CN111442833B - 一种红外激光功率检测装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外激光功率检测装置及其应用，属于红外激光器领域，包括：固定连接的镜屋和功率计屋；镜屋呈圆筒状，其第二端中心开设有呈圆台形状的激光入射口；功率计屋呈圆筒状，其内部的功率采样面将其分为两个部分；功率采样面，其底面为圆形，其反射面的圆心处呈半径较小的圆锥体；由镜屋第二端的外端面、反射面以及功率计屋的侧壁包围构成衰减匀化区；功率采样面的圆形底面上内嵌了偶数支沿圆周均匀分布的功率探头，其中一半为采光的功率探头，用于采集含有噪声的激光功率，另一半为不采光功率探头，用于采集温度引起的噪声功率；两类功率探头交错间隔分布，且相邻功率探头之间反串联。本发明能够提高红外激光器功率的检测速度和精度。
Description
技术领域
本发明属于红外激光器领域，更具体地，涉及一种红外激光功率检测装置。
背景技术
目前，机械切割在工业加工领域的性能逐渐不能满足现代生产的需求，激光切割以其效率高、加工精度高、人工成本低等优点成为新的加工方式。激光功率是高功率激光器中最主要的参量，激光输出功率对激光加工的质量有着极其重要的影响。
对于CO激光器、CO2激光器等5-10微米波段的红外激光功率的高速检测一直没有较好的方案。传统的激光功率检测方法是在光路上设置旋转取样针，将部分光反射到功率探头上去进行功率检测，由于其需要将检测装置安装在高功率激光光路上，对操作人员具有安全风险，而且在光路调整时，需要同时调整功率检测装置的安装位置，否则会影响检测精度，另外，采样针的反射面污染也会影响采样精度。另外一种常用的方法是采用具有微小透过率(如0.3％或0.5％)的反射镜作为激光器尾镜，由于尾镜透射光与输出激光具有固定比例，通过对透射光功率的检测即可知道激光的输出功率，这样千瓦级的激光器的透射功率即可采用检测量程为数瓦或数十瓦的功率探头就可以进行检测，但是这种测试方法是让激光直接照射到功率探头上，要求传感器损伤阈值较高，提高其损伤阈值便会降低响应速度，通用的功率探头的响应速度基本在秒级，所以只能作为一般的功率显示，而不能作为功率的实时检测与功率反馈。而高速的碲镉汞红外光电探测器损伤阈值低，并且需要工作在零下的低温下，增加了应用的复杂性，限制了其应用范围。
因此，提出一种能够实时、准确检测红外激光器的输出功率的装置，有着十分重要的实际意义。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种红外激光功率检测装置及其应用，其目的在于，提高红外激光器输出功率的检测速度和精度。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种红外激光功率检测装置，包括：镜屋和功率计屋；
镜屋呈圆筒状，其第一端用于与红外激光器的谐振腔尾端固定连接，其第二端的端面中心开设有呈圆台形状的激光入射口，且激光入射口靠近镜屋第一端的一面开口半径大于另一面的开口半径；
功率计屋呈圆筒状，其第一端与镜屋的第二端固定连接，其内部设置有功率采样面，且功率采样面将功率计屋分为两个部分；
功率采样面，其底面为圆形且远离功率计屋的第一端，其另一面为反射面，反射面的圆心处呈半径较小的圆锥体；激光入射口、功率采样面的圆形底面、圆锥体以及红外激光器的谐振腔尾端均同轴设置；由镜屋第二端的外端面、反射面以及功率计屋的侧壁包围构成衰减匀化区；
功率采样面的圆形底面上内嵌了偶数支沿圆周均匀分布的功率探头，其中一半为采光的功率探头，另一半为不采光的功率探头；采光的功率探头与衰减匀化区以小孔相通以采光，用于采集含有噪声的激光功率；不采光的功率探头不与衰减匀化区连通，用于采集温度引起的噪声功率；两类功率探头交错间隔分布，且相邻功率探头之间反串联，从而消除激光功率信号中有环境温度所带来的误差。
工作时，红外激光器的谐振腔尾端透射的激光束经激光入射口入射到功率采样面的反射面上，该反射面上的小圆锥体能够以一定的角度反射直射而来的激光束，反射后的激光束进入衰减匀化区进行漫反射，由此能够防止部分激光照射到功率采样面后直接反射回激光器的谐振腔内，从而增加了衰减匀化区对于入射激光束的收集效率，降低了功率检测误差；最终，衰减匀化区内的激光功率会被采光的功率探头采集到，与此同时，不采光的功率探头会采集到由于温度引起的噪声功率，通过将两类功率探头反串联，能够消除激光功率信号中由温度引起的噪声，最终完成对红外激光器输出功率的检测。
总的来说，本发明中，由于功率采样面的反射面的圆心处呈半径较小的圆锥，形成了一个具有特殊内反射面的衰减匀化区，能够使入射激光束发生漫反射衰减和匀化，增加了衰减匀化区对于入射激光束的收集效率，降低了功率检测误差，并且利用不采光的功率探头对采样信号进行温度补偿，能够有效提高红外激光功率检测的精度。
本发明所提供的上述红外激光功率检测装置，适用于安装在红外激光器的谐振腔尾端，此时可实现千瓦级红外激光器的功率检测；也可安装在激光输出口做一般的功率检测，但仅能针对输出功率较小的红外激光器进行功率检测。
