魏 琰，孔慶慶，沈 華*

(1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院，南京 210023； 2.南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，南京 210094)

引 言

近年來，激光制造逐漸成為現(xiàn)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(yīng)用[1-2]與推廣為激光制造帶來更多的可能性與應(yīng)用潛力。隨著激光制造的發(fā)展，對光制造提出了自動流水作業(yè)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(fù)用及時間復(fù)用的途徑實(shí)現(xiàn)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(yīng)運(yùn)而生，它通過光學(xué)耦合系統(tǒng)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?yōu)槎嗦芳す廨敵?，其通過能量復(fù)用或時間復(fù)用的特性實(shí)現(xiàn)了激光器的“一機(jī)多用”以及制造光能量的“網(wǎng)絡(luò)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?fù)p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(biāo)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?？臻g-光纖耦合[5-6]失效是光閘的關(guān)鍵瓶頸難題，當(dāng)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(dǎo)致光閘及工作光纖燒毀。光閘在使用過程中，一方面根據(jù)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(chǎn)生耦合偏差；另一方面，激光制造的環(huán)境是非穩(wěn)態(tài)的，尤其是環(huán)境振動，會使光閘內(nèi)部元件發(fā)生輕微的變化，也會產(chǎn)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(jù)輸出工作光纖的纖芯芯徑不同，偏差容限有所變化)，當(dāng)耦合偏差超過容限時，大量激光溢出到輸出光纖包層內(nèi)或光閘內(nèi)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(yīng)用[7-8]中，如何實(shí)時監(jiān)測并反饋光閘的耦合狀態(tài)，并當(dāng)光閘耦合失效時能夠及時關(guān)閉激光以保證使用安全顯得至關(guān)重要。

在通信、傳感等領(lǐng)域，光纖與空間光學(xué)元件的耦合效率的測量方法一般都是采用功率計(jì)[9-11]探測輸出光纖的輸出功率，并與輸入功率進(jìn)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(jìn)行實(shí)時作用，無法使用功率計(jì)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(shí)時地對其耦合效率進(jìn)行監(jiān)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(tài)成為技術(shù)難點(diǎn)。

針對以上技術(shù)難題，作者提出了一種通過實(shí)時探測輸出端工作光纖內(nèi)部的后向散射光來監(jiān)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(qiáng)信號之間的映射規(guī)律與模型,然后設(shè)計(jì)相應(yīng)的光閘安全控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過光電二極管快速響應(yīng)光閘輸出工作光纖內(nèi)部的后向散射光強(qiáng)變化，再根據(jù)所建立的耦合偏差與反饋電壓信號之間的映射規(guī)律，確定合理的安全電壓閾值，從而實(shí)現(xiàn)一旦耦合失效能實(shí)時控制光閘的工作，保證安全性。通過仿真與實(shí)驗(yàn)，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(shí)際應(yīng)用，表明在本文中所研制的安全控制系統(tǒng)的保障下萬瓦級光閘的耦合效率穩(wěn)定在98%以上。

1 激光光閘原理

激光光閘的結(jié)構(gòu)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(zhǔn)直鏡組變換成平行光傳輸。當(dāng)需要光閘的通道1輸出激光時，切換鏡1進(jìn)入光路中折轉(zhuǎn)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(jīng)過聚焦鏡1耦合至輸出工作光纖1的纖芯中輸出。當(dāng)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(jìn)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(shí)現(xiàn)光閘的分時分通道輸出功能即能量復(fù)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(jù)制造工藝要求通過分束鏡對光能量的各種比例分配的設(shè)計(jì)，就能實(shí)現(xiàn)不同通道同時輸出各種能量組分的激光，實(shí)現(xiàn)光閘的分能功能即時間復(fù)用的特性。光閘中的收光器主要是吸收系統(tǒng)內(nèi)部由于各個光學(xué)元件的反射、折射、散射所產(chǎn)生的殘余激光。

