CN100460809C

CN100460809C - 激光参数测量装置

Info

Publication number: CN100460809C
Application number: CNB2006101673502A
Authority: CN
Inventors: 叶征宇; 宋海平; 王龙; 王涛涛
Original assignee: No54 Inst Headquarters Of General Staff P L A
Current assignee: No54 Inst Headquarters Of General Staff P L A
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2006-12-29
Publication date: 2009-02-11
Anticipated expiration: 2026-12-29
Also published as: CN101101199A

Abstract

本发明涉及一种激光参数测量装置，包括：被测激光源、用于发射作为参考标准的连续激光的参考激光源、用于对被测激光及连续激光进行漫反射的漫反射成像光靶、用于接收被测激光与连续激光的漫反射激光的视频信号的图像获取装置、用于根据被测激光与连续激光的漫反射激光的视频信号获取被测激光与连续激光的漫反射激光的灰度图像的图像采集装置、存储连续激光的漫反射激光在被测位置的光斑直径，根据被测激光与连续激光的漫反射激光的灰度图像的比值以及连续激光的漫反射激光的光斑直径，获取被测激光在被测位置的光斑直径的控制处理装置，以及显示测得的激光参数的显示装置。采用本发明，可以实现对远场、光斑直径较大时的整光斑参数的实时测量。

Description

激光参数测量装置

技术领域

本发明涉及激光参数测量技术领域，尤其是一种激光参数测量装置。

背景技术

由于具有单色性好、高亮度，高密度、辐射方向性强、发散角小等特点，目前，激光已经在科研、工业、国防、医疗等领域获得了广泛应用。在各种应用中，都对激光的参数，例如：功率、能量、模式、光斑直径、发散角、光点漂移、功率密度随时间和空间的变化、发散角、脉冲宽度(即：脉宽)等，有严格的要求，这就需要事先对激光的参数进行测量。现有技术中，对脉冲激光参数的测量方法主要有烧蚀法、扫描法、阵列探测法、成像法等，这些方法只能测量光斑半径较小时的近场激光的光斑半径与能量分布，无法对光斑直径较大时的远场激光的参数进行测量。而在国防应用中，经常需要光斑直径较大时的远场激光的参数进行测量，现有的各种测量方法无法满足该需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：对光斑直径较大时的远场激光的参数进行测量。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种激光参数测量系统，包括被测激光源，还包括：

参考激光源，用于发射作为参考标准的连续激光；

漫反射成像光靶，设置于所述的参考激光源和所述的被测激光源的所发射的激光光路中，用于对所述被测激光及所述连续激光进行漫反射；

图像获取装置，设置于所述被测激光与所述连续激光的漫反射光路中，用于接收所述被测激光与所述连续激光的漫反射激光的视频信号；

图像采集装置，设置在所述图像获取装置的输出光路中，用于根据所述被测激光与所述连续激光的漫反射激光的视频信号获取所述被测激光与所述连续激光的漫反射激光的灰度图像；

控制处理装置，与所述图像采集装置连接，用于存储所述连续激光的漫反射激光在所述被测位置的光斑直径，根据所述被测激光与所述连续激光的漫反射激光的灰度图像的比值以及所述连续激光的漫反射激光的光斑直径，获取所述被测激光在所述被测位置的光斑直径；

显示装置，与所述控制处理装置连接，用于显示所述控制处理装置获取的所述被测激光的参数。

上述系统中，所述控制处理装置还用于存储所述连续激光的功率，根据所述被测激光与所述连续激光的漫反射激光的灰度的比值，获取所述被测激光的功率和/或能量，或者，所述控制处理装置还用于对所述被测激光的漫反射激光的灰度图像进行分析，获取所述被测激光的形心与质心。

所述控制处理装置还用于控制所述图像获取装置与所述图像采集装置的工作状态，或者用于根据所述被测激光在不同被测位置的光斑直径及被测位置到所述被测激光源之间的距离，计算所述被测激光的发散角。

