CN104729689A - 一种基于反射镜后表面散射的高能激光光斑在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于反射镜后表面散射的高能激光光斑在线监测装置，包括设置在机壳内部的图像采集设备和安装在机壳上的反射镜，所述反射镜设置在激光入射光路上；所述图像采集设备的镜头正对反射镜的后表面，所述的镜头和反射镜之间设置有光学衰减片和对该激光波长高透射的窄带滤光片；所述反射镜的材料对被测激光透射率不低于90％，反射镜的迎光面镀有高反射膜，后表面加工为粗糙表面。本发明将传统的高能激光光斑测量方法中分束镜与散射屏的功能合二为一，能够显著降低测量系统的成本，在使用时几乎不吸收被测激光能量，可用于大功率和长时间出光的激光参数测量。

Description

一种基于反射镜后表面散射的高能激光光斑在线监测装置

技术领域

本发明涉及一种高能激光光斑测量装置，尤其涉及一种基于反射镜后表面散射的高能激光光斑在线监测装置。

背景技术

高能激光光斑的测量，特别是高能激光器出光过程中的光斑在线监测，是激光参数测量领域和激光辐照效应研究领域中的重要工作内容。通过光斑在线监测所得到的随时间变化的激光强度空间分布，无论是对于激光器性能的分析评估，还是对与激光与物质相互作用研究，都是一项必要的基础数据。目前通常采取漫反射成像法进行高能激光光斑测量，该方法具体为：利用分束镜从被测激光束分出一束相对较弱的激光，用一块表面具有漫反射特性的漫反射板承受被测激光束辐照，利用一个图像采集设备拍摄漫反射板上的激光光斑，以实现光斑的在线监测。由于该方法中图像采集设备必须放置于漫反射板迎光的一侧，为了避开被测的激光束，需要根据现场具体情况确定图像采集设备的位置，所以图像采集设备无法与漫反射板保持固定。这带来该方法的一个缺点：每次实施时均必须在现场进行图像采集设备的视场定标，使得工作效率降低。另外，目前由于材料特性及制作工艺等因素的限制，漫反射板的抗激光损伤阈值难以适应不断提高的高能激光强度水平。因此，漫反射法虽然具有空间分辨率高、系统组成简单等优点，但是难以实现系统集成，不适用于某些应用场合(例如运动目标情况)。

为实现系统集成、克服漫反射法每次使用前需现场定标的缺点，2010年庞淼等人公开了一种基于漫透射成像法的激光强度时空分布测量装置(强激光与粒子束，第22卷第12期，第2839-2842页，2010年12月)。该装置通过使用一块为漫透射体的散射屏对被测激光光斑成像，将图像采集设备置于散射屏的背面一侧，实现了测量系统的集成化，且能够对可见光波段功率为2W、直径约100mm的激光光斑进行在线监测。但是，该装置存在的问题是，由于依赖漫透射屏的体散射，而体散射必然伴随激光能量的体吸收，该测量装置的抗激光损伤阈值必然受到很大限制。从关于该装置的公开资料可以推断：虽然克服了漫反射法系统难以集成的缺点，但是该装置的抗激光损伤能力非常有限，不能用于高能激光光斑的在线监测。

发明内容

本发明目的是提供一种高能激光光斑在线监测装置，克服传统漫反射法装置的缺点，实现系统集成，同时具有更高的抗激光损伤能力。

本发明的技术解决方案如下：

基于反射镜后表面散射的高能激光光斑在线监测装置，包括设置在机壳内部的图像采集设备和安装在机壳上的反射镜，所述反射镜设置在激光入射光路上，且反射镜法线与激光入射方向的夹角为30°～60°；所述图像采集设备的镜头正对反射镜的后表面，所述的镜头和反射镜之间设置有光学衰减片和对该激光波长高透射的窄带滤光片；所述反射镜的材料对被测激光透射率不低于90％，反射镜的迎光面镀有高反射膜，对该激光的反射率为99.5％～99.9％，所述的反射镜的后表面加工为粗糙表面，粗糙度Ra与被测激光波长λ满足关系：λ<R_a<3λ。

