CN105449509A - 一种具有功率自动稳定功能的双探头脉冲固体激光器 - Google Patents

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陆继东
张向
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Abstract

本发明公开了一种具有功率自动稳定功能的双探头脉冲固体激光器，包括激光器探头端部、合束器、聚焦镜片、控制系统、冷却装置，所述激光器探头端部内设置有单独供电的第一激光探头和第二激光探头、两块对称设置的45°分光镜、设有光耦合器的光纤、激光功率计；所述合束器设置在包括激光器探头端部的出光端，包括两块对称设置的45°反射镜和由步进电机驱动的旋转镜片，所述控制系统与激光功率计、第一激光探头电源、第二激光探头电源、冷却装置、步进电机电路连接。本发明增加了激光器系统的使用寿命和设备可靠性；实现激光器的稳定出光，保证稳定光谱测量数据的获取，可有效增加激光诱导击穿光谱技术在线检测的可靠性和稳定性。

Description

一种具有功率自动稳定功能的双探头脉冲固体激光器
技术领域
本发明涉及激光诊断和测量技术领域，更具体的说是涉及到，激光诱导击穿光谱技术（LIBS）实现固体物料成分在线检测所用的能够长期运行的激光器系统。
背景技术
激光诱导击穿光谱技术（Laser-InducedBreakdownSpectroscopy，简称LIBS），是近年逐步发展起来的一种潜在的工业过程在线测量技术，被尝试应用于各种工业过程的质量控制或状态诊断。该技术是采用脉冲激光作为发射光谱分析的诱发工具，因此激光器作为激发光源其本身的发展很大程度上决定了LIBS技术在实际过程的应用。对于工业过程的在线检测，要求能实时反映被测对象的基本特征，同时像火力发电厂、水泥厂等工业过程，现场环境恶劣，有粉尘和振动的影响，同时还需易于维护，因此对激光器本身的性能及整个系统长时间使用提出了更高的要求。LIBS技术常用的是Nd：YAG固体激光器，其激活物质晶体使用氙灯作为泵浦灯管，少数固定的光谱峰被Nd离子吸收，大部分被吸收的光谱能量转化成热能，需要利用冷却水将其热量带走，同时泵浦灯的使用次数有限，因此对整个系统的长时间使用提出了更高的要求。目前市场上常用的激光器有北京镭宝光电有限公司、法国Quantel激光公司、Litron激光公司等，然而其提供的激光器只适合于实验室工作环境（温度20℃，湿度30%-70%），且随着运行时间的增加，激光冷却水系统的水温会升高，出现激光能量衰减的问题，最多只能保证连续工作（4-8）小时，难以适应工业现场环境中使用时长期稳定可靠的要求。
发明内容
针对市场上现有的Nd:YAG激光器不能满足LIBS技术在工业现场的连续稳定可靠运行的情况，本发明提供了一种具有功率自动稳定功能的双探头脉冲固体激光器，整个激光器系统采用模块化设计，保证易维护、易更换，可靠性高。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种具有功率自动稳定功能的双探头脉冲固体激光器，包括激光器探头端部、合束器、聚焦镜片、控制系统、冷却装置，所述激光器探头端部内平行设置有由第一激光探头电源供电的第一激光探头和由第二激光探头电源供电的第二激光探头、两块对称设置的45°分光镜、设有光耦合器的光纤、激光功率计；所述合束器设置在包括激光器探头端部的出光端，包括两块对称设置的45°反射镜和设置在两块对称设置的45°反射镜之间的、由步进电机驱动的旋转镜片，所述第一激光探头、第二激光探头发出的激光分别传输至两块45°分光镜，一部分光透过45°分光镜，另一部分光由45°分光镜反射至光纤耦合器后经光纤传输至激光功率计进行激光能量的实时监测，透过45°分光镜的光经45°反射镜反射后由旋转镜片反射至合束器中心出口输出，经聚焦镜片聚焦后与样品作用产生等离子体；所述冷却装置为恒温水冷系统，用于对激光探头进行恒温冷却；所述控制系统与激光功率计、第一激光探头电源、第二激光探头电源、冷却装置、步进电机电路连接，用于控制冷却装置的冷却水温度、步进电机的旋转角度、设定激光探头的工作模式以及根据激光功率计实时监测的激光输出能量自适应调整激光输出能量使其位于设定范围值内。
进一步地，所述的冷却装置包括恒温制冷机，用于保证激光器冷却水的进出口水温恒定，避免冷却水温度的变化对激光出光稳定性的影响。
进一步地，所述设定激光探头的工作模式具体为:设定第一激光探头或者第二激光探头的单独工作，或设定第一激光探头和第二激光探头按预定时间间隔轮换工作。
