CN101571426B - 对全固态激光器热分布进行实时在线检测的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及全固态激光器的热分布在线检测系统，包括：安装于DPSSL各被测部位的n路温度传感器，温度采集模块、稳压电源模块和中央控制单元；其中，温度传感器所采集到的信号，经温度采集模块放大，由其实现n个温度信号的时间同步后，转换为中央控制单元可识别的数据；所输出的数字量数据被中央控制单元接收存储，由其实现n组温度数据与时间的关系分析后，中央控制单元将数据储存、处理后将结果进行显示，用户可根据数据分析结果通过所述的中央控制单元调节冷却参数，由此实现被测对象热分布的在线实时检测。具有测试精度高、反馈时间短、操作界面友好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光器热分布检测系统，特别是涉及一种应用于全固态激光器的对热分布进行实时在线检测的系统。
背景技术
近年来，基于激光二极管泵浦技术的全固态激光器(Diode Pumped SolidState Laser，以下简称DPSSL)发展迅猛，因其结构紧凑、废热少、重量轻、寿命长、稳定性好等特点在工业加工、航空航天、国防工业及医疗等领域逐步取代传统的灯泵浦固体激光器。随着其在各个领域应用的深入，如何提高全固态激光器的稳定性、如何完善产品设计水平、装校和调试技术，成为DPSSL产品研制和生产厂商共同关注的问题。
在影响激光器输出稳定性的因素中，热效应带来的有害影响最为显著。尤其随着激光器功率的不断提高以及体积的缩小，热管理系统的设计显得尤为重要。该系统的设计目标为维持激光器各光学组件的温度在安全许可范围内，以保证激光器安全运行。在全固态激光器中，热管理系统主要涉及三大方面：泵浦源激光二极管(Laser Diode，以下简称LD)、激光介质/倍频晶体、其它光学元件，它们对温度波动范围的要求以及散热功耗不尽相同。其中，前两者是设计热管理系统时需要重点考虑的对象。
LD作为DPSSL系统中最主要的热源，由于其发射波长会随温度漂移(温漂系数为0.3nm/℃)，从而会影响到泵浦效率的高低，因此LD的温控技术一直是相关领域研究的热点。同时，泵浦光被激光介质/倍频晶体吸收时，只有一部分能量转化为输出激光的光能，其余大部分能量成为废热沉积在激光介质/倍频晶体中。为了维持激光器的正常运转，必须采取必要的冷却手段。由此带来的热致效应会导致激光光束质量和输出功率下降，严重时造成激光介质/倍频晶体破坏。此外，在高平均功率DPSSL中，各种光学元件受热扰动而对输出光束产生的不良影响也是造成整个激光系统失稳的一个原因。
在现有技术中，LD的温控技术比较成熟，例如在CN101174155中，公开了一种半导体激光器的温度控制系统，能够实现半导体激光器温度的自动控制。而涉及到激光介质的温度分析一般则以经验设计为主导，模拟计算为辅(参见中国激光34卷第2期pp.176-180，光子学报33卷第4期pp.400-404等)，通常只能给出趋势判断，无法定量和实际情况一致。总之，这些方法只是实现了单一研究对象的热管理或热分析，并不能将DPSSL各光学组件的热分布情况对激光输出的影响有机的联系在一起。而在实际应用中，用户需要一种能够同时实现DPSSL系统中不同部位热分布状态检测或控制的手段，并实时掌握各个被测对象温度的动态变化，从而在冷却系统可靠性和激光器输出稳定性之间建立系统级的联系。
发明内容
本发明目的是克服上述现有技术中存在的缺陷，为了同时满足科研用大型复杂激光器的装校和工业激光器在线调试的需求，从而提供一种适用于全固态激光器的对热分布进行实时在线检测的系统，该检测系统可以在线实时检测激光器各被测对象的温度，并能够提供多个被测对象的温度-时间特性曲线，用户根据数据分析结果判断各被测对象热平衡的一致性，进而调整相应的冷却参数，由此在全固态激光器多个光学元件热效应之间建立关联，便于用户直观掌握全固态激光器系统的热特性。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
本发明提供的对全固态激光器的热分布实时在线检测系统，包括：
安装于DPSSL中各被测部位的n路温度传感器，用于采集被测部位的温度信号，其中n为整数，4≤n≤16；所述被测对象包括激光介质、泵浦源LD、热沉及激光器壳体；
温度采集模块：所述的温度采集模块由数据采集模块和接口转换模块组成，通过标准RS485连接线实现二者之间的通讯；该数据采集模块具有和n路温度传感器匹配的n个数据传输通道；接口转换模块利用内置的微处理器控制A/D转换器，将温度传感器采集到的模拟信号转换为RS485数字信号，并实现信号同步后，通过接口转换模块转换为中央控制单元可识别的RS232信号，并实现多路信号的时间同步及与上位机的中央控制单元进行通讯；
稳压电源模块：向温度采集模块提供所需直流电压；
