CN102062635A - 激光功率监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光功率监测装置，包括用于分束由激光源所发出的激光的全反射镜。全反射镜的入射表面涂覆有适当的反射膜，使得入射光束的绝大部分被反射用于正常操作，而只有少量部分被透射而引导至光功率检测元件以进行功率检测。本发明的激光功率监测装置优选还可包括中性吸收型衰减片和聚焦透镜，使得监测结果更加准确，同时简化了探测系统，降低了成本。

Description

激光功率监测装置

技术领域

本发明涉及一种激光功率监测装置，尤其是一种用于实时地监测由激光源所发出的激光的功率的装置。

背景技术

激光是指受激发射的光放大产生的辐射，具有定向性好、亮度高、能量密度大等众多优点。因此，激光在多种行业如加工制造、医学、印刷等行业均有广泛的应用。应各种领域对使用激光的设备的工作要求，需要在应用过程中根据具体情况对激光的功率进行调节，这就要求首先对激光的功率进行监测。

在现有的激光功率监测装置中，在光路结构中采用了光分束镜片，利用它来将激光源所产生的激光分成两路，一路提供给激光设备用于正常工作，而另一路用于进行功率监测。为了不影响激光设备的工作效率，通常希望用于进行功率监测的激光的量尽可能的低。然而，由于成本和技术上的限制，光分束镜的分束比通常很难达到一个令人满意的、例如为99∶1的比例。这就导致了一方面激光光束的使用能量过低，降低了激光设备的使用效率，另一方面用于检测的光束能量过大，使得功率监测系统不得不更加复杂，这便提高了功率监测系统的生产成本。

另外，在现有的激光功率监测装置中，对激光的输出模式有所限制，但由于输出光斑模式会随时间变化而导致功率监测值不准确。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明旨在提供一种激光功率监测装置，其能够仅提供很小比例的入射激光量用于功率监测，检测的准确率高。本发明的另一目的是提供一种激光功率监测装置，其具有良好的重复性，能够简化光电探测方式。此外，还希望提供一种激光功率监测装置，其能够解决激光探测中模式不稳定给探测带来的问题，同时整体结构简单。

根据本发明提供了一种激光功率监测装置，包括用于接收由激光源所发出的激光的全反射镜，所述全反射镜的入射表面涂覆有反射膜，使得入射光束的一部分被反射用于正常工作，而另一部分被透射而引导至光功率检测元件以进行功率监测。

根据本发明，反射膜选择成使得入射光束中的至少99％被反射。优选的，反射膜选择成使得入射光束中的至少99.5％被反射。在一个实施例中，该反射膜为激光波长单点高反射膜。反射膜的材料可以是介质、金属化合物或者其他达到高反射率要求的材料。全反射镜的基底表面经过抛光处理，材料可以为K9玻璃或冕牌玻璃。

这样，由于全反射镜的高反射率，工作激光光束即反射激光光束的能量与入射光束的能量基本相同，使得激光设备的工作效率能够保持在很高的水平；另外，透过反射镜的少量光束即透射光束被引导用于进行实时监测。由此，全反射镜能够达到高比例分光目的。与采用同种性能的光分束镜相比，本发明的激光功率监测装置的成本得到了极大的降低，同时结构也得以简化。

此外，本发明的激光功率监测装置安装在激光源和激光设备之间，因此就可以在激光设备正常工作的期间对激光功率进行实时的监测，不会对激光设备的正常工作带来丝毫影响。

根据本发明的一个实施例，激光功率实时监测装置还包括设置在全反射镜和光功率检测元件之间的中性吸收型衰减片。一方面，特别是对于大功率的激光功率监测来说，即便只有1％、甚至是0.5％的光束被透射，采样光束即透射光束的能量仍然相当大，增加中性吸收型衰减片来定量地衰减采样激光束功率，便于功率监测，并且能够延长后续元件的使用寿命。另一方面，该中性吸收型衰减片以吸收的方式对光进行衰减，能够减少杂散光，相比于采用反射的方式来对光进行衰减，本发明能够使得功率监测更加准确，同时光路结构得到进一步的优化。根据本发明，可以使用高倍率的单个中性吸收型衰减片，或者是多个低倍率的中性吸收型衰减片的组合。