进一步地，所述45°分光镜表面镀制用于实现对输出激光进行透射和反射分光的分光膜，透过光和反射光的比例为99:1，保证99%的激光能够透过该45°分光镜传输至合束器中的45°反射镜用于测量，剩余1%的激光可经该45°分光镜反射，并由光纤接收传输至激光功率计用于激光能量的实时监测，根据反射与透射的比例，得到激光输出的能量大小的实时测量结果，并传输至控制系统。
进一步地，所述根据激光功率计实时监测的激光输出能量自适应调整激光输出能量使其位于设定范围值内具备为：控制系统获取激光功率计实时监测的激光输出能量，并将测量得到的激光输出能量的统计平均值与设定值进行比较，当偏差超过一定范围时，向激光器系统发出指令，调整加载在激光探头内部氙灯两端的加载电压，调整激光输出能量的统计平均值在设定范围之内，减小激光能量波动对光谱测量的影响。
相比现有技术，本发明的有益效果包括：本发明采用两个单独的激光探头，设置单独的供电电源和冷却装置，可有效提高整个激光系统运行的可靠性，增加系统的使用寿命和工作周期。同时利用光纤传输式激光功率计对激光分光能量进行实时监测，获取激光能量的实时值，并将其统计平均值与设定值进行比较。根据比较结果，由控制系统发出指令对加载在氙灯两端的电压进行调整，从而实现对输出激光能量的调整，保证激光出光的稳定性，从而增加整个测量系统运行的可靠性。
附图说明
图1是本发明的一种具有功率自动稳定功能的双探头脉冲固体激光器示意图。
图中标号：1-激光器探头端部，2-合束器，3-第一激光探头，4-第二激光探头，5-45°分光镜，6-45°反射镜，7-旋转镜片，8-聚焦镜片，9-激光功率计，10-光纤，11-等离子体，12-第一激光探头电源，13-第二激探光头电源，14-控制系统，15-冷却装置。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1所示，一种具有功率自动稳定功能的双探头脉冲固体激光器，包括激光器探头端部1、合束器2、聚焦镜片8、控制系统14、冷却装置15。
所述激光器探头端部1内平行设置有由第一激光探头电源12供电的第一激光探头3和由第二激光探头电源13供电的第二激光探头4、两块对称设置的45°分光镜5、设有光耦合器的光纤10、激光功率计9；所述合束器2连接设置在包括激光器探头端部1的出光端，包括两块对称设置的45°反射镜6和设置在两块对称设置的45°反射镜6之间的、由步进电机驱动的旋转镜片7，所述第一激光探头3、第二激光探头4发出的激光分别传输至两块45°分光镜5，一部分光透过45°分光镜5，另一部分光由45°分光镜5反射至光纤耦合器后经光纤10传输至激光功率计9进行激光能量的实时监测，透过45°分光镜5的光经45°反射镜反射后由旋转镜片7反射至合束器2中心出口输出，经聚焦镜片8聚焦后与样品作用产生等离子体11；
所述冷却装置15为恒温水冷系统，用于对激光探头进行恒温冷却；
所述控制系统14与激光功率计9、第一激光探头电源12、第二激光探头电源13、冷却装置15、步进电机电路连接，用于控制冷却装置15的冷却水温度、步进电机的旋转角度、设定激光探头的工作模式以及根据激光功率计9实时监测的激光输出能量自适应调整激光输出能量使其位于设定范围值内。
所述的冷却装置15包括恒温制冷机，用于保证激光器冷却水的进出口水温恒定，避免冷却水温度的变化对激光出光稳定性的影响。
所述设定激光探头的工作模式具体为:设定第一激光探头3或者第二激光探头4的单独工作，或设定第一激光探头3和第二激光探头4按预定时间间隔轮换工作。
所述根据激光功率计9实时监测的激光输出能量自适应调整激光输出能量使其位于设定范围值内具备为：控制系统14获取激光功率计9实时监测的激光输出能量，并将测量得到的激光输出能量的统计平均值与设定值进行比较，当偏差超过一定范围时，向激光器系统发出指令，调整加载在激光探头内部氙灯两端的加载电压，调整激光输出能量的统计平均值在设定范围之内，减小激光能量波动对光谱测量的影响。
所述45°分光镜6表面镀制用于实现对输出激光进行透射和反射分光的分光膜，透过光和反射光的比例为99:1，保证99%的激光能够透过该45°分光镜传输至合束器中的45°反射镜用于测量，剩余1%的激光经该45°分光镜反射，并由光纤10接收传输至激光功率计9用于激光能量的实时监测，根据反射与透射的比例，得到激光输出的能量大小的实时测量结果，并传输至控制系统。
所述合束器2激光探头端部1连接在一起，用于保证两个激光探头发出的激光能够同轴从整个激光器系统的中心输出，且经聚焦镜片8聚焦后，在同一位置聚焦产生等离子体11。在合束器2中，设置了两块45°反射镜6，用于反射透过45°分光镜5的光，然后再由旋转镜片7反射后，从合束器2中心输出激光。所述的旋转镜片为激光全反镜，通过卡具固定在由精密步进电机控制的电动旋转台的一端，通过旋转全反镜实现将不同激光探头发出的激光光束反射至合束器2中心出口，用于被聚焦镜片8聚焦，旋转镜片7由精密步进电机控制其旋转，在图1中实线的位置时，反射的是第二激光探头4发出的激光，旋转顺时针旋转180°至图1中虚线的位置时，反射的是第一激光探头3发出的激光。
