CN109738064B - 脉冲激光的脉冲功率测量方法 - Google Patents

Abstract

一种脉冲激光的脉冲功率测量方法，包括：将n个第一激光束，照射到反射介质表面以产生漫反射光；采用第一光电转化器件，接收部分漫反射光以产生第一电信号；根据n个第一激光束对应的n个已知低脉冲功率和n个第一电信号，得到激光脉冲功率与第一电信号的特性曲线，作为第一特性曲线；将待测量激光束，照射到反射介质表面以产生第一测量反射光；采用第一光电转化器件，接收部分第一测量反射光以产生第一测量电信号；根据第一特性曲线和第一测量电信号，计算得到待测量激光束的第一测量脉冲功率。所述脉冲激光的脉冲功率测量方法能够低成本、便捷、快速和准确地测量相应的脉冲功率。

Description

脉冲激光的脉冲功率测量方法

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种脉冲激光的脉冲功率测量方法。

背景技术

现有测量激光输出功率的方式，通常需要采用专用的高成本测量设备，并且，通常所要测量的功率越高，所需要的仪器成本越高。因此，很多情况下，人们在使用相应激光时，手头经常并没有相应的高昂测量仪器，无法及时快捷地对相应的激光进行测量。

公开号为CN105222889A的中国专利申请，公开一种强激光功率密度的测量装置，它依次包括激光器、聚焦透镜和真空腔，真空腔设有进气管和真空泵，进气管连接有储气瓶和喷嘴，喷嘴具有极性分子喷流，真空腔连接有软X射线摄像头，所述真空腔设有进光窗口和铝膜，所述进光窗口与铝膜相对，且所述进光窗口与聚焦透镜相邻，所述铝膜与软X射线摄像头相邻。这样的装置正如前面所述，这样的测量装置通常制造复杂，成本高昂。

公开号为CN105181131A的中国专利申请，公开一种激光功率测量方法，它通过将激光打在及稀土掺杂纳米材料上，来产生荧光，然后测定荧光，来反映和计算激光功率。然而，这种方式需要手边有相应的特定稀土掺杂纳米材料，即需要有能够产生荧光的稀土掺杂纳米材料，通常同样无法方便地解决人们对激光脉冲功率的测量需求。

对于脉冲激光，特别是脉冲功率在2W以上的脉冲激光，如何进行成本低且准确度有保证的测量，成为业界的需求。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种脉冲激光的脉冲功率测量方法，以更方便快捷地测量脉冲激光的脉冲功率。

为解决上述问题，本发明提供一种脉冲激光的脉冲功率测量方法，包括：提供n个第一激光束，每个所述第一激光束具有一个已知的低脉冲功率，不同所述第一激光束的所述低脉冲功率不同，n为2以上的整数；将n个所述第一激光束，从第一入射位置，照射到反射介质表面以产生漫反射光；采用第一光电转化器件，在第一反射位置，接收部分所述漫反射光以产生第一电信号；根据n个所述第一激光束对应的n个所述已知低脉冲功率和n个所述第一电信号，得到激光脉冲功率与所述第一电信号的特性曲线，作为第一特性曲线；将待测量激光束，从所述第一入射位置，照射到所述反射介质表面以产生第一测量反射光；采用所述第一光电转化器件，在所述第一反射位置，接收部分所述第一测量反射光以产生第一测量电信号；根据所述第一特性曲线和所述第一测量电信号，计算得到所述待测量激光束的第一测量脉冲功率；采用第二光电转化器件，在第二反射位置，接收部分所述漫反射光以产生第二电信号；根据n个所述第一激光束对应的n个所述已知低脉冲功率和n个所述第二电信号，得到激光脉冲功率与所述第二电信号的特性曲线，作为第二特性曲线；根据所述第二特性曲线和所述第二电信号，计算得到所述待测量激光束的第二测量脉冲功率；获取所述第一测量脉冲功率和所述第二测量脉冲功率的平均值。

