一种光纤激光功率监测系统与方法
技术领域
本发明涉及光纤激光功率监测
技术领域
，具体涉及一种光纤激光功率监测系统与方法。背景技术
随着激光技术的发展，激光被大量应用在各种行业，其中全光纤激光器更是以效率高，能量密度大等优点被大量应用，但全光纤激光器也存在不足，比如功率探测难度大，这是由于光纤激光器中，所有的能量均在光纤纤芯中传播，而功率探测器无法直接对纤芯进行探测，仅能使用感光元件对带包层的光纤进行探测，而在光纤激光器中，输出光纤的包层中是含有大量杂散光的，尤其在高反射状态或增益介质吸收率下降的情况下，会导致包层中的杂散光(泵浦光)大量增加，这些包层光距离光纤外的感光元件更近，更容易被感光元件测到，因此会极大地干扰光感元件对纤芯光(有效功率)的测量；光纤激光器这个缺点导致激光器无法精准监测有效的激光功率，因此无法对衰减的功率进行针对性的补偿，严重影响了光纤激光器在长期工作中的稳定性。
传统的光纤激光功率监测装置通常存在如下缺点：
1、传统的光纤激光功率监测装置均采用单一感光器件系统，其测得的数值极易被反射光干扰；
2、传统的光纤激光功率监测装置均采用感光元件直接接收激光的方式，在大功率激光器中感光元件容易受到辐射伤害导致敏感度出现异常，出现失准；并且由于受限于光纤的位置,导致可能与电路板的距离过长，如过距离过长，反馈装置接收到的微弱信号在线路传输过程中很容易收到激光器中其他电磁波的干扰，导致检测失准；
3、传统的光纤激光功率监测采用单一的感光器件系统的光纤激光功率检测装置无法识别与区分包层光与纤芯光；
4、传统的感光元件均采用直接探测接收的方式，感光器件采集光的能力仅局限与感光器件表面积的垂直区域中；
5、传统的功率反馈监测装置由于受限于光纤的位置，导致可能与电路板的距离过长，如过距离过长，反馈装置接收到的微弱信号在线路传输过程中很容易收到激光器中其他电磁波的干扰，导致检测失准。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种光纤激光功率监测系统与方法，克服了现有技术的不足，设计合理，有效解决光纤激光器中功率探测困难大，信号容易受到激光器内部光电、外部反光等其他因素干扰导致失准的问题，对光纤激光器输出的有效功率进行精确监控。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种光纤激光功率监测系统，包括包层光探测装置、光纤光探测装置和监测系统，所述包层光探测装置包括第一感光元件和包层光剥除器，所述包层光剥除器包覆在输出光纤的外表面；
所述光纤光探测装置包括第二感光元件，用于对包层光和纤芯光的进行检测；
所述监测系统的信号输入端分别与第一感光元件和第二感光元件的信号输出端信号连接，所述监测系统的信号输出端与主控系统信号连接；
包层光探测装置还包括传导光纤，且所述传导光纤的输入端固定安装在包层光剥除器中，且所述第一感光元件的感光区与传导光纤的输出端对应。
优选地，所述传导光纤的输入端设置为球形结构。
优选地，所述传导光纤的芯直径与球形端面的半径比范围为1.08-1.12。
优选地，所述传导光纤的芯直径与球形端面的半径比范围为0.84-0.86。
优选地，所述传导光纤球形端面的折射率与传导光纤的芯折射率的比值范围为0.95-0.97。
优选地，所述传导光纤与输出光纤垂直设置，所述第一感光元件和第二感光元件均为硅光电元件，用于将光能转换为电能，包层光探测装置内设置有第一遮光体，所述传导光纤的另一端固定安装在第一遮光体内，所述第一感光元件固定安装在第一遮光体内，所述光纤光探测装置内设置第二遮光体，所述第二遮光体包裹在输出光纤输出端的外表面，所述第二感光元件固定安装在第二遮光体内，且所述第二感光元件的感光区与输出光纤表面相对应。
优选地，所述传导光纤与第一感光元件的感光区相对应的一端切平角设计。
本发明还公开了一种光纤激光功率监测方法，应用上述的光纤激光功率监测系统；具体包括以下步骤，
步骤S1：通过包层光剥除器将输出光纤中的包层光进行分离剥除；
步骤S2：利用传导光纤的球形端面将包层光剥除器中射出的包层光进行收集，并将收集到的包层光会通过传导光纤传导至第一遮光体中；
步骤S3：从传导光纤平角端面定向射入第一感光元件的感光区内，利用第一感光元件将光能转换为电能，并通过导线传输给监测系统；
步骤S4：通过光纤光探测装置直接对整个光纤进行探测，利用第二感光元件将探测的光能转化为电能，并通过导线传输给监测系统；
