CN110095260A - 一种内嵌式激光参数综合自诊断系统及其工作流程 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内嵌式激光参数综合自诊断系统及其工作流程，涉及激光器诊断领域，要解决的是现有激光器诊断设备的问题。本产品包括腔体，所述腔体上设置有入射窗口，腔体内部安装有电荷耦合器件、第一衰减片、第三反射镜、第二反射镜、凸透镜、可饱和吸收体、第一光电二极管、第一反射镜、第二光电二极管、四象限探测器和第二衰减片。本产品自成一体，内部具有专用的测量光路、测量仪器、测控电路和输入输出接口，具备与待测激光器对接整合的功能；本产品具有实时测量、快速测量、多参数同时测量、数据统一汇总的特点，有自动完成测量、诊断、输出诊断结果的能力，可以实现激光器自主测量和判断其各项光学参数指标，完成在线式自动闭环监测。

Description

一种内嵌式激光参数综合自诊断系统及其工作流程

技术领域

本发明涉及激光器诊断领域，具体是一种内嵌式激光参数综合自诊断系统。

背景技术

激光器作为一种人造的高亮度、高相干性光源，已广泛应用于科学研究、工业生产、医疗、国防等诸多领域，根据用途的不同，对激光器的光学参数的要求也不尽相同。评价激光基本性能的参数包括平均功率、波长、能量、光束质量、脉冲重复频率、脉冲宽度、偏振度等等，一台激光器的实用价值是这些参数综合表现所决定的，单一突出某一项参数并不能满足实际应用的要求。例如对于工业加工应用，激光束的强度特性和空间分布特性都决定了激光加工的效果，因而加工用激光器的功率、能量、光束质量等几项参数就尤为重要，是每个工业用户最关注的指标，且缺一不可。

当前市场的激光器产品所附的测试报告中都详尽罗列了激光器的出厂检测参数，这些参数虽能反映出该激光器的基本性能，但激光器本身复杂的内部结构决定了激光参数的不确定性和易变性，所以激光器用户往往要在激光器购进后自行对激光器所有参数进行复查，以检验该激光器产品在投入使用前的确定参数。即使激光器投入使用之后，用户也要定期测量其所关心的激光参数，确保投射到生产线或科研平台上的激光束达到预设指标。激光器作为一种工具，使用者对其复检、标定已成为一种标准工作程序，但激光器不同于机械或电气工具，其不同参数的测量需使用不同的专用测量设备，这些测量设备价格昂贵，且测量过程需搭建测量光路，测量光路的搭建有一套专业的方法，普通操作工未经培训是无法完成这些测量任务的；一套复杂测量光路的搭建不仅耗时，还要求有足够大面积的刚性平面作为光路传播区域，对于使用激光器的工业生产线而言，一般无法容忍激光器这种生产工具的长时间停工复检。可见，对激光器综合参数快速自检与激光参数检测复杂性之间的矛盾是制约激光器规模化应用的一个重要限制因素，也是普通民营企业对激光器这种高精尖生产工具望而却步的一个原因。

虽然目前激光器附件市场已有成熟的各类测量设备，但都是针对单一参数的专用测量仪器，且主要设计为实验室环境使用，并不适合工业生产现场使用；专业的激光器应用实验室必须耗巨资配备这些测量仪器，搭建专用的测量平台，才可以实现对一台激光器各项参数指标的综合测量，诊断激光器性能的变化。激光器实际用户迫切希望所购激光器能够自行诊断其运行状态，告知用户各项光学参数指标的实时数据，实现用户的对激光器状态一目了然、实时掌控，免去着手维护激光器的繁琐工作，集中精力于其应用工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内嵌式激光参数综合自诊断系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种内嵌式激光参数综合自诊断系统，包括腔体，所述腔体上设置有入射窗口，腔体内部安装有电荷耦合器件、第一衰减片、第三反射镜、第二反射镜、凸透镜、可饱和吸收体、第一光电二极管、第一反射镜、第二光电二极管、四象限探测器和第二衰减片，入射窗口、第一反射镜和第二光电二极管配合使用，第二反射镜、第二衰减片、凸透镜、可饱和吸收体以及第一光电二极管配合使用，第三反射镜、第一衰减片和电荷耦合器件配合使用，四象限探测器与第三反射镜配合使用，入射窗口与激光器的分光输出口对接，第一光电二极管和第二光电二极管均与信号处理电路相连。

