CN111189537A - 一种多通道多类型激光功率同时监测的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道多类型激光功率变化同时监测的装置，包括光学单元，光学单元为多个，还包括与光学单元的个数一一对应的光纤，各个光学单元均包括被测光源、分光片和光纤耦合镜，各个光纤的输出光端由光纤合束器束扎在一起，各个光纤的输出光端的端面在一个平面上形成光端端面阵列，光端端面阵列出射的各个被测光通过第一凸透镜变为平行光，再通过第二凸透镜聚焦后在二维阵列光电探测器的感光面上形成对应的光斑。本发明还公开了一种多通道多类型激光功率同时监测的方法，本发明光路间无串扰，使用方便。单个二维阵列光电探测器实现多路光源同时探测，探测一致性好。

Description

一种多通道多类型激光功率同时监测的装置及方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种多通道多类型激光功率同时监测的装置，还涉及一种多通道多类型激光功率同时监测的方法。

背景技术

激光功率（或能量）是描述激光特性的重要参数之一，激光功率监测常用的设备有基于热释电原理制成的功率计和基于光电效应制成的光电类探测器。对于连续光和准连续光输出功率稳定性好，无论是光电探测器或者是热释电探测器都可以精确测量。然而，对于脉冲激光和通过精密测量器件后的激光，例如通过鉴频器、标准具、干涉仪等器件后的激光功率变化的监测，需要在短时间内进行快速采集，热释电探测器热-点转换过程有时间延迟，响应速度慢，限制了其在很多快速探测场合中的应用（高月华,张亦工,黄民双, et al.热释电探测器快速响应的电路实现[J].压电与声光, 2003(04):73-75+80.)。因此，对于这种类型的激光功率变化，常常选用基于光电效应制成的探测器并辅之以高速采集电路来实现（谢承科, 陈明,杨宝喜,et al.准分子激光脉冲能量探测器的设计与性能测试[J].中国激光,2015,42(1).），电路精密复杂，高速芯片价格不菲。高速光电探测通常有两种方式，一种是基于高速采样保持电路的脉冲峰值测量，另一种是基于取样积分原理的脉冲平均值测量，后者技术成熟且有成熟产品出售。此外，为了实现对复杂激光系统中多路激光的同时监测，张彦梅等人采用多路高速AD采样和FPGA等复杂系统进行多达6路的同时监测（张彦梅,盛珂,李建平.多通道脉冲激光探测技术研究[J].北京理工大学学报,2014(04):91-94+100.），6路高速采集对时序精度要求非常高，且高频时钟信号也会影响到采集通道信号。胡云等人采用分时法对激光进行分束、延时、合束等实现对脉冲激光能量和波形的同时监测(胡云,王大辉,赵学庆.多路脉冲激光参数分时法在线测试技术研究[J].中国激光,2015,v.42;No.466(10):35-39.)，系统光路复杂，单个时间内依旧只是采集到一个能量/波形信号，不能同时获取多路信号。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种多通道多类型激光功率同时监测的装置，还提供一种多通道多类型激光功率同时监测的方法。

为了实现上述目的，该发明采用如下技术方案：

一种多通道多类型激光功率变化同时监测的装置，包括光学单元，光学单元为多个，还包括与光学单元的个数一一对应的光纤，各个光学单元均包括被测光源、分光片和光纤耦合镜，被测光源的出射光经分光片反射后入射光纤耦合镜的入光端，各个光纤的输入光端与对应的光学单元的光纤耦合镜的出光端相对，各个光纤的输出光端由光纤合束器束扎在一起，各个光纤的输出光端的端面在一个平面上形成光端端面阵列，光端端面阵列出射的各个被测光通过第一凸透镜变为平行光，再通过第二凸透镜聚焦后在二维阵列光电探测器的感光面上形成N个光斑。

一种多通道多类型激光功率同时监测的方法，包括以下步骤：

二维阵列光电探测器将光端端面阵列的光强度转换为电信号，形成原始光斑图像，并将原始光斑图像传送给数据处理单元，数据处理单元对原始光斑图像进行处理，将原始光斑图像中每个光斑所覆盖的二维阵列光电探测器的所有像元信号强度进行相加并取平均，得到每一个光斑对应的原始平均信号强度，

