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根据光纤激光的原理,当光闸耦合产生偏差时,就会有部分工作激光由原先的纤芯传输改为耦合至光纤的包层中传输,形成包层光。如图 3所示,光闸工作光纤的包层由内包层和外包层组成,内包层直径为dc, 1,外包层直径为dc, 2。利用氢氟酸[12]在输出工作光纤的外包层上进行腐蚀,可以增加光纤外包层表面的粗糙度[13-14],形成一个均匀的散射面。包层光传输至该腐蚀过的包层位置时,由于散射面的作用会产生各向散射[15-16]。其中会有部分散射光后向传输(即与入射激光相反的方向传输),定义其为后向散射光(如图 3中蓝色虚线所示),该散射光会从工作光纤的入射端面出射(即图 2所示的耦合端面)。
根据Fresnel方程,光纤内光束在光纤外包层-空气界面的反射率R可表示为:
$ R=\frac{1}{2}\left[\frac{\sin ^2\left(\theta_{\rm{e}}-\varphi_{\rm{e}}\right)}{\sin ^2\left(\theta_{\rm{e}}+\varphi_{\rm{e}}\right)}+\frac{\tan ^2\left(\theta_{\rm{e}}-\varphi_{\rm{e}}\right)}{\tan ^2\left(\theta_{\rm{e}}+\varphi_{\rm{e}}\right)}\right] $
(1) 式中,θe表示光束在外包层-空气界面上的入射角,φe表示光束在外包层-空气界面上折射角。根据Beckmann的标量散射理论[17],光入射到散射面上的反射系数为r,那么该散射面的散射系数s可表示为:
$ s=R-r $
(2) 根据耦合光斑的偏移量e的大小可以判断光斑在光纤耦合端面上有3个位置状态:光斑完全位于纤芯中、光斑离开纤芯且部分进入到光纤包层中、光斑完全位于光纤外包层中。
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当光斑偏移量e满足条件为0 <e <(dco-ds)/2时,光斑依然完全位于纤芯中,光束在纤芯中全反射传输,没有后向散射光产生,即后向散射回光功率P=0。
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当光斑偏移量e满足条件为(dco-ds)/2 <e <(dc, 1+ds)/2时,光斑离开纤芯进入到光纤包层中,部分光成为纤芯光,部分光成为包层光。纤芯光依然在纤芯中全反射传输,包层光入射到本文作者所设计的包层散射面位置后发生散射,部分散射光后向传输形成后向散射回光。后向散射回光功率P可表示为:
$ \begin{gathered} P=\int_{e_1}^{e_2} Q(e) T_1(e) s_1(e) \eta \mathrm{d} e+ \\ \int_{e_3}^{e_4} Q(e) T_2(e) s_2(e) \eta \mathrm{d} e \end{gathered} $
(3) 式中,(e1, e2)和(e3, e4)分别为入射到内包层和外包层区域上的光斑范围;Q为入射到光纤端面上的光束总功率;T1, T2分别为光束从端面进入到内包层、外包层的透射率;s1为光束从内包层入射到散射面的光散射率,s2为光束从外包层入射到散射面的光散射率;η为后向传输因子。
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当光斑偏移量e满足条件为(dc,1+ds)/2 <e <(dc, 2-ds)/2时,光斑完全位于光纤外包层中,全部形成包层光,包层光经过包层散射面后形成后向散射回光。后向散射光功率P可表示为:
$ P=\int Q(e) T_2(e) s_2(e) \eta \mathrm{d} e $
(4) 由此,根据(3)式、(4)式即可计算耦合偏差的大小与后向散射回光功率的数值关系,则反过来如果能实时探测到后向散射回光功率的变化,就可以依据以上的数学模型,精确计算得到光闸的实时耦合偏差的变化。
光电二极管是将光信号转换成电信号的光电传感器件,具有响应速度快、体积小等特点。采用光电二极管作为实时反馈光闸耦合状态的器件,探测光闸输出工作光纤中后向散射光功率的大小。在光导模式下,没有光辐射作用时,光电二极管产生暗电流。当输出光纤中的后向散射光辐射作用到光电二极管上时,光电二极管中的光电流Ip可表示为:
$ I_{\mathrm{p}}=S_{\mathrm{d}} P $
(5) 式中,Sd为光电二极管的响应度。将光电二极管与负载电阻Rl连接可得到随着后向散射光功率呈线性变化的电压信号,散射光探测电压U0可表示为:
$ U_0=I_{\mathrm{p}} R_1 $
(6) 光电二极管的负载电压Ul由散射光电压U0和暗电流、背景噪声等产生的噪声电压Un组成,因此,光电二极管的负载电压Ul可表示为:
$U_1=U_0+U_{\mathrm{n}} $
(7) 在实际应用中,需要对光电二极管进行封装,选择性地添加衰减片减小探测的散射光功率,保证光电二极管的反馈电压在一个合理的范围,因此,光电二极管的反馈电压Uf可表示为:
$ U_{\mathrm{f}}=k U_1 $
(8) 式中,k为衰减因子。
