CN105466667B - 一种测量大功率co2激光发散角的方法 - Google Patents
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Abstract
一种测量大功率CO2激光发散角的方法，属于大功率CO2激光器技术领域，为了解决现有测量方法无法准确测量大功率CO2激光发散角的问题，固定待测大功率CO2激光器，沿待测激光光轴方向垂直放置漫反射板，使激光光斑位于漫反射板的中心，漫反射板的四个顶角位置具有四个黑体，保持漫反射板通电，黑体发热；然后，安装红外成像设备，使其与漫反射板入射面成一定角度，且距离为红外成像设备的焦距；最后，红外成像设备与计算机连接；待测大功率CO2激光器持续发射激光，此时关闭红外成像设备；停止发射激光，同时开启红外成像设备，采集激光照射漫反射板后产生的图像，将图像数据传输给计算机，计算机算出大功率CO2激光器的激光发散角。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量大功率CO2激光发散角的方法，属于大功率CO2激光器技术领域。
背景技术
大功率CO2激光器广泛应用在工业、医疗、军事和科研等众多领域。近些年大功率CO2激光远场应用迅速发展，远场光斑的分布直接决定激光的作用效果。而远场光斑受激光发散角影响，因此激光发散角是衡量激光作用效果的重要指标。激光发散角的直观体现是由于激光传输距离变化引起激光光斑尺寸的变化。要测量激光发散角，必须准确获得激光光斑尺寸。
光斑烧蚀法是较为常见的大功率激光发散角测试方法，其原理是利用激光具有的能量烧蚀苯板等材料，通过测量激光在苯板上烧蚀图案来代替激光光斑计算其发散角。但是在试验中发现，由于激光的能量发布为中心强，边缘弱，导致光斑对苯板等材料烧蚀程度不一致，出现激光光斑中心已经完全将苯板完全烧透而激光边缘烧蚀不明显的现象。特别是随着测量距离的增加，激光边缘烧蚀效果愈来不明显，因此测量存在一定误差。
文献“中波红外激光器的光束指向红外图像检测法”郭汝海，孙涛，王兵，激光与光电子学进展，2012,49,081404，采用激光照射漫反射板，用对应波段探测器采集激光光斑的方法，在中等功率以连续模式运转的激光器中此方法较为适用，但是在大功率特别是脉冲形式运转的CO2激光器测试中，由于激光在漫反射板形成的能量也非常强，测试过程需要对探测器进行衰减保护，但探测器的衰减又是非常复杂的过程，衰减率不够会造成探测器损伤，衰减率过大则造采集激光光斑不全，甚至采集不到激光光斑的现象，因此不适合大功率激光光斑的测试。
发明内容
本发明为了解决现有测量方法无法准确测量大功率CO2激光发散角的问题，提供一种基于红外成像识别激光光斑测量大功率CO2激光发散角的方法。
为解决上述技术难题，本发明的测试方法具体如下：
一种测量大功率CO2激光发散角的方法，包括以下步骤：
步骤一，首先，固定待测大功率CO2激光器4，沿待测激光光轴方向垂直放置漫反射板1，使激光光斑位于漫反射板1的中心，漫反射板1的四个顶角位置具有四个黑体，保持漫反射板1通电，黑体发热；然后，安装红外成像设备2，使其与漫反射板1入射面成一定角度，且距离为红外成像设备2的焦距；最后，红外成像设备2与计算机3连接；
步骤二，待测大功率CO2激光器4持续发射激光到漫反射板1上，此时关闭红外成像设备2；
步骤三，停止待测大功率CO2激光器4发射激光，同时开启红外成像设备2，采集激光照射漫反射板1后产生的图像，红外成像设备2将图像数据传输给计算机3，计算机根据接收到的图像中黑体和热分布图像的相对位置关系，利用相机标定算法和图像处理算法计算出热分布图像尺寸，即激光光斑尺寸；
步骤四，沿激光光轴方向移动漫反射板1，同时移动红外成像设备2使其与漫反射板1相对位置不变，重复步骤二和步骤三，记录此时的激光光斑尺寸；
步骤五，根据步骤三和步骤四获得的激光光斑尺寸，利用光程差法计算出该大功率CO2激光器4的激光发散角。
本发明的有益效果：该方法可计算包含光斑边缘的激光光斑形状，即可以检测到弱能量区域，其测量结果准确；激光发射过程中关闭红外成像设备，不需要设计衰减装置，测试设备相对简单；由于该方法直接测量热分布，可以很好的保护红外成像设备，避免直接采集激光光斑造成的损伤。该方法可用于测量大功率CO2激光发散角的测量，特别适用于平均功率和峰值功率均非常高的大功率脉冲CO2激光。
附图说明
图1为本发明的激光发散角测试方法示意图。
图中：1、漫反射板，2、红外成像设备，3、计算机，4、大功率CO2激光器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
一种测量大功率CO2激光发散角的方法，如图1所示，该方法所用的装置，包括漫反射板1、红外成像设备2、计算机3和待测大功率CO2激光器4，待测大功率CO2激光器4发出的光成角度入射到漫反射板1上，红外成像设备2的视场大于漫反射板1的面积，计算机3与红外成像设备2相连。