作为本发明进一步的方案：入射窗口采用光学平面玻璃并且表面镶嵌有增透膜，可以对待测激光波段具有不低于99.5%的透过率。

作为本发明进一步的方案：第一反射镜和第二反射镜与水平面的倾斜角度均为45度，便于整个激光光束的传播。

所述内嵌式激光参数综合自诊断系统的工作流程，具体步骤如下：

步骤一，准直的入射激光光束穿过入射窗口投射到第一反射镜上，第一反射镜的透过率约为70%，反射率约为30%，穿过第一反射镜的激光光束投射到第二光电二极管的光敏面上，第二光电二极管进行光电转换，将光强参数转换为光电流强度参数并计数脉冲时间间隔输送给信号处理电路，信号处理电路完成运算和比较后换算出原始入射光功率值和脉冲重复频率值，并将此参数传送给总体测控系统，总体测控系统比较这些测量值与激光器预设值，判断当前实时测量的激光平均功率、重复频率是否正常；

步骤二，经首次反射的30%光能的激光光束传输方向改变90°，穿过第二反射镜，第二反射镜45度放置，透过率约50%，反射率约50%；其中反射的激光光束依次穿过第二衰减片、凸透镜以及可饱和吸收体，投射到第一光电二极管的光敏面上，由第一光电二极管进行光电转换，将透过可饱和吸收体的光强参数转换为光电流强度参数并输送给信号处理电路，信号处理电路完成运算和比较后换算出入射光功率值，并将此参数传送给总体测控系统，总体测控系统比较这些测量值与激光器预设值，判断当前实时测量的激光峰值功率是否正常；

步骤三，透过第二反射镜的50%光能的激光光束投射到第三反射镜表面，激光光束入射角为20°，透过率30%，反射率70%。透过第三反射镜的激光光束穿过第一衰减片，投射到电荷耦合器件的光敏面上，该电荷耦合器件具备专用软件对采集到的光斑图样进行测量分析并给出光斑圆度、中心位置等信息，传输给总体测控系统，总体测控系统会读取这些参数并与激光器预设值对比，判断当前实时测量的激光横模模式是否正常；

步骤四，经第三反射镜反射的70%能量的激光光束传播方向旋转140°，投射到四象限探测器的接收面，预先调校该四象限探测器的位置，使入射到四象限探测器表面的激光光束的横截面中心与四象限探测器的中心点重合，通过软件预设此时的四象限探测器输出电流或电压值为原点，当激光光束中心位置有偏移，四象限探测器的输出电学参数会随之变化，信号处理电路会据此计算并判断出激光光束指向点的偏移量，传输给总体测控系统，总体测控系统会读取这些参数并与激光器预设值对比，判断当前实时测量的激光束指向是否正常。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本产品设计合理，整个系统自成一体，内部具有专用的测量光路、测量仪器、测控电路和输入输出接口，具备与待测激光器对接整合的功能，而非分体式测量系统；

本产品具有实时测量、快速测量、多参数同时测量、数据统一汇总的特点；

本产品具有自动完成测量、诊断、输出诊断结果的能力，可以实现激光器自主测量和判断其各项光学参数指标，完成激光器自身运行状态的在线式自动闭环监测，免去着手维护激光器的繁琐工作，集中精力于其应用工作，应用前景广阔。

附图说明

图1为内嵌式激光参数综合自诊断系统的结构示意图。

其中：1-腔体，2-入射窗口，3-电荷耦合器件，4-第一衰减片，5-第三反射镜，6-第二反射镜，7-凸透镜，8-可饱和吸收体，9-第一光电二极管，10-第一反射镜，11-第二光电二极管，12-四象限探测器，13-第二衰减片。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