上述基于反射镜后表面散射的高能激光光斑在线监测装置中，反射镜的后表面镀增透介质膜，能量透射率不低于95％。

上述基于反射镜后表面散射的高能激光光斑在线监测装置中，还包括设置在机壳外的计算机，实现图像采集设备的运行以及图像数据的显示、处理和存储。

上述基于反射镜后表面散射的高能激光光斑在线监测装置中，反射镜形状为圆形或矩形，其直径或短边长度大于被测激光光斑直径。

上述基于反射镜后表面散射的高能激光光斑在线监测装置中，机壳为不透明刚性结构，

上述基于反射镜后表面散射的高能激光光斑在线监测装置中，反射镜材料为石英、硅或氟化钙。

本发明具有以下的有益效果：

1、本发明实现了高能激光光斑的在线监测，且测量系统实现集成化，不需每次测量前进行视场定标。

2、本发明将被测激光几乎全反射，测量系统承受的激光辐照很弱，因此可用于很高功率的激光光斑测量。

3、本发明在使用时几乎不吸收被测激光能量，可用于大功率和长时间出光的激光参数测量。

4、本发明将传统的高能激光光斑测量方法中分束镜与散射屏的功能合二为一，能够显著降低测量系统的成本。

附图说明

图1为本发明在线监测装置的结构示意图。

图2为本发明反射镜结构示意图。

图3为本发明的反射镜在平均功率500kW、光斑直径100mm高能激光辐照下的迎光面中心点温度随时间变化数值模拟结果图。

图4为本发明的反射镜在平均功率500kW、光斑直径100mm高能激光辐照下10s后的反射镜轴线上温度分布数值模拟结构图。

附图标记：1-入射光束；2-反射光束；3-反射镜；4-机壳；5-图像采集设备；6-衰减片；7-滤光片；8-计算机；9-反射面；10-粗糙面。

具体实施方式

本发明提供一种高能激光光斑在线监测装置，通过使用迎光面镀有高反介质膜、后表面具有一定光学加工粗糙度的反射镜3作为对被测激光成像的器件，利用设置于反射镜背光面一侧的图像采集设备5实现高能激光光斑在线监测。上述图像采集设备在机壳内的位置固定，使用定焦光学镜头，镜头焦点位置在上述反射镜背光面的中央，视场经过定标，采集的图像中行、列相邻像素对应的实际空间距离均为已知。图像采集设备能够工作于被测激光波段。通过图像采集设备和计算机共同实现激光光斑图像的采集、处理、显示与数据存储等功能。

在线监测装置在图像采集设备5和反射镜3之间设置了衰减片6和滤光片7。上述衰减片的工作波段适用于被测激光波长，其位置、尺寸和衰减倍率满足使图像采集设备曝光量在被测激光光斑监测过程中不发生饱和。上述滤光片为透射波段包含被测激光波长的带通型窄带滤光片，加装于图像采集设备镜头上，其尺寸大于镜头尺寸，作用是过滤掉环境光对测量的干扰。

本发明的基本思路是：首先，需要有一个粗糙度分布均匀的透射表面使被测激光束发生散射，从而使得该表面上的光斑能够被图像采集设备记录下来，这一思路本质上同传统漫反射法的基本思想是一致的，但是它带来的益处是，使得图像采集设备与被测激光束分别处于散射表面的两侧，从而便于实现系统集成；其次，在激光到达散射表面之前，预先利用一个高反射表面使绝大部分激光能量射向别处，如此既能够降低测量系统承受的激光能量，从而提高测量系统的抗激光损伤阈值，又能够最大限度地使激光能量同时用于其他实验内容，从而提高实验效费比。本发明的关键之处在于，使用一个特殊的反射镜同时实现了上述两个方面的设想。

如图1所示，本发明在具体实施时，在入射激光1的光路上设置一面反射镜3，使入射角不小于30°以避免反射光束对激光器本身造成损伤，也不应使入射角大于60°，以减小光斑形状畸变对测量不确定度的影响。

如图2所示，反射镜3为一种特殊的反射镜，其迎光面为光学平面，镀有高反射介质膜9，以实现将入射激光1的绝大部分能量留在反射光束2中，其背光面为通过光学粗加工手段得到的均匀粗糙表面10，以实现将由迎光面透射的微弱激光束散射，使该处激光光斑能够被图像采集设备记录下来。反射镜背光面的粗糙度与被测激光波长满足关系：λ<R_a<3λ。同时，反射镜的背光面镀有增透膜，以减少激光在反射镜前后表面之间来回反射对光斑测量不确定度的不良影响。反射镜的材料应选择对被测激光吸收少、透射率高的光学材料，比如石英或硅等。

