CN102853904B - 一种大功率激光参数的测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大功率激光参数测试装置，它主要由分束镜、计算机和若干个参数测试单元组成，所述分束镜具有若干反射面，每个反射面的反射光路上置一参数测试单元，每个参数测试单元包括一能量测试单元和一功率测试单元，所有参数测试单元的能量测试单元和功率测试单元均与计算机相连；本发明将大功率/能量的激光分成多束光束，降低了对单个功率/能量探头的量程和损伤阈值的要求，扩大了探头可测量范围，从而能够便捷准确地测量大功率/能量的激光的参数；降低了大功率/能量的激光的测量成本。

Description

一种大功率激光参数的测量装置
技术领域
本发明涉及大功率或大能量的激光信号测量领域，尤其涉及一种大功率激光参数的测量装置及方法。
背景技术
应用于激光加工或其他特殊领域的大功率激光器，针对一些特殊设计的大功率激光器，由于平均功率或是脉冲能量过高，市场上没有可以适用的激光功率计或是能量计，通常用大型的水箱或黑体吸收入射激光能量，通过检测水或者黑体的温度升高对激光的功率或能量进行测量。为了达到能量吸收的目的，这种机构通常体积较为庞大，而且为了达到准确测量其温升的目的，测量装置要有良好的保温、隔热，测量装置在吸收激光能量的时候也要保证温度分布均匀，这些都为测量装置的研制提出了很高的要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种大功率激光参数的测量装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种大功率激光参数测试装置，它主要由分束镜、计算机和若干个参数测试单元组成，所述分束镜具有若干反射面，每个反射面的反射光路上置一参数测试单元，每个参数测试单元包括一能量测试单元和一功率测试单元，所有参数测试单元的能量测试单元和功率测试单元均与计算机相连；所述分束镜的反射面的方程为：                                                ，其中，x，y，z为反射面的坐标，k为二次曲面常数,r为顶点的曲率半径，，n为自然数。
进一步地，所述，所述分束镜的反射面的方程为： 。
本发明的有益效果是：本发明将大功率/能量的激光分成多束光束，降低了对单个功率/能量探头的量程和损伤阈值的要求，扩大了探头可测量范围，从而能够便捷准确地测量大功率/能量的激光的参数；降低了大功率/能量的激光的测量成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是大功率激光参数测试设备组成及信息流程图；
图2是半圆形激光束在圆探头上的压缩示意图；
图3是激光分束镜的设计图；
图4是反射光束在探测面上的图形；
图5是分光反射镜模拟平行光入射光路示意图；
图6是分光反射镜模拟平行光入射光路示意图。
具体实施方式
本发明的原理是：利用反射式分束镜，将大功率/能量的激光（平均功率或单脉冲能量大到以至于现有的通用功率计或能量计的量程不能满足要求）分成多束光束，使得每一个单个光束的功率或能量能够落在现有通用激光功率/能量探头的测量范围内，将每个探头的读数相加即可得到总数。
通常约束激光功率/能量计探头最大量程范围的主要原因是受到激光功率计或能量计的探头能够承受的最大平均功率密度（W/m2）、最大峰值功率密度（W/m2）和最大单脉冲能量密度（J/m2）三个条件的约束。本发明为有效发挥激光功率/能量探头的使用效率，设计分束反射镜的曲面形状，将每一个光束直径进行合理的压缩或扩展，保证其照射到激光功率或能量计探头表面时的光束尺寸正尽量接近探头的有效接受面积。
针对不同波段的激光，在分束反射镜的表面可以加镀不同的金属反射膜，例如针对3～11μm波长范围内的激光，可以采用镀金膜的方式，对以更短波长的激光可以在反射镜表面加镀铝膜，针对紫外波段可以加镀紫外增强铝膜，以提高反射镜的表面反射率。
针对不同波段的激光，依据探头的吸能材料对不同波段的吸收效率不同，选择适合探测波段的激光功率/能量探头。
为了实现同时测量激光多个参数的目的，可以同时附加快速响应的光电传感器对激光脉冲进行波形的连续采集，计算得到激光脉冲的脉冲宽度和重复频率。根据平均功率的测量结果，可以计算得到峰值功率和单脉冲能量；根据单脉冲的测量结果可以得到峰值功率。
下面根据附图详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
图1示出了本发明大功率激光参数测试装置的组成。如图1所示，本发明的装置主要由分束镜、计算机和若干个参数测试单元组成，所述分束镜具有若干反射面，每个反射面的反射光路上置一参数测试单元，每个参数测试单元包括一能量测试单元和一功率测试单元，所有参数测试单元的能量测试单元和功率测试单元均与计算机相连。激光器输出的激光束经过分束镜，由分束镜的若干反射面分成若干束光束，每个反射面反射的光束由置于该反射面反射光路上的参数测试单元的能量测试单元和功率测试单元测得能量和功率，计算机将所有参数测试单元测得的能量和功率进行求和，得到激光束的总能量和总功率。