上述系统还包括：第一滤光片，设置于所述图像获取装置的输入端，用于滤除所述被测激光与所述连续激光的标准波长外的杂光。

上述系统还包括：第一衰减片，设置于所述图像获取装置的输入端，用于对所述被测激光及所述连续激光的强度进行衰减。

上述系统还包括：

光电探测器，设置于所述被测激光的漫反射光路中，用于将接收到的光信号转换为电信号；

脉宽频率处理器，分别与所述光电探测器及所述控制处理装置连接，用于对所述被测激光的电信号进行采样、模/数转换、峰值保持与解码；

所述控制处理装置还根据所述峰值保持与解码的结果数据获取所述被测激光的脉宽与频率。

上述系统中，所述光电探测器为与所述被测激光的波长相应的PIN光电二极管、雪崩二极管或锑锌镉汞红外探测器。

上述系统还包括：第二滤光片，设置于所述光电探测器的输入端，用于滤除所述被测激光的标准波长外的杂光。

上述系统还包括：第二衰减片，设置于所述光电探测器的输入端，用于对所述被测激光的强度进行衰减。

上述系统中，所述图像获取装置为成像探测器。所述成像探测器的主光轴与所述漫反射成像光靶漫反射面的法线之间的夹角为0°-60°。所述成像探测器为CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合装置)摄像机、红外热像仪或与所述被测激光的波长相应的成像器件。所述参考激光与所述被测激光的波长相同，或者所述连续激光在被测位置的光斑小于所述被测激光。所述漫反射成像光靶的表面设有具有朗伯特性的聚四氟乙烯，陶瓷、铝膜或碳化硅。

基于上述技术方案，本发明具有以下有益的技术效果：

在本发明提供的激光参数测量系统中，借助于通过参考激光源，通过漫反射成像，实现了对远场、光斑直径较大时的整光斑参数的实时测量，其可测量的光斑直径可为厘米至米级；利用该系统，也可以实现对激光近场的光斑参数的实时测量；可以测量的激光参数包括光斑直径、远场发散角、脉宽、光强/能量分布、总功率/能量值等；

采用与被测激光同波长的连续激光器作为参考激光源，通过同一幅光斑灰度图像中，参考激光与被测激光总灰度值的比较，可测出被测激光的总功率/能量值；

本发明提供的系统可用于测量连续激光的功率与脉冲激光的单脉冲能量。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1所示为本发明激光参数测量系统实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供的激光参数测量系统，采用参考激光源辅助漫射成像法，实现对远场、光斑直径较大时的激光整光斑参数的实时测量。

如图1所示，为本发明激光参数测量系统实施例的结构示意图，其包括被测激光源1、参考激光源2、设置于参考激光源2发射的连续激光与被测激光源1发射的被测激光的光路中的漫反射成像光靶3、设置于被测激光与连续激光的漫反射光路中的图像获取装置4、设置在图像获取装置4的输出光路中的图像采集装置5、与图像采集装置5连接的控制处理装置6，以及与控制处理装置6连接的显示装置7。其中，被测激光源1可为任意的连续激光源或者脉冲激光源；参考激光源2用于发射作为参考标准的连续激光；漫反射成像光靶3用于对被测激光及连续激光进行漫反射；图像获取装置4用于接收被测激光与连续激光的漫反射激光的视频信号；图像采集装置5用于根据被测激光与连续激光的漫反射激光的视频信号获取被测激光与连续激光的漫反射激光的灰度图像；控制处理装置6用于存储连续激光的漫反射激光在被测位置的光斑直径，根据被测激光与连续激光的漫反射激光的灰度图像的比值以及连续激光的漫反射激光的光斑直径，计算获取被测激光在被测位置的光斑直径；另外，控制处理装置6还可用于存储连续激光的功率，根据被测激光与连续激光的漫反射激光的灰度的比值，获取被测激光的功率和/或能量，对被测激光的漫反射激光的灰度图像进行分析，获取被测激光的形心与质心，以及根据被测激光在不同被测位置的光斑直径及被测位置到被测激光源之间的距离R，计算被测激光的发散角；显示装置7用于显示控制处理装置6获取的被测激光的参数。

参考激光源2发射的连续激光与被测激光源1发射的被测激光的波长相同，连续激光在被测位置的光斑小于被测激光的，例如：二者的比值可以为1:100或者1:200；参考激光源2发射的连续激光与被测激光源1发射的被测激光的波长相同时，参考激光源2发射的连续激光在漫反射成像光靶3上的光斑应不与被测激光的重叠；并且，参考激光源2的功率稳定度较高，最佳高于95％，光束发散角小，最佳小于1mrad。