步骤S5：通过监测系统分别将第一感光元件传输的数据与第二感光元件传输的数据进行收集后，通过监测系统内的算法实时测算出输出光纤中的纤芯能量；并将数据信号传输给光纤激光器的主控系统。
优选地，所述步骤S5中监测系统内部的算法为：
第二感光元件探测到的反馈功率Pf(fpd)是由纤芯激光反馈功率Pf(core)加上包层光反馈功率Pf(clad)组成的，由此可以得出下式：
Pf(fpd)＝Pf(core)+Pf(clad)
而第二感光元件探测到的纤芯光与包层光的灵敏度不相同，即有不同的斜率常数k，因此可知：
Pf(core)＝P(core)*k(core)
Pf(clad)＝P(clad)*k(clad)
由此可推：
Pf(fpd)＝P(core)*k(core)+P(clad)*k(clad)
基于该公式，对监控系统进行调试，调试步骤如下：
步骤一：通过外部激光功率计的功率探测，使光纤激光器输出任意的激光功率，如200W，即此时：
P1(core)＝P(lpm)＝200W
记录此时Pf(fpd)的数值为Pf1；
步骤二：再次通过外部激光功率计的功率探测，调整光纤激光器输出另一个与此前不同的激光功率，如400W，即此时：
P2(core)＝P(lpm)＝400W
记录此时Pf(fpd)的数值为Pf2；
将Pf1、Pf2与P1(core)、P2(core)带上式可得：
Pf1＝P1(core)*k(core)+P1(clad)*k(clad)
Pf2＝P2(core)*k(core)+P2(clad)*k(clad)
由第一感光元件提供的前后两次P1(cpd)与P2(cpd)可知道P1(clad)与P2(clad)之间的关系，如下：
P2(clad)＝P1(clad)*P2(cpd)/P1(cpd)
最终推得下式：
Pf1＝P1(core)*k(core)+P1(clad)*k(clad)
Pf2＝P2(core)*k(core)+[P1(clad)*P2(cpd)/P1(cpd)]*k(clad)
其中Pf1、Pf2、P1(core)、P2(core)、k(clad)、P1(cpd)、P2(cpd)为已知量，根据二元一次方程求解即可求得k(core)与P1(clad)。已知k(core)与P1(clad)后，以此为基点，便可以计算出任意一点的Px(core)，二元一次方程式如下：
Pf1＝P1(core)*k(core)+P1(clad)*k(clad)
Pf2＝Px(core)*k(core)+[P1(clad)*Px(cpd)/P1(cpd)]*k(clad)由上述一些列标定与计算，便可以精准计算出激光器在任意输出功率时，其纤芯光的能量值Px(core)。
本发明提供了一种光纤激光功率监测系统与方法。具备以下有益效果：
1、通过采用第一感光元件和第二感光元件，并通过一种简单的算法计算两个感光元件的差值可以使测量值更加精准，尤其是针对高反射状况，两个感光元件均会受反射影响，因此差值不会发生改变，并且还可以很好地监测到激光器实时受到的反射光功率；
2、由于第一感光元件可以远离包层光剥除器，通过传导光纤将光导向第一感光元件，因此第一感光元件可以放置在散热最佳的位置，并且不会受到其他辐射；
3、采用第一感光元件和第二感光元件的双感光元件的设计，其中一个感光元件仅对包层光进行精准有效的识别，另一个感光元件对包层光加纤芯光的综合进行有效识别，并可通过一套简单的算法便可以计算出纤芯激光的数值，数值精确性强。
4、通过将传导光纤的接收端面设计为球形端面进行传输接收，利用球形端面的广角式聚光作用，可以将包层光剥除器中更多方向的光收集到光纤中，并由平角端定向传输至感光元件的工作区域中，极大地增加感光器件的灵敏度与探测范围。
5、通过采用传导光纤进行导光，因此包层光探测装置中感光元件可以不受位置的限制，可以任意放置，光在光纤中以光速传播，也不会受到任何干扰，可以最大限度地保证感光元件与电路板之间的最短距离，有效地保证了信号不会收到干扰导致失准。
6、针对球形端面作出具体的参数设计，获取合适的传导光纤的芯直径与球形端面半径的比值范围，使得测定更加准确，并在较优的实施例的基础上设计出了合适的传导光纤的球形端面折射率与芯折射率的比值范围，提高了球形端面的全角度耦合效率一致性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1本发明的结构示意图；