挡住光端端面阵列，二维阵列光电探测器将光斑对应区域的光强度转换为电信号，形成背景光斑图像，并将背景光斑图像传送给数据处理单元，数据处理单元对背景光斑图像进行处理，将光斑对应的的二维阵列光电探测器的所有像元信号强度进行相加并取平均，得到每一个光斑对应的背景平均信号强度，

将每一个光斑对应的原始平均信号强度减去对应的背景平均信号强度，即为每一个被测光源对应的输出光平均功率。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

（1）本发明能实现对不同种类、不同波长光源功率变化的同时多路监测，不受输入脉冲或者连续光限制，也不受激光或者普通光源的影响，具有造价低、系统稳定可靠、应用范围广。

（2）本发明被测光源相互独立，采用多路光纤分别对每一路被测光源进行耦合和传输到二维阵列光电探测器，光纤数目由被测光源数目决定，光路间无串扰，使用方便。

（3）采用单个二维阵列光电探测器实现多路探测，二维阵列光电探测器探测器具有响应速度快、灵敏度高等优点，单个二维阵列光电探测器实现多路光源同时探测，探测一致性好。

（4）采用二维阵列光电探测器同时接收多路光纤信号，探测器面积和多束光纤尺寸匹配，二维阵列光电探测器采用分区处理方式实现对多束光纤信号的独立提取和分析，分区大小和数目与光纤数匹配，计算机软件实时监视和显示各路光功率。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图，

其中，1-第一光学单元；2-第二光学单元；N-第N光学单元；11-第一被测光源；21-第二被测光源；1N-第N被测光源；21-第一分光片；22-第二分光片；2N-第N分光片；31-第一光纤耦合镜；32-第二光纤耦合镜；3N-第N纤耦合镜；41-第一光纤；42-第二光纤；4N-第N光纤；5-光纤合束器；6-第一凸透镜；7-第二凸透镜；8-二维阵列光电探测器；9-数据处理单元。

图2为光端端面阵列，

其中，5-光纤合束器；41-第一光纤；42-第二光纤；4N-第N光纤。

图3为二维阵列光电探测器上的光斑图像

其中，8-二维阵列光电探测器；410-第一光斑；420-第二光斑；4N0-第N光斑。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例中的二维阵列光电探测器8选用面阵CCD、被测光源选用CCD响应范围内的激光、光纤选用被测光源响应范围内的光纤为例举例说明。

1、装置组成与结构

如图1所示，一种多通道多类型激光功率变化同时监测的装置，包括光学单元，光学单元为多个，还包括与光学单元的个数一一对应的光纤，各个光学单元均包括被测光源、分光片和光纤耦合镜，被测光源的出射光经分光片反射后入射光纤耦合镜的入光端，各个光纤的输入光端与对应的光学单元的光纤耦合镜的出光端相对，各个光纤的输出光端由光纤合束器束扎在一起，各个光纤的输出光端的端面在一个平面上形成光端端面阵列，光端端面阵列出射的各个被测光通过第一凸透镜6变为平行光，再通过第二凸透镜7聚焦后在二维阵列光电探测器8的感光面上形成N个光斑。

在第一光学单元1中，第一分光片21放置在第一被测光源11的输出光束光路中，且与光束传播方向呈45°夹角，在第一分光片21的反射光路中，正对反射光放置第一光纤耦合镜31，第一光纤41的一个端面正对第一光纤耦合镜31的出光端。

第二光学单元2和第N光学单元N与第一光学单元1结构相同。第一被测光源11到第N被测光源N1的波长与二维阵列光电探测器8的响应范围相匹配。

第一光纤41、第二光纤42和第N光纤4N的输出光端通过光纤合束器5扎在一起，且使得所有输出光端端面在一个平面上，形成一个光端端面阵列。被测光源通过光纤传输，避免了光路间的串扰，同时便于增减光纤数目。光纤输出光端端面在光端端面阵列内的排布根据实际使用的光纤数目和需求进行定制，要求是光纤形成的光端端面阵列在二维阵列光电探测器8的感光面上所成的像要与二维阵列光电探测器8的感光面大小相匹配，匹配关系与凸透镜成像相关。本实施例中的光纤采用圆形分布的方式进行排列，光端端面阵列上光纤排布如图2所示。

光纤合束器5、第一凸透镜6、第二凸透镜7和二维阵列光电探测器8依次同轴排列。光纤合束器5的光端端面阵列位于第一凸透镜6的物平面上，且物距和第一凸透镜6的焦距大小相等。二维阵列光电探测器8的感光面位于第二凸透镜7的像平面上，且像距和第二凸透镜7的焦距大小相等。