实施例1

一种内嵌式激光参数综合自诊断系统，包括腔体1，所述腔体1上设置有入射窗口2，腔体1内部安装有电荷耦合器件3、第一衰减片4、第三反射镜5、第二反射镜6、凸透镜7、可饱和吸收体8、第一光电二极管9、第一反射镜10、第二光电二极管11、四象限探测器12和第二衰减片13，入射窗口2、第一反射镜10和第二光电二极管11配合使用，第二反射镜6、第二衰减片13、凸透镜7、可饱和吸收体8以及第一光电二极管9配合使用，第三反射镜5、第一衰减片4和电荷耦合器件3配合使用，四象限探测器12与第三反射镜5配合使用，入射窗口2与激光器的分光输出口对接，第一光电二极管9和第二光电二极管11均与信号处理电路相连。第一反射镜10、第二反射镜6和第三反射镜5用以反射激光光束到各个部件；凸透镜7用以收缩激光光束直径；第一衰减片4和第二衰减片13用以减弱光强来保护四象限探测器12；具有大光敏面的第一光电二极管9和第二光电二极管11用以测量激光光束的平均功率和脉冲激光重复频率；四象限探测器12用以测量激光光束的指向稳定性；可饱和吸收体8用以测量超短脉冲激光光束的峰值功率；轻便型电荷耦合器件3用以测量激光光束的横模模场分布特性。

入射窗口2采用光学平面玻璃并且表面镶嵌有增透膜，可以对待测激光波段具有不低于99.5%的透过率。

第一反射镜10和第二反射镜6与水平面的倾斜角度均为45度，便于整个激光光束的传播。

所述内嵌式激光参数综合自诊断系统的工作流程，具体步骤如下：

步骤一，准直的入射激光光束穿过入射窗口2投射到第一反射镜10上，第一反射镜10的透过率约为70%，反射率约为30%，穿过第一反射镜10的激光光束投射到第二光电二极管11的光敏面上，第二光电二极管11进行光电转换，将光强参数转换为光电流强度参数并计数脉冲时间间隔输送给信号处理电路，信号处理电路完成运算和比较后换算出原始入射光功率值和脉冲重复频率值，并将此参数传送给总体测控系统，总体测控系统比较这些测量值与激光器预设值，判断当前实时测量的激光平均功率、重复频率是否正常；

步骤二，经首次反射的30%光能的激光光束传输方向改变90°，穿过第二反射镜6，第二反射镜6 45度放置，透过率约50%，反射率约50%；其中反射的激光光束依次穿过第二衰减片13、凸透镜7以及可饱和吸收体8，投射到第一光电二极管9的光敏面上，由第一光电二极管9进行光电转换，将透过可饱和吸收体8的光强参数转换为光电流强度参数并输送给信号处理电路，信号处理电路完成运算和比较后换算出入射光功率值，并将此参数传送给总体测控系统，总体测控系统比较这些测量值与激光器预设值，判断当前实时测量的激光峰值功率是否正常；

步骤三，透过第二反射镜6的50%光能的激光光束投射到第三反射镜5表面，激光光束入射角为20°，透过率30%，反射率70%。透过第三反射镜5的激光光束穿过第一衰减片4，投射到电荷耦合器件3的光敏面上，该电荷耦合器件3具备专用软件对采集到的光斑图样进行测量分析并给出光斑圆度、中心位置等信息，传输给总体测控系统，总体测控系统会读取这些参数并与激光器预设值对比，判断当前实时测量的激光横模模式是否正常；

步骤四，经第三反射镜5反射的70%能量的激光光束传播方向旋转140°，投射到四象限探测器12的接收面，预先调校该四象限探测器12的位置，使入射到四象限探测器12表面的激光光束的横截面中心与四象限探测器12的中心点重合，通过软件预设此时的四象限探测器12输出电流或电压值为原点，当激光光束中心位置有偏移，四象限探测器12的输出电学参数会随之变化，信号处理电路会据此计算并判断出激光光束指向点的偏移量，传输给总体测控系统，总体测控系统会读取这些参数并与激光器预设值对比，判断当前实时测量的激光束指向是否正常。

