率范围之外，则停止激光器中的光纤栗浦驱动;若在预设的频率范围之内，则保持标准幅值的电压脉冲信号的脉冲峰值电压并将其转换为直流电压信号；
[0066]204.判断峰值功率是否在预设的功率范围内
[0067]获取直流电压信号的峰值功率，并与预设的功率范围进行比较，若电压信号的峰值功率低于预设的功率范围，则停止激光器中的光纤栗浦驱动。
[0068]205.停止光纤栗浦驱动
[0069]停止激光器中的光纤栗浦驱动，并得到相应的报警信息；
[0070]206.进行报警提示
[0071]根据报警信息进行报警提示并对报警信息进行显示;该显示的内容可包括:“因重复频率过低而停止”、“因峰值功率过低而停止”等。
[0072]请参阅图3，本实用新型一种具有光纤放大器实时保护装置的激光器，包括:依光路顺序连接的种子激光器1、前级光纤放大器、声光调制器5、反射镜组、棒状光纤主放大器9和输出反射镜10构成;所述光路上接有如上所述的光纤放大器实时保护装置。
[0073]进一步，所述前级光纤放大器和棒状光纤主放大器9的总量与所述光纤放大器实时保护装置的数量相等。
[0074]进一步，所述的光纤放大器实时保护装置设置于前级光纤放大器和/或棒状光纤主放大器9的光路后方。
[0075]下面以一个实施例对本实用新型的激光器的结构进行描述，其具体由种子激光器
1、第一光纤放大器2、第二光纤放大器4、声光调制器5、第一反射镜7、第二反射镜8、棒状光纤主放大器9、输出反射镜10顺序连接构成。其中，种子激光器1、第一光纤放大器2、第二光纤放大器4、声光调制器5、之间通过光纤进行连接;本实施例中反射镜组由第一反射镜7、第二反射镜8组成，光纤放大器的数量为两个，其分别为:第一光纤放大器2、第二光纤放大器4;为了对光纤脉冲激光器内部光纤放大器的实时状态监控与超快保护，在各级光纤放大器后设有第一监测点3、第二监测点6以及第三监测点11。每个监测点设置一个光纤放大器实时保护装置，该保护装置既可独立工作，也可在基于多级光纤放大器的光纤脉冲激光器系统中由多个系统集成工作，由于本实例激光器系统由两级光纤预放大与一级主放大组成，所以设置三个监测点。在本实施例中，所述前级光纤放大器的数量为一个以上，每个前级光纤放大器的后方光路上均设有一个所述的光纤放大器实时保护装置;且所述光路通过输出反射镜10后分为两路，一路进行输出，另一路进入一个所述的光纤放大器实时保护装置中。
[0076]本实用新型的激光器在运行过程中，请参阅图4，其具体工作过程为:
[0077]种子激光器I输出波长1030nm，脉宽600ps，重复频率50MHz的脉冲激光，经第一光纤放大器2进行一级预放大，预放大输出光经光纤分束器连接带尾纤的PIN光电探测器，将光脉冲信号转换成电脉冲信号进入第一监测点3上的保护装置，实时监测一级预放大输出光的频率与功率，若第一监测点3上的保护装置检测到光频率异常，则系统启动最高优先级应急保护，在毫秒量级按照预设逻辑硬件紧急关闭棒状光纤主放大9、第二光纤放大器4、第一光纤放大器2，避免了后级放大器及相关光学器件因没有信号光而造成瞬间损坏，同时启动报警响应与报警信息提示。若第一监测点3上的保护装置检测到光功率异常，则系统启动二级应急保护机制，主控通过通信协议按照预设程序关闭棒状光纤主放大9、第二光纤放大器4、第一光纤放大器2，同时启动报警响应与报警信息提示。若第一监测点3上的保护装置检测到光频率与功率均正常，则信号光经过第二光纤放大器4进行二级预放大，进入声光调制器5降频输出频率100KHz-2MHz的脉冲激光，经光纤分束器连接带尾纤的PIN光电探测器，将光脉冲信号转换成电脉冲信号进入第二监测点6上的保护装置，实时监测二级预放大输出光的频率与功率，若第二监测点6上的保护装置检测到光频率异常，则系统启动最高优先级应急保护，在Ims内按照预设逻辑硬件紧急关闭棒状光纤主放大9、第二光纤放大器4，避免了后级放大器及相关光学器件因没有信号光而造成损坏，同时启动报警响应与报警信息提示。若第二监测点6上的保护装置检测到光功率异常，则系统启动二级应急保护机制，主控通过通信协议按照预设程序关闭光纤棒状光纤主放大9、放大器4，同时启动报警响应与报警信息提示。