根据以上数学模型,作者仿真了聚集光斑耦合偏差与反馈电压Uf之间的变化规律。仿真参数如下:激光中心波长为1080nm,聚焦光斑直径为120μm,入射角为0.1rad,光闸输出工作光纤纤芯直径200μm,内包层直径220μm,外包层直径360μm,此时光斑在光纤纤芯中的耦合偏差容限δ应为40μm。仿真结果如图 4所示,黑色实线为归一化反馈电压曲线,蓝色点划线为反馈电压变化率。当光斑中心偏移量满足e<40μm时,光斑完全位于纤芯中,反馈电压值最低;当光斑中心偏移量满足40μm<e<120μm时,光斑进入到包层中,反馈电压值变化剧烈,并且随着偏移量的增大而迅速升高。由此可见,根据反馈电压值的大小及变化率,可以快速判断光斑是否位于纤芯中,当光斑开始离开纤芯时,反馈电压变化率会陡升。根据以上仿真分析可设定合理的电压阈值,当反馈电压值超过该阈值时,意味着光闸耦合即将失配。
根据反馈电压Uf随聚焦光斑偏移而变化的规律,在光闸电控系统中设定合理的电压阈值Uth。当Uf≤Uth时,意味着光闸耦合状态正常,光斑依然在光纤纤芯中,此时激光正常运行; 当Uf>Uth时,意味着光闸耦合开始失效,光斑已经进入到光纤包层中,并形成了包层光,此时光闸的安全控制系统应立刻关闭激光,保护输出光纤及光闸器件安全。商用的光闸输出光纤一般能够持续承受5%的激光功率损失,意味着当耦合效率大于95%时,光闸能够安全运行,一旦光闸耦合效率低于95%,输出光纤极易烧毁。当聚焦光斑开始进入光纤包层中时,输出光纤的输出功率Pout为:
$ P_{\text {out }}=P_1(e)+\left[P_2(e)+P_3(e)\right](1-C) $
(9) 式中,C为输出光纤中散射面的散射度,P1(e),P2(e)和P3(e)分别为入射到光纤纤芯、内包层、外包层中的激光功率。根据(9)式可以计算出光斑中心偏移量与耦合效率之间的关系,仿真结果如图 5所示。当耦合效率为95%时,可得出光斑中心偏移量的临界值σ,即当光斑中心偏移量大于σ时,耦合效率小于95%。再根据图 4仿真结果,结合光斑中心偏移量的临界值σ,可得到相应的反馈电压变化率β。由此,可设置合理的电压阈值Uth为:
$ U_{\mathrm{th}}=(\sigma-\delta) \beta k P_{\mathrm{in}} $
(10) 式中,Pin为激光输入功率。
万瓦级激光光闸耦合失效的安全控制方法
Safety control method for the failure of 10kW-level optic switch coupling
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摘要: 为了解决万瓦级激光光闸耦合效率实时监测的难题, 采用通过实时探测光闸输出端工作光纤内部的后向散射光来监测耦合效率从而防止其耦合失效的安全控制方法, 仿真并建立了耦合偏差与后向散射光光强信号之间的映射规律与模型, 并基于此设计了相应的光闸耦合失效的安全控制系统。结果表明, 高功率激光光闸在安全控制系统的保证下能长期承载12kW以上功率, 并且耦合效率稳定在98%以上, 证明了该方法的有效性。该研究可以保证万瓦级激光光闸长期工作的高效性、稳定性及安全性, 促进我国激光制造领域关键部件的自主化。Abstract: In order to solve the problem of real-time monitoring the coupling efficiency of 10kW-level optic switch, a safety control method was adopted to monitor the coupling efficiency by detecting the backscattered light inside the working fiber at the output end of the optic switch in real time, and then its coupling failure was prevented. The mapping law and model between coupling errors and signal of backscattered light intensity were simulated and established. Furthermore, the safety control system of the optic switch was designed. And the effectiveness of the method was proved through the simulations and experiments. The results show that the high-power optic switch can carry more than 10kW power for a long time under the guarantee of the safety control system, and the coupling efficiency is stable above 98%. This research can ensure the long-term efficiency, stability and safety of 10kW-level optic switch. It can promote the autonomy of key components in the field of laser manufacturing in China.
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Key words:
- laser technique /
- optic switch /
- backscattering /
- coupling efficiency /
- safety control
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