CN109000794B - 一种激光光谱谱线或者谱带测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光光谱谱线或者谱带测量装置及方法，该装置包括激光光源、谱线产生单元、第一测量单元和第二测量单元；谱线产生单元设置在激光光源的出射光路上，第一测量单元包括分束片、测量部件Ⅰ及测量部件Ⅱ，分束片设置在谱线产生单元的出射光路上，测量部件Ⅰ设置在分束片的反射光路上，测量部件Ⅱ可移动的设置在分束片的透射光路上；第二测量单元包括依次设置在分束片透射光路上的光谱标尺、可变狭缝及测量部件Ⅲ，可变狭缝及测量部件Ⅲ设置在滑块上。利用本装置可以测量得到激光光源辐射中特定谱线或者谱带的绝对能量和辐射比例，解决了光源辐射谱中特定谱线或者谱带辐射能量和比例的绝对测量问题，可以用于光源光谱辐射特性分析。
Description
技术领域
本发明涉及激光光谱测量领域，具体涉及一种激光谱谱线或者谱带测量装置及方法。
背景技术
普通光谱仪光谱响应波段为可见光到近红外，采用阵列光电探测器，可以获得不同谱线的相对强弱和光谱宽度。在某些特殊的应用场合中，需要准确给出特定谱线或者特定谱段在光源辐射光谱成分中的比例，普通光谱仪无法满足要求。
发明内容
为了解决现有普通光谱仪无法准确给出特定谱线或者特定谱带在光源辐射光谱成分中的比例，本发明提供一种激光光谱谱线或者谱带测量装置及方法。
本发明的技术解决方案如下：
一种激光光谱谱线或者谱带测量装置，包括激光光源1、谱线产生单元；所述谱线产生单元设置在激光光源1的出射光路上，所述谱线产生单元产生系列谱线λ1、λ2……λn－1、λn、λn+1……λm，其中，n和m为谱线产生单元分光后产生的谱线序号，n<m；其特殊之处在于：
还包括第一测量单元和第二测量单元；
所述第一测量单元包括分束片36、测量部件Ⅰ38及测量部件Ⅱ37，所述分束片36设置在谱线产生单元的出射光路上，所述测量部件Ⅰ38设置在分束片36的反射光路上，所述测量部件Ⅱ37可移动的设置在分束片36的透射光路上；
所述第二测量单元包括依次设置在分束片36透射光路上的光谱标尺35、可变狭缝4及测量部件Ⅲ5，所述第二测量单元还包括导轨6及沿导轨6滑动的滑块62，所述可变狭缝4及测量部件Ⅲ5设置在滑块62上；
所述激光光源1为连续激光光源或者准连续激光光源，所述测量部件Ⅰ38、测量部件Ⅱ37及测量部件Ⅲ5为功率计；
或者，所述激光光源1为低频脉冲激光光源或者单脉冲激光光源，所述测量部件Ⅰ38、测量部件Ⅱ37及测量部件Ⅲ5为能量计。
进一步地，还包括聚焦透镜2，所述聚焦透镜2设置在激光光源1出口与谱线产生单元入口之间，将激光光源1的出射光收集进入谱线产生单元。
进一步地，所述谱线产生单元包括依次设置在聚焦透镜2出射光路上的入射狭缝31、反射镜Ⅰ32、光栅33及反射镜Ⅱ34。谱线产生单元有多种方式，采用光栅分光是最常用的一种方式。
进一步地，所述谱线产生单元出口处光谱空间分辨能力大于等于1nm/mm。
进一步地，所述分束片36呈45°放置。
同时，本发明还提供了利用上述的测量装置进行谱线测量的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)分束片36透反比标定
将测量部件Ⅱ37放入分束片36的透射光路中，激光输出，利用测量部件Ⅰ38及测量部件Ⅱ37分别测量分束片36反射和透射的激光能量或者功率，利用下式计算得到分束片36透反比η1；
其中，表示分束片36透射的激光能量或者功率；表示分束片36反射的激光能量或者功率；
2)谱线能量或者功率测量
2.1)将测量部件Ⅱ37移出透射光路，激光光源1产生激光输出，激光经过谱线产生单元形成一系列谱线λ1、λ2……λn－1、λn、λn+1……λm，其中n和m分别为谱线的序号，n<m；
2.2)调节可变狭缝4中心位置于λn处，狭缝宽度与光谱λn谱宽相匹配，使得只有光谱λn的光可以通过狭缝入射到测量部件Ⅲ5的探测器表面，记录测量部件Ⅲ5和测量部件Ⅰ38所测量得到的激光能量或者功率；利用下式计算得到激光光谱中谱线λn能量或功率比例η2(λ)：