Fig.1 Schematic diagram of the optic switch

激光在光閘中進(jìn)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(yīng)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(tài)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(nèi)部后向散射光探測的光閘耦合狀態(tài)監(jiān)測方法

根據(jù)光纖激光的原理，當(dāng)光閘耦合產(chǎn)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(nèi)包層和外包層組成，內(nèi)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(jìn)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(chǎn)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(lán)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(jù)Fresnel方程，光纖內(nèi)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(jù)Beckmann的標(biāo)量散射理論[17]，光入射到散射面上的反射系數(shù)為r，那么該散射面的散射系數(shù)s可表示為：

s=R-r

(2)

根據(jù)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(tài)：光斑完全位于纖芯中、光斑離開纖芯且部分進(jìn)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(dāng)光斑偏移量e滿足條件為0

2.2 光斑離開纖芯且部分進(jìn)入到光纖包層中時

當(dāng)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(nèi)包層和外包層區(qū)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(jìn)入到內(nèi)包層、外包層的透射率；s1為光束從內(nèi)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(dāng)光斑偏移量e滿足條件為(dc，1+ds)/2

(4)

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

光電二極管是將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的光電傳感器件，具有響應(yīng)速度快、體積小等特點(diǎn)。采用光電二極管作為實(shí)時反饋光閘耦合狀態(tài)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(dǎo)模式下，沒有光輻射作用時，光電二極管產(chǎn)生暗電流。當(dāng)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(yīng)度。將光電二極管與負(fù)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(fù)載電壓Ul由散射光電壓U0和暗電流、背景噪聲等產(chǎn)生的噪聲電壓Un組成，因此，光電二極管的負(fù)載電壓Ul可表示為：

Ul=U0+Un

(7)

在實(shí)際應(yīng)用中，需要對光電二極管進(jìn)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(jù)以上數(shù)學(xué)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(guī)律。仿真參數(shù)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(nèi)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(yīng)為40μm。仿真結(jié)果如圖4所示，黑色實(shí)線為歸一化反饋電壓曲線，藍(lán)色點(diǎn)劃線為反饋電壓變化率。當(dāng)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(dāng)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(jù)反饋電壓Uf隨聚焦光斑偏移而變化的規(guī)律，在光閘電控系統(tǒng)中設(shè)定合理的電壓閾值Uth。當(dāng)Uf≤Uth時，意味著光閘耦合狀態(tài)正常，光斑依然在光纖纖芯中，此時激光正常運(yùn)行;當(dāng)Uf>Uth時，意味著光閘耦合開始失效，光斑已經(jīng)進(jìn)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(tǒng)應(yīng)立刻關(guān)閉激光，保護(hù)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(xù)承受5%的激光功率損失，意味著當(dāng)耦合效率大于95%時，光閘能夠安全運(yùn)行，一旦光閘耦合效率低于95%，輸出光纖極易燒毀。當(dāng)聚焦光斑開始進(jìn)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(nèi)包層、外包層中的激光功率。根據(jù)(9)式可以計(jì)算出光斑中心偏移量與耦合效率之間的關(guān)系，仿真結(jié)果如圖5所示。當(dāng)耦合效率為95%時，可得出光斑中心偏移量的臨界值σ，即當(dāng)光斑中心偏移量大于σ時，耦合效率小于95%。再根據(jù)圖4仿真結(jié)果，結(jié)合光斑中心偏移量的臨界值σ，可得到相應(yīng)的反饋電壓變化率β。由此，可設(shè)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(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了保證光閘能夠安全正常地運(yùn)行，本文中設(shè)計(jì)了光閘的安全控制系統(tǒng)，如圖6所示。該系統(tǒng)由控制電路(藍(lán)色虛線)和反饋電路(紅色實(shí)線)組成?？刂齐娐稟與激光輸入光纖自身攜帶的安全電路連接，根據(jù)工業(yè)光纖激光器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)控制電路A閉合時，激光器可以輸出激光；當(dāng)控制電路A斷開時，激光器自動關(guān)閉激光。控制電路B與電機(jī)連接，當(dāng)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(jī)運(yùn)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(jiān)控收光器的工作狀態(tài)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(tài)。反饋電路E與本作者設(shè)計(jì)的光閘安全控制系統(tǒng)中的光電二極管連接，探測并反饋工作光纖內(nèi)部的后向散射光的強(qiáng)度，從而實(shí)時監(jiān)測光閘的耦合效率。

