CN111238773A - 高分辨激光输出功率变化量监测装置与方法 - Google Patents

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胡晨璐
刘晓凤
赵元安
连亚飞
朱美萍
易葵
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Abstract

一种高分辨激光输出功率变化量监测装置与方法，包括斩波器、第一光电探测器、第二光电探测器、楔形片和锁相放大器。本发明利用光电探测器分别接收两束光并转换为电压信号后输入到所述的锁相放大器，并做差分运算后测量差值信号大小，另外所述的斩波器的同步信号输入锁相放大器作为参考信号。本发明可有效实现监测激光输出功率变化量，显著提高监测分辨率。

Description

高分辨激光输出功率变化量监测装置与方法
技术领域
本发明涉及激光输出功率变化量的测量，特别是一种高分辨激光输出功率变化量监测装置与方法
背景技术
激光器功率变化监控系统在激光器应用安全中有着核心地位与应用价值，是激光器未来发展的重要方向。激光功率是高功率激光器中最主要的参量，激光输出功率严重地影响着激光加工的质量，因此，在加工过程中，如果能提高激光功率的测量精度，对于提高产品合格率有着极其重要的作用。
传统的激光功率检测方法是将激光照射到激光功率计或激光能量计上进行检测。目前激光功率计的最小显示分辨率可达到1nW左右，激光能量计的最小显示分辨率可达到0.1nJ左右。然而只有在小量程时分辨率才能达到这个水平，当测量大功率激光时，激光功率计和激光能量计的分辨率就非常低了。
以上检测方法在测量大功率激光时分辨率低，当光束功率有微小变化时，功率计有可能检测不到。因此，如何提高监测激光输出功率变化的分辨率是激光输出功率监测测试必须要解决的关键性问题之一。
发明内容
为解决监测激光输出功率变化时出现的上述问题，本发明提出一种高分辨激光输出功率变化量监测装置与方法，该装置可有效监测激光输出功率的变化。简单易行，可提高监测激光输出功率变化的分辨率。
本发明的技术解决方案如下：
一种高分辨激光输出功率变化量监测装置，其特点在于，包括斩波器、第一光电探测器、第二光电探测器、楔形片和锁相放大器，沿激光输出方向依次是所述的斩波器和楔形片，在所述的楔形片的前表面的反射光方向设置所述的第一光电探测器，在所述的楔形片的后表面的反射光方向设置所述的第二光电探测器，所述的第一光电探测器的输出端与所述的锁相放大器的第一输入端相连，所述的第二光电探测器的输出端与所述的锁相放大器的第二输入端相连，所述的斩波器的同步信号输出端与所述的锁相放大器的参考信号输入端相连；
利用述的高分辨激光输出功率变化量监测装置对激光输出功率变化量的测量方法，包括如下步骤：
1)在锁相放大器的“SIGNAL INPUT”区域按“Input”按钮，选中“A-B”档，使得锁相放大器处于差分运算的工作模式下，输出差分信号；
2)在激光照射方向依次安装所述的斩波器和楔形片，当激光脉冲照射到该楔形片时，会分别在前、后表面产生反射，在其前表面产生的反射光的方向处安装所述的第一光电探测器；在其后表面产生的反射光的方向处安装所述的第二光电探测器，第一光电探测器输出端连接所述的锁相放大器的第一输入端；第二光电探测器的输出端连接所述的锁相放大器的第二输入端，所述的斩波器输出端连接所述的锁相放大器的参考信号输入端，对待测的高分辨激光束进行测量，锁相放大器输出信号为S；
3)根据锁相放大器输出信号S与激光输出功率P成线性关系，锁相放大器输出信号S的波动，观测到激光输出功率P的波动，若S的值保持稳定，则激光输出功率P也保持稳定。
当激光功率为P时，楔形片前表面反射率为r1，后表面反射至左侧输出的总反射率为r2，第一光电探测器和第二光电探测器的转换系数分别为z1、z2。则从第一光电探测器输入锁相放大器的信号为S1＝Pr1z1，从第二光电探测器输入锁相放大器的信号为S2＝P(1-r1)r2z2。在锁相放大器“SIGNAL INPUT”区域内选中“A-B”档可以直接输出差值信号，则锁相放大器输出的差值信号S：
S＝S1-S2＝P[r1z1-(1-r1)r2z2]
式中，r1、r2、z1、z2均为装置的固定常数，故得到激光输出功率：
P＝kS
其中
Figure BDA0002375621870000021
k为常数。可见锁相放大器(5)输出信号S与激光输出功率P成线性关系。
此装置可以监控功率变化，当输出功率不变时，测量的得到的信号值也不变，一旦光束功率产生功率计不可测的微小变化，该装置可以将该微小变化反映出来。该装置可以定性和定量监测激光输出功率及其变化。
本发明的技术效果是：
1.本发明可以显著提高监测激光输出功率变化的分辨率，且装置结构、数据处理简单，测量方法简单易行。
2.本发明有两种使用方法，既可进行定性监测又可进行定量监测，满足不同研究需求。
附图说明
图1为本发明高分辨激光输出功率变化量监测装置的结构图。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制发明的保护范围。
先请参阅图1，图1为本发明高分辨激光输出功率变化量监测装置的结构图。由图可见，本发明高分辨激光输出功率变化量监测装置，包括斩波器1、第一光电探测器2、第二光电探测器3、楔形片4和锁相放大器5，沿激光输出方向依次是所述的斩波器1和楔形片4，在所述的楔形片4的前表面的反射光方向设置所述的第一光电探测器2，在所述的楔形片4的后表面的反射光方向设置所述的第二光电探测器3，所述的第一光电探测器2的输出端与所述的锁相放大器5的第一输入端5-1相连，所述的第二光电探测器3的输出端与所述的锁相放大器5的第二输入端5-2相连，所述的斩波器1的的同步信号输出端与所述的锁相放大器5的参考信号输入端5-3相连；
利用上述高分辨激光输出功率变化量监测装置对高分辨激光输出功率变化量的测量方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：
1)在所述的锁相放大器5的“SIGNAL INPUT”区域按“Input”按钮，选中“A-B”档，使得锁相放大器5处于差分运算的工作模式下，输出差分信号；
2)在激光照射方向依次安装所述的斩波器1和楔形片4，当激光脉冲照射到该楔形片4时，会分别在前、后表面产生反射，在其前表面的反射光方向安装所述的第一光电探测器2；在其后表面的反射光的方向安装所述的第二光电探测器3，第一光电探测器2输出端连接所述的锁相放大器5的第一输入端5-1；第二光电探测器3的输出端连接所述的锁相放大器5的第二输入端5-2。所述的斩波器1输出端连接所述的锁相放大器5的参考信号输入端5-3，对待测的高分辨激光束进行测量，锁相放大器5输出信号为S；
3)根据锁相放大器5输出信号S与激光输出功率P成线性关系，锁相放大器5输出信号S的波动，观测到激光输出功率P的波动，若S的值保持稳定，则激光输出功率P也保持稳定。
此装置可以监控功率变化，当输出功率不变时，测量的得到的信号值也不变，一旦光束功率产生功率计不可测的微小变化，该装置可以将该微小变化反映出来。该装置可以定性或定量监测激光输出功率及其变化。
实验表明，本发明简单易行，可有效实现监测激光输出功率变化，显著提高监测分辨率。