可选的，所述低脉冲功率在1.6W以下，所述待测量激光束的脉冲功率在2.0W以上20W以下。

可选的，所述第一光电转化器件为硅光电二极管。

可选的，所述硅光电二极管的感光面与所述漫反射光的夹角为锐角。

可选的，将所述第一光电转化器件的输出连接至放大电路，对所述第一电信号进行放大。

可选的，所述待测量激光束的脉冲频率在1kHz以上，所述第一光电转化器件的响应频率在1kHz以上。

可选的，所述第二光电转化器件为硅光电二极管；所述硅光电二极管的感光面与所述漫反射光的夹角为锐角。

可选的，将所述第二光电转化器件的输出连接至放大电路，对所述第二电信号进行放大。

可选的，所述反射介质的材料为铜、铁或铝。

本发明技术方案的其中一个方面中，本实施例中，让已知脉冲功率的激光束(即第一激光束)，照射到反射介质表面(如金属铜皮表面)，光电转化器件(包括第一光电转化器件和第二光电转化器件)放置在反射介质旁，接收激光束反射来的激光(即漫反射光线)，记录此时光电转化器件接受反射激光产生的电信号的大小。然后，重复这样的过程，多测几组相应的不同数据。根据这些数据，得到光电转化器件输出的电信号与激光脉冲功率的特性曲线。之后，再让待测量激光束进行同样的过程，记录此时光电转化器件输出的电信号，结合之前测量得到的特性曲线，即可得到此时高能量脉冲形式输出的激光功率大小，测量过程便捷而且成本低，相应的测量结果快速且准确。

附图说明

图1是实施例中脉冲激光的脉冲功率测量方法的结构示意图；

图2是实施例中第一激光束的脉冲功率与第一电信号的数据图；

图3是第一特性曲线图；

图4是实施例中第一激光束的脉冲功率与第二电信号的数据图；

图5是第二特性曲线图。

具体实施方式

在测量脉冲功率在2W以上的脉冲激光时，如果采用现有商用设备，相应的商用设备通常价格高昂，导致测量成本高。许多企业面临的更多情况是没有直接能够进行测量的设备。

另外，有些现有激光测量设备(仪器)，即便能够测量相对较高的功率，其测量的也是激光的平均功率，其测量原理一般是：根据激光照射一段时间产生的热量，来计算出激光的平均功率。脉冲激光通常是有脉冲占空比存在的，而2W以上的脉冲激光的脉冲占空比有时并不清楚。因此，进一步增加了脉冲功率的测量难度。

为此，本发明提供一种新的脉冲激光的脉冲功率测量方法，以解决上述现有情况存在的不足。

为更加清楚的表示，下面结合附图对本发明做详细的说明。

本发明实施例提供一种脉冲激光的脉冲功率测量方法，请参考图1至图5。

所述脉冲激光的脉冲功率测量方法包括以下多个步骤。

步骤一、提供12个第一激光束111，其中一个第一激光束11如图1中带箭头的粗虚线所示，每个第一激光束111具有一个已知的低脉冲功率，不同第一激光束111的低脉冲功率不同。

本发明中，低脉冲功率在1.6W以下，即低脉冲功率是指在1.6W以下的脉冲功率。本实施例中，12个第一激光束111对应的12个已知低脉冲功率，参考后续表1中的相应数据。其它实施例中，可以采用更多或者更少的第一激光束，并且相应的已知低脉冲功率可以不同。

需要特别说明的是，即便是1.6W以下的已知低脉冲功率，通常也并不是采用相应的仪器直接测量得到。通常的低脉冲功率的激光测量仪器，测得的，也仅是激光的平均功率。它的测量原理通常是激光照射到相应的测量器件一段时间之后，根据这段时间内器件产生温度变化(即激光提供的热量多少)，来得到激光的平均功率。而在仪器得到激光的平均功率之后，需要再根据每个脉冲激光在每段脉冲周期时间内的占空比，来换算出相应的脉冲功率。

本实施例中，第一激光束111由激光器11产生。12个第一激光束111可以由一个或者多个激光器11产生。

其它实施例中，有n个第一激光束，每个第一激光束都各自具有一个已知的低脉冲功率，且不同的第一激光束具有的低脉冲功率不同，从而对应有n个低脉冲功率，其中，n为2以上的整数。

本发明中，待测量激光束的脉冲功率在2.0W以上20W以下。脉冲功率在2.0W以上20W以下的激光，通常可以在相应激光器以高能量脉冲形式输出时得到。

正如前面，对脉冲功率高于2.0W的激光束，能够直接测量平均功率的仪器，就已经少且价格昂贵，更少有直接能够测量相应脉冲功率的商用仪器设备。因此，现有方法不能够很好地解决脉冲功率在2.0W以上20W以下的激光束的脉冲功率测量。