中央控制单元：用于接收、储存温度采集模块的温度输出值，并对数据进行处理和分析，将数据分析结果以图形或数据列表形式提供给用户；
其中，所述的温度传感器所采集到的信号，经温度采集模块放大，由其 实现n个温度信号的时间同步后，转换为中央控制单元可识别的数据；所输出的数字量数据被中央控制单元接收存储，由其实现n组温度数据与时间的关系分析后通过输出界面提供给用户；用户根据测试结果，能够实时掌握DPSSL各被测部位的温度变化。
在上述的技术方案中，还包括一用于维持泵浦源LD温度或疏散全固态激光器系统中热量的冷却系统；所述的冷却系统与中央控制单元电连接，中央控制单元还能够实现对冷却系统参数的调节。
在上述的技术方案中，所述的冷却系统可以为液体冷却系统，也可以为气体冷却系统或传导散热装置。
在上述的技术方案中，所述的数据采集模块为商用数据采集模块ADAM4013。
在上述的技术方案中，所述的接口转换模块为商用ADAM4521转换模块。
在上述的技术方案中，所述的温度传感器为接触式温度传感器，可以是热电偶传感器、数字温度传感器、模拟集成温度传感器，或者是其它任何一种可以实现温度动态测试的温度传感器。
在上述的技术方案中，被测对象还包括非线性晶体、用于冷却激光介质的冷却介质、用于冷却泵浦源LD的冷却介质，以及全固态激光器系统中其它任何会产生热效应的光学元件及散热器件。
在上述的技术方案中，所述的中央控制单元包括：数据显示模块、数据分析模块和参数控制模块；其中，
所述的数据显示模块，提供数据输出和图形显示功能；能够将中央控制单元获取的温度数据以列表形式输出到显示设备，并可将数据保存为后缀为txt或excel格式的文件；
所述的数据分析模块，能够按用户设定的采样周期和采样频率做出温度-时间曲线，并将n个被测对象的温度-时间曲线绘制在同一显示区域内；曲线结果保存为BMP格式；
所述的参数控制模块，提供用户设置冷却系统的各项冷却参数和所述的采样指令；所述的冷却参数为冷却液体的温度、流量、压力，或是冷却气体的流量和压力。
与已有技术相比，本发明具有如下的优点：
1.本发明提供的对全固态激光器热分布进行实时在线检测的系统，使用户能够全面掌握全固态激光器系统中各光学组件及散热器件的温度变化情况，改变了现有技术只能单独检测少数被测点的现状。
2.本发明的系统能够将多个被测对象的动态热特性关联在一起，将温度-时间的处理结果直观的提供给用户，使其能够实时掌握各被测对象热平衡情况；根据该处理结果对冷却参数进行调节控制，从而使各被测对象的热平衡点趋于一致，从而提高了系统输出的稳定性。
3.本发明的系统测试精度高、反馈时间短和操作界面友好，结合现代化测试技术和控制技术，整个系统的可靠性和稳定性较好。
4.本发明的系统中用于检测温度的温度传感器可选种类较多，便于用户根据自身的测试需要选择。
5.本发明的系统应用范围广，除了用于科研单位全固态激光器的研制之外，还可推广到激光器制造企业全固态激光器产品的生产线中，在提高在线装校和调试速度的同时，还可以提高产品质量及生产效率。
6.将本发明的系统纳入全固态激光器的调试系统中，提高了全固态激光器的设计水平。
附图说明
图1是本发明对全固态激光器热分布进行实时在线检测的系统结构示意图。
图2是本发明的一种具有6个温度传感器的对全固态激光器进行热分布在线实时检测的系统结构示意图。
图3是本发明的一种具有4个DS18B20数字温度传感器的对全固态激光器进行热分布在线实时检测的系统结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例将对本发明进一步详细说明。
实施例1
参考图2，制作一个本发明的对一台三级激光放大器进行热分布在线检测的系统，在线检测系统具有6个模拟温度传感器，分别对三级激光放大器的激光放大介质1-1、泵浦源2-1、激光放大介质1-2、泵浦源2-2、激光放大介质1-3、泵浦源2-3进行热分布在线检测。温度传感器采用6个PT100铂电阻，它是一种性能稳定的中低温模拟传感器，测量精度为0.1℃。
温度采集模块由商用数据采集模块ADAM4013和接口转换模块ADAM4521组成，由市售的标准RS485连接线实现二者之间的通讯；ADAM4013具有和6个铂电阻PT100匹配的6个数据传输通道，接口转换模块ADAM4521利用内置的微处理器控制A/D转换器，将PT100铂电阻采集到的模拟信号转换为RS485数字信号，并实现信号同步后，通过接口转换模块ADAM4521转换为中央控制单元可识别的RS232信号并传送至中央控制单元储存。
稳压电源模块向温度采集模块提供所需的+15V直流电压。
在本实施例采用的冷却系统，例如常规的水冷装置，置于激光器系统之外，与被冷却对象之间通过管路连接；还可以是气体冷却系统或传导散热装置，这些方式都是本领域技术人员可以实施的。本实施例的水冷装置的冷却水通过管路传输至被冷却对象，由其将各激光放大介质及泵浦源中产生的热量带走。与中央控制单元之间通过标准RS485连接线进行通讯，冷却水的温度、水压等冷却参数能够通过中央控制单元的参数控制模块设置。