其中，为测量部件Ⅲ5所测得的激光能量或者功率。
进一步地，还包括步骤3)：测量激光光源1出口处能量或者功率，利用η2(λ)计算得到激光辐射光谱中特定谱线的激光绝对能量或功率。
本发明还提供了利用上述的测量装置进行谱带测量的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)分束片36透反比标定
将测量部件Ⅱ37放入分束片36的透射光路中，激光输出，利用测量部件Ⅰ38及测量部件Ⅱ37分别测量分束片36反射和透射的激光能量或者功率，利用下式计算得到分束片36透反比η1；
其中，表示分束片36透射的激光能量或者功率；
表示分束片36反射的激光能量或者功率；
2)谱带能量或者功率测量
2.1)将测量部件Ⅱ37移出透射光路，激光光源1产生激光输出，激光经过谱线产生单元形成一系列谱线λ1、λ2……λn－1、λn、λn+1……λm，其中n和m分别为谱线序号，n<m；
2.2)调节可变狭缝4，使得可变狭缝4与光谱λp～λn宽度相匹配，p<n，λp～λn的光通过狭缝入射到测量部件Ⅲ5，其余λ1～λp-1,以及λn+1～λm则被可变狭缝4遮挡无法被测量到，记录测量部件Ⅲ5和测量部件Ⅰ38所测量得到的激光能量或者功率，利用下式计算激光光谱中谱带λp～λn能量或者功率比例η3(λ)：
其中，为测量部件Ⅲ5所测得的激光能量或者功率。
进一步地，还包括步骤3)：测量激光光源1出口处脉冲能量或者功率，利用η3(λ)计算得到激光辐射光谱中特定谱带的激光绝对能量或者功率。
本发明具有的技术效果如下：
1、本发明的测量装置及方法可以方便的测量不同激光谱线或者谱带的激光能量或者功率，给出谱线或者谱段在光源辐射光谱成分中的比例，满足光源辐射特性分析特殊需求。
2、本发明的测量装置及方法利用功率计或者能量计可以实现特定激光谱线或者谱带能量强度或功率的绝对测量，解决了光源辐射谱中特定谱线或者谱带能量和辐射比例的绝对测量问题，可以用于光源光谱辐射特性分析和激光动力学过程分析。
附图说明
图1为本发明实施例的测量装置原理示意图；
图2为本发明实施例分束比标定示意图；图3为本发明实施例激光单谱线能量测量装置示意图；
图4为图3中可变狭缝对谱线进行选择的示意图；
图5为本发明实施例激光谱带能量测量装置示意图；
图6为图5中可变狭缝对谱带进行选择的示意图；
附图标记：1-激光光源；2-聚焦透镜；3-壳体；31-入射狭缝、32-反射镜Ⅰ；34-反射镜Ⅱ；33-光栅、35-光谱标尺、36-分束片、37-测量部件Ⅱ；38-测量部件Ⅰ；4-可变狭缝；5-测量部件Ⅲ；6-导轨；62-滑块；61-滑块控制单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的一个实施例进行详细说明。
在本实施例中，激光光源1选用中红外脉冲激光光源，测量部件Ⅰ38、测量部件Ⅱ37及测量部件Ⅲ5为能量计。
如图1所示，本实施例的激光谱谱线或者谱带测量装置，包括激光光源1、聚焦透镜2，壳体3、谱线产生单元、第一测量单元及第二测量单元，其中聚焦透镜2设置在激光光源1出口，谱线产生单元及第一测量单元位于壳体3内，谱线产生单元包括依次设置在聚焦透镜2出射光路上的入射狭缝31、反射镜Ⅰ32、光栅33及反射镜Ⅱ34；第一测量单元包括分束片36、测量部件Ⅰ38及测量部件Ⅱ37，分束片36设置在谱线产生单元的出射光路上，测量部件Ⅰ38设置在分束片36的反射光路上，测量部件Ⅱ37可移动的设置在分束片36的透射光路上；第二测量单元包括依次设置在分束片36透射光路上的光谱标尺35、可变狭缝4及测量部件Ⅲ5，第二测量单元还包括导轨6及沿导轨6滑动的滑块62，可变狭缝4及测量部件Ⅲ5设置在滑块62上。可变狭缝4具有可调节能力，可以根据具体需求调节可变狭缝4宽度，在谱线产生单元出口处选择单一谱线或者谱带。本实施例测量部件Ⅲ5置于可变狭缝4之后，利用可变狭缝4控制接收能量的波长范围。光谱标尺35设置在谱线产生单元出口处，用于标定出光谱谱线位置。
