萬瓦級激光光閘耦合失效的安全控制方法

魏 琰，孔慶慶，沈 華*

(1.南京信息職業技術學院 電子信息學院，南京 210023； 2.南京理工大學 電子工程與光電技術學院，南京 210094)

引 言

近年來，激光制造逐漸成為現代精密制造的主要方式之一，比如激光切割、焊接、熔覆和增材制造等，而萬瓦光纖激光器的應用[1-2]與推廣為激光制造帶來更多的可能性與應用潛力。隨著激光制造的發展，對光制造提出了自動流水作業的要求以滿足“智能工廠”的需求,即在不同的時間段、不同的工位上，需要通過能量復用及時間復用的途徑實現單臺萬瓦激光能量的流水分配與制造。為了滿足該需求，萬瓦級激光光閘應運而生，它通過光學耦合系統將一臺光纖激光器的輸出光束耦合到不同通道的輸出光纖中傳輸，使激光器的單路激光輸出變為多路激光輸出，其通過能量復用或時間復用的特性實現了激光器的“一機多用”以及制造光能量的“網絡化”。同時用戶使用光閘的輸出工作光纖作為加工端，可以避免使用激光器的輸出光纖直接作用于加工材料[3-4]，有效防止材料加工時的回光、污染等因素損壞高功率激光器，保證激光加工時的安全性。

決定光閘性能的核心指標是光閘的耦合效率。光閘的耦合效率是指光閘輸出光纖的輸出功率與激光器輸入光閘的光功率的比值。空間-光纖耦合[5-6]失效是光閘的關鍵瓶頸難題，當空間-光纖耦合偏差超過偏差容限時，耦合效率就會大幅下降，即光閘耦合失效，其耦合溢出激光會導致光閘及工作光纖燒毀。光閘在使用過程中，一方面根據加工工藝的要求需要更換不同型號的輸出光纖，每一次更換工作光纖都會產生耦合偏差；另一方面，激光制造的環境是非穩態的，尤其是環境振動，會使光閘內部元件發生輕微的變化，也會產生耦合偏差。通常情況萬瓦激光光閘的耦合偏差容限為幾十微米(根據輸出工作光纖的纖芯芯徑不同，偏差容限有所變化)，當耦合偏差超過容限時，大量激光溢出到輸出光纖包層內或光閘內部空間中，極易造成光纖和光閘的燒毀，帶來不可忽視的安全隱患。因此，在光纖激光制造的應用[7-8]中，如何實時監測并反饋光閘的耦合狀態，并當光閘耦合失效時能夠及時關閉激光以保證使用安全顯得至關重要。

在通信、傳感等領域，光纖與空間光學元件的耦合效率的測量方法一般都是采用功率計[9-11]探測輸出光纖的輸出功率，并與輸入功率進行比較，從而得出其耦合效率。但是，對于高功率激光光閘，其輸出工作光纖時刻位于加工的工位上，與加工材料進行實時作用，無法使用功率計在光閘工作過程中直接探測工作光纖的輸出功率。而為了保證激光制造過程的安全性，高功率激光光閘必須在其工作過程中長期、實時地對其耦合效率進行監測，因此，如何通過間接的測量方式高精度、高靈敏地獲取光閘耦合狀態成為技術難點。

針對以上技術難題，作者提出了一種通過實時探測輸出端工作光纖內部的后向散射光來監測光閘耦合效率從而防止其失耦的安全控制方法。首先仿真并建立耦合偏差與后向散射光光強信號之間的映射規律與模型,然后設計相應的光閘安全控制系統，該系統通過光電二極管快速響應光閘輸出工作光纖內部的后向散射光強變化，再根據所建立的耦合偏差與反饋電壓信號之間的映射規律，確定合理的安全電壓閾值，從而實現一旦耦合失效能實時控制光閘的工作，保證安全性。通過仿真與實驗，證明了作者提出的萬瓦級激光光閘耦合失效的安全控制方法的有效性。通過實際應用，表明在本文中所研制的安全控制系統的保障下萬瓦級光閘的耦合效率穩定在98%以上。

