CN102435582A - 高精度激光吸收率测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料的激光吸收及散射特性研究领域，具体涉及一种高精度激光吸收率测量装置。现有技术不能实现材料吸收率的高精度测量。为了解决现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案是：一种高精度激光吸收测量装置，包括光学测量组件，所述光学测量组件包括激光光源、声光调制器、光束整形组件、透反镜、反射镜和积分球，其中激光光源、声光调制器、光束整形组件、透反镜和反射镜位于同一光路上，积分球上设置有处开孔，第一开孔处设置有导光管，导光管沿第一开孔与第二开孔的中心连线方向设置，第三开孔处设置有第一光电探测器。本发明实现了高吸收率的准确测量，精度高、测试方便且适用范围广。
Description
技术领域：
本发明涉及材料的激光吸收及散射特性研究领域，具体涉及一种高精度激光吸收率测量装置。
背景技术：
高吸收率材料在激光伪装和激光防护等军事和民用领域有着极高的应用价值。如光学实验室中高精度测试系统，所有与测试无关的表面均要求其黑化处理，以便最大限度地吸收杂散光，防止其表面的反射光影响测试系统的精度。黑化处理可以是氧化黑化、喷黑漆、烟熏、贴黑色绒布等。目前样品吸收率的测量方法主要有三类：第一类是从量热的角度出发,通过测量材料的温度变化并进行相应的热力学计算而得到吸收率。主要研究工作有,利用集总参数法进行吸收率计算、利用有限差分法的一维和二维的非稳态传热学模型计算吸收率(【1】清华大学摩擦学国家重点实验室，物理学报，2001,50（5）:856～859)。此类方法有使用前提条件，限制了它的使用范围。第二类方法则是根据激光作用区材料状态发生变化的情况来间接研究吸收情况（【2】中国科学院上海光机所，激光，1981,3:26-31）。这方面的工作主要是通过测量激光热作用区的几何尺寸来对吸收率进行间接评定,这类方法一般只能用于对吸收率进行定性的评价。第三类是通过测量反射率,再由入射辐射减去反射率求出吸收率(【3】宇航学报，1983,3:89～104)。
其中与本发明最为接近的已有技术是长春光机所（太阳能学报，1992,13（3）：406～411）和中科院长春光学精密机械与物理研究所（实用新型专利，2004,专利号：CN03212220.9）的两种吸收率测量装置，如图1、2所示。以及文献【3】太阳光谱吸收率的测量。
以上3种方案均未考虑普通环境下空气中灰尘颗粒的散射损耗对测量造成的影响，同时因测量仪器设备存在着固有误差，因此不能实现材料吸收率的高精度测量。
另外，各方案还有以下缺点。
太阳能学报提供的测量装置的主要缺点是：不能从原理上消除镜面反射光对测量的影响，装置的设置方式造成镜面反射光会沿入射光路反射出积分球，实际测得的吸收率未扣除这部分的影响。
CN03212220.9中，为了克服镜面反射光对测量的影响，在前面测量装置的基础上，将镜面反射光沿入射光原路引出积分球外再进行测量，虽然对其进行了改进，但是还是未从原理上进行处理，且使光路复杂化。
文献3中描述了对太阳光谱吸收率的测量，需要将探测器或吸收材料置于积分球的中心位置，不易操作和更换，不实用。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是提供一种高精度激光吸收率测量装置，以克服现有技术存在的不能实现高精度的吸收率测量的问题。
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案是：
一种高精度激光吸收测量装置，包括光学平台20、计算机21和控制组件，所述光学平台20上安装有光学平板19，光学平板19上设置有光学测量组件，其特征在于：
所述光学测量组件包括激光光源1、声光调制器2、光束整形组件3、透反镜4、反射镜5和积分球7，其中激光光源1、声光调制器2、光束整形组件3、透反镜4和反射镜5位于同一光路上，积分球7上设置有3处开孔，分别是第一开孔6、第二开孔9和第三开孔11，第一开孔6处设置有导光管8，导光管8沿第一开孔6与第二开孔9的中心连线方向设置，第三开孔11处设置有第一光电探测器12；所述反射镜5提供的入射光沿导光管8射入第二开孔9处放置的样品10上，入射角与镜面反射角之间的法线穿过积分球7的球心，入射角的设置原则是镜面反射光在积分球内并远离第一光电探测器12的光敏面，第一光电探测器12的前端设置有保护挡板13，保护挡板13的表面与积分球内表面处理相同；
所述控制组件包括第一锁相放大器15、第二锁相放大器16、同步数据采集单元17和波形发生器18，计算机21控制波形发生器18输出方波信号，此方波信号用于声光调制器2的调制驱动，同时此方波信号被送至第一锁相放大器15和第二锁相放大器16中；透反镜4的反射光由其光路上设置的第二光电探测器14后转换成电信号，此电信号经第二锁相放大器16后输出去噪后的电压信号，该电压信号信号经同步数据采集单元17采集后送入计算机21；所述第一光电探测器12输出电信号经第一锁相放大器15后输出去噪后的电压信号，该电压信号经同步数据采集单元17采集后送入计算机21。
上述激光光源1发出的激光以布喇格角射入声光调制器2，声光调制器2的一级衍射光作为测量用的入射光，计算机21控制波形发生器18输出方波信号，此方波信号用于声光调制器2的调制驱动。
上述声光调制器2和光束整形组件3之间设置衰减片。这样就可用于对低吸收率样品进行测量。
在普通环境或不符合标准的无尘室内射出的激光能看到明显的激光光路，这是因为普通环境下空气中灰尘颗粒对激光的散射光的作用，对于高精度的吸收率测量要么需要在诸如百级超净室环境下进行，要么需要想办法扣除普通环境下空气中灰尘颗粒对激光的散射光的影响。与现有技术相比，本发明的优点是：
1、实现了高吸收率的准确测量，精度高：
基于积分球测量材料吸收率的误差来源主要有以下两点：(【3】宇航学报，1983,3:89～104)
（1）、积分球结构的误差
（2）、测量仪器设备的误差
对于误差来源（1），从查阅的资料来看，前人的方法均是利用积分球的基本功能即收集光和匀光的作用，在积分球内光路未做处理。测量时，入射光相对于被高吸收材料吸收后的反射光而言是很强的，入射光在积分球内的光路上由于环境灰尘颗粒产生的散射光全部被积分球收集了，这部分光是噪声信号，但传统的积分球光路未做任何处理，造成这部分噪声光直接叠加到信号光上，产生很强的噪声干扰，而且由于空气自身的流动性，使这部分噪声光信号是随时变化的，不确定的，会造成测量信号的波动，产生测量误差，在高吸收率测量场合，更会急剧降低信噪比。
而本发明正是为了克服这一缺陷而设计的，在积分球内添加导光管，且管内壁黑化处理，外壁与积分球内壁处理相同，光经过导光管入射到被测样品上，激光在球内入射光路上产生的散射绝大部分被吸收，无法散射到积分球内，不会对测量信号产生影响，本发明在第一开口6处设置一导光管8，入射光经导光管8射到样品10上，导光管8的设置一方面避免了积分球7内灰尘等颗粒在入射光路上的散射光对测量造成的影响，另一方面也几乎完全阻档了从第一开口6的出射光。本发明克服了传统积分球光路的固有缺陷，极大地提高了测量的信噪比。
对于误差来源二，主要有光源波动造成的误差，背景光产生的误差，以及探测器电路零点漂移产生的误差，传统的测量吸收率的技术都是进行直接测量，未针对这些误差来源进行处理，本发明装置采取了对光源波动监测、对光进行调制利用相关检测方法来扣除背景光和探测器电路零点漂移带来的测量误差，实现高精度测量。
2、本发明装置一方面先对激光光源发出的激光进行声光调制，声光调制器由受计算机控制的波形发生器输出的方波信号调制，激光以布喇格角入射进入声光调制器，利用其1级衍射光作为测量用入射光，这种设计避免了沿入射光路反射回激光光源的光对激光光源出光功率的影响；另一方面用透反镜分光，一路用于对激光功率波动的监测并用作基准光的测量，另一路用作测试的入射光；其三，配合对激光的调制，用锁相放大器来处理信号，可以避免背景光、探测器漂移等噪声的影响，提高系统的测量精度。其四，利用同步数据采集功能对参考光和信号光进行同步测量运算，扣除了光源波动对测量的影响。
3、适用范围广：本发明装置不仅适合高吸收率样品吸收率的精确快速测量，也适宜对低吸收率样品进行测量。
4、测试方便、操作简便：本发明装置可根据需要换用不同波长的激光光源，同时可以方便快捷定量检测样品对于激光的吸收率，避免了空气中灰尘颗粒的散射造成的测量误差，不受环境杂散光干扰，容易操作，便于重复测试。
5、本发明中光线从第一开口6入射进入积分球7，经导光管8射到位于第二开口9的被测样品10上，入射光与法线之间设置一角度，法线经过积分球7的球心，这样镜面反射光和漫反射光全部在积分球内。
附图说明:
图1 已有技术的结构示意图；
图2 已有技术上改进的结构示意图；
图3为本发明测量装置结构示意图
图4 为不安装导光管8时的原始测量数据波形；
图5 为安装导光管8时的原始测量数据波形。
附图标记说明如下：
1-激光光源、2-声光调制器、3-光束整形组件、4-透反镜、5-反射镜、6-第一开口、7-积分球、8-导光管、9-第二开口、10-样品11-第三开口、12-第一光电探测器、13-保护挡板、14-第二光电探测器、15-第一锁相放大器、16-第二锁相放大器、17-同步数据采集单元、18-波形发生器、19-光学平板、20-光学平台、21-计算机。
具体实施方式：
下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地说明。
参见图1和图2，它们分别是太阳能学报提供的测量装置和中国专利“CN03212220.9”中提供的装置。
参见图3，本发明提供的一种高精度激光吸收率测量装置，包括光学平台20、计算机21和控制组件，所述光学平台20上安装有光学平板19，光学平板19上设置有光学测量组件。
所说的光学测量组件包括激光光源1、声光调制器2、光束整形组件3、透反镜4、反射镜5和积分球7，其中激光光源1、声光调制器2、光束整形组件3、透反镜4和反射镜5位于同一光路上，积分球7上设置有3处开孔，分别是第一开孔6、第二开孔9和第三开孔11，第一开孔6处设置有导光管8，导光管8沿第一开孔6与第二开孔9的中心连线方向设置，第三开孔11处设置有第一光电探测器12；所述反射镜5提供的入射光沿导光管8射入第二开孔9处放置的样品10上，入射角与镜面反射角之间的法线穿过积分球7的球心，入射角的设置原则是镜面反射光在积分球内并远离第一光电探测器12的光敏面，第一光电探测器12的前端设置有保护挡板13，保护挡板13的表面与积分球内表面处理相同；
所说的控制组件包括第一锁相放大器15、第二锁相放大器16、同步数据采集单元17和波形发生器18，计算机21控制波形发生器18输出方波信号，此方波信号用于声光调制器2的调制驱动，同时此方波信号被送至第一锁相放大器15和第二锁相放大器16中；透反镜4的反射光由其光路上设置的第二光电探测器14后转换成电信号，此电信号经第二锁相放大器16后输出去噪后的电压信号，该电压信号信号经同步数据采集单元17采集后送入计算机21；所述第一光电探测器12输出电信号经第一锁相放大器15后输出去噪后的电压信号，该电压信号经同步数据采集单元17采集后送入计算机21。