步骤二、将12个第一激光束111，依次从第一入射位置，照射到反射介质12表面以产生漫反射光。

具体的，如图1，12个产生漫反射光过程的其中一个过程为，激光器11发出第一激光束111，照射到反射介质12表面。

需要说明的是，第一激光束111在反射介质12表面发生的会是漫反射，即多个角度和位置都可以接收相应的反射光。

本实施例中，反射介质12的材料为铜，即反射介质12具体可以为铜皮(铜薄层)。

其它实施例中，要测量的脉冲功率较大时，选用衰减率较大的反射材料。反射介质的材料也可以为铁或铝。当反射介质的材料为铝时，进一步可以为亚光铝(亚光铝衰减率较大)。

步骤三、采用第一光电转化器件131，在第一反射位置，接收部分上述漫反射光以产生第一电信号。如图1所示，第一光电转化器件131接收的为漫反射光112，图1中用其中一条带箭头的细虚线表示。

由上述可知，本实施例中的漫反射光是第一激光束111在经过铜皮表面的衰减之后，产生的反射光线。这些漫反射光，有一部分，被相应的第一光电转化器件131接收，如图1中的漫反射光112，从而用于产生相应的第一电信号。

第一光电转化器件131可以为硅光电二极管。硅光电二极管对一定波长范围内的激光具有光电效应。激光照射到硅光电二极管上，硅光电二极管会有电信号产生并输出，激光能量越强，硅光电二极管输出的电信号越强。并且，硅光电二极管对光线的反应(响应)迅速，能够快速反应出相应的电信号。然而，如果直接将脉冲功率在2.0W以上20W以下的激光直接照射到硅光电二极管上，由于激光的能量太高，会导致硅光电二极管不可恢复的损坏。

为防止硅光电二极管损坏，本实施例中，首先保证接收的是激光的部分漫反射光线，其次，还可以使硅光电二极管(第一光电转化器件131)的感光面与漫反射光的夹角为锐角，如图1中所示。所述锐角可以进一步为30°～75°，本实施例中，采用的角度为60°。

如前所述，12个第一激光束111可以由一个激光器11产生，此时，改变激光器11输出的不同的激光能量大小，硅光电二极管将得到不同大小的电信号。

其它实施例中，针对不同输出波长的激光器11(即不同波长的第一激光束111)，可以选用具有不同规格的硅光电二极管。

其它实施例中，当脉冲激光输出的频率很高时，可选用具有高速反应的硅光电二极管。频率很高是指频率在1kHz以上的脉冲频率，同样的高速反应的接收管也要采用响应频率达到1kHz的硅光电二极管。特别是当待测量激光束的脉冲频率在1kHz以上，第一光电转化器件131的响应频率在1kHz以上。

本实施例中，如图1所示，还将第一光电转化器件131的输出，连接至放大电路141，以对第一电信号进行放大。即当第一光电转化器件131输出的电信号过于微弱时(测量的电信号过小时)，采用放大电路，对第一光电转化器件131输出的电信号进行放大。

进一步参考图1，本实施例中，输出的第一电信号，经过信号放大电路141后，进一步进入信号处理电路15，然后，利用数据采集与处理单元16，对信号处理电路15输出的信号进行模数(AD)采集，从而获取采集的电压值大小。在数据采集与处理单元16获取到相应的电压值后，相应的电压值可以存储在数据存储模块17中，作为备份。而相应的电压值可以进一步传送至数据显示模块18中，由数据显示模块18进行显示。在数据显示模块18中，还可以根据预先确定的数值关系，反向判断出相应电压值与第一电信号电流值的关系，从而直接显示出相应的第一电信号。

步骤四、根据12个第一激光束111对应的12个已知低脉冲功率和12个第一电信号，得到激光脉冲功率与第一电信号的特性曲线，作为第一特性曲线。

表1显示了12个第一激光束111各自对应的低脉冲功率，以及将它们进行上述操作步骤之后，得到的相应各第一电信号(第一光电转化器件的输出电流值)，如下：

表1

表1中的数据，也在图2中进行了显示，即图2是实施例中第一激光束的脉冲功率与第一电信号的数据图。这些数据(在图2中将它们按大小连接在一起)体现了脉冲功率和第一电信号之间的线性关系，并且，这一关系为正比关系。