1 激光光閘原理

激光光閘的結構原理如圖1所示。光纖激光器的輸出光纖插入到光閘的輸入端作為光閘的輸入光纖，光閘的工作光纖插入到光閘的輸出通道作為輸出端。光纖激光器輸出的激光通過光閘的準直鏡組變換成平行光傳輸。當需要光閘的通道1輸出激光時，切換鏡1進入光路中折轉光束，切換鏡2撤出光路，此時激光在切換鏡1的全反射下經過聚焦鏡1耦合至輸出工作光纖1的纖芯中輸出。當需要光閘的通道2輸出激光時，切換鏡1撤出光路，切換鏡2進入光路，此時激光耦合至輸出工作光纖2的纖芯中輸出。在不同工藝時刻，通過各個通道的自動切換就能實現光閘的分時分通道輸出功能即能量復用特性。如果將光閘中不同通道的切換鏡全部更換為分束鏡，則光閘工作時所有分束鏡全部位于工作位置，依據制造工藝要求通過分束鏡對光能量的各種比例分配的設計，就能實現不同通道同時輸出各種能量組分的激光，實現光閘的分能功能即時間復用的特性。光閘中的收光器主要是吸收系統內部由于各個光學元件的反射、折射、散射所產生的殘余激光。

Fig.1 Schematic diagram of the optic switch

激光在光閘中進行耦合時，需要保證激光聚焦光斑位于光閘輸出工作光纖的纖芯中，同時聚焦光束的入射角應小于輸出工作光纖纖芯的接收角。如圖2所示，聚焦光斑在輸出工作光纖端面的光斑直徑為ds，入射角為θ，輸出工作光纖纖芯直徑為dco，包層直徑為dc，輸出光纖纖芯允許接收光的最大孔徑角為α。光閘的高效耦合狀態是指聚焦光斑全部位于光纖纖芯中，并且ds

Fig.2 Schematic diagram of the optic switch coupling

2 基于輸出光纖內部后向散射光探測的光閘耦合狀態監測方法

根據光纖激光的原理，當光閘耦合產生偏差時，就會有部分工作激光由原先的纖芯傳輸改為耦合至光纖的包層中傳輸，形成包層光。如圖3所示，光閘工作光纖的包層由內包層和外包層組成，內包層直徑為dc,1，外包層直徑為dc,2。利用氫氟酸[12]在輸出工作光纖的外包層上進行腐蝕，可以增加光纖外包層表面的粗糙度[13-14]，形成一個均勻的散射面。包層光傳輸至該腐蝕過的包層位置時，由于散射面的作用會產生各向散射[15-16]。其中會有部分散射光后向傳輸(即與入射激光相反的方向傳輸)，定義其為后向散射光(如圖3中藍色虛線所示)，該散射光會從工作光纖的入射端面出射(即圖2所示的耦合端面)。

Fig.3 Schematic diagram of backscattered light of the fiber

根據Fresnel方程，光纖內光束在光纖外包層-空氣界面的反射率R可表示為：

(1)

式中，θe表示光束在外包層-空氣界面上的入射角，φe表示光束在外包層-空氣界面上折射角。根據Beckmann的標量散射理論[17]，光入射到散射面上的反射系數為r，那么該散射面的散射系數s可表示為：

s=R-r

(2)

根據耦合光斑的偏移量e的大小可以判斷光斑在光纖耦合端面上有3個位置狀態：光斑完全位于纖芯中、光斑離開纖芯且部分進入到光纖包層中、光斑完全位于光纖外包層中。

2.1 光斑完全位于纖芯中時

當光斑偏移量e滿足條件為0

2.2 光斑離開纖芯且部分進入到光纖包層中時

當光斑偏移量e滿足條件為(dco-ds)/2

(3)

式中，(e1,e2)和(e3,e4)分別為入射到內包層和外包層區域上的光斑范圍；Q為入射到光纖端面上的光束總功率；T1,T2分別為光束從端面進入到內包層、外包層的透射率；s1為光束從內包層入射到散射面的光散射率，s2為光束從外包層入射到散射面的光散射率；η為后向傳輸因子。

2.3 光斑完全位于光纖外包層時

當光斑偏移量e滿足條件為(dc，1+ds)/2

(4)

由此，根據(3)式、(4)式即可計算耦合偏差的大小與后向散射回光功率的數值關系，則反過來如果能實時探測到后向散射回光功率的變化，就可以依據以上的數學模型，精確計算得到光閘的實時耦合偏差的變化。

光電二極管是將光信號轉換成電信號的光電傳感器件，具有響應速度快、體積小等特點。采用光電二極管作為實時反饋光閘耦合狀態的器件，探測光閘輸出工作光纖中后向散射光功率的大小。在光導模式下，沒有光輻射作用時，光電二極管產生暗電流。當輸出光纖中的后向散射光輻射作用到光電二極管上時，光電二極管中的光電流Ip可表示為：

