CN102353462A - 二氧化碳激光波长测量装置 - Google Patents

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吴鸯
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本发明公开了一种二氧化碳激光波长测量装置，包括光学系统、电子系统和扫描系统，二氧化碳激光光束通过入射狭缝，经第一准直球面反射镜、聚焦球面反射镜反射成平行光束投向由步进电机通过正弦机构控制转动的平面衍射光栅上，得到波长与平面衍射光栅转动角度成正弦关系的衍射光束，该衍射光束经物镜、第二准直球面反射镜和出射狭缝到达碲鎘汞探测器，通过出射狭缝的出射光信号经碲鎘汞探测器变换为电信号，经放大、A/D变换，由计算机处理测得二氧化碳激光波长。本发明的有益效果是，克服了现有二氧化碳激光波长测量装置的缺点，具有功能强大，性价比高、测量精度高、测量速度快、操作简单等特点，而且体积小巧，方便集成到系统中进行在线监测。

Description

二氧化碳激光波长测量装置
技术领域
    本发明涉及一种激光波长测量装置，特别涉及一种二氧化碳激光波长测量 
装置。                                                         
背景技术
随着二氧化碳激光在工业加工、通信、测量、以及医疗科研等众多领域越来越广泛的应用，方便快捷地测量二氧化碳激光器波长也正成为一种迫切的需求。二氧化碳激光器的主要工作物质由CO2、N2和He三种气体组成。其中C02是产生激光辐射的气体，N2和He为辅助性气体。激光跃迁发生在C02分子电子基态的两个振动一转动能级之间。当二氧化碳激光器工作时，由于N2分子受电子碰撞的几率很大，因此被有效地激发到第一激发态，其能量与C02分子上能级的能量十分靠近，能量很快从N2分子第一激发态共振转移到CO2激光上能级上，使其粒子数增加。当CO2分子上能级与下能级形成粒子数反转时，通过受激辐射产生跃迁。但除振动外，C02分子还有转动，故每个振动能级可以分成一系列转动能级，使得二氧化碳激光器的输出波长在9-11 μm的范围都有可能出现。目前测量二氧化碳激光波长参数的装置大致分为几类，一类是波长计，功能简单，操作方便，精度也比较高，但是一般只能读出波长数据，当激光器是多波长或者光谱较宽时，测量有可能不准确。一类是扫描F-P腔，主要是研究激光器的光谱形状，一般不给出波长的绝对数值。 
发明内容
本发明的目的是为了克服现有二氧化碳激光波长测量装置的缺点，提供一种具有功能强大，性价比高、测量精度高、测量速度快、操作简单等特点的二氧化碳激光波长测量装置。 
本发明的技术方案是，一种二氧化碳激光波长测量装置，特点是，该装置主要包括光学系统、电子系统和扫描系统，所述的光学系统包括聚焦球面反射镜、物镜、入射狭缝、第一准直球面反射镜、平面衍射光栅、第二准直球面反射镜、出射狭缝和碲鎘汞探测器；所述的电子系统主要包括前置放大器、计算机、A/D变换器和D/A变换器；所述扫描系统由步进电机和正弦机构组成，正弦机构通过丝杠与平面衍射光栅相连接；由二氧化碳激光光源发出的光束进入入射狭缝，入射狭缝位于聚焦球面反射镜的焦面上，通过入射狭缝射入的光束经第一准直球面反射镜、聚焦球面反射镜反射成平行光束投向由步进电机通过正弦机构控制转动的平面衍射光栅上，得到波长与平面衍射光栅转动角度成正弦关系的衍射光束，该衍射光束经物镜、第二准直球面反射镜和出射狭缝到达碲鎘汞探测器，通过出射狭缝的出射光信号经碲鎘汞探测器变换为电信号，电信号经前置放大器放大经A/D变换器将模拟量转换数字量，由计算机处理测得二氧化碳激光波长。 
所述的碲鎘汞探测器的光谱响应在8～14 μm，其峰值波长为10.6 μm，与CO2激光器的激光波长相匹配。 
所述的入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0-2mm连续可调。 
二氧化碳激光波长测量原理： 
由二氧化碳激光光源发出的光束进入位于聚焦球面反射镜的焦面上的入射狭缝，通过入射狭缝射入的光束经第一准直球面反射镜、聚焦球面反射镜反射成平行光束投向由步进电机通过正弦机构控制转动的平面衍射光栅上，得到波长与平面衍射光栅转动角度成正弦关系的衍射光束，根据光学原理，通过光栅方程可以给出出射波长和光栅角度之间的关系，如图1所示， 
光栅方程为
Figure 2011101906255100002DEST_PATH_IMAGE002
，     
其中，为光栅的旋转角度，
Figure 2011101906255100002DEST_PATH_IMAGE006
为入射角和衍射角之和的一半，对给定的光谱仪来说
Figure 674618DEST_PATH_IMAGE006
为一常数，d为光栅常数，
Figure 2011101906255100002DEST_PATH_IMAGE007
为入射光波长，m为衍射级次，取0、
Figure 2011101906255100002DEST_PATH_IMAGE008
1、
Figure 467125DEST_PATH_IMAGE008
2等整数。
本发明的扫描系统是根据上述光栅方程，波长和光栅的转角成正弦关系，利用步进电机控制正弦机构中丝杠的转动，进而使平面衍射光栅转动实现的。步进电机在输入一组电脉冲后，就可以转动一个角度，相应地丝杠上螺母就移动一个固定的距离。每输入一组脉冲，光栅的转动便使出射狭缝出射的光波长改变0.1nm。当光栅旋转时，就将不同波长的光信号依次聚焦到出射狭缝上，碲鎘汞（CdHgTe）探测器记录不同光栅旋转角度（不同的角度代表不同的波长）时的输出光信号强度，即记录了光谱，通过输出狭缝选择相应的波长进行记录。 
本发明的有益效果是，克服了现有二氧化碳激光波长测量装置的缺点，能方便快捷地测量二氧化碳激光波长，该装置具有功能强大，性价比高、测量精度高、测量速度快、操作简单等特点，而且体积小巧，方便集成到系统中进行在线监测。 
附图说明
图1为光栅转动系统示意图； 
图2为二氧化碳激光波长测量装置结构原理示意图。
具体实施方式
由图2所示，一种二氧化碳激光波长测量装置，主要包括光学系统、电子系统和扫描系统，所述的光学系统包括聚焦球面反射镜1、物镜2、入射狭缝3、第一准直球面反射镜4、平面衍射光栅5、第二准直球面反射镜6、出射狭缝7和碲鎘汞探测器8；所述的电子系统主要包括前置放大器9、计算机10、A/D变换器11和D/A变换器12；所述扫描系统由步进电机13和正弦机构14组成，正弦机构14通过丝杠与平面衍射光栅5相连接；由二氧化碳激光光源发出的光束进入入射狭缝3，入射狭缝3位于聚焦球面反射镜1的焦面上，通过入射狭缝3射入的光束经第一准直球面反射镜4、聚焦球面反射镜1反射成平行光束投向由步进电机通过正弦机构14控制转动的平面衍射光栅5上，得到波长与平面衍射光栅5转动角度成正弦关系的衍射光束，该衍射光束经物镜2、第二准直球面反射镜6和出射狭缝7到达碲鎘汞探测器8，通过出射狭缝7的出射光信号经碲鎘汞探测器8变换为电信号，电信号经前置放大器9放大经A/D变换器11将模拟量转换数字量，由计算机10处理测得二氧化碳激光波长。所述的碲鎘汞探测器8的光谱响应在8～14 μm，其峰值波长为10.6 μm，与CO2激光器的激光波长相匹配。所述的入射狭缝3、出射狭缝7均为直狭缝，宽度范围0-2mm连续可调。前置放大器9的增益可以由控制软件根据需要设置，前置放大器的增益现为1，2，…，7七个档次，数越大放大器的增益越高。 
所述扫描系统由步进电机13和正弦机构14组成，扫描控制是利用步进电机控制正弦机构中丝杠的转动，进而使光栅转动实现的。步进电机在输入一组电脉冲后，就可以转动一个角度，相应丝杠上的螺母就移动一个固定的距离。每输入一组脉冲，光栅的转动便使出射狭缝出射的光波长改变0.1nm。本发明的测量参数：9.1μm到11.3μm的 CO2激光波长。 