漫反射板1的激光照射面采用多层聚四氟乙烯(PTFE)材料均匀喷涂制成，漫反射板1面积大于待测大功率CO2激光器4的激光光斑面积，使光斑能完全落在漫反射板1内。漫反射板1的四个顶角位置镶嵌安装四个黑体，其直径为Φ5mm，该黑体在通电状态下可以发热，作为相机标定标识。
红外成像设备2是具有待测大功率CO2激光器4的激光相同波段的红外相机。红外成像设备2安装在距漫反射板一定距离的位置。通过调节红外成像设备2焦距保证漫反射板1可以在红外成像设备2的视场范围内清晰成像。该红外成像设备2具有图像存储功能，可将存储采集的图像用于图像处理分析。
计算机3与红外成像设备2相连接，接收红外成像设备2采集的红外图像。计算机3内置相机标定算法和图像处理算法，相机标定算法用于标定红外成像设备2与漫反射板2间的位置关系，将采集到的图像映射到漫反射板1上，消除两者间距离和角度引起的误差影响；图像处理算法用于计算采集到图像的尺寸。
一种测量大功率CO2激光发散角的方法，包括以下步骤：
步骤一，首先，固定待测大功率CO2激光器4，沿待测激光光轴方向距离为 50-100m处垂直放置漫反射板1，使激光光斑位于漫反射板1的中心，漫反射板 1的四个顶角位置具有四个黑体，保持漫反射板1通电，黑体发热；然后，安装红外成像设备2，使其与漫反射板1入射面成一定角度，且距离为红外成像设备 2的焦距；最后，红外成像设备2与计算机3连接。
步骤二，待测大功率CO2激光器4持续发射激光到漫反射板1上，此时关闭红外成像设备2。
步骤三，停止待测大功率CO2激光器4发射激光，同时开启红外成像设备2，采集激光照射漫反射板1后产生的图像，红外成像设备2将图像数据传输给计算机3，计算机根据接收到的图像中黑体和热分布图像的相对位置关系，利用相机标定算法和图像处理算法计算出热分布图像尺寸，即激光光斑尺寸。
步骤四，沿激光光轴方向移动漫反射板1，同时移动红外成像设备2使其与漫反射板1相对位置不变，重复步骤二和步骤三，记录此时的激光光斑尺寸。
步骤五，根据步骤三和步骤四获得的激光光斑尺寸，利用光程差法计算出该大功率CO2激光器4的激光发散角。
实施例：
将待测大功率CO2激光器4固定，沿光轴方向在与待测大功率CO2激光器 4距离为70m处固定漫反射板1，根据理论计算的发散角和激光器出口光斑直径，激光传输此距离后形成的激光光斑可全部落在漫反射板1内，用耐火材料遮挡漫反射板1并且预接收激光光斑，根据接收到的激光光斑位置调整漫反射板1高度，使激光光斑位置处于漫反射板1的中心。
在偏离激光光轴15°，且与漫反射板1距离为15m处安放红外成像设备2 (该红外成像设备焦距为15m)，对红外成像设备2进行微调，保证漫反射板1 全部进入红外成像设备2视场内，并且漫反射板1上的黑体可清晰成像在该设备的视场内。
连接计算机3，启动相机标定算法程序和图像识别算法程序。待所有设备连接完成后，红外成像设备2处于关闭状态，启动待测大功率CO2激光器4，待激光照射漫反射板1一定时间后停止，同时开启红外成像设备2，使红外成像设备 2采集到漫反射板形成的图像。将采集到的图像传输至计算机3，计算机根据接收到的图像中黑体和热分布图像的相对位置关系，应用相机标定算法标和图像识别算法计算出热分布图像尺寸，即激光光斑尺寸。
将漫反射板1沿光轴方向移动至与待测大功率CO2激光器4距离为50m处的位置，重复上述实验步骤，测量得到50m处的激光光斑尺寸。利用光程差法即可计算出该大功率CO2激光器4的激光发散角。
Claims (1)
1.一种测量大功率CO2激光器的激光发散角的方法，其特征是，其包括以下步骤：
步骤一，首先，固定待测大功率CO2激光器(4)，沿待测激光光轴方向垂直放置漫反射板(1)，使激光光斑位于漫反射板(1)的中心，漫反射板(1)的四个顶角位置具有四个黑体，保持漫反射板(1)通电，黑体发热；然后，安装红外成像设备(2)，使其与漫反射板(1)入射面成一定角度，且距离为红外成像设备(2)的焦距；最后，红外成像设备(2)与计算机(3)连接；
步骤二，待测大功率CO2激光器(4)持续发射激光到漫反射板(1)上，此时红外成像设备(2)保持关闭；
步骤三，停止待测大功率CO2激光器(4)发射激光，同时开启红外成像设备(2)，采集激光照射漫反射板(1)后产生的图像，红外成像设备(2)将图像数据传输给计算机(3)，计算机根据接收到的图像中黑体和热分布图像的相对位置关系，利用相机标定算法和图像处理算法计算出热分布图像尺寸，即激光光斑尺寸；
步骤四，沿激光光轴方向移动漫反射板(1)，同时移动红外成像设备(2)使其与漫反射板(1)相对位置不变，重复步骤二和步骤三，记录此时的激光光斑尺寸；
步骤五，根据步骤三和步骤四获得的激光光斑尺寸，利用光程差法计算出该大功率CO2激光器(4)的激光发散角。
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