Ip=SdP

(5)

式中，Sd為光電二極管的響應度。將光電二極管與負載電阻Rl連接可得到隨著后向散射光功率呈線性變化的電壓信號，散射光探測電壓U0可表示為：

U0=IpRl

(6)

光電二極管的負載電壓Ul由散射光電壓U0和暗電流、背景噪聲等產生的噪聲電壓Un組成，因此，光電二極管的負載電壓Ul可表示為：

Ul=U0+Un

(7)

在實際應用中，需要對光電二極管進行封裝，選擇性地添加衰減片減小探測的散射光功率，保證光電二極管的反饋電壓在一個合理的范圍，因此，光電二極管的反饋電壓Uf可表示為：

Uf=kUl

(8)

式中，k為衰減因子。

根據以上數學模型，作者仿真了聚集光斑耦合偏差與反饋電壓Uf之間的變化規律。仿真參數如下：激光中心波長為1080nm，聚焦光斑直徑為120μm，入射角為0.1rad，光閘輸出工作光纖纖芯直徑200μm，內包層直徑220μm，外包層直徑360μm，此時光斑在光纖纖芯中的耦合偏差容限δ應為40μm。仿真結果如圖4所示，黑色實線為歸一化反饋電壓曲線，藍色點劃線為反饋電壓變化率。當光斑中心偏移量滿足e<40μm時，光斑完全位于纖芯中，反饋電壓值最低；當光斑中心偏移量滿足40μm

Fig.4 Relationship between the offset of the spot center and the feedback voltage

根據反饋電壓Uf隨聚焦光斑偏移而變化的規律，在光閘電控系統中設定合理的電壓閾值Uth。當Uf≤Uth時，意味著光閘耦合狀態正常，光斑依然在光纖纖芯中，此時激光正常運行;當Uf>Uth時，意味著光閘耦合開始失效，光斑已經進入到光纖包層中，并形成了包層光，此時光閘的安全控制系統應立刻關閉激光，保護輸出光纖及光閘器件安全。商用的光閘輸出光纖一般能夠持續承受5%的激光功率損失，意味著當耦合效率大于95%時，光閘能夠安全運行，一旦光閘耦合效率低于95%，輸出光纖極易燒毀。當聚焦光斑開始進入光纖包層中時，輸出光纖的輸出功率Pout為：

Pout=P1(e)+[P2(e)+P3(e)](1-C)

(9)

式中，C為輸出光纖中散射面的散射度，P1(e)，P2(e)和P3(e)分別為入射到光纖纖芯、內包層、外包層中的激光功率。根據(9)式可以計算出光斑中心偏移量與耦合效率之間的關系，仿真結果如圖5所示。當耦合效率為95%時，可得出光斑中心偏移量的臨界值σ，即當光斑中心偏移量大于σ時，耦合效率小于95%。再根據圖4仿真結果，結合光斑中心偏移量的臨界值σ，可得到相應的反饋電壓變化率β。由此，可設置合理的電壓閾值Uth為：

Uth=(σ-δ)βkPin

(10)

式中，Pin為激光輸入功率。

Fig.5 Relationship between the offset of the spot center and the coupling efficiency

3 光閘安全控制系統的設計

為了保證光閘能夠安全正常地運行，本文中設計了光閘的安全控制系統，如圖6所示。該系統由控制電路(藍色虛線)和反饋電路(紅色實線)組成。控制電路A與激光輸入光纖自身攜帶的安全電路連接，根據工業光纖激光器的行業標準，當控制電路A閉合時，激光器可以輸出激光；當控制電路A斷開時，激光器自動關閉激光。控制電路B與電機連接，當選擇光閘不同的輸出通道工作時，控制電路B命令各通道電機運動，切換各通道光路。反饋電路C與收光器中的溫度探測器連接，反饋收光器的溫度，從而監控收光器的工作狀態是否異常。反饋電路D與輸出工作光纖自身攜帶的安全電路連接，反饋輸出光纖本身的工作狀態。反饋電路E與本作者設計的光閘安全控制系統中的光電二極管連接，探測并反饋工作光纖內部的后向散射光的強度，從而實時監測光閘的耦合效率。