能量测试单元主要功能为测试入射激光束的能量值，可以采用市场上的常规激光能量计。
功率测试单元主要功能为测试入射激光束的功率值，可以采用市场上的常规激光功率计。
分束镜的反射面用于压缩或者扩大光束的直径，使之最大限度的充满激光功率/能量探头的表面，在保证激光功率/能量计能够接收到所有激光的前提下尽量降低激光功率/能量探头表面的激光的功率密度。
选择一个抛物面面形为初始反射面，抛物面方程为，其中，z为曲面的旋转对称轴，k为二次曲面常数,r为顶点的曲率半径，。
根据基本设计需求，激光能量级探头尺寸参数以及阈值功率密度，通过相应的光路模拟软件，如zemax、lighttools等，模拟激光束经过反射镜会聚到激光功率/能量探头表面的功率/能量分布，获取基本的抛物面形参数。
激光束经过反射镜后，激光功率分布应尽可能均匀，避免局部功率密度过高，因此考虑在二次曲面基础上增加高次项，使得反射激光束在探头阈值范围内尽可能均匀分布，其中、、…为高次项系数，方程为：
；
式中，n为自然数。
合理选择高次项系数，并经过逐次模拟逼近，获取最终需要的反射镜面形参数。
一般情况下，如果仅需要对光束进行会聚压缩，则选择二次曲面即可实现。通过光束孔径、需要反射的方向、探测器光敏面大小以及损伤阈值、探测器的安装位置与反射镜的距离等参数即可计算出二次曲面的方程，然后通过光路模拟软件模拟探测器表面的激光功率密度分布，若模拟分布的最大功率密度值不超过探测器光敏面的抗激光损伤阈值即可。
而如果需要对会聚光斑的形状、能量分布等有特殊的要求时，则需要根据原始光斑的能量分布、光束孔径、光束反射的方向、探测器光敏面大小，探测器的安装位置与反射镜的距离、需要达到的光斑能量分布等参数，通过二次曲线结合高次项的综合设计确定面型。此处，高次项的作用是对会聚的光斑进行修正，如在功率密度较大的地方通过设计发散的面型，而在功率密度较小的地方设计会聚的面型，设计过程可以根据实际的光斑分布进行手工计算或者计算机编程实现。通过设计的初始面型，利用相应的光路跟踪软件，如ZEMAX、Lighttools等对光路进行模拟，并对曲面的高次项参数进行优化后得到最终的曲面方程。
最终获得的反射镜可以将激光束分为若干束反射光束，实现对激光束的分束和光束压缩，满足探头的功率和能量测量范围要求。
实施例1
图3为具有2个反射面的分束镜的设计示意图，采用表面镀金膜的高反射率反射镜。考虑到分束镜在使用时空间受限，设计分束镜将光束分成若干束。
图3所示设计的分光镜由两个反射镜组成，其作用有：
a）将超高功率的激光分为两束，降低功率，方便测量；
b）对光束的口径进行适当缩小。
非球面分光反射镜是根据非球面反射镜对平行光束的会聚原理设计的，其目的是设计一个组合式对称的非球面反射镜，将入射激光束分为两束，分别向两个方向反射，将探测器放在反射光路中合适的位置，即可实现减小光束孔径满足测量范围的要求。
通常条件下，激光光束的截面形状为圆形，经过分束镜后，光束被分成两束，通常为两个半圆。而功率/能量探头一般为圆或方型，需要设计在水平和竖直方向压缩率不同的曲面反射镜，以适应光束压缩形状的需要。
图2为平行光入射时，为了适应圆探头，半圆形的激光束在图中的竖直方向比水平方向具有更高的压缩比。
图4所示为平行光入射后，经过分束镜反射在探测面上的光斑形状；
图5所示为分束光路图，激光束1入射到非球面反射镜4上，反射镜4将入射激光束1分为两束子激光束2，分别向两个方向反射，子激光束最后到达探头3。分光单元在不用时，整个单元可以处于封闭状态，实现对分束反射镜的保护。
实施例2
图6为本发明另一分束镜的设计示意图，该实施例中，分束镜具有3个反射面。从而将激光器发出的激光分成了3束光束。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种大功率激光参数测试装置，它主要由分束镜、计算机和若干个参数测试单元组成，其特征在于，所述分束镜具有若干反射面，每个反射面的反射光路上置一参数测试单元，每个参数测试单元包括一能量测试单元和一功率测试单元，所有参数测试单元的能量测试单元和功率测试单元均与计算机相连；所述分束镜的反射面的方程为：                                                ，其中，x，y，z为反射面的坐标，k为二次曲面常数,r为顶点的曲率半径，，为高次项系数，n为自然数。
2.根据权利要求1所述大功率激光参数测试装置，其特征在于，所述，所述分束镜的反射面的方程为： 。
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