图3中，则显示了采用表1数据拟合而成的第一特性曲线。由上述分析的正比关系可知，此第一特性曲线为过原点的射线(各数值均为正值)。

步骤五、将待测量激光束(待测量激光束未示出)，从第一入射位置，照射到反射介质12表面，以产生第一测量反射光(第一测量反射光未示出)。

步骤六、采用第一光电转化器件131，在第一反射位置，接收部分所述第一测量反射光以产生第一测量电信号。

步骤七、根据第一特性曲线和第一测量电信号，计算得到待测量激光束的第一测量脉冲功率。

具体的，相应计算结果(即第一测量脉冲功率)，也显示在图3中，即显示在第一特性曲线上。图3中，第一特性曲线左下角密集排布的点即为前面用来拟合第一特性曲线的数据点，而右上方的点则是相应的测量点(测量点对应的是第一测量电信号在射线上相应的第一测量脉冲功率)。

而下表2，则用数据形式显示了相应的结果，如下所示：

表2

由表2可知，本实施例通过相应的方法，测量了11个测量激光束。它们被测得的脉冲功率，从10W一直递增至20W。

由于本实施例中，相应的第一测量电信号直接反映的就是待测量激光束的脉冲功率(而非平均功率)，因此，采用相应方法，能够快速准确地测量相应的脉冲功率。

在一些实施例中，上述第一测量脉冲功率即可以作为待测量激光束的脉冲功率。但本实施例继续进行以下步骤。

步骤八、采用第二光电转化器件132，在第二反射位置，接收部分漫反射光以产生第二电信号。如图1所示，第二光电转化器件132接收的为漫反射光113，图1中用另一条带箭头的细虚线表示。

第二光电转化器件132也可以为硅光电二极管。如图1中所示，第二光电转化器件132(硅光电二极管)的感光面与漫反射光的夹角也为锐角。并且，此锐角可以进一步为30°～75°，本实施例中，所述角度为70°。

如图1中所示，本实施例将第二光电转化器件132的输出连接至放大电路142，对第二电信号进行放大。

与前述相同的，本实施例中，输出的第二电信号，经过信号放大电路142后，进一步进入信号处理电路15，然后，利用数据采集与处理单元16，对信号处理电路15输出的信号进行模数(AD)采集，从而获取采集的电压值大小。在数据采集与处理单元16获取到相应的电压值后，相应的电压值可以存储在数据存储模块17中，作为备份。而相应的电压值可以进一步传送至数据显示模块18中，由数据显示模块18进行显示。在数据显示模块18中，还可以根据预先确定的数值关系，反向判断出相应电压值与第二电信号电流值的关系，从而直接显示出相应的第二电信号。

步骤九、根据12个第一激光束111对应的12个已知低脉冲功率和12个第二电信号，得到激光脉冲功率与第二电信号的特性曲线，作为第二特性曲线。

表3显示了12个第一激光束111各自对应的低脉冲功率，以及将它们进行上述操作步骤之后，得到的相应各第二电信号(第二光电转化器件132的输出电流值)，如下：

表3

表3中的数据，也在图4中进行了显示，图4是实施例中第一激光束的脉冲功率与第二电信号的数据图。这些数据(在图4中将它们按大小连接在一起)体现了已知脉冲功率和第二电信号之间的线性关系，并且，这一关系也为正比关系。

对比表3和表1可知，由于第一反射位置和第二反射位置的位置和倾斜角度的不同，两个光电转化器件输出的电信号强度也不同。

图5中，则显示了采用表3数据拟合而成的第二特性曲线，由上述分析的正比关系可知，此第二特性曲线为过原点的射线(各数值均为正值)。

步骤十、根据第二特性曲线和第二电信号，计算得到待测量激光束的第二测量脉冲功率。

具体的，相应计算结果(即第二测量脉冲功率)显示在图5中，即显示在第二特性曲线上。图5中，第二特性曲线左下角密集排布的点即为前面用来拟合第二特性曲线的数据点，而右上方的点则是相应的测量点(测量点对应的是第二电信号在射线上相应的第二测量脉冲功率)。