Fig.6 Safety control circuit system of the optic switch

作者設計的光閘安全控制系統的電路設計圖如圖7所示。其中PIN接口與光電探測器連接，實時獲取散射光強弱信號，經過放大器U1，U2和比較器U3一系列處理后得出信號OUT，用于判斷散射光的電壓信號是否超過設定的電壓閾值。

Fig.7 Circuit design of scattered light detection

圖8a是作者團隊研制的萬瓦級激光光閘，圖8b為列中研制的用于萬瓦級激光光閘耦合效率實時監測的安全控制電路板。電路板上的PIN 1和PIN 2分別連接著光電二極管，用于探測輸出工作光纖內部的后向散射光的強度。

Fig.8 10kW-level optic switch (double channel)a—physical device b—safety control circuit board for real-time monitoring of coupling efficiency

4 實驗與分析

對所研制的光閘安全控制系統進行驗證實驗，如圖9所示。圖9a為實驗示意圖，圖9b為實驗裝置實物圖。激光器為武漢銳科公司的萬瓦級連續光纖激光器(RFL-C12000，輸出光纖芯徑100μm，數值孔徑為0.22)，準直透鏡(焦距100mm)與聚焦透鏡(焦距120mm)組合成耦合系統，反射鏡(反射率99.8%)作為光閘的切換鏡，光電二極管探測輸出工作光纖(200μm/220μm/360μm光纖，數值孔徑為0.22)耦合端面附近的散射光強度，功率計(Ophir 15K-W-BB-45)測量工作光纖輸出激光的功率。

Fig.9 Test experimentsa—schematic diagram of experiments b—physical device of experiments

實驗中，控制激光器輸出功率為203W(該較低功率為了保護光閘和輸出工作光纖在耦合失配時不被燒毀)，移動聚焦光斑在光纖耦合端面的位置，測試光閘輸出光纖的輸出功率并記錄反饋電壓。實驗結果如圖10所示。光閘最高耦合效率達到98.53%，隨著光斑中心偏移量的增大，當光斑開始進入包層中時，光閘耦合效率快速下降，同時反饋電壓快速變化，實驗結果與仿真結果吻合。

Fig.10 Results of the coupling experiments of the optic switch

為了證明所設計的耦合效率實時監測及控制方法在實際應用過程中的有效性，在武漢銳科公司進行了光閘萬瓦輸出的實際工作應用實驗。首先將光閘調整至最佳耦合狀態，然后將激光器輸入功率調至12kW，并設置了合理的監控電壓閾值。如圖11所示，當輸入功率為11.99kW時，光閘輸出功率為11.81kW，耦合效率達到98.49%。

光閘長時間工作穩定性的測試實驗結果如圖12所示，測試時長為60min。在第50min時，移動聚焦光斑在光纖耦合端面的位置，當光斑耦合偏差達到70μm時，耦合效率低于95%，即光閘耦合失效，此時反饋電壓超過電壓閾值，光閘的安全控制系統立即響應并關閉了輸入激光器。重新調整光閘至最佳耦合狀態后，光閘耦合效率和反饋電壓信號恢復正常。

Fig.11 Practical application experiments of 10kW-level optic switch

Fig.12 Results of the stability test of the optic switch

5 結 論

激光光閘是激光制造實現自動化流水作業的關鍵，是光纖激光產業的核心部件。光閘的耦合失效問題是高功率激光光閘的瓶頸難題。針對萬瓦級激光光閘在長期使用過程中如何監測其耦合效率并防止其失效的難題，提出了一種通過實時探測輸出端工作光纖內部后向散射光來監測光閘耦合效率從而防止其失耦的安全控制方法。研究并建立了耦合偏差與后向散射光強之間的數學映射模型，并據此分析了如何合理選取探測器反饋電壓的閾值，最終設計出了一套能用于萬瓦激光光閘耦合效率實時監測并安全控制的系統。通過仿真和耦合偏差實驗，證明了所設計的光閘的安全控制系統的可行性和有效性。最終通過萬瓦光閘的長時間應用實驗，證明了在設計的安全控制系統的保障下，光閘長時間工作在功率12kW下(60min以上的測試)，光閘耦合效率始終穩定在98%以上，并在光閘耦合出現失配時能有效關閉整個激光裝備保護了激光制造的安全。

作者提出的方法能夠保證萬瓦光閘長期工作的高效性、穩定性及安全性，促進我國激光制造領域關鍵部件的自主化。