漫反射成像光靶3的表面具有朗伯特性(即：完全漫反射面在某一方向辐射或反射的发光强度，正比于这一方向与表面法线之间夹角的余弦)的反射材料聚四氟乙烯、或陶瓷、铝膜、或碳化硅，其具有一定的耐强光特性，工作面各点均匀性较好。

图像获取装置4具体可以为成像探测器，其主光轴与漫反射成像光靶2漫反射面的法线之间的夹角θ最好介于0°-60°，由于被测激光的光斑较大，图像获取装置4的最佳位置，是使得被测激光的光斑处于图像获取装置4视场的中央，而使的连续激光的光斑在其市场内不与被测激光的光斑重叠的其他位置。成像探测器7依被测激光的波长而变化，例如：当被测激光为Nd:YAG激光(波长1064nm)时，成像探测器可选用对近红外响应的CCD摄像机；当被测激光为CO₂激光(波长为10.6μm)时，成像探测器可选用对中远红外响应的热像仪，包括制冷型热像仪和非制冷型热像仪。

再参见图1，在图像获取装置4的输入端可以设置第一滤光片81，用于滤除被测激光与连续激光的标准波长外的杂光；在被测激光及连续激光的强度较高时，可以在图像获取装置4的输入端设置第一衰减片91，以衰减被测激光及连续激光的光强，保护图像获取装置4中的传感器。

另外，本发明提供的激光参数测量系统还可以包括设置于被测激光与连续激光的漫反射光路中的光电探测器10、以及分别与光电探测器10及控制处理装置6连接的脉宽频率处理器11。其中，光电探测器10用于将接收到的光信号转换为电信号；脉宽频率处理器11用于对被测激光的电信号进行采样、将模拟信号转换为数字信号、对数字信号进行峰值保持与解码后发送给控制处理装置6；相应的，控制处理装置6还可根据峰值保持与解码的结果数据，计算获取被测激光的脉宽与频率。其中，脉宽频率处理器11与控制处理装置6之间可以采用RS422/RS232接口连接。

光电探测器10依被测激光的波长而变化，例如：当被测激光为Nd：YAG激光时，光电探测器10可选用PIN硅光电二极管或雪崩二极管；当被测激光为CO2激光时，光电探测器10可选用锑镉汞(HgCdTe)或锑锌镉汞(HgCdZnTe)红外探测器。

同样，在光电探测器10的输入端可以设置第二滤光片82，用于滤除被测激光的标准波长外的杂光；在被测激光及连续激光的强度较高时，可以在光电探测器10的输入端设置第二衰减片92，以衰减被测激光及连续激光的光强，保护光电探测器。