实施例2

一种内嵌式激光参数综合自诊断系统，包括腔体1，所述腔体1上设置有入射窗口2，腔体1内部安装有电荷耦合器件3、第一衰减片4、第三反射镜5、第二反射镜6、凸透镜7、可饱和吸收体8、第一光电二极管9、第一反射镜10、第二光电二极管11、四象限探测器12和第二衰减片13，入射窗口2、第一反射镜10和第二光电二极管11配合使用，第二反射镜6、第二衰减片13、凸透镜7、可饱和吸收体8以及第一光电二极管9配合使用，第三反射镜5、第一衰减片4和电荷耦合器件3配合使用，四象限探测器12与第三反射镜5配合使用，入射窗口2与激光器的分光输出口对接，第一光电二极管9和第二光电二极管11均与信号处理电路相连。

所述内嵌式激光参数综合自诊断系统的工作流程，具体步骤如下：

步骤一，准直的入射激光光束穿过入射窗口2投射到第一反射镜10上，第一反射镜10的透过率约为70%，反射率约为30%，穿过第一反射镜10的激光光束投射到第二光电二极管11的光敏面上，第二光电二极管11进行光电转换，将光强参数转换为光电流强度参数并计数脉冲时间间隔输送给信号处理电路，信号处理电路完成运算和比较后换算出原始入射光功率值和脉冲重复频率值，并将此参数传送给总体测控系统，总体测控系统比较这些测量值与激光器预设值，判断当前实时测量的激光平均功率、重复频率是否正常；

步骤二，经首次反射的30%光能的激光光束传输方向改变90°，穿过第二反射镜6，第二反射镜6 45度放置，透过率约50%，反射率约50%；其中反射的激光光束依次穿过第二衰减片13、凸透镜7以及可饱和吸收体8，投射到第一光电二极管9的光敏面上，由第一光电二极管9进行光电转换，将透过可饱和吸收体8的光强参数转换为光电流强度参数并输送给信号处理电路，信号处理电路完成运算和比较后换算出入射光功率值，并将此参数传送给总体测控系统，总体测控系统比较这些测量值与激光器预设值，判断当前实时测量的激光峰值功率是否正常；

步骤三，透过第二反射镜6的50%光能的激光光束投射到第三反射镜5表面，激光光束入射角为20°，透过率30%，反射率70%。透过第三反射镜5的激光光束穿过第一衰减片4，投射到电荷耦合器件3的光敏面上，该电荷耦合器件3具备专用软件对采集到的光斑图样进行测量分析并给出光斑圆度、中心位置等信息，传输给总体测控系统，总体测控系统会读取这些参数并与激光器预设值对比，判断当前实时测量的激光横模模式是否正常；

步骤四，经第三反射镜5反射的70%能量的激光光束传播方向旋转140°，投射到四象限探测器12的接收面，预先调校该四象限探测器12的位置，使入射到四象限探测器12表面的激光光束的横截面中心与四象限探测器12的中心点重合，通过软件预设此时的四象限探测器12输出电流或电压值为原点，当激光光束中心位置有偏移，四象限探测器12的输出电学参数会随之变化，信号处理电路会据此计算并判断出激光光束指向点的偏移量，传输给总体测控系统，总体测控系统会读取这些参数并与激光器预设值对比，判断当前实时测量的激光束指向是否正常。

本发明的工作原理是： 激光光束平均功率的探测根据第一光电二极管9和第二光电二极管11采集到的光电转换信号的电流强度来标定而获得功率值；脉冲采集电路同时从第一光电二极管9和第二光电二极管11的脉冲光电流中滤波计算出脉冲激光的重复频率；四象限探测器12经过标定后，可以根据光斑在四象限探测器12表面的位移来计算出激光光束指向点偏移角度；根据可饱和吸收体8对激光光束峰值功率的可饱和吸收特性，结合光强探测器就能测量吸收体漂泊后穿过的高峰值功率激光强度；电荷耦合器件3结合光斑形状分析软件就能够以很高分辨率再现激光光束横截面的光强度二维分布特征，所有这些探测器的输出端口经由统一的数据采集传输电路，输送给数据输出端子，供总体测控系统读取。

