CN102967439B - 一种对空间滤波器中激光过孔情况进行监测的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种对空间滤波器中激光通过小孔的情况进行监测的方法，其特征在于，1）使激光通过空间滤波器中金属小孔板的小孔；2）监测空间滤波器的金属小孔板附近是否存在等离子体。本发明还提供了相应的对空间滤波器中激光通过小孔的情况进行监测的装置。与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：不受人的主观因素干扰，检测结果更加准确。工作方式更加健康。检测和校正不需要开箱，便于维护。使得对空间滤波器中激光通过小孔情况的校正更加方便。反应速度快，能够在短时间内得出监测结果。

Description

一种对空间滤波器中激光过孔情况进行监测的方法及装置

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体地说，本发明涉及一种对空间滤波器中激光过孔情况进行监测的方法及装置。

背景技术

空间滤波器是大型复杂高功率激光系统中必不可少的器件之一，它能滤除傅里叶频谱中的高频分量、实现像传递、改变光束直径、隔离杂散光，有效地改善系统的光束质量，同时提高系统的可输出功率和可聚焦功率。其光学结构比较简单，由一对共焦正透镜和在公共焦点处的一个用于滤波的小孔板组成。如图1所示，工作状态下，空间滤波器4的第一个透镜1对光束进行傅立叶变换，然后穿过金属小孔板2，由于空间频率越高的成份离焦斑中心越远，在焦斑处的小孔（即金属小孔板2中心的小孔）能拦截掉高频成份，光束穿过金属小孔板2后再通过透镜3进行傅立叶逆变换，从而实现了低通滤波。然而，这种滤波方案中，如果激光位置出现偏移以致焦斑不能很好地与小孔相配合，就会导致光斑输出形状缺失以及后级激光能量损失。因此，需要对激光通过小孔的情况进行监测。现有技术中，空间滤波器中通过小孔的激光通常处于红外波段，常用的监测方案是：在空间滤波器的箱体的侧壁上设置透明窗口，操作员用眼睛通过人眼辅助工具（例如红外观测仪）从透明窗口对小孔进行观测，从而达到监测激光通过小孔的情况的目的。然而，这种人眼观测的方式准确性较低。并且，由于聚焦光斑能量强，长时间观测将造成人眼疲劳和视力下降，导致观测结果的准确性进一步下降，且不利于人体健康。

因此，当前迫切需要一种更加客观准确和更加健康的对空间滤波器中激光通过小孔的情况进行监测的解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种更加客观准确和更加健康的对空间滤波器中激光通过小孔的情况进行监测的解决方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种对空间滤波器中激光通过小孔的情况进行监测的方法，包括下列步骤：

1）使激光通过空间滤波器中金属小孔板的小孔；

2）监测空间滤波器的金属小孔板附近是否存在等离子体。

其中，所述对空间滤波器中激光通过小孔的情况进行监测的方法还包括步骤3）：如果检测到等离子体，进一步检测该等离子体是否具有金属小孔板的元素信息。

根据本发明的另一个方面，提供了一种对空间滤波器中激光通过小孔的情况进行监测的装置，包括等离子体收集单元、等离子体传输单元和等离子体检测单元；等离子体收集单元置于所监测的空间滤波器的金属小孔板上或金属小孔板附近，等离子体传输单元将等离子体传输到所监测的空间滤波器外部的等离子体检测单元。

其中，所述等离子体收集单元为探针，所述等离子体传输单元包括导气管耦合头和微气泵，所述等离子体检测单元为色谱分析仪，所述探针一端置于空间滤波器中金属小孔板的小孔的边缘，另一端连接所述导气管耦合头，所述导气管耦合头通过所述微气泵与所述色谱分析仪连接。

其中，所述探针长度小于8mm。

其中，所述探针数目为多个。

其中，所述探针数目为3个，且呈“丁字”排布。

其中，所述等离子体收集单元为等离子体收集器，所述等离子体传输单元为光纤，所述等离子体检测单元为光谱分析仪，所述等离子体收集器设置在距所述金属小孔板10~15mm处。

其中，所述对空间滤波器中激光通过小孔的情况进行监测的装置还包括图像采集装置，用于获取空间滤波器的金属小孔板的实时图像并将其传输到空间滤波器的箱体外部。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种空间滤波器，该空间滤波器包括前述对空间滤波器中激光通过小孔的情况进行监测的装置。

其中，所述空间滤波器的箱体内侧设有凹槽，所述对空间滤波器中激光通过小孔的情况进行监测的装置的光纤嵌入所述凹槽内。

与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：

1、不受人的主观因素干扰，检测结果更加准确。

2、工作方式更加健康。

3、检测和校正不需要开箱，便于维护。

4、使得对空间滤波器中激光通过小孔情况的校正更加方便。

5、反应速度快，能够在短时间内得出监测结果。

附图说明

图1示出了现有技术中一个典型的空间滤波器示意图；

图2示出了本发明一个实施例的对空间滤波器中激光通过小孔的情况进行监测的装置的示意图；

图3示出了本发明一个实施例中能够对激光通过小孔的情况进行监测的空间滤波器的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步地描述。