Fig.6 Safety control circuit system of the optic switch

作者設(shè)計(jì)的光閘安全控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)圖如圖7所示。其中PIN接口與光電探測器連接，實(shí)時獲取散射光強(qiáng)弱信號，經(jīng)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(shè)定的電壓閾值。

Fig.7 Circuit design of scattered light detection

圖8a是作者團(tuán)隊(duì)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(shí)時監(jiān)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(nèi)部的后向散射光的強(qiáng)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(shí)驗(yàn)與分析

對所研制的光閘安全控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，如圖9所示。圖9a為實(shí)驗(yàn)示意圖，圖9b為實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖。激光器為武漢銳科公司的萬瓦級連續(xù)光纖激光器(RFL-C12000，輸出光纖芯徑100μm，數(shù)值孔徑為0.22)，準(zhǔn)直透鏡(焦距100mm)與聚焦透鏡(焦距120mm)組合成耦合系統(tǒng)，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(shù)值孔徑為0.22)耦合端面附近的散射光強(qiáng)度，功率計(jì)(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(shí)驗(yàn)中，控制激光器輸出功率為203W(該較低功率為了保護(hù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。光閘最高耦合效率達(dá)到98.53%，隨著光斑中心偏移量的增大，當(dāng)光斑開始進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。

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

為了證明所設(shè)計(jì)的耦合效率實(shí)時監(jiān)測及控制方法在實(shí)際應(yīng)用過程中的有效性，在武漢銳科公司進(jìn)行了光閘萬瓦輸出的實(shí)際工作應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。首先將光閘調(diào)整至最佳耦合狀態(tài)，然后將激光器輸入功率調(diào)至12kW，并設(shè)置了合理的監(jiān)控電壓閾值。如圖11所示，當(dāng)輸入功率為11.99kW時，光閘輸出功率為11.81kW，耦合效率達(dá)到98.49%。

光閘長時間工作穩(wěn)定性的測試實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dāng)光斑耦合偏差達(dá)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(tǒng)立即響應(yīng)并關(guān)閉了輸入激光器。重新調(diào)整光閘至最佳耦合狀態(tài)后，光閘耦合效率和反饋電壓信號恢復(fù)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(jié) 論

激光光閘是激光制造實(shí)現(xiàn)自動化流水作業(yè)的關(guān)鍵，是光纖激光產(chǎn)業(yè)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(jiān)測其耦合效率并防止其失效的難題，提出了一種通過實(shí)時探測輸出端工作光纖內(nèi)部后向散射光來監(jiān)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(qiáng)之間的數(shù)學(xué)映射模型，并據(jù)此分析了如何合理選取探測器反饋電壓的閾值，最終設(shè)計(jì)出了一套能用于萬瓦激光光閘耦合效率實(shí)時監(jiān)測并安全控制的系統(tǒng)。通過仿真和耦合偏差實(shí)驗(yàn)，證明了所設(shè)計(jì)的光閘的安全控制系統(tǒng)的可行性和有效性。最終通過萬瓦光閘的長時間應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，證明了在設(shè)計(jì)的安全控制系統(tǒng)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(wěn)定在98%以上，并在光閘耦合出現(xiàn)失配時能有效關(guān)閉整個激光裝備保護(hù)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(wěn)定性及安全性，促進(jìn)我國激光制造領(lǐng)域關(guān)鍵部件的自主化。