CN109883543A - 一种可连续同步测量高功率激光脉冲能量、空间分布及脉冲宽度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可连续同步测量高功率激光脉冲能量、空间分布及脉冲宽度的方法及装置，所述的装置包含分光镜、能量计探头，红外CCD、PIN光电探测器和高性能工作站。高功率脉冲激光通过透射和反射，依次通过设置在光路中的三块分光镜，依照设计比例被精确衰减能量的透反射激光分别进入到能量计探头、红外CCD和PIN光电探测器，并通过高速数据卡，将数据传输至高性能工作站，通过高性能工作站的快速计算、处理和存储，实现了对重复频率的高功率激光脉冲能量、空间分布和脉冲宽度的连续同步测量，实现了对激光冲击强化全过程加工质量的可评估和可追述性。本发明具有多参数同步连续检测、稳定和检测精度高等特点。

Description

一种可连续同步测量高功率激光脉冲能量、空间分布及脉冲 宽度的方法及装置

技术领域

本发明属于激光参数检测领域，具体涉及一种可连续同步测量高功率激光脉冲能量、空间分布及脉冲宽度的方法及装置。

背景技术

在高功率激光加工处理的过程中，如激光冲击强化表面改性处理，激光的输出能量、空间分布和脉宽是大家最主要关注的参数，目前激光能量的检测主要依靠专门的光能量计，激光脉冲宽度及波形的检测，主要依靠光电探测器和示波器组合使用，光斑空间分布的均匀性检测一般采用CCD接收，以上检测方法一般只能实现对单脉冲激光参数的检测，且各激光参数的检测在时间维度上多为分离的，无法同时呈现同一个激光脉冲的多个参数指标，无法实时对多脉冲激光进行不间断地连续检测，检测过程相对复杂。

在利用激光冲击强化技术对高附加值部件的处理中（如涡轮发动机叶片），激光束脉冲能量、脉冲宽度及激光束空间分布的数值和稳定性十分重要，其直接影响到激光诱导的热效应和力效应的精确控制。激光脉冲的参数数据及稳定性，直接影响着激光冲击强化零件的表面质量（尤其是热损伤）、形状精度和尺寸精度，影响着壁板表面残余应力层的分布、变形量及表面轮廓精度的控制。

对于不同曲面截面厚度有变化的被处理零件，采用固定光斑与固定脉冲能量获得的残余应力分布一致性较差，有可能导致整体强化效果低和局部应力集中效应，因此需根据被处理部件的不同曲面不同厚度匹配不同的脉冲激光参数。也就是说，若能实时检测到每一个处理激光脉冲的具体参数，如脉冲能量、空间分布及脉冲宽度，对处理加工质量的评估、测试和质量追述，对激光冲击强化加工工艺的精确确立，具有重要的意义。

与本专利比较接近的为授权公告号为CN101782435B的中国专利，公开了一种能够同时测量单脉冲能量、脉冲宽度、波长、重复频率、M2因子以及光束指向稳定性的方法，其检测能量的采样光学器件采用了毛玻璃作为衰减器，毛玻璃对于不同能量的激光其衰减系数不恒定，测量误差较大。同时其采用的测试方法和光路将无可避免地改变脉冲激光的空间强度分布，因此无法同时准确测量出激光原始输出光斑的强度空间分布。同时该专利只能测量单脉冲激光的参数，对于重复频率激光参数测量将无能为力。

授权公告号为CN102778256B的中国专利，公开了一种针对强激光驱动的冲击效应试验的多物理场测量系统，文中介绍了包括纳秒级分辨率的光纤激光多普勒干涉测速系统、纳秒级响应时间的PVDF瞬态压力测试系统、高速图像采集系统以及激光能量、脉宽和光束质量实时监测系统。该发明通过多种高速、高分辨率的测试手段的协同与协调，对多个物理场(速度、压力、图像)进行实时测量，可对激光驱动爆炸与冲击试验过程进行较全面的表征。在该发明中，核心是强激光驱动的冲击波参数的测量，如纳秒级激光多普勒干涉测速、冲击波波形及冲击压力的测量。全文中说明了可监测单脉冲的激光能量、脉宽和光束质量（即空间分布），但并没有明确是否可以同时测量该三个参数，同时没有给出检测的具体技术方案和实施装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种可连续同步测量高功率激光脉冲能量、空间分布及脉冲宽度的方法及装置。