若第二监测点6上的保护装置检测到光频率与功率均正常，则信号光经过反射镜7和8进入棒状光纤9进行主放大，输出空间光经空间光电探测器接收并将电脉冲信号输入第三监测点11上的保护装置，若第三监测点11上的保护装置检测到光频率异常，则系统启动最高优先级应急保护，在Ims内按照预设逻辑硬件紧急关闭棒状光纤主放大9，避免了棒状光纤及相关光学器件因没有信号光而造成损坏，同时启动报警响应与报警信息提示。若第三监测点11上的保护装置检测到光功率异常，则系统启动二级应急保护机制，主控通过通信协议按照预设程序关闭光纤棒状光纤主放大9，同时启动报警响应与报警信息提示。通过对基于多级光纤放大器的光纤脉冲激光器的各级放大信号光进行实时监测，使激光器在不同工作状态下都能处于闭环保护模式，提高了系统的安全性与稳定性，从而最大程度避免关键的、昂贵的光学器件毁灭性损坏，并且根据报警信息的提示可对激光器的故障源进行快速定位，便于后期维护与维修，实现了超快飞秒激光器的智能自动化控制。
[0078]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种光纤放大器实时保护装置，其设置于激光器上，其特征在于，包括: 光电探测器，所述光电探测器用于实时采集激光器中光脉冲信号，并将该光脉冲信号转换为电流脉冲信号； 放大调理器，所述放大调理器与所述光电探测器连接，用于对该电流脉冲信号进行转换与调理，得到标准幅值的电压脉冲信号； 高速比较器，所述高速比较器与所述放大调理器连接，用于对标准幅值的电压脉冲信号进行整形，得到标准波形信号，并对该标准波形信号的重复频率与预设的频率范围进行比较，如该重复频率在预设的频率范围之外，则生成第一异常信号，并通过通信模块将该第一异常信号发送至主控模块中； 高速数字逻辑电路，所述高速数字逻辑电路分别与所述高速比较器、激光器中的光纤栗浦驱动电路相接，用于根据第一异常信号，通过调节工作电平，关闭光纤栗浦驱动电路；峰值功率保持电路，所述峰值功率保持电路与所述放大调理器连接，用于获取放大调理器的电压脉冲信号，并保持该电压脉冲信号的脉冲峰值电压； 抗混叠滤波电路，所述抗混叠滤波电路与所述峰值功率保持电路连接，用于对通过该峰值功率保持电路后的电压脉冲信号进行滤波，得到直流电压信号； 高速采样电路，所述高速采样电路与所述抗混叠滤波电路连接，用于对直流电压信号进行采样与转换，获得电压信号的峰值功率； 主控模块，所述主控模块分别与所述高速采样电路、所述高速比较器和激光器中的光纤栗浦驱动电路相接，用于将电压信号的峰值功率与预设的功率范围进行比较，若电压信号的峰值功率低于预设的功率范围，则生成第二异常信号，并通过通信模块控制光纤栗浦驱动电路关闭。2.根据权利要求1所述的光纤放大器实时保护装置，其特征在于，所述主控模块上连接有人机交互模块和报警模块， 所述人机交互模块用于输入控制命令，并通过主控模块对预设的功率范围和预设的频率范围进行修改； 所述报警模块用于根据第一、第二异常信号进行报警提示，其包括:信号指示灯、报警提示及报警信息记录器。3.根据权利要求2所述的光纤放大器实时保护装置，其特征在于，所述主控模块通过放电电路与所述峰值功率保持电路，当主控模块接收到第一异常信号时，通过放电电路使该峰值功率保持电路停止工作。4.根据权利要求3所述的光纤放大器实时保护装置，其特征在于，所述光电探测器上设有光学法兰接口，该光电探测器通过光学法兰接口与激光器中的光纤相连接。5.一种具有光纤放大器实时保护装置的激光器，其特征在于，包括:依光路顺序连接的种子激光器、前级光纤放大器、声光调制器、反射镜组、棒状光纤主放大器和输出反射镜构成;所述光路上接有如权利要求1至4任一项所述的光纤放大器实时保护装置。6.根据权利要求5所述的具有光纤脉冲激光放大器实时保护装置的激光器，其特征在于，所述前级光纤放大器和棒状光纤主放大器的总量与所述光纤放大器实时保护装置的数量相等。7.根据权利要求5所述的具有光纤脉冲激光放大器实时保护装置的激光器，其特征在于，所述的光纤放大器实时保护装置设置于前级光纤放大器和/或棒状光纤主放大器的光路后方。
【文档编号】H01S3/10GK205565283SQ201521126050
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2015年12月29日
【发明人】杨洋, 姜宝宁, 李方辉, 杨直, 杨小君, 赵卫
【申请人】中国科学院西安光学精密机械研究所