测量部件Ⅱ37置于投射光路上时，用于标定分束片的透反比，测量部件Ⅱ37置于投射光路之外时，用于测量特定激光谱线或者谱带内的脉冲能量。
本实施例中的激光入射到谱线产生单元，通过聚焦透镜2提高入射能量，谱线产生单元对不同波长激光脉冲进行分光，在出射端形成分立的激光谱线。在出射端标定给出对应激光波长空间位置，正对光路出射端是可变狭缝4，通过滑块62调节所测光谱中心谱线位置，通过调节可变狭缝4的宽度选择特定谱线或者谱带，获得相应的谱线或者谱带的激光能量。利用分束片36和测量部件Ⅰ38及测量部件Ⅱ37标定给出分束片36透反比，用以对谱线产生单元出口处能量进行检测，计算特定谱线或者谱带的绝对能量比例。为了提高测量精度，减小相邻谱线影响，谱线产生单元出口处光谱空间分辨能力不小于1nm/mm。本实施例滑块62的滑动方向与谱线产生单元的光线出射方向垂直，与标定好的光谱标尺35平行。分束片36要求在激光光源1谱段内透过率平坦、无起伏，具有确定的透反比。测量部件Ⅰ38、测量部件Ⅱ37及测量部件Ⅲ5可以测量入射激光在特定激光谱线或者谱带内的脉冲能量。
利用本实施例的测量装置进行谱线、谱带能量测量的方法，具体如下：
测量前，首先标定分束片36的分束比。测量部件Ⅱ37放入分束片36的透射光路中(如图2所示)，激光输出，利用测量部件Ⅱ37和测量部件Ⅰ38分别测量分束片36反射和透射的每一次激光脉冲能量。利用下式计算得到分束片36透反比。
测量激光谱线或者谱带能量时，首先将测量部件Ⅱ37移出透射光路，保证激光经分光光路后正常出射，激光光源1产生激光输出，激光经过聚焦透镜2聚焦入射到狭缝31，经过谱线产生单元分光，在谱线产生单元出口处形成一系列谱线λ1、λ2……λn－1、λn、λn+1……λm(n<m)。
如图3-4，测量单谱线λn谱线能量时，调节可变狭缝4中心位置于λn处，狭缝宽度与光谱λn谱宽相匹配，使得λn的光可以通过狭缝入射到测量部件Ⅲ5表面，其余λ1、λ2……λn－1以及λn+1……λm的光则被可变狭缝4遮挡。记录测量部件Ⅲ5和测量部件Ⅰ38所测量得到的每一次激光脉冲能量。利用下式计算得到激光光谱中谱线λn能量比例。
如图5-6所示，测量谱带能量时，调节可变狭缝4使得狭缝与光谱λp～λn宽度相匹配，λp～λn的光可以通过狭缝入射到测量部件Ⅲ5，其余λ1～λp-1以及λn+1～λm则被可变狭缝4遮挡无法被测量到。记录测量部件Ⅲ5和测量部件Ⅰ38所测量得到的每一次激光脉冲能量。利用下式计算得到激光光谱中谱带λp～λn能量比例。
通过测量激光出口处脉冲能量，利用η2(λ)、η3(λ)可以计算得到激光辐射光谱中特定谱线或者谱带的激光绝对能量。
对于连续激光或者准连续激光辐射光谱中特定谱线或者谱带的测量方法，与脉冲激光类似，激光光源1需要作替换，将上述测量部件Ⅲ5、测量部件Ⅱ37、测量部件Ⅰ38，替换为功率计，测量对应的激光功率即可。
Claims (9)
1.一种激光光谱谱线或者谱带测量装置，包括激光光源(1)、谱线产生单元；所述谱线产生单元设置在激光光源(1)的出射光路上，所述谱线产生单元产生系列谱线λ1、λ2……λn－1、λn、λn+1……λm，其中，n和m为谱线产生单元分光后产生的谱线序号，n<m；其特征在于：
还包括第一测量单元和第二测量单元；
所述第一测量单元包括分束片(36)、测量部件Ⅰ(38)及测量部件Ⅱ(37)，所述分束片(36)设置在谱线产生单元的出射光路上，所述测量部件Ⅰ(38)设置在分束片(36)的反射光路上，所述测量部件Ⅱ(37)可移动的设置在分束片(36)的透射光路上；
所述第二测量单元包括依次设置在分束片(36)透射光路上的光谱标尺(35)、可变狭缝(4)及测量部件Ⅲ(5)；
所述第二测量单元还包括导轨(6)及沿导轨(6)滑动的滑块(62)，所述可变狭缝(4)及测量部件Ⅲ(5)设置在滑块(62)上；