本产品封装于一个独立模块中，独立模块通过机械方式挂载于激光器上。激光器的分光输出口与该独立模块的入射窗口对接；数据输出端子与激光器的数据输入端口连接，实现该独立模块与激光器浑然一体，内嵌于激光器。当激光器开启时，该独立模块中的测量系统也随即通电工作，实时监视激光光束各个参数的数据值，并传输给总体测控系统分析、对比，将诊断结果在总体测控系统界面显示出来，告知激光器操作者该激光器各项参数是否正常。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种内嵌式激光参数综合自诊断系统，包括腔体（1），所述腔体（1）上设置有入射窗口（2），其特征在于，腔体（1）内部安装有电荷耦合器件（3）、第一衰减片（4）、第三反射镜（5）、第二反射镜（6）、凸透镜（7）、可饱和吸收体（8）、第一光电二极管（9）、第一反射镜（10）、第二光电二极管（11）、四象限探测器（12）和第二衰减片（13），入射窗口（2）、第一反射镜（10）和第二光电二极管（11）配合使用，第二反射镜（6）、第二衰减片（13）、凸透镜（7）、可饱和吸收体（8）以及第一光电二极管（9）配合使用，第三反射镜（5）、第一衰减片（4）和电荷耦合器件（3）配合使用，四象限探测器（12）与第三反射镜（5）配合使用，入射窗口（2）与激光器的分光输出口对接，第一光电二极管（9）和第二光电二极管（11）均与信号处理电路相连。

2.根据权利要求1所述的内嵌式激光参数综合自诊断系统，其特征在于，所述入射窗口（2）采用光学平面玻璃并且表面镶嵌有增透膜。

3.根据权利要求1或2所述的内嵌式激光参数综合自诊断系统，其特征在于，所述第一反射镜（10）和第二反射镜（6）与水平面的倾斜角度均为45度。

4.一种如权利要求1-3任一所述的内嵌式激光参数综合自诊断系统的工作流程，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一，准直的入射激光光束穿过入射窗口（2）投射到第一反射镜（10）上，穿过第一反射镜（10）的激光光束投射到第二光电二极管（11）的光敏面上，第二光电二极管（11）进行光电转换，将光强参数转换为光电流强度参数并计数脉冲时间间隔输送给信号处理电路，信号处理电路完成运算和比较后换算出原始入射光功率值和脉冲重复频率值，并将此参数传送给总体测控系统，总体测控系统比较这些测量值与激光器预设值，判断当前实时测量的激光平均功率、重复频率是否正常；

步骤二，经首次反射的激光光束传输方向改变90°，穿过第二反射镜（6），第二反射镜（6）45度放置，其中反射的激光光束依次穿过第二衰减片（13）、凸透镜（7）以及可饱和吸收体（8），投射到第一光电二极管（9）的光敏面上，第一光电二极管（9）进行光电转换，将透过可饱和吸收体的光强参数转换为光电流强度参数并输送给信号处理电路，信号处理电路完成运算和比较后换算出入射光功率值，并将此参数传送给总体测控系统，总体测控系统比较这些测量值与激光器预设值，判断当前实时测量的激光峰值功率是否正常；

步骤三，透过第二反射镜（6）的激光光束投射到第三反射镜（5）表面，透过第三反射镜（5）的激光光束穿过第一衰减片（4）并且投射到电荷耦合器件（3）的光敏面上，电荷耦合器件（3）对采集到的光斑图样进行测量分析并给出光斑圆度、中心位置的信息，传输给总体测控系统，总体测控系统会读取这些参数并与激光器预设值对比，判断当前实时测量的激光横模模式是否正常；

步骤四，经第三反射镜（5）反射的激光光束传播方向旋转140°，投射到四象限探测器（12）的接收面，预设此时的四象限探测器（12）输出电流或电压值为原点，当激光光束中心位置有偏移，四象限探测器（12）的输出电学参数会随之变化，信号处理电路会据此计算并判断出激光光束指向点的偏移量，传输给总体测控系统，总体测控系统会读取这些参数并与激光器预设值对比，判断当前实时测量的激光束指向是否正常。