2、光功率监测方法

一种多通道多类型激光功率同时监测的方法，包括以下步骤：

二维阵列光电探测器将光端端面阵列的光强度转换为电信号，形成原始光斑图像，并将原始光斑图像传送给数据处理单元，数据处理单元对原始光斑图像进行处理，将原始光斑图像中每个光斑所覆盖的二维阵列光电探测器的所有像元信号强度进行相加并取平均，得到每一个光斑对应的原始平均信号强度，

挡住光端端面阵列，二维阵列光电探测器将光斑对应区域的光强度转换为电信号，形成背景光斑图像，并将背景光斑图像传送给数据处理单元，数据处理单元对背景光斑图像进行处理，将光斑对应的的二维阵列光电探测器的所有像元信号强度进行相加并取平均，得到每一个光斑对应的背景平均信号强度，

将每一个光斑对应的原始平均信号强度减去对应的背景平均信号强度，即为每一个被测光源对应的输出光平均功率。

第一光纤41、第二光纤42和第N光纤4N的光输出端的端面形成一个发光平面，光纤端面排列如图2所示。光端端面阵列出射的被测光源通过第一凸透镜6变为平行光，再通过第二凸透镜7后在二维阵列光电探测器8的感光面上形成N个光斑。其中，第一光纤41的输出光形成第一光斑410，第二光纤42的输出光形成第二光斑420、第N光纤4N的输出光形成第N光斑4N0，如图3所示。每根光纤对应一个光斑，每个光斑覆盖二维阵列光电探测器8的感光面上的多个像元。因为二维阵列光电探测器8上的每个像元为一个点探测器，所以每个光斑都被多个点探测器进行监测，大大降低了监测结果的随机误差。

二维阵列光电探测器8将N个光斑的光强度转换为电信号，形成一幅光斑图像。二维阵列光电探测器8的感光面采用分区处理的方式对每个光斑信号独立提取和分析，分区大小和数目与光纤数匹配。使用单个二维阵列光电探测器8对多路激光功率变化同时监测，不但探测一致性好，而且降低了监测成本。

在做数据处理时，先挡住激光，测一个光斑所在区域内所有像元的灰度值，相加并取平均，作为背景噪声，然后测量光斑时的灰度值，相加并取平均，作为原始信号，从原始信号中扣除背景噪声，得到一个光斑对应的平均信号强度，该平均信号强度与被测量光源的输出光平均功率成线性关系，通过与功率计（能量计）进行较准，实现激光功率绝对测量。最后在数据处理单元9实时监视和显示各路激光功率变化。

需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种多通道多类型激光功率变化同时监测的装置，包括光学单元，其特征在于，光学单元为多个，还包括与光学单元的个数一一对应的光纤，各个光学单元均包括被测光源、分光片和光纤耦合镜，被测光源的出射光经分光片反射后入射光纤耦合镜的入光端，各个光纤的输入光端与对应的光学单元的光纤耦合镜的出光端相对，各个光纤的输出光端由光纤合束器束扎在一起，各个光纤的输出光端的端面在一个平面上形成光端端面阵列，光端端面阵列出射的各个被测光通过第一凸透镜（6）变为平行光，再通过第二凸透镜（7）聚焦后在二维阵列光电探测器（8）的感光面上形成N个光斑。

2.一种多通道多类型激光功率同时监测的方法，利用权利要求1所述的一种多通道多类型激光功率同时监测的装置，其特征在于，

二维阵列光电探测器将光端端面阵列的光强度转换为电信号，形成原始光斑图像，并将原始光斑图像传送给数据处理单元，数据处理单元对原始光斑图像进行处理，将原始光斑图像中每个光斑所覆盖的二维阵列光电探测器的所有像元信号强度进行相加并取平均，得到每一个光斑对应的原始平均信号强度，

挡住光端端面阵列，二维阵列光电探测器将光斑对应区域的光强度转换为电信号，形成背景光斑图像，并将背景光斑图像传送给数据处理单元，数据处理单元对背景光斑图像进行处理，将光斑对应的的二维阵列光电探测器的所有像元信号强度进行相加并取平均，得到每一个光斑对应的背景平均信号强度，

将每一个光斑对应的原始平均信号强度减去对应的背景平均信号强度，即为每一个被测光源对应的输出光平均功率。

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