而下表4，则用数据形式显示了相应的结果，如下所示：

表4

步骤十一、获取第一测量脉冲功率和第二测量脉冲功率的平均值。

本实施例将第一测量脉冲功率和第二测量脉冲功率的平均值，作为最终待测量激光束对应的最终脉冲功率值。

具体的，第一测量脉冲功率、第二测量脉冲功率和最终脉冲功率值如下表5所示：

表5

增加步骤八至步骤十一，是为了提高测量的准确性，即采用两个倾斜不同角度的硅光电二极管分别进行测量，两个测量结果可以相互矫正，从而提高测量准确性。需要说明的是，如前所述，其它实施例中，这些步骤可以省略，即可以仅得到第一测量脉冲功率作为最终的结果。

本实施例中，让已知脉冲功率的激光束(即第一激光束111)，照射到反射介质12表面(如金属铜皮表面)，光电转化器件(包括第一光电转化器件131和第二光电转化器件132)放置在反射介质12旁，接收激光束反射来的激光(即漫反射光线)，记录此时光电转化器件接受反射激光产生的电信号的大小。然后，重复这样的过程，多测几组相应的不同数据。根据这些数据，得到光电转化器件输出的电信号与激光脉冲功率的特性曲线。之后，再让待测量激光束进行同样的过程，记录此时光电转化器件输出的电信号，结合之前测量得到的特性曲线，即可得到此时高能量脉冲形式输出的激光功率大小，所述方法相应的测量过程便捷而且成本低，相应的测量结果快速且准确。所述方法能够测量高功率快速脉冲能量的激光束。

需要说明的是，本发明利用激光的反射而非激光的透射。虽然激光的透射也会引起激光能量的衰减，使得激光可以测量，但是，透射后的激光对脉冲有影响，影响了测量结果的准确。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种脉冲激光的脉冲功率测量方法，其特征在于，包括：

提供n个第一激光束，每个所述第一激光束具有一个已知的低脉冲功率，不同所述第一激光束的所述低脉冲功率不同，n为2以上的整数；

将n个所述第一激光束，从第一入射位置，照射到反射介质表面以产生漫反射光；

采用第一光电转化器件，在第一反射位置，接收部分所述漫反射光以产生第一电信号；

根据n个所述第一激光束对应的n个所述已知低脉冲功率和n个所述第一电信号，得到激光脉冲功率与所述第一电信号的特性曲线，作为第一特性曲线；

将待测量激光束，从所述第一入射位置，照射到所述反射介质表面以产生第一测量反射光；

采用所述第一光电转化器件，在所述第一反射位置，接收部分所述第一测量反射光以产生第一测量电信号；

根据所述第一特性曲线和所述第一测量电信号，计算得到所述待测量激光束的第一测量脉冲功率；

采用第二光电转化器件，在第二反射位置，接收部分所述漫反射光以产生第二电信号；

根据n个所述第一激光束对应的n个所述已知低脉冲功率和n个所述第二电信号，得到激光脉冲功率与所述第二电信号的特性曲线，作为第二特性曲线；

根据所述第二特性曲线和所述第二电信号，计算得到所述待测量激光束的第二测量脉冲功率；

获取所述第一测量脉冲功率和所述第二测量脉冲功率的平均值。

2.如权利要求1所述的脉冲激光的脉冲功率测量方法，其特征在于，所述低脉冲功率在1.6W以下，所述待测量激光束的脉冲功率在2.0W以上20W以下。

3.如权利要求1所述的脉冲激光的脉冲功率测量方法，其特征在于，所述第一光电转化器件为硅光电二极管。

4.如权利要求3所述的脉冲激光的脉冲功率测量方法，其特征在于，所述硅光电二极管的感光面与所述漫反射光的夹角为锐角。

5.如权利要求1所述的脉冲激光的脉冲功率测量方法，其特征在于，将所述第一光电转化器件的输出连接至放大电路，对所述第一电信号进行放大。

6.如权利要求1所述的脉冲激光的脉冲功率测量方法，其特征在于，所述待测量激光束的脉冲频率在1kHz以上，所述第一光电转化器件的响应频率在1kHz以上。

7.如权利要求1所述的脉冲激光的脉冲功率测量方法，其特征在于，所述第二光电转化器件为硅光电二极管；所述硅光电二极管的感光面与所述漫反射光的夹角为锐角。

8.如权利要求1所述的脉冲激光的脉冲功率测量方法，其特征在于，将所述第二光电转化器件的输出连接至放大电路，对所述第二电信号进行放大。

9.如权利要求1所述的脉冲激光的脉冲功率测量方法，其特征在于，所述反射介质的材料为铜、铁或铝。

Images