两个激光探头单独配置供电电源和冷却装置，其中第一激光探头3的电源为第一激光探头电源12，第二激光探头4的电源为第二激探光头电源13，两激光探头的冷却系统集成在冷却装置15中，内部通过设置恒温制冷机来保证激光器冷却水的进出口水温恒定，避免冷却水温度的变化对激光出光稳定性的影响。整个激光器系统设置控制器系统14，所述的控制系统包括控制器和工控计算机，用于设置和获取激光器的相关参数（氙灯加载电压，轮换工作时间间隔，激光频率，激光的出光次数等）并控制两个激光探头的工作模式，即第一激光探头单独工作，第二激光探头单独工作，第一、二激光探头轮换工作，其中两个激光探头轮换工作的时间间隔可根据需要进行设置。将激光功率计9获取的激光系统输出的实时激光能量，传输至控制系统14，由控制系统14对一定脉冲次数的激光能量进行统计平均。将其统计平均值作为控制参数，与控制系统14内的设置值进行比较，当两者的偏差超过设定值时，利用控制系统14发出指令，调整激光探头内部氙灯两端的加载电压大小，保证激光能量与设定值在偏差之内，确保激光出光稳定，进而获取稳定的光谱测量数据。
本发明的整个激光器系统内部设计两个可单独工作的激光探头，每个激光探头单独设置供电电源和冷却装置。冷却装置设置恒温制冷机，确保激光器冷却水的进出口温度恒定，避免冷却水温度的变化对激光出光稳定性的影响，进而保证系统运行的可靠性。同时系统采用模块化设计，便于后期的维护和更换。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有功率自动稳定功能的双探头脉冲固体激光器，其特征在于：包括激光器探头端部（1）、合束器（2）、聚焦镜片（8）、控制系统（14）、冷却装置（15），所述激光器探头端部（1）内平行设置有由第一激光探头电源（12）供电的第一激光探头（3）和由第二激光探头电源（13）供电的第二激光探头（4）、两块对称设置的45°分光镜（5）、设有光耦合器的光纤（10）、激光功率计（9）；所述合束器（2）设置在包括激光器探头端部（1）的出光端，包括两块对称设置的45°反射镜（6）和设置在两块对称设置的45°反射镜（6）之间的、由步进电机驱动的旋转镜片（7），所述第一激光探头（3）、第二激光探头（4）发出的激光分别传输至两块45°分光镜（5），一部分光透过45°分光镜（5），另一部分光由45°分光镜（5）反射至光纤耦合器后经光纤（10）传输至激光功率计（9）进行激光能量的实时监测，透过45°分光镜（5）的光经45°反射镜反射后由旋转镜片（7）反射至合束器（2）中心出口输出，经聚焦镜片（8）聚焦后与样品作用产生等离子体（11）；所述冷却装置(15)为恒温水冷系统，用于对激光探头进行恒温冷却；所述控制系统（14）与激光功率计（9）、第一激光探头电源（12）、第二激光探头电源（13）、冷却装置(15)、步进电机电路连接，用于控制冷却装置(15)的冷却水温度、步进电机的旋转角度、设定激光探头的工作模式以及根据激光功率计（9）实时监测的激光输出能量自适应调整激光输出能量使其位于设定范围值内。
2.根据权利要求1所述的具有功率自动稳定功能的双探头脉冲固体激光器，其特征在于：所述的冷却装置（15）包括恒温制冷机，用于保证激光器冷却水的进出口水温恒定。
3.根据权利要求1所述的具有功率自动稳定功能的双探头脉冲固体激光器，其特征在于，所述设定激光探头的工作模式具体为:设定第一激光探头（3）或者第二激光探头（4）的单独工作，或设定第一激光探头（3）和第二激光探头（4）按预定时间间隔轮换工作。
4.根据权利要求1所述的具有功率自动稳定功能的双探头脉冲固体激光器，其特征在：所述45°分光镜（6）表面镀制用于实现对输出激光进行透射和反射分光的分光膜，透过光和反射光的比例为99:1。
5.根据权利要求1所述的具有功率自动稳定功能的双探头脉冲固体激光器，其特征在，所述根据激光功率计（9）实时监测的激光输出能量自适应调整激光输出能量使其位于设定范围值内具备为：控制系统（14）获取激光功率计（9）实时监测的激光输出能量，并将测量得到的激光输出能量的统计平均值与设定值进行比较，当偏差超过一定范围时，向激光器系统发出指令，调整加载在激光探头内部氙灯两端的加载电压，调整激光输出能量的统计平均值在设定范围之内。
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