Claims (3)

1.一种二氧化碳激光波长测量装置，其特征在于，该装置主要包括光学系统、电子系统和扫描系统，所述的光学系统包括聚焦球面反射镜（1）、物镜（2）、入射狭缝（3）、第一准直球面反射镜（4）、平面衍射光栅（5）、第二准直球面反射镜（6）、出射狭缝（7）和碲鎘汞探测器（8）；所述的电子系统主要包括前置放大器（9）、计算机（10）、A/D变换器（11）和D/A变换器（12）；所述扫描系统由步进电机（13）和正弦机构（14）组成，正弦机构（14）通过丝杠与平面衍射光栅（5）相连接；由二氧化碳激光光源发出的光束进入入射狭缝（3），入射狭缝（3）位于聚焦球面反射镜（1）的焦面上，通过入射狭缝（3）射入的光束经第一准直球面反射镜（4）、聚焦球面反射镜（1）反射成平行光束投向由步进电机通过正弦机构（14）控制转动的平面衍射光栅（5）上，得到波长与平面衍射光栅（5）转动角度成正弦关系的衍射光束，该衍射光束经物镜（2）、第二准直球面反射镜（6）和出射狭缝（7）到达碲鎘汞探测器（8），通过出射狭缝（7）的出射光信号经碲鎘汞探测器（8）变换为电信号，电信号经前置放大器（9）放大经A/D变换器（11）将模拟量转换数字量，由计算机（10）处理测得二氧化碳激光波长。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳激光波长测量装置，其特征在于，所述的碲鎘汞探测器的光谱响应在8～14 μm，其峰值波长为10.6 μm，与CO2激光器的激光波长相匹配。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳激光波长测量装置，其特征在于，所述的入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0-2mm连续可调。
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