中央控制单元具有用于接收、储存温度采集模块的温度输出值，并对数据进行处理和分析的功能；该中央控制单元由数据显示模块、数据分析模块和参数控制模块组成；其中，
所述的数据显示模块是具有提供数据输出和图形显示功能的常规模块；能够将中央控制单元获取的温度数据以列表形式输出到显示设备，并可将数据保存为后缀为txt或excel格式的文件；
所述的数据分析模块，是能够按用户设定的采样周期和采样频率做出温度-时间曲线，并将6个被测对象的温度-时间曲线绘制在同一显示区域内；曲线结果保存为BMP格式的常规模块；
所述的参数控制模块，是提供用户设置冷却系统的各项冷却参数和所述的采样指令的常规模块；所述的冷却参数为冷却水的温度、水压。
用户通过中央控制单元的数据显示模块得到所采集的温度数据，将采集到的各组数据绘制出温度-时间曲线，根据曲线的变化趋势判断某个被测元件的热平衡特性是否与其它被测元件的热平衡特性不一致。然后可通过中央控制单元的参数设置模块改变该被测元件的冷却参数，并由中央控制单元将指令下发至冷却系统。
按照图1，只将实施例1中冷却系统拆除，做成没有冷却系统的、简单的对全固态激光器热分布进行实时在线检测的系统的另一种实施例，这也是本技术领域人员可以实现的。
实施例2
参考图3，制作一个本发明的具有四个数字温度传感器的全固态激光器热分布在线检测系统。被检测的全固态激光器有四个被测点，分别是：LD、激光晶体、热沉及激光器壳体。温度传感器采用DALLAS公司的“一线总线式”数字温度传感器DS18B20，由总线向其供电，它集温度测量、A/D转换于一体，测温范围-55℃～+125℃，抗干扰性较好。由于无需A/D转换模块，所以温度信号采集模块可选择市售的以太网数字温度采集模块，与上位机之间使用标准以太网通讯方式，不用另配通讯转换模块。
稳压电源模块向数字温度采集模块提供所需的+24V直流电压。
冷却系统采用水冷方式，激光晶体产生的热量以热传导方式疏散至热沉，再由冷却水将热沉中传导出的热量带走。冷却系统与中央控制单元之间通过标准RS485连接线进行通讯，冷却水的温度、水压能够通过中央控制单元的参数控制模块设置。
由DS18B20实现温度检测和A/D转换，以太网数字温度采集模块能够自动识别传感器的数量并对齐排序，将所采集到的温度数据传输至上位机的中央控制单元，由其实现温度数据的储存和分析。中央控制单元的数据显示模块将数据分析结果输出给用户。同时，用户可根据分析结果通过中央控制单元的参数设置模块改变冷却水的温度、水压，由中央控制单元实现指令下发。
本发明的对全固态激光器热分布进行实时在线检测的系统的其它部分与实施例1相同，这是本领域技术人员可以实现的。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种对全固态激光器的热分布进行实时在线检测的系统，包括：
安装于全固态激光器中各被测对象的被测部位的n路温度传感器，用于采集被测部位的温度信号，其中n为整数，4≤n≤16；所述被测对象包括激光介质、泵浦源LD、热沉及激光器壳体；
温度采集模块：所述的温度采集模块由数据采集模块和接口转换模块组成，通过标准RS485连接线实现二者之间的通讯；该数据采集模块具有和n路温度传感器匹配的n个数据传输通道；接口转换模块利用内置的微处理器控制A/D转换器，将温度传感器采集到的模拟信号转换为RS485数字信号，并实现信号同步后，通过接口转换模块转换为中央控制单元可识别的RS232信号，并实现多路信号的时间同步及与上位机的中央控制单元进行通讯；
稳压电源模块：向温度采集模块提供所需的直流电压；
中央控制单元：用于接收、储存温度采集模块的温度输出值，并对数据进行处理和分析；
其中，所述的温度传感器所采集到的信号，经温度采集模块放大，由其实现n个温度信号的时间同步后，转换为中央控制单元可识别的数据；所输出的数字量数据被中央控制单元接收存储，由其实现n组温度数据与时间的关系分析后，中央控制单元将数据储存、处理后将结果进行显示，用户可根据数据分析结果通过所述的中央控制单元调节冷却参数，由此实现被测对象热分布的在线实时检测；
所述的对全固态激光器热分布进行实时在线检测的系统还包括一用于维持泵浦源LD温度或疏散全固态激光器系统中热量的冷却系统，所述的冷却系统与中央控制单元电连接；
所述的该冷却系统为液体冷却系统或气体冷却系统；
所述的冷却参数为冷却液体的温度、流量和压力，或是冷却气体的流量和压力。
2.如权利要求1所述的对全固态激光器热分布进行实时在线检测的系统，其特征在于，所述的温度传感器为接触式温度传感器，或者是其它任何一种能实现温度动态测试的温度传感器；所述的接触式温度传感器包括热电偶传感器、数字温度传感器或模拟集成温度传感器。