利用普通光学加工工艺处理材料，通过粗磨工序得到具有一定几何形状精度和表面粗糙度(R_a约为几个微米)的基底材料；通过精磨工序对反射镜的后表面进行处理，得到具有一定表面粗糙度(λ<R_a<3λ)的散射面；对反射镜的前表面进行精磨和抛光处理，得到光洁的光学表面；最后对反射镜的前表面进行镀膜，得到具有高反射率(99.5％～99.9％)的反射面。

在本发明的验证性实验中，被测激光是平均功率为3.7W、波长为660nm的红色激光，光斑直径约为50mm。使用的反射镜材料为可见光波段高度透明的光学石英玻璃，反射镜直径200mm，厚度20mm。反射镜迎光面镀660nm高反介质膜。通过光学加工粗磨工序获得粗糙度为R_a≤1.6μm的反射镜背光面。选用科学级可见光CCD相机作为图像采集设备，使用若干片可见光波段的中性密度衰减片对激光强度进行衰减，避免CCD相机发生过度曝光，使用一片针对660nm波长的窄带滤光片排除相机视场内其他波长光线对测量结果的影响。在验证性实验获取的光斑图像与相同实验条件下漫反射方法测量结果进行比较，两者的光斑直径分别为57.2mm和54.3mm，两者的相对偏差为5.3％，在激光光斑测量中属于可接受范围。

为验证本发明具有很高的抗激光损伤能力，通过数值模拟方法在反射镜3的迎光面加载一束波长4μm、平均功率500kW、光斑直径100mm、光斑分布为平顶型的圆形光束，光斑中心与反射镜迎光面中心重合。激光辐照时间持续10s。反射镜材料选择对4μm透射率可达95％的CaF₂，而且反射镜迎光面镀高反射介质膜，根据国内现有镀膜工艺水平，该波长处的高反射介质膜反射率可以达到99.8％以上，背光面镀介质增透膜，透射率可以达到99.5％以上。

模拟计算了迎光面中心点温度随激光辐照时间的变化如图3所示，可以看到，迎光面中心点温度随时间增加而单调增高，在10s达到最大值。在10s时反射镜轴线上的温度分布如图4所示，可以看到，温度从迎光面中心点沿轴线方向迅速下降，反射镜镜体其它大部分位置温度均显著低于迎光面中心温度。综合上述模拟计算结果可知，本发明在平均功率500kW、光斑直径100mm、光斑分布为平顶型的圆形光束连续辐照10s情况下，反射镜整体温升不超过10K，局部最高温度仅为37.6℃，能够正常工作。

Claims (6)

1.基于反射镜后表面散射的高能激光光斑在线监测装置，其特征在于：包括设置在机壳(4)内部的图像采集设备(5)和安装在机壳上的反射镜(3)，所述反射镜(3)设置在激光入射光路上，且反射镜法线与激光入射方向的夹角为30°～60°；所述图像采集设备的镜头正对反射镜的后表面，所述的镜头和反射镜之间设置有光学衰减片(6)和对该激光波长高透射的窄带滤光片(7)；所述反射镜的材料对被测激光透射率不低于90％，反射镜的迎光面(9)镀有高反射膜，对该激光的反射率为99.5％～99.9％，所述的反射镜的后表面(10)加工为粗糙表面，粗糙度R_a与被测激光波长λ满足关系：λ<R_a<3λ。

2.根据权利要求1所述的基于反射镜后表面散射的高能激光光斑在线监测装置，其特征在于：所述的反射镜的后表面(10)镀增透介质膜，能量透射率不低于95％。

3.根据权利要求1所述的基于反射镜后表面散射的高能激光光斑在线监测装置，其特征在于：还包括设置在机壳外的计算机(8)，实现图像采集设备的运行以及图像数据的记录、显示、处理和存储。

4.根据权利要求1所述的基于反射镜后表面散射的高能激光光斑在线监测装置，其特征在于：所述反射镜形状为圆形或矩形，其直径或短边长度大于被测激光光斑直径。

5.根据权利要求1所述的基于反射镜后表面散射的高能激光光斑在线监测装置，其特征在于：所述机壳为不透明刚性结构。

6.根据权利要求1所述的基于反射镜后表面散射的高能激光光斑在线监测装置，其特征在于：所述的反射镜材料为石英、硅或氟化钙。