根据本发明的另一个实施例，激光功率监测装置还包括设置在中性吸收型衰减片和光功率检测元件之间的聚焦透镜，用于将采样光束聚集成小直径光斑。由此可以消除激光模式变化对激光功率监测带来的不稳定影响。聚焦透镜可用固定件如压环固定住。通过在光功率检测元件之前使用聚焦透镜，使得不稳定的激光模式影响探测的问题得以解决，并且所有模式的激光都被聚焦到光电探测面，达到完全探测的效果。这种由全反射镜、中性吸收型衰减片和聚焦透镜三者的顺序组合所形成的组件尤其能够实现最优的监测效果。

在一个实施例中，光功率检测元件可以是光电探测元件。它的一个具体例子是硅光电池或硅二极管，还可以是其他各种进行光电探测的器件。本发明采用硅光电池就可以完成探测数据的物理样本的采集，简化光电探测方式。在一个实施例中，光电探测尺寸面积小于1平方厘米。光电探测元件将检测信号经电线传输给光电流信号处理电路，从而对激光功率进行标定。

在一个具体实施例中，根据本发明的激光功率监测装置构造成包括第一筒体和第二筒体的镜筒式结构。该镜筒式结构采用表面氧化处理的材料加工而成，以避免光在镜筒中形成杂散光，减少对光电探测器信号的干扰，稳定输出信号，从而获得稳定的监测性能。

在一个例子中，第一筒体构造成包括沿其纵向轴线延伸用于引导入射光束和透射光束的第一内腔，以及与所述第一内腔以形成角度α的方式连通且用于引导反射光束的第二内腔。第二筒体构造成能够插入到第一内腔中。第二筒体的用于插入到第一内腔中的端面与第一内腔成角度α/2，并且全反射镜安装在这个端面中。通过这种插入式的构造，使得根据本发明的激光功率监测装置的结构十分紧凑，装配也比较简单。

根据本发明的激光功率实时监测装置，采用全反射镜代替光分束镜，优选地还可增加中性吸收型衰减片和聚焦透镜，使得工作激光光束能量与入射激光光束的能量相比基本保持不变，同时简化了探测系统，并且简化了生产和调试过程，降低了成本，能够获得良好的线性度。同时，该功率监测方式与激光源的输出光斑模式无关，因此在对输出激光光斑没有模式要求的情况下仍然能准确地进行功率监测。此外，根据本发明的激光功率监测装置能够方便地安装在需要对激光功率进行实时监测的各种仪器和设备上，可以在激光设备正常工作的期间对激光功率进行准确的实时监测。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，但并不构成对本发明实施方式的任何限制。在附图中相同的构件用相同的附图标记示出，其中：

图1是根据本发明的激光功率检测器的光路原理图；

图2显示了根据本发明的激光功率检测器的整体结构；和

图3显示了使用根据本发明的激光功率检测器所进行的两次激光功率标定的结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1显示了根据本发明的激光功率检测器的光路图。如图所示，激光束2从激光出射面1中发出，首先到达全反射镜3。全反射镜3在其入射面上涂覆有一层反射膜9，其选择成能使激光束2中的主要部分被反射而只有一小部分被透射。其中，反射光束4输出给激光设备用于正常工作，而透射光束5用于提供给光电探测元件8以进行功率监测。

在一个实施例中，反射膜9为激光波长单点高反射膜，其材料可以采用介质、金属化合物或者其它能够达到高反射率要求的薄膜结构。有利地，反射膜9应当能使全反射镜3的反射率达到99％以上，优选99.5％以上，以便保证反射光束4的能量与入射光束2的能量基本上相同。在一个具体实施例中，反射膜9例如可以是由大恒新纪元科技股份有限公司光电研究所制造的GCC-101042型高反镜中所使用的反射膜(反射率R＞99.5％@532nm，45°入射角，介质薄膜)。全反射镜3的基底表面可以是经过抛光处理的K9玻璃或冕牌玻璃。