3.如权利要求1所述的对全固态激光器热分布进行实时在线检测的系统，其特征在于，所述的数据采集模块为商用数据采集模块ADAM4013。
4.如权利要求1所述的对全固态激光器热分布进行实时在线检测的系统，其特征在于，所述的接口转换模块为商用ADAM4521转换模块。
5.如权利要求1所述的对全固态激光器热分布进行实时在线检测的系统，其特征在于，所述的被测对象还包括非线性晶体、用于冷却激光介质的冷却介质、用于冷却泵浦源LD的冷却介质，以及系统中其它任何会产生热效应的光学元件及散热器件。
6.如权利要求1所述的对全固态激光器热分布进行实时在线检测的系统，其特征在于，所述的中央控制单元包括：数据显示模块、数据分析模块和参数控制模块；其中，
所述的数据显示模块，提供数据输出和图形显示功能；能够将中央控制单元获取的温度数据以列表形式输出到显示设备，并可将数据保存为后缀为txt或excel格式的文件；
所述的数据分析模块，能够按用户设定的采样周期和采样频率做出温度-时间曲线，并将n个被测对象的温度-时间曲线绘制在同一显示区域内；曲线结果保存为BMP格式；
所述的参数控制模块，提供用户设置冷却系统的各项冷却参数和所述的采样指令。
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| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Real-time on-line detection system for thermal distribution of all solid state laser Effective date of registration: 20130318 Granted publication date: 20120516 Pledgee: Industrial Commercial Bank of China Ltd Zhongguancun Beijing branch Pledgor: Beijing GK Laser Technology Co., Ltd. Registration number: 2013990000150 |
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| PLDC | Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20151210 Granted publication date: 20120516 Pledgee: Industrial Commercial Bank of China Ltd Zhongguancun Beijing branch Pledgor: Beijing GK Laser Technology Co., Ltd. Registration number: 2013990000150 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Real-time on-line detection system for thermal distribution of all solid state laser Effective date of registration: 20151214 Granted publication date: 20120516 Pledgee: Industrial Commercial Bank of China Ltd Zhongguancun Beijing branch Pledgor: Beijing GK Laser Technology Co., Ltd. Registration number: 2015990001109 |
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| PLDC | Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20180323 Granted publication date: 20120516 Pledgee: Industrial Commercial Bank of China Ltd Zhongguancun Beijing branch Pledgor: Beijing GK Laser Technology Co., Ltd. Registration number: 2015990001109 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120516 Termination date: 20200227 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |