CN102478427B - 一种激光能量探测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供包括壳体、压电转换探头和金属片；所述壳体包括位于外侧的隔音层和位于内侧的吸音层，使壳体内部形成隔离腔，所述壳体上设置有入射窗，金属片置于所述隔离腔内对应所述入射窗的位置处，用于接收激光照射，所述压电转换探头的接收端置于所述隔离腔内。本发明具有下列技术效果：反应速度快；成本低；测量准确性不受背景光和环境温度的干扰；光谱响应范围宽。

Description

一种激光能量探测器

技术领域

本发明涉及能量探测器技术领域，具体地说，本发明涉及一种激光能量探测器。

背景技术

激光能量探测器是在使用激光器时常用的设备。常用的激光能量探测器中使用的探测材料主要为热电材料和光电材料两种。其中，热电材料吸收光能后转换成热量，导致电阻等物理量发生变化并产生电信号；而光电材料则直接将光能转变成光生载流子，形成电压或电流信号。一般将使用热电材料的探测器称为光-热-电型探测器，将使用光电材料的探测器称为光电探测器。

光电探测器具有响应速度快、灵敏性强的优点，可用于探测连续输出的激光或脉冲激光，但是这种探测器往往无法探测高能量的调Q脉冲激光，所以需要使用衰减片将光强进行足够的衰减才能进行探测，但是衰减片往往价格较昂贵；而光-热-电型探测器的优点在于测量光谱范围宽、可探测高能量的激光，但是此类探测器的工作机理决定了它的响应速度较慢，不适用于实时探测脉冲激光器每个输出脉冲的能量。具体地，典型的光-热-电型探测器中，将一个热电材料单元与一个固定电阻串联后接在电源之间，当热电材料吸收光能后，温度升高，进而导致电阻变化，这样热电材料单元两端的分压就会改变，通过测量该分压即可反映出所接收的光能。分析上述工作机制，可以看出，光-热-电型探测器在工作时，当它接收到一个激光脉冲后，需要一定的时间释放热量回复到热平衡状态，而释放热量的过程往往会比较慢(一般需要1～5秒才能回复到热平衡状态)，导致无法正常探测下一个激光脉冲。

另外，目前还存在一种热释电探测器，它是使用热释电材料来探测激光能量。热释电材料的原理是：入射光被样品吸收后会产生温度变化，导致材料中电偶极矩体密度(极化强度)发生改变，引起材料表面净电荷的变化，从而在探测器两端产生一个正比于温度变化的电压差。热释电探测器具有反应速度快的优点，然而，热释电材料制备工艺要求高，制成探测器的步骤相对复杂，成本较高；而且使用热释电探测器进行探测时，会受到背景光及环境温度的干扰。

综上所述，当前迫切需要一种低成本且反应速度快的激光能量探测器。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本且反应速度快的激光能量探测器。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种激光能量探测器，包括壳体、压电转换探头和金属片；所述壳体包括位于外侧的隔音层和位于内侧的吸音层，使壳体内部形成隔离腔，所述壳体上设置有入射窗，金属片置于所述隔离腔内对应所述入射窗的位置处，用于接收激光照射，所述压电转换探头的接收端置于所述隔离腔内。

其中，所述压电转换探头是麦克风探头或压电换能器。

其中，所述金属片为铝片或铜片。

其中，所述金属片上面对所述入射窗的一侧贴有熔融石英片。

其中，所述金属片的位置靠近所述麦克风探头的接收端。

其中，金属片上接收激光的区域与麦克风探头的接收端的距离为5～10mm。

其中，所述激光能量探测器还包括输出单元，所述压电转换探头的输出端连接所述输出单元的输入端。

其中，在一个方案中，所述输出单元包括：积分电路、采样保持电路和显示装置，所述积分电路用于对弛豫电压信号进行积分，所述采样保持电路用于设定所述积分电路的开始时间和持续时间以形成定积分，所述显示装置用于显示经所述积分电路定积分后的电信号。

其中，在另一个方案中，所述输出单元包括：信号放大电路、积分电路、采样保持电路和显示装置，所述信号放大电路用于对所述压电转换探头所测得的弛豫电压信号进行放大，所述积分电路用于对放大后的弛豫电压信号进行积分，所述采样保持电路用于设定所述积分电路的开始时间和持续时间以形成定积分，所述显示装置用于显示经所述积分电路定积分后的电信号。

其中，所述显示装置采用示波器或计算机。

与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：

1、反应速度快，适合脉冲激光器的激光单脉冲的能量探测，尤其适合高能量的调Q脉冲激光器的激光单脉冲的能量探测。

2、不需要使用衰减片、热释电部件等昂贵器件，成本大幅降低。

3、测量准确性不受背景光和环境温度的干扰。

4、光谱响应范围宽。

附图说明

图1示出了本发明一个实施例的激光能量探测器的结构；

图2示出了本发明一个优选实施例中输出单元的结构；

图3a示出了金属片上没有贴石英片时，麦克风探头所测得的三种不同能量的光声信号；

图3b示出了金属片上贴上石英片时，麦克风探头所测得的三种不同能量的光声信号；

图3c示出了金属片上贴上石英片时，经过信号处理电路进行定积分处理后的信号的实测结果图；图3a～c中，横坐标均为时间，单位是毫秒，纵坐标均为信号强度，单位是伏；

图4示出了本发明一个优选实施例的激光能量探测器对一个调Q脉冲激光器的测量结果直方图；其中，横坐标是脉冲周期数，纵坐标是脉冲能量；

图5示出了本发明一个优选实施例的激光能量探测器对另一个调Q脉冲激光器的测量结果直方图；其中，横坐标是脉冲周期数，纵坐标是脉冲能量。

具体实施方式

下面，结合附图和实施例对本发明作进一步地描述。

根据本发明的一个实施例，提供了一种激光能量探测器，该激光能量探测器包括壳体、麦克风探头和金属片。

如图1所示，所述壳体由外至内包括隔音层104、支撑层(图1中未示出)和吸音层103，使壳体内部形成探头隔离腔105。其中，支撑层采用刚性材料制作，隔音层104和吸音层103分别附着在支撑层的外侧和内侧。本实施例中，支撑层材料为铝，隔音层材料为隔音橡胶，吸音层材料为吸音棉。所述壳体上设置有入射窗106，使激光能够入射到所述探头隔离腔105内。本实施例中，入射窗采用熔融石英制作。

麦克风探头102采用驻极式电容麦克风探头，该麦克风探头102与所述壳体密封连接，麦克风探头102的接收端置于所述壳体内部，即探头隔离腔105内，用于接收声信号，输出端置于所述壳体外部，用于输出电信号。本领域技术人员容易理解，对于不同的频率响应范围，也可以用其它类型的电容麦克风探头或压电换能器(一般采用压电陶瓷制作)等压电转换探头来代替驻极式电容麦克风探头。

金属片101置于所述探头隔离腔105内对应所述入射窗106的位置处，用于接收的激光照射。并且，一般来说，金属片101的位置靠近所述麦克风探头102的接收端。麦克风探头的接收端和金属片上激光光斑的位置接近，可以使光声信号尽量多地被麦克风接收到，但是如果过于接近，激光可能直接打到麦克风上造成损坏或饱和，所以金属片上接收激光的区域与麦克风探头的接收端的优选距离为5～10mm。本实施例中，金属片可使用铝片或铜片等普通金属材料，本实施例中，其厚度为0.5mm左右，平面尺寸大于激光光斑即可。在一个优选实施例中，金属片上面对所述入射窗106的一侧贴有熔融石英片107，厚度可以是0.5mm，熔融石英片107用于抑制高频的声波信号，而且不影响激光照射到金属片上。当高频声波信号被熔融石英片107抑制后，输出的电压弛豫信号中叠加的阻尼振荡信号减小，有利于后续的信号处理。

下面简要说明本实施例的激光能量探测器的工作原理。当金属片受到光照射时，金属物质吸收的光能(全部或部分)转变为热。如果照射经过周期性强度调制的光束(如脉冲激光束)，则在金属物质内产生周期性的温度变化，使这部分金属物质及其邻近媒质热胀冷缩而产生应力(或压力)的周期性变化，因而产生声波信号，本文中将此种信号称光声信号。光声信号的重复频率与光脉冲频率相同，对于某种选定的吸光材料，其光声信号的强度与入射激光的脉冲能量成正比，因此，麦克风探头所输出的电信号能够反映所探测的脉冲的稳定性。并且，由于本实施例所探测的是声波信号，灵敏性高，且不需要探测材料吸收较多的热量，所以使用铝片(或铜片)等金属材料，热传导性能好、放热时间短，因此响应快，不会影响对下一个脉冲的探测。

进一步地，在一个优选实施例中，还给出了一个具体的连接所述麦克风探头的输出单元，如图2所示该输出单元包括依次连接的：信号放大电路202、积分电路203、采样保持电路204和示波器205。其中，信号放大电路202的输入端与麦克风探头201的输出端连接。连接线均采用同轴电缆屏蔽线。

其中，信号放大电路202用于放大麦克风输出的电信号(一般是电压信号)。麦克风输出的原始电压信号是含有阻尼振荡成分的弛豫信号，信号幅度很小，需要用放大电路进行放大，放大电路为线性放大。

放大后的信号仍然保持了原始信号的波形，脉冲能量越大，信号电压的幅值也越大，但是由于阻尼振荡的存在，不同脉冲能量时的信号差异很难准确分辨(如图3a、b所示)，所以最合理的方法是计算弛豫信号动力学曲线所包围的面积，这样可以把弛豫信号所持续的时间范围内，每个时间点的信号差异进行累加放大，弱化振荡信号引起的噪声干扰，以便准确地从输出电压上直接区分出输入的激光脉冲的能量大小。计算一条函数曲线下所包含的面积的方法就是积分。

为了使积分信号能更准确地反应脉冲能量大小的真实情况，需要对积分电路的开始结束时间进行合理设定。本实施例中，这部分功能由积分电路和采样保持电路共同完成，即这里所做的积分是定积分(就是限制积分的起始和中止时间)，做定积分是为了在相同的时间间隔内去比较不同强度激光脉冲的能量大小，同时也可以排除积分时间外背景噪声的干扰。积分的功能由积分电路完成。通过与激光器重复频率相同的同步信号用于触发采样保持电路，并启动积分计算，积分的开始时间和完成时间均由采样保持电路完成设定。

在实际探测中，当调Q脉冲激光器输出的激光脉冲照射到金属片上时，产生一个脉冲式的声音信号，该声音信号被驻极式麦克风探头接收，经过信号放大电路后产生一个包含部分阻尼振荡成分的弛豫电压信号(如图3a、b所示)，该弛豫信号会持续约2～10ms。然后经过积分电路后计算出包络线所包含的面积，由输出单元采集输出的电压信号由示波器显示，在实际积分过程中，设置积分的开始时间对于激光器的同步信号延时0.75ms，以避开整个信号初始阶段较大的振荡成分；另外，设置积分的时长为2ms，这样可以在信号过冲回零伏前完成积分计算。示波器将所测得的结果直观地显示给用户(如图4所示)。由于商用的调Q脉冲激光器大多在＜20Hz的重复频率工作，即脉冲间隔＞50ms，所以信号持续2ms～10ms并不会影响探测器对下一个脉冲能量的探测。对某个固定波长的激光来说，激光单脉冲的能量越高时，积分电路所计算出的包络面积也越大，所以最后采样输出的电压信号也越大。因此，示波器所显示的信号处理电路输出电压的稳定性，能够反映金属片所接收的激光脉冲的稳定性。

图3a是金属片上没有贴石英片时，麦克风探头所测得的三种不同能量的光声信号(即含有阻尼振荡成分的弛豫信号)在三个能量下的对比，可以看出图3a中三种不同能量的光声信号难以直观地分辨出来；图3b是金属片上贴上石英片时，麦克风探头所测得的三种不同能量的光声信号，可以看出其阻尼振荡成分减小，但三种不同能量的光声信号仍然难以直观地分辨出来；图3c是金属片上贴上石英片时，经过信号处理电路进行定积分处理后的信号的实测结果图。从图3b和图3c的对比中可以看出，经过信号处理电路后可有效地提高信号质量，使不同激光能量时的光声信号更易于分辨，有助于在显示器上实时检测激光能量稳定性。

图4和图5分别是本实施例激光能量探测器在探测两个不同调Q脉冲激光器时，其示波器所输出的脉冲信号幅值的直方图。通过对比可以发现，图5所对应的调Q脉冲激光器的稳定性明显优于图4所对应的调Q脉冲激光器。

激光脉冲能量稳定性有长期稳定性和短期稳定性，本实施例对于这两种稳定性都可以做出测量，但是长期稳定性测量用现有的慢响应的光-热-电型探测器也能做到，因此本实施例的优势在于测量每个脉冲的能量稳定性。稳定性一般习惯用标准差对于平均值的百分比来表示，具体操作方法为：记录一串脉冲的能量，计算其平均值，然后计算其标准差，以上两者相除，即可得到稳定性的指标。需要说明的是，这种评价标准不是唯一的，有时候也关心其统计分布的形状(正态分布或其它分布)。但不管采取何种后期的计算方式进行评价，本实施例能够做到实时记录每个脉冲的能量。

另外，本实施例采用金属片接收入射光，与半导体材料不同，金属材料不存在能隙，所以不会只对特定波段才能吸收，而且金属表面有大量的自由电子，所以很容易吸收各个波长的光，因此本发明的光谱响应范围宽。

本实施例中，示波器也可由计算机等其它显示设备替换。

本实施例的激光能量探测器可直接监视调Q脉冲激光输出单脉冲能量的稳定性，适用于在调试激光器的过程中使用。

Claims (9)

1.一种激光能量探测器，包括壳体、压电转换探头和金属片；所述壳体包括位于外侧的隔音层和位于内侧的吸音层，使壳体内部形成隔离腔，所述壳体上设置有入射窗，金属片置于所述隔离腔内对应所述入射窗的位置处，用于接收激光照射，所述压电转换探头的接收端置于所述隔离腔内；所述激光能量探测器还包括输出单元，所述压电转换探头的输出端连接所述输出单元的输入端，所述输出单元包括：积分电路和采样保持电路，所述积分电路用于对弛豫电压信号进行积分，所述采样保持电路用于设定所述积分电路的开始时间和持续时间以形成定积分，其中积分电路的开始时间相对于激光器的同步信号延时以避开整个信号初始阶段的振荡成分，积分电路的持续时间的时长使得在信号过冲回零伏前完成积分计算。

2.根据权利要求1所述的激光能量探测器，其特征在于，所述压电转换探头是麦克风探头或压电换能器。

3.根据权利要求1所述的激光能量探测器，其特征在于，所述金属片为铝片或铜片。

4.根据权利要求1所述的激光能量探测器，其特征在于，所述金属片上面对所述入射窗的一侧贴有熔融石英片。

5.根据权利要求1所述的激光能量探测器，其特征在于，所述金属片的位置靠近所述压电转换探头的接收端。

6.根据权利要求5所述的激光能量探测器，其特征在于，金属片上接收激光的区域与所述压电转换探头的接收端的距离为5～10mm。

7.根据权利要求1所述的激光能量探测器，其特征在于，所述输出单元还包括：显示装置，所述显示装置用于显示经所述积分电路定积分后的电信号。

8.根据权利要求7所述的激光能量探测器，其特征在于，所述输出单元还包括：信号放大电路，所述信号放大电路用于对所述压电转换探头所测得的弛豫电压信号进行放大，所述积分电路用于对放大后的弛豫电压信号进行积分。

9.根据权利要求7或8所述的激光能量探测器，其特征在于，所述显示装置采用示波器或计算机。