Claims (2)

1.一种高分辨激光输出功率变化量监测装置，其特征在于，包括斩波器(1)、第一光电探测器(2)、第二光电探测器(3)、楔形片(4)和锁相放大器(5)，沿激光输出方向依次是所述的斩波器(1)和楔形片(4)，在所述的楔形片(4)的前表面的反射光方向设置所述的第一光电探测器(2)，在所述的楔形片(4)的后表面的反射光方向设置所述的第二光电探测器(3)，所述的第一光电探测器(2)的输出端与所述的锁相放大器(5)的第一输入端(5-1)相连，所述的第二光电探测器(3)的输出端与所述的锁相放大器(5)的第二输入端(5-2)相连，所述的斩波器(1)的同步信号输出端与所述的锁相放大器(5)的参考信号输入端(5-3)相连。
2.利用权利要求1所述的高分辨激光输出功率变化量监测装置对激光输出功率变化量的测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)在锁相放大器(5)的“SIGNAL INPUT”区域按“Input”按钮，选中“A-B”档，使得锁相放大器(5)处于差分运算的工作模式下，输出差分信号；
2)在激光照射方向依次安装所述的斩波器(1)和楔形片(4)，当激光脉冲照射到该楔形片(4)时，会分别在前、后表面产生反射，在其前表面产生的反射光的方向处安装所述的第一光电探测器(2)；在其后表面产生的反射光的方向处安装所述的第二光电探测器(3)，第一光电探测器(2)输出端连接所述的锁相放大器(5)的第一输入端(5-1)；第二光电探测器(3)的输出端连接所述的锁相放大器(5)的第二输入端(5-2)，所述的斩波器(1)输出端连接所述的锁相放大器(5)的参考信号输入端(5-3)，对待测的高分辨激光束进行测量，锁相放大器(5)输出信号为S；
3)根据锁相放大器(5)输出信号S与激光输出功率P成线性关系，锁相放大器(5)输出信号S的波动，观测到激光输出功率P的波动，若S的值保持稳定，则激光输出功率P也保持稳定。
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