所说的激光光源1发出的激光以布喇格角射入声光调制器2，声光调制器2的一级衍射光作为测量用的入射光，计算机控制波形发生器18输出方波信号，此方波信号用于声光调制器2的调制驱动。
测量过程描述如下：
将高吸收率的待测样品10（如：表面贴有黑色绒布的平板）置于积分球第二开口9处，计算机控制波形发生器18发出方波信号，入射光穿过导光管8照射到被测样品10上，积分球7收集镜面和漫反射光，由第一光电探测器12转换为电信号后送第一锁相放大器15去噪处理，同时第二光电探测器14也将由透反镜4的分光转换为电信号送第二锁相放大器16去噪处理，计算机控制同步数据采集17同步采集信号，并进行运算处理直接获得被测样品的吸收率。
利用本发明装置比较了不安装导光管8和安装导光管8时对表面贴有黑色绒布平板的对氦氖激光吸收率的测量数据的原始波形如图4和图5所示。
从图4和图5可见，同样的测试条件下，不安装导光管8测量数据明显增大，波动也加大，可见导光管8的设计安装极大地减小了积分球7内光路上的空气中灰尘等颗粒散射激光对测量的影响，这也是本发明装置提高测量精度的一个重要原因。
如果在入射光路的声光调制器2和光束整形组件3之间设置衰减片，即可实现对低吸收率样品进行测量。
Claims (3)
1.一种高精度激光吸收测量装置，包括光学平台（20）、计算机（21）和控制组件，所述光学平台（20）上安装有光学平板（19），光学平板（19）上设置有光学测量组件，其特征在于：所述光学测量组件包括激光光源（1）、声光调制器（2）、光束整形组件（3）、透反镜（4）、反射镜（5）和积分球（7），其中激光光源（1）、声光调制器（2）、光束整形组件（3）、透反镜（4）和反射镜（5）位于同一光路上，积分球（7）上设置有3处开孔，分别是第一开孔（6）、第二开孔（9）和第三开孔（11），第一开孔（6）处设置有导光管（8），导光管（8）沿第一开孔（6）与第二开孔（9）的中心连线方向设置，第三开孔（11）处设置有第一光电探测器（12）,所述反射镜（5）提供的入射光沿导光管（8）射入第二开孔（9）处放置的样品（10）上，入射角与镜面反射角之间的法线穿过积分球（7）的球心，入射角的设置原则是镜面反射光在积分球内并远离第一光电探测器（12）的光敏面，第一光电探测器（12）的前端设置有保护挡板（13），保护挡板（13）的表面与积分球内表面处理相同；
所述控制组件包括第一锁相放大器（15）、第二锁相放大器（16）、同步数据采集单元（17）和波形发生器（18），计算机（21）控制波形发生器（18）输出方波信号，此方波信号用于声光调制器（2）的调制驱动，同时此方波信号被送至第一锁相放大器（15）和第二锁相放大器（16）中；透反镜（4）的反射光由其光路上设置的第二光电探测器（14）后转换成电信号，此电信号经第一锁相放大器（15）后输出去噪后的电压信号，该电压信号经同步数据采集单元（17）采集后送入计算机（21）；所述第一光电探测器(12)输出电信号经第一锁相放大器(15)后输出去噪后的电压信号，该电压信号经同步数据采集单元(17)采集后送入计算机(21)。
2.根据权利要求1所述一种高精度激光吸收率测量装置，其特征在于：所述激光光源(1)发出的激光以布喇格角射入声光调制器(2)，声光调制器(2)的一级衍射光作为测量用的入射光，计算机(21）控制波形发生器（18）输出方波信号，此方波信号用于声光调制器（2）的调制驱动。
3. 根据权利要求1或2所述一种高精度激光吸收测量装置，其特征在于：所述声光调制器（2）和光束整形组件（3）之间设有衰减片。
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