根据本发明，采用涂覆反射膜来实现全反射镜3的高比例分光，因此就不需要使用成本昂贵的光分束镜。同时，这种涂覆反射膜实现起来非常容易，维护也很简单。此外，利用全反射镜3的设计使得光路结构非常简单。

如图所示，全反射镜3设置成与入射光束成一定角度。该角度可根据具体应用的需要选择。在图示实施例中，全反射镜3设置成与入射光束成45度。这样，反射光束4将垂直于入射光束2而射出。

透射光束5之后到达中性吸收型衰减片6。该中性吸收型衰减片6设置用来以吸收的方式对光进行衰减，相比于用反射式衰减片对光进行衰减的现有技术，可以很大程度上减少杂散光，使得本发明能够更加准确监测激光功率。另外，中性吸收型衰减片6的设置对于大功率激光来说更为有利，因为即便只有1％、甚至是0.5％的光束被透射，其能量也非常大。在图1所示的实施例中，衰减片的数量为1个，衰减倍率为1000。当然，也可以采用多个衰减片的组合，以实现所需的衰减倍率。这都可以由本领域的技术人员根据具体情况的需要而进行适当选择。

透射光束5在离开中性吸收型衰减片6后到达聚焦透镜7。聚焦透镜7将透射光束聚焦成一个小直径的光斑后输出到光电探测元件8，以便进一步地提高探测精度。在一个实施例中，该光电探测元件是硅光电池。光电探测元件8对光束能量进行检测，输出光电流信号。该光电流信号经电线传输给光电流处理电路，从而对激光功率进行标定。激光功率的值在显示器(未示出)上显示出来。

下表1和2显示了使用根据本发明的激光功率监测装置所进行的两次激光功率标定的数据结果。该结果也显示在图3中。

表1第一次激光功率标定的测量数据

表2第二次激光功率标定的测量数据

上述表1、表2以及图3表明，根据本发明的激光功率检测装置在监测方面具有良好的线性度和测量重复性，证明其能解决激光功率测量中不稳定、准确性差的问题。这便为实时监测激光功率提供了有效的实验基础。与已有的公开技术相比，本发明具有很好的新颖性，带来了显著的技术效果。

下面结合图2来介绍根据本发明的激光功率检测装置50的一个具体实施例的结构。该激光功率检测装置50构造成大致圆柱体形，即所谓的镜筒式结构。在该具体实施例中，激光功率检测装置50包括两个部分，即第一筒体10和第二筒体20。

第一筒体10构造成空心的柱体，其中限定了两个垂直相交的内腔11，12。如图所示，第一内腔11平行于第一筒体10的纵向轴线延伸。激光源40可接合到第一内腔11的第一端14内，使得激光源40所发出的激光在第一内腔11平行于其轴线传输。第二内腔12设置成垂直于第一内腔11，由全反射镜3所反射的反射光束4(见图1)将在第二内腔12内沿其轴线传输。

第二筒体20也构造成空心的柱体，其第一端21设置成斜面。在如图2所示的实施例中，第一端21的表面设置成与第二筒体12的纵向轴线成45度角。第二筒体20的第一端21的外径选择成与第一筒体10的第二端15的内径、即第一内腔11的直径相适配，从而使得在装配时第二筒体12的第一端21能够紧密地接合到第一筒体10的第一内腔11内。第二筒体20还包括设于外周上的凸缘23，用于在安装时接合在第一筒体10的第二端15处。在此接合处可设置螺钉等紧固件以将第一筒体10和第二筒体20连接在一起。当然，其它连接方式也属于本发明的范围内。例如，为简化设计起见可以省掉第二筒体20上的凸缘23。此时，可以在第一筒体10和第二筒体20的外周上分别设置通孔和螺纹孔，用螺钉将第一筒体10和第二筒体20连接在一起。

在第二筒体12的第一端21的端面上安装了如图1所示的全反射镜3，用于将绝大部分入射激光束2反射到第一筒体10的第二内腔12中。由于全反射镜3上的反射膜9的设置，少量的激光将透过全反射镜3而进入到第二筒体12的内腔25中。这部分激光即为如图1所示的透射光束5。在一个示例中，全反射镜3可通过压盖26而紧固在第一端21的端面上。