本发明要解决的问题是，在同一个光路中，连续实时地同步测量多个激光参数，用高响应度、中低量程的能量探头测量出高功率脉冲激光能量，减小脉冲激光能量测量的误差，在测量能量的同时可同步测量同一个脉冲的空间分布和脉冲宽度。

本发明的技术方案如下：

一种可连续同步测量高功率激光脉冲能量、空间分布及脉冲宽度的方法及装置，包括分光镜、能量计探头、CCD和PIN光电探测器和高性能工作站。

进一步，所述分光镜，用于反射和透射脉冲激光，并将对应的脉冲激光束入射到对应的探测器中。分光镜为高精度分光镜，具有一定的分光比，优选反射率为5%—10%。所述各分光镜相互呈平行交错放置，所述各分光镜的平面与入射激光束有一定的水平夹角，优选为83.5°～85°。

进一步，所述能量计探头为热释电型，为中低量程能量计，其数据由高速数据采集卡采集输入高性能工作站。所述能量计探头的接收面，垂直于入射其上的激光方向。

进一步，所述CCD为红外CCD，由摄像区、存储区、水平移位寄存器和输出电路组成，用于检测激光光斑图像的空间强度分布，由高速数据采集卡采集输入高性能工作站。所述CCD的接收面，垂直于入射其上的激光方向。

进一步，所述PIN光电探测器与电阻串联，可采用示波器通过测量电阻两端电压来显示波形，同时采用高速数据采集卡采集数据输入工作站。所述PIN光电探测器的接收面，垂直于入射其上的激光方向。

进一步，所述高性能工作站采用不同的高速数据采集卡，实时采集上述能量计探头、CCD和PIN光电探测器接收的数据，通过计算、处理和分析，得出激光的能量、空间分布和脉冲宽度的数值，并实时存储。

进一步，所述高性能工作站对每个激光脉冲的能量、空间分布及脉冲宽度的数据采集、计算、处理及存储的总时间小于50ms。

本发明具有的有益效果如下：

1、本发明的主要改进点在于在同一光路中，利用分光镜的作用，减小入射到能量计探头上的激光能量，能够避免因能量计探头接收的能量过高而损坏，也能够避免因能量计探头接收到的能量过低而导致测量不准确，从而扩大激光能量的测量范围。

2、本发明设置利用了三块分光镜通过三次采样，能够实现同时对高功率激光能量、空间分布和脉冲宽度的连续同步测量。

3、本发明通过三次取样，有效地且精确地减小了高功率激光的能量，有利于减弱对红外CCD和PIN光电探测器的损伤。

4、与传统激光参数测量装置相比，本发明的具有检测精度高、体积小和操作方便灵活等优点，并可同时检测激光的空间分布和脉冲宽度。

5、位于被检测激光最前端的分光镜透射的高功率激光可用于激光冲击强化加工处理，同时实现了激光冲击强化过程中对高功率脉冲激光的多参数连续同步取样，实现了对激光冲击强化全过程中加工质量可评估和可追述性。

附图说明

图1 本发明检测光路系统示意图

图2 本发明的实施流程图

1、2、3：分光镜；4：能量计探头；5：红外CCD；6：PIN光电探测器；7：高性能工作站。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种可连续同步测量高功率激光脉冲能量、空间分布及脉冲宽度的方法及装置，通过3级分光镜的反射和透射，大大降低了高功率激光的能量，降低了高功率激光对各种探测器件的破坏性。

实施例1

如图1所示，高功率激光能量、空间分布和脉冲宽度测量装置，包括分光镜1、2、3，能量计探头4，红外CCD5，PIN光电探测器6；

一定重复频率的待测高功率激光束经过分光镜1，分光镜1的反射率为10%，将反射10%的激光至分光镜2，分光镜2的反射率为10%，其中90%能量透过分光镜2后，入射到能量计探头4，用于对高功率激光第一次取样，激光能量计探头4为热释电型，用于测量取样高功率脉冲激光能量，并通过高速数据采集卡，将数据传递到高性能工作站进行计算和处理。

经过分光镜2后将有10%的激光被反射，向前传输经过分光镜3，分光镜的反射率为10%，则90%的激光能量透过分光镜3后，入射至红外CCD5，红外CCD5，用于检测激光光斑图像的空间强度，并将检测到的激光光斑图像数据通过高速数据采集卡，传递到高性能工作站进行计算和处理。