图2本发明中信号传输原理框图；
图中标号说明：
1、包层光探测装置；2、光纤光探测装置；3、监测系统；4、包层光剥除器；5、输出光纤；6、主控系统；21、第二感光元件；22、第二遮光体；11、传导光纤；12、第一感光元件；13、第一遮光体。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一，如图1-2所示，一种光纤激光功率监测系统，包括包层光探测装置1、光纤光探测装置2和监测系统3，所述包层光探测装置1包括传导光纤11、第一感光元件12和第一遮光体13，所述传导光纤11的一端设置为球形结构，且所述传导光纤11的球形端固定安装在包层光剥除器4中，所述传导光纤11的另一端固定安装在第一遮光体13内，所述第一感光元件12固定安装在第一遮光体13内，且所述第一感光元件12的感光区与传导光纤11的端部相对应，所述包层光剥除器4包覆在输出光纤5的外表面，所述传导光纤11与输出光纤5垂直设置；
所述光纤光探测装置2包括第二感光元件21和第二遮光体22，所述第二遮光体22包裹在输出光纤5输出端的外表面，所述第二感光元件21固定安装在第二遮光体22内，且所述第二感光元件21的感光区与输出光纤5表面相对应；
所述监测系统3的信号输入端分别与第一感光元件12和第二感光元件21的信号输出端信号连接，所述监测系统3的信号输出端与主控系统6信号连接。
在本实施例中，所述传导光纤11与第一感光元件12的感光区相对应的一端切平角设计。以便于对光能更集中的传输。
在本实施例中，所述第一感光元件12和第二感光元件21均为硅光电元件，用于将光能转换为电能。
实施例二，本发明还公开了一种光纤激光功率监测方法，应用上述的光纤激光功率监测系统；具体包括以下步骤，
步骤S1：通过包层光剥除器4将输出光纤5中的包层光进行分离剥除；
步骤S2：利用传导光纤11的球形端面将包层光剥除器4中射出的包层光进行收集，并将收集到的包层光会通过传导光纤11传导至第一遮光体13中；
步骤S3：从传导光纤11平角端面定向射入第一感光元件12的感光区内，利用第一感光元件12将光能转换为电能，并通过导线传输给监测系统3；
步骤S4：通过光纤光探测装置2直接对整个光纤进行探测，利用第二感光元件21将探测的光能转化为电能，并通过导线传输给监测系统3；
步骤S5：通过监测系统3分别将第一感光元件12传输的数据与第二感光元件21传输的数据进行收集后，通过监测系统3内的算法实时测算出输出光纤5中的纤芯能量；并将数据信号传输给光纤激光器的主控系统6。
其中，步骤S5中监测系统3内部的算法为：
第二感光元件探测到的反馈功率Pf(fpd)是由纤芯激光反馈功率Pf(core)加上包层光反馈功率Pf(clad)组成的，由此可以得出下式：
Pf(fpd)＝Pf(core)+Pf(clad)
而第二感光元件探测到的纤芯光与包层光的灵敏度不相同，即有不同的斜率常数k，因此可知：
Pf(core)＝P(core)*k(core)
Pf(clad)＝P(clad)*k(clad)
由此可推：
Pf(fpd)＝P(core)*k(core)+P(clad)*k(clad)
基于该公式，对监控系统进行调试，调试步骤如下：
步骤一：通过外部激光功率计的功率探测，使光纤激光器输出任意的激光功率，如200W，即此时：
P1(core)＝P(lpm)＝200W
记录此时Pf(fpd)的数值为Pf1。
步骤二：再次通过外部激光功率计的功率探测，调整光纤激光器输出另一个与此前不同的激光功率，如400W，即此时：
P2(core)＝P(lpm)＝400W
记录此时Pf(fpd)的数值为Pf2。
将Pf1、Pf2与P1(core)、P2(core)带上式可得：
Pf1＝P1(core)*k(core)+P1(clad)*k(clad)
Pf2＝P2(core)*k(core)+P2(clad)*k(clad)
由第一感光元件提供的前后两次P1(cpd)与P2(cpd)可知道P1(clad)与P2(clad)之间的关系，如下：
P2(clad)＝P1(clad)*P2(cpd)/P1(cpd)
最终推得下式：
Pf1＝P1(core)*k(core)+P1(clad)*k(clad)
Pf2＝P2(core)*k(core)+[P1(clad)*P2(cpd)/P1(cpd)]*k(clad)