所述激光光源(1)为连续激光光源或者准连续激光光源，所述测量部件Ⅰ(38)、测量部件Ⅱ(37)及测量部件Ⅲ(5)为功率计；
或者，所述激光光源(1)为低频脉冲激光光源或者单脉冲激光光源，所述测量部件Ⅰ(38)、测量部件Ⅱ(37)及测量部件Ⅲ(5)为能量计。
2.根据权利要求1所述的激光光谱谱线或者谱带测量装置，其特征在于：
还包括聚焦透镜(2)，所述聚焦透镜(2)设置在激光光源(1)出口与谱线产生单元入口之间。
3.根据权利要求2所述的激光光谱谱线或者谱带测量装置，其特征在于：
所述谱线产生单元包括依次设置在聚焦透镜(2)出射光路上的入射狭缝(31)、反射镜Ⅰ(32)、光栅(33)及反射镜Ⅱ(34)。
4.根据权利要求3所述的激光光谱谱线或者谱带测量装置，其特征在于：
所述谱线产生单元出口处光谱空间分辨能力大于等于1nm/mm。
5.根据权利要求4所述的激光光谱谱线或者谱带测量装置，其特征在于：
所述分束片(36)呈45°放置。
6.利用权利要求1-5任一所述激光光谱谱线测量装置进行谱线测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)分束片(36)透反比标定
将测量部件Ⅱ(37)放入分束片(36)的透射光路中，激光输出，利用测量部件Ⅰ(38)及测量部件Ⅱ(37)分别测量分束片(36)反射和透射的激光能量或者功率，利用下式计算得到分束片(36)透反比η1；
其中，表示分束片(36)透射的激光能量或者功率；表示分束片(36)反射的激光能量或者功率；
2)谱线能量或者功率测量
2.1)将测量部件Ⅱ(37)移出透射光路，激光光源(1)产生激光输出，激光经过谱线产生单元形成一系列谱线λ1、λ2……λn－1、λn、λn+1……λm，其中n和m分别为谱线的序号，n<m；
2.2)调节可变狭缝(4)中心位置于λn处，狭缝宽度与光谱λn谱宽相匹配，使得只有光谱λn的光可以通过狭缝入射到测量部件Ⅲ(5)的探测器表面，记录测量部件Ⅲ(5)和测量部件Ⅰ(38)所测量得到的激光能量或者功率；利用下式计算得到激光光谱中谱线λn能量或功率比例η2(λ)：
其中，为测量部件Ⅲ(5)所测得的激光能量或者功率。
7.根据权利要求6所述的谱线测量的方法，其特征在于：
还包括步骤3)：测量激光光源(1)出口处能量或者功率，利用η2(λ)计算得到激光辐射光谱中特定谱线的激光绝对能量或功率。
8.利用权利要求1-5任一所述激光光谱谱带测量装置进行谱带测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)分束片(36)透反比标定
将测量部件Ⅱ(37)放入分束片(36)的透射光路中，激光输出，利用测量部件Ⅰ(38)及测量部件Ⅱ(37)分别测量分束片(36)反射和透射的激光能量或者功率，利用下式计算得到分束片(36)透反比η1；
其中，表示分束片(36)透射的激光能量或者功率；
表示分束片(36)反射的激光能量或者功率；
2)谱带能量或者功率测量
2.1)将测量部件Ⅱ(37)移出透射光路，激光光源(1)产生激光输出，激光经过谱线产生单元形成一系列谱线λ1、λ2……λn－1、λn、λn+1……λm，其中n和m分别为谱线序号，n<m；
2.2)调节可变狭缝(4)，使得可变狭缝(4)与光谱λp～λn宽度相匹配，p<n，λp～λn的光通过狭缝入射到测量部件Ⅲ(5)，其余λ1～λp-1,以及λn+1～λm则被可变狭缝(4)遮挡无法被测量到，记录测量部件Ⅲ(5)和测量部件Ⅰ(38)所测量得到的激光能量或者功率，利用下式计算激光光谱中谱带λp～λn能量或者功率比例η3(λ)：
其中，为测量部件Ⅲ(5)所测得的激光能量或者功率。
9.根据权利要求8所述的谱带测量的方法，其特征在于：
还包括步骤3)：测量激光光源(1)出口处脉冲能量或者功率，利用η3(λ)计算得到激光辐射光谱中特定谱带的激光绝对能量或者功率。
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