经过分光镜3后10%的反射激光，传输入射至PIN光电探测器6，PIN光电探测器6与电阻串联，可设置示波器通过测量电阻两端电压来显示波形，同时PIN光电探测器6将探测数据通过高速数据采集卡，传递到高性能工作站进行计算和处理。

假设能量计检测得到数据为d，则高功率激光的脉冲能量a=d/0.09；

对于能量为10J的高功率激光，最后入射到能量计探头的激光能量实际仅为0.9J。

所有的数据，通过不同的高速数据采集卡汇入高性能处理工作站，实现了对加工过程中激光能量、空间分布和脉冲宽度的连续同步监测，并在同一软件系统中，实现不同激光参数数据的采集、计算、处理和存储。

实施例2

本实施例与实施例1的主要区别在于，相比于反射率为10%的分光镜1、2、3，本实施例采用的是反射率为5%的分光镜1、2、3，不仅减小了入射到能量计探头的激光能量，降低能量计的损坏几率，而且能够在保证能量计探头能够准确检测激光能量的前提下，扩大了能量的测量量程。

假设能量计读数为d，则高功率激光的脉冲能量a=d/0.0475；

对于能量为10J的高能激光，最后入射到能量计探头的激光能量仅为0.475J。

所有的数据，通过不同的高速数据采集卡汇入高性能处理工作站，实现了对加工过程中激光能量、空间分布和脉冲宽度的连续同步监测，并在同一软件系统中，实现不同激光参数数据的采集、计算、处理和存储。

实施例3

本实施例与实施例1的主要区别在于，把分光镜1透射的激光直接用于激光冲击强化加工处理，实现了对激光冲击强化过程中高功率脉冲激光能量、空间分布和脉冲宽度的连续同步测量，又避免了激光能量冗余。

假设能量计检测得到数据为d，则高功率激光的脉冲能量a=d/0.09；

对于能量为10J的高功率激光，最后入射到能量计探头的激光能量实际仅为0.9J。最后应用于激光冲击强化，作用于被处理部件表面的激光能量为9J。

所有的数据，通过不同的高速数据采集卡汇入高性能处理工作站，实现了对加工过程中激光能量、空间分布和脉冲宽度的连续同步监测，并在同一软件系统中，实现不同激光参数数据的采集、计算、处理和存储。

Claims (8)

1.一种可连续同步测量高功率激光脉冲能量、空间分布及脉冲宽度的方法及装置，其特征在于，包括分光镜（1）、（2）和（3）、能量计探头（4）、红外CCD（5）和PIN光电探测器（6）及高性能工作站（7）。

2.所述分光镜（1），将一定比例的重复频率高功率激光反射至分光镜（2），分光镜（2）透射一定比例的激光至能量计探头（4），测量取样高功率脉冲激光能量；经过分光镜（2）后一定比例的反射光，向前传输经过分光镜（3），并透射一定比例的激光至红外CCD（5），红外CCD（5）用于检测激光光斑图像的空间强度；经过分光镜（3）后一定比例的反射激光，传输入射至PIN光电探测器（6），用于测量激光脉冲宽度。

3.同时能量计探头（4）、红外CCD（5）和PIN光电探测器（6）各自将探测数据通过高速数据采集卡，传递到高性能工作站（7）进行各脉冲、多参数的计算、处理和存储。

4.所述的分光镜（1）、（2）和（3）相互呈平行交错放置，与入射激光束的水平夹角在83.5°～85°之间，反射率在5%～10%之间。

5.所述高性能工作站（7）对每个激光脉冲的能量、空间分布及脉冲宽度的数据采集、计算、处理及存储的总时间小于50ms。

6.根据权利要求1所述的一种可连续同步测量高功率激光脉冲能量、空间分布及脉冲宽度的方法及装置，其特征在于：能量计探头（4）的接收面，垂直于分光镜（2）的透射激光方向。

7.根据权利要求1所述的一种可连续同步测量高功率激光脉冲能量、空间分布及脉冲宽度的方法及装置，其特征在于：红外CCD（5）的接收面，垂直于分光镜（3）的透射激光方向。

8.根据权利要求1所述的一种可连续同步测量高功率激光脉冲能量、空间分布及脉冲宽度的方法及装置，其特征在于：PIN光电二极管（6）的接收面，垂直于分光镜（3）的反射激光方向。