其中Pf1、Pf2、P1(core)、P2(core)、k(clad)、P1(cpd)、P2(cpd)为已知量，根据二元一次方程求解即可求得k(core)与P1(clad)。已知k(core)与P1(clad)后，以此为基点，便可以计算出任意一点的Px(core)，二元一次方程式如下：
Pf1＝P1(core)*k(core)+P1(clad)*k(clad)
Pf2＝Px(core)*k(core)+[P1(clad)*Px(cpd)/P1(cpd)]*k(clad)
由上述一些列标定与计算，便可以精准计算出激光器在任意输出功率时，其纤芯光的能量值Px(core)。
由以上算法便可以实时测算出光纤中的纤芯能量；并将数据信号传输给光纤激光器主控制系统，光纤激光器的主控制系统便可以实时了解输出功率的变化进行补偿等多种调节。
在本实施例中，通过采用第一感光元件12和第二感光元件21的双感光元件的设计，其中一个感光元件仅对包层光进行精准有效的识别，另一个感光元件对包层光加纤芯光的综合进行有效识别，并可通过一套简单的算法便可以计算出纤芯激光的数值，数值精确性强，尤其是针对高反射状况，两个感光元件均会受反射影响，因此差值不会发生改变，并且还可以很好地监测到激光器实时受到的反射光功率；
并且在本实施例中，第一感光元件12可以远离包层光剥除器4，通过传导光纤11将光导向第一感光元件12，因此第一感光元件12不受位置的限制，可以任意放置在散热最佳的位置，并且不会受到其他辐射；也不会受到任何干扰，可以最大限度地保证感光元件与电路板之间的最短距离，有效地保证了信号不会收到干扰导致失准；
在本实施例中，通过将传导光纤11的接收端面设计为球形端面进行传输接收，利用球形端面的广角式聚光作用，可以将包层光剥除器4中更多方向的光收集到光纤中，并由另一端(平角端)定向传输至感光元件的工作区域中，极大地增加感光器件的灵敏度与探测范围。
而根据本申请结构可知，由于光纤传输的光场模式的特性，随着输入功率的增加，球形端面其可定向传输至感光元件的工作区域的光强增加并非理想线性，为了增大探测范围与灵敏度，发明人对球形端面做了进一步的改进设计。
对于球形端面的设置，假定传导光纤的芯直径为W，球形端面的半径为R。由于采用公式P2(clad)＝P1(clad)*P2(cpd)/P1(cpd)，因此球形端面其可定向传输至感光元件的工作区域的光强P(cpd)与P(clad)的线性相关性极为重要。
为了获得P(cpd)与P(clad)的良好的线性相关性。
发明人针对不同的球形端面进行大量实验，实验数据如下：
lr为P(cpd)与P(clad)的线性相关的表征参数。参照表1，申请人首先发现其相关性取值呈抛物线形状，在R/W为1.1附近取得极大值，所以进一步实验该参数附近的结构效果，获得结果如表2，可知R/W取值在1.08-1.12之间能获得优异的效果。
表1：
表2：
R/W
1.02
1.04
1.06
1.08
1.1
1.12
1.14
1.16
1.18
Lr
0.982
0.983
0.989
0.993
0.994
0.995
0.990
0.986
0.985
后进一步细分实验的R/W间隔，发明人偶然发现，当R/W的取值在0.85时也能取得相关性的极大值，如表3可知，R/W取值在0.84-0.86之间能获得更优异的效果.
表3：
由于光入射的界面反射损耗，不同角度的光从包层去除器入射到球形端面时，其耦合效率不同，因此会导致不同光场/输入光强的耦合效率会稍有差别，这就导致了P(cpd)与P(clad)的线性相关性的劣化，而球形端面的折射率会对为界面反射产生影响，为了获得最优的效果，发明人在R/W取值在0.84-0.86对球形端面的折射率作出改进，发明人经过模拟计算可知，R(dm)/R(core)在0.95-0.97时球形端面其全角度耦合效率一致性最高，此时可以获得最优的效果。
R(dm)为球形端面结构的折射率，R(core)为光纤的芯折射率，PY为全角度耦合效率一致性的表征：
表4
在本申请中，还可以将第一感光元件12和第二感光元件21的双感光元件的设计改为若干感光元件的设计，通过在输出光纤5外表面添加多个光纤光探测装置2或包层光探测装置1，再增加一套取平均值的算法后，可以使系统更加精准。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