根据本发明的一个实施例，提供了一种基于等离子体探测技术的对空间滤波器中激光过孔情况进行监测的方法。众所周知，空间滤波器中的小孔板一般是金属板，但当激光偏离小孔时，部分或全部的光斑会直接照射小孔板的金属表面。一般地，空间滤波器的小孔板处于焦点处，激光强度较大，可达到GW级别，超出产生等离子体的阈值，从而导致金属表面产生等离子体蒸汽，该等离子体蒸汽会发出羽辉，因此也可称为等离子体羽辉。例如：当入射激光脉宽为纳秒量级、输出能量为10mJ，重复频率为1Hz，小孔尺寸是激光的衍射极限的20倍时，聚焦光斑能够正常穿过小孔进行传输，而一旦前端的镜片调试有斜度，聚焦光斑会打在小孔板上。此时，由于聚焦能量非常大（一般为1GW/cm²以上），因此会引起电离反应，产生等离子体蒸汽。本实施例正是利用了这种等离子体来监测空间滤波器中激光通过小孔的情况。

基于上述原理，本实施例中，基于等离子体探测技术的对空间滤波器中激光过孔情况进行监测的方法如下：在激光穿过空间滤波器中金属板的小孔时，检测空间滤波器的小孔板附近是否存在等离子体，当检测出等离子体时，判断光束未正常穿过金属小孔板，此时需要对光束进行校正。该方案不需要借助人眼的观察就可实现对激光过孔情况的监测，因此可以排除人为主观因素，且有利于人体健康。

优选地，在检测出空间滤波器的小孔板附近存在等离子体后，还可以进一步检测该等离子体是否具有金属小孔板的元素信息，如果具有金属小孔板的元素信息，则判断光束未正常穿过金属小孔板，需要对光束进行校正，否则判断光束正常穿过金属小孔板。例如，可以使用色谱分析仪检测等离子体蒸汽。色谱分析仪有一个标准色谱，对等离子体蒸汽采样分析，当小孔板的金属材料的元素色谱出现时，可以更加准确地判断所检测的等离子体蒸汽的确来自于小孔板，从而防止错误报警。

上述实施例中的对激光过孔情况进行监测的方法可用多种方式实现，下面结合其它一些实施例，对基于上述监测方法的监测激光过孔情况的装置进行描述。

根据本发明的一个实施例，提供了一种监测激光过孔情况的装置，包括等离子体收集单元、等离子体传输单元和等离子体检测单元；等离子体收集单元置于所监测的空间滤波器的金属小孔板上或金属小孔板附近，等离子体传输单元将等离子体传输到位于所监测的空间滤波器外部的等离子体检测单元。参考图2，其中等离子体收集单元采用探针21，等离子体传输单元包括导气管耦合头24和微气泵26，等离子体检测单元采用色谱分析仪25。该监测激光过孔情况的装置与空间滤波器配合使用。参考图1，空间滤波器由傅里叶透镜1和逆傅里叶透镜3和在二者公共焦点处的一个用于滤波的金属材质的小孔板2组成，其中小孔板2安装在一个遮光箱体4内。本实施例中，探针21中空，用于吸入等离子体蒸汽。参考图2，探针21的一端置于小孔板2的小孔22的边缘，另一端连接导气管耦合头24，导气管耦合头24再通过微气泵26与色谱分析仪25连接。导气管耦合头24一般安装在遮光箱体4上，一方面将探针所吸入的气体导出，另一方面与遮光箱体4紧密连接，保证箱体4密闭不透光。工作时，启动微气泵，当激光照射金属小孔板产生等离子体蒸汽时，微气泵将等离子体蒸汽快速吸入色谱分析仪中，通过特定的流动相选择，可测得是否有金属离子气体产生，即可进一步判断激光是否完全进入小孔。

在一个实施例中，各个探针21的长度均小于8mm，这样可以保证等离子体蒸汽的传输距离较短，损耗较小，有利于提高探测的灵敏性，避免因所收集的等离子体过少以致色谱分析仪无法识别造成漏检或反应速度过慢。从上述分析可以看出，在工艺水平满足要求的前提下，探针21的长度越小越好。

在一个优选实施例中，所述监测激光过孔情况的装置采用多个探针21，例如：采用3个探针21，呈“丁字”排列。每个探针21均一端置于小孔22的边缘，另一端连接导气管耦合头24。等离子体被激发出来的时候，方向（能量最大的方向）是不定的，多个方向均设置探针可以尽量多地收集等离子体蒸汽，避免因所收集的等离子体过少以致色谱分析仪无法识别造成漏检或反应速度过慢。优选地，每个探针21的长度均小于8mm，这样有利于减小等离子体蒸汽的损耗，可进一步提高探测的灵敏性。而采用3个呈“丁字”排列的探针21，能够基本覆盖等离子体可能被激发的全部方向，即无论等离子体被激发的方向如何，均能被探针收集。同时，采用3个呈“丁字”排列的探针21还便于走线和安装，且节省成本。进一步地，在一个实施例中，可以在金属小孔板上开凹槽23，将探针21插入凹槽23中使其一端置于小孔22的边缘，这样不用增加新的部件既可方便地将探针21固定。