在上述激光参数测量系统中，控制处理装置6还可用于控制参考激光源2、图像获取装置4、图像采集装置5、光电探测器10与脉宽频率处理器11中任意一个或多个的工作状态。

利用本发明提供的其中一种激光参数测量系统测量激光的参数的工作过程如下：

调节被测激光源1照射到漫反射成像光靶3上的位置，使得被测激光经漫反射成像光靶3漫发射光的光斑处于图像获取装置4视场的中央，同时，调节参考激光源2照射到漫反射成像光靶3上的位置，使得被测激光与连续激光照射到漫反射成像光靶3漫反射面(即：靶面)上的位置不重叠。启动本发明的激光参数测量系统中的各设备，也可以由控制处理装置6控制启动参考激光源2、图像获取装置4、图像采集装置5、光电探测器10与脉宽频率处理器11中的一个或多个，使其处于工作状态。被测激光源1发射的被测激光传输距离R后，照射在漫反射成像光靶3的漫反射面上，同时，参考激光源2发射的连续激光也照射在漫反射成像光靶3的漫反射面上，二者经漫反射成像光靶3漫反射后，部分被测激光与连续激光分别经过第一滤光片81与第一衰减片91滤光、衰减后，被测激光与连续激光被图像获取装置4接收。图像获取装置4将获取到的被测激光与连续激光的漫反射激光的视频信号发送给图像采集装置5。图像采集装置5根据被测激光与连续激光的漫反射激光的视频信号获取被测激光与连续激光的漫反射激光的灰度图像，其中会有两个灰度图像，一个大光斑较大且在图像中心位置处的为被测激光的漫反射光的光斑，另一个小光斑且位于图像边缘位置处的为连续激光的漫反射光的光斑。控制处理装置6可以利用激光一阶距法计算出被测激光的质心(即：重心)与形心，利用激光二阶距法计算出被测激光的光斑半径，另外还可以通过对被测激光的灰度图像的计算、分析，得出被测激光的相对光强分布；另外，利用存储的连续激光的功率，控制处理装置6计算出小光斑总灰度值后便可得到光斑图像的功率/灰度比因子，又因为在一幅图像中图像获取装置4的积分时间是已知的，因此可得出连续激光的光斑图像的能量/灰度比因子，用该因子对被测激光光斑(即：大光斑)的灰度图像进行标定，得到被测激光的实际强度分布图与总功率和/或能量值。

同时，光电探测器10接收到被测激光的漫发射光后，进行光电转换，将电信号传输给脉宽频率处理器11，脉宽频率处理器11对电信号进行采样，将模拟信号转换为数字信号，对该数字信号进行峰值保持，另外还对数字信号进行解码处理，然后将处理得到的数据输给控制处理装置6，控制处理装置6根据所得数据进行计算、分析，得到被测激光的脉宽与频率。

另外，控制处理装置6还可以根据不同距离R处被测激光的光斑直径D，由公式α＝arctan|(D₂-D₁)/(R₂-R₁)|，计算出被测激光的远场发散角α。其中，D₂、D₁分别对应于距离R₂、R₁处的光斑直径。

控制处理装置6计算出上述激光参数后，可以主动将其发送给显示装置7显示，也可以由用户主动选择查看其中的任意参数或以二维或三维方式显示被测激光与连续激光的光斑。

总的有益效果：

实现了对远场、光斑直径较大时的整光斑参数的实时测量，可以测量的激光参数包括光斑直径、远场发散角、脉宽、光强/能量分布、总功率/能量值等；可用于测量连续激光的功率与脉冲激光的单脉冲能量。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明作限制性理解。尽管参照上述较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这种修改或者等同替换并不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种激光参数测量系统，包括被测激光源，其特征在于，还包括：

参考激光源，用于发射作为参考标准的连续激光；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制处理装置还用于存储所述连续激光的功率，根据所述被测激光与所述连续激光的漫反射激光的灰度的比值，获取所述被测激光的功率和/或能量，或者，所述控制处理装置还用于对所述被测激光的漫反射激光的灰度图像进行分析，获取所述被测激光的形心与质心。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制处理装置还用于控制所述图像获取装置与所述图像采集装置的工作状态，或者用于根据所述被测激光在不同被测位置的光斑直径及被测位置到所述被测激光源之间的距离，计算所述被测激光的发散角。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，还包括：

第一滤光片，设置于所述图像获取装置的输入端，用于滤除所述被测激光与所述连续激光的标准波长外的杂光。

5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，还包括：

第一衰减片，设置于所述图像获取装置的输入端，用于对所述被测激光及所述连续激光的强度进行衰减。

6.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，还包括：

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述光电探测器为与所述被测激光的波长相应的PIN硅光电二极管、雪崩二极管或锑锌镉汞红外探测器。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：

第二滤光片，设置于所述光电探测器的输入端，用于滤除所述被测激光的标准波长外的杂光。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：

第二衰减片，设置于所述光电探测器的输入端，用于对所述被测激光的强度进行衰减。

10.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述图像获取装置为成像探测器。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述成像探测器的主光轴与所述漫反射成像光靶漫反射面的法线之间的夹角为0°-60°。

12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述成像探测器为CCD摄像机、红外热像仪或与所述被测激光的波长相应的成像器件。

13.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述参考激光与所述被测激光的波长相同，或者所述连续激光在被测位置的光斑小于所述被测激光。

14.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述漫反射成像光靶的表面设有具有朗伯特性的聚四氟乙烯，陶瓷、铝膜或碳化硅。