需要说明的是，第二筒体12的内腔25的纵向轴线应当设置成与第一筒体10的第一内腔11的纵向轴线之间存在一偏移量P。这是因为入射光束2和经过全反射镜3之后所形成的透射光束5之间会有一偏移，因此，上述偏移量P应选择为等于入射光束2和透射光束5之间的偏移。

第二筒体12的内腔25通过台阶32分成两个不同直径的部分。具体地，内腔25的靠近全反射镜3的第一部分的直径小于其远离全反射镜3的第二部分的直径。中性吸收型衰减片6通过衰减片压环28而被固定在台阶32上。如图所示，衰减片压环28设有外螺纹，用于与内腔25的第二部分的内螺纹配合。

类似的，衰减片压环28的内腔同样通过台阶34分成两个不同直径的部分，聚焦透镜7其通过聚焦透镜压环30而被固定在台阶34上。同样，聚焦透镜压环30设有外螺纹，用于与衰减片压环28的内腔中的内螺纹配合。

在第二筒体20的第二端22处安装了光电探测元件压盖18。压盖18的一端为空心的，并且外周和内周都设有螺纹。其中，压盖18的外螺纹与内腔25的第二部分的内螺纹配合，使得压盖18能够安装到第二筒体20内。

以类似的方式，在压盖18内安装了光电探测元件安装座16、光电探测元件8和遮挡环24。其中，遮挡环24设有外螺纹，其与压盖18的内螺纹相配合，从而将光电探测元件8和安装座16固定在压盖18内。

由上可知，衰减片压环28和压盖18均同时设有内、外螺纹。这样，一方面它们可以通过外螺纹与第二筒体20的内螺纹相配合而安装在第二筒体20内，另一方面也可以通过内螺纹与遮挡环24和聚焦透镜压环30的外螺纹相配合而在它们的内部安装相应的元件。这种螺纹配合结构使得能够容易地调节中性吸收型衰减片6、聚焦透镜7和光电探测元件8等元件之间的距离。

如上所述，根据本发明的激光功率监测装置50能够实现一种非常紧凑的结构，有利于结构的小型化。另外，根据本发明的激光功率监测装置50的装配也很简单，降低了装配成本。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种激光功率监测装置，包括用于接收由激光源所发出的激光的全反射镜，所述全反射镜的入射表面涂覆有反射膜，使得入射光束的一部分被反射用于正常操作，而另一部分被透射以引导至光功率检测元件处进行功率监测。

2.如权利要求1所述的监测装置，其特征在于，在所述全反射镜和所述光功率检测元件之间设有中性吸收型衰减片。

3.如权利要求2所述的监测装置，其特征在于，在所述中性吸收型衰减片和所述光功率检测元件之间设有聚焦透镜。

4.如权利要求1到3中任一项所述的监测装置，其特征在于，所述反射膜选择成使得入射光束中的至少99％被反射。

5.如权利要求4所述的监测装置，其特征在于，所述反射膜为激光波长单点高反射膜。

6.如权利要求1到5中任一项所述的监测装置，其特征在于，所述监测装置构造成包括第一筒体和第二筒体的镜筒式结构，其中所述第二筒体构造成能够插入到所述第一筒体中。

7.如权利要求6所述的监测装置，其特征在于，所述第一筒体构造成包括沿其纵向轴线延伸用于引导入射光束的第一内腔，以及与所述第一内腔的中心轴线以形成角度α的方式连通且用于引导反射光束的第二内腔。

8.如权利要求7所述的监测装置，其特征在于，所述第二筒体的用于插入到所述第一内腔中的端面与所述第一内腔的中心轴线形成角度α/2，并且所述全反射镜安装在所述端面中。

9.如权利要求6所述的监测装置，其特征在于，所述中性吸收型衰减片、聚焦透镜和光功率检测元件安装在所述第二筒体的内腔中。

10.如权利要求7所述的监测装置，其特征在于，所述第二筒体的内腔的中心轴线与所述第一筒体的第一内腔的中心轴线平行但不重合。

Images