根据本发明的另一个实施例，还提供了另一种监测激光过孔情况的装置。如图3所示，它包括光纤32、安装在光纤一端的等离子体收集器31和安装在光纤另一端的光谱分析仪33。其中，等离子体收集器31为等离子体收集单元，它能够收集等离子体羽辉的光信号并将其放大。光纤32为等离子体传输单元，光谱分析仪33为等离子体检测单元。将光纤32伸入空间滤波器的箱体4（参考图1，下文中不再赘述）内，使等离子体收集器接近所述小孔板2，光纤另一端的色谱分析仪则位于空间滤波器的箱体4外部。当激光偏离小孔时，部分或全部光斑直接照射小孔板2的金属表面，这样会导致金属表面产生等离子体羽辉。等离子体收集器收集等离子体羽辉的光信号并将其放大，然后通过光纤将信号传输到外接的光谱分析仪，由光谱分析仪测试等离子体的强度和元素含量。优选地，所述等离子体收集器设置在距小孔板10~15mm处。一般来说，这个距离越近对等离子体的吸收越好，但是考虑加工难度、光纤端面放置的难度、目前仪器的接收精度等因素，10~15mm是比较理想的位置。这种设置使得监测装置能够在短时间内（例如1秒钟）探测出等离子体羽辉中的元素。

在本发明的另一个实施例中，所述对空间滤波器中激光通过小孔的情况进行监测的装置还包括光源和图像采集器。所述光源用于从空间滤波器的外部照射光纤，使光纤另一端有一定亮度，从而将小孔板照亮。所述图像采集器用于获取整个小孔板的实时图像并传输到箱体外部，以供操作员使用。本实施例增加图像采集的功能，这样操作员可以看着小孔板的实时图像（该图像可以是放大图像）对光斑的位置进行调整，直至色谱分析仪（或其它等离子体检测装置）无法检测到小孔板材料的金属元素，此时代表光斑正常通过了小孔板。这样极大地方便了对空间滤波器中激光通过小孔情况的校正。当然，即便没有图像采集器，操作员也可以根据色谱分析仪（或其它等离子体检测装置）的输出结果进行盲调，使光斑正常通过小孔板。

本发明的另一个实施例中，还提供了一种空间滤波器，该空间滤波器包括前述实施例中任意一种监测激光过孔情况的装置。当监测激光过孔情况的装置中含有光纤时，在所述空间滤波器的箱体内侧设有相应的凹槽，用于嵌入所述监测激光过孔情况的装置的光纤。

另外，上述实施例中，除了色谱分析仪外、光谱分析仪外，本发明还可以采用其它等离子检测装置，这是本领域普通技术人员易于理解的。当然，由于色谱分析仪精度较高且检测速度较快，因此优选地，采用色谱分析仪作为等离子检测装置。

最后，上述的实施例仅用来说明本发明，它不应该理解为是对本发明的保护范围进行任何限制。而且，本领域的技术人员可以明白，在不脱离上述实施例精神和原理下，对上述实施例所进行的各种等效变化、变型以及在文中没有描述的各种改进均在本专利的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种对空间滤波器中激光通过小孔的情况进行监测的装置，其特征在于，包括等离子体收集单元、等离子体传输单元和等离子体检测单元；等离子体收集单元置于所监测的空间滤波器的金属小孔板上或金属小孔板附近，等离子体传输单元将等离子体传输到所监测的空间滤波器外部的等离子体检测单元。

2.根据权利要求1所述的对空间滤波器中激光通过小孔的情况进行监测的装置，其特征在于，所述等离子体收集单元为探针，所述等离子体传输单元包括导气管耦合头和微气泵，所述等离子体检测单元为色谱分析仪，所述探针一端置于空间滤波器中金属小孔板的小孔的边缘，另一端连接所述导气管耦合头，所述导气管耦合头通过所述微气泵与所述色谱分析仪连接。

3.根据权利要求2所述的对空间滤波器中激光通过小孔的情况进行监测的装置，其特征在于，所述探针长度小于8mm。

4.根据权利要求2所述的对空间滤波器中激光通过小孔的情况进行监测的装置，其特征在于，所述探针数目为多个。

5.根据权利要求4所述的对空间滤波器中激光通过小孔的情况进行监测的装置，其特征在于，所述探针数目为3个，且呈“丁字”排布。

6.根据权利要求1所述的对空间滤波器中激光通过小孔的情况进行监测的装置，其特征在于，所述等离子体收集单元为等离子体收集器，所述等离子体传输单元为光纤，所述等离子体检测单元为光谱分析仪，所述等离子体收集器设置在距所述金属小孔板10～15mm处。

7.根据权利要求2所述的对空间滤波器中激光通过小孔的情况进行监测的装置，其特征在于，所述对空间滤波器中激光通过小孔的情况进行监测的装置还包括图像采集装置，用于获取空间滤波器的金属小孔板的实时图像并将其传输到空间滤波器的箱体外部。

8.一种空间滤波器，其特征在于，包括权利要求1～7中任一项所述的对空间滤波器中激光通过小孔的情况进行监测的装置。