进一步地，功率探头为热电堆红外测温传感器。
热电堆红外测温传感器具有无需低温，并且能提供毫秒级的响应速度的特点，但是其损伤阈值低、对温度很敏感；本发明采用衰减匀化区对激光进行衰减匀化后，热电堆红外测温传感器对激光功率进行采样，配合温度补偿机制，能够在保证检测精度的情况下提高响应速度，从而可以满足千瓦级红外激光器的功率实时检测需求。
进一步地，在功率采样面的圆形底面上，在功率探头的外周设置有恒温水冷却通道；
恒温水冷却通道用于通入恒温水，进行散热。
本发明利用恒温水冷却通道进行散热，能够进一步保证功率检测精度。
进一步地，衰减匀化区的各表面及功率采样面均经过喷砂处理。
本发明对衰减匀化区的各表面及功率采样面进行喷砂处理，能够增强散射效果，使得衰减匀化区内的光能量分布均匀，有利于提高检测精度。
进一步地，激光入射口靠近镜屋第一端的一面开口半径大于入射激光束的半径，且激光入射口远离镜屋第一端的一面开口半径小于入射激光束的半径；利用这样的圆台结构，激光束经过激光入射口时，会过滤掉激光光斑的边缘衍射旁瓣，只采集中间对激光加工影响较大的光斑部分功率。
进一步地，激光入射口与红外激光器的谐振腔尾端之间存在间隙，且镜屋的侧面安装有进气接头，进气接头的喷嘴位于激光入射口与红外激光器的谐振腔尾端之间；
进气接头用于通入干燥气体，以保持红外激光器的镜片及装置腔体内表面干燥，从而避免衰减匀化区各表面的反射率发生变化。
激光器的镜片以及衰减匀化区的各表面的反射率，会由于结露或被污染而发生变化；本发明设计进气接头，用于通入干燥气体，保持红外激光器的镜片及装置腔体内表面干燥，能够有效避免衰减匀化区各表面的反射率发生变化，从而保证到达功率探头的激光发生变化，保证了激光检测的准确性。
进一步地，镜屋还包括：尾镜安装板、尾镜以及尾镜镜夹；
尾镜安装板位于镜屋的第一端，尾镜和尾镜镜夹位于镜屋的腔内；尾镜安装板用于与红外激光器的谐振腔尾端固定连接，并使尾镜安装于红外激光器的谐振腔尾端，尾镜镜夹用于使尾镜与尾镜安装板相对固定。
本发明通过在镜屋中设置尾镜及相关的安装固定部件，安装在激光器谐振腔尾端，对于不含尾镜的千瓦级红外激光器，也能实现正常的功率检测。
进一步地，激光入射口与尾镜之间存在间隙，且镜屋的侧面安装有进气接头，进气接头的喷嘴位于激光入射口与尾镜之间；
进气接头用于通入干燥气体，以保持红外激光器的镜片及装置腔体内表面干燥，从而避免衰减匀化区各表面的反射率发生变化。
进一步地，尾镜的透过率为0.3％～0.5％。
按照本发明的第二方面，提供了一种本申请第一方面提供的红外激光功率检测装置在激光加工领域的应用。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明中，由于功率采样面的反射面的圆心处呈半径较小的圆锥，形成了一个具有特殊内反射面的衰减匀化区，能够使入射激光束发生漫反射衰减和匀化，增加了衰减匀化区对于入射激光束的收集效率，降低了功率检测误差，并且利用不采光的功率探头对采样信号进行温度补偿，能够有效提高红外激光功率检测的精度。
(2)本发明采用热电堆红外测温传感器对激光功率进行采样，配合温度补偿机制，能够在保证检测精度的情况下提高响应速度，从而可以满足千瓦级红外激光器的功率实时检测需求。
(3)本发明设计进气接头，用于通入干燥气体，保持红外激光器的镜片及装置腔体内表面干燥，能够有效避免衰减匀化区各表面的反射率发生变化，从而保证到达功率探头的激光发生变化，保证了激光检测的准确性。
(4)本发明利用恒温水冷却通道进行散热，能够进一步保证功率检测精度。
(5)本发明对衰减匀化区的各表面及功率采样面进行喷砂处理，能够增强散射效果，使得衰减匀化区内的光能量分布均匀，有利于提高检测精度。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的红外激光功率检测装置示意图；
图2为本发明第一实施例提供的衰减匀化区及其剖面示意图；其中，(a)为红外激光功率检测装置的俯视图；(b)为衰减匀化区剖面示意图；(c)为恒温冷却水通道剖面示意图；
图3为本发明第一实施例提供的功率探头在功率采样面的圆形底面上的分布示意图；
图4为本发明第一实施例提供的功率探头的连接方式示意图；
图5为本发明第二实施例提供的红外激光功率检测装置示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为功率探头，2为衰减匀化区，3为进气接头，4为功率采样面，5为激光入射口，6为尾镜，7为采光的功率探头，8为不采光的功率探头，9为功率计剖面线，10为通光小孔，11为遮光壁，12为尾镜安装板，13为镜屋，14为功率计屋，15为功率检测电路板，16为尾镜镜夹，17为恒温水冷却通道剖面线，18为恒温水冷却通道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为了提高红外激光器输出功率的检测速度和精度，在本发明的第一实施例中，提供了一种红外激光功率检测装置，如图1所示，包括：镜屋13和功率计屋14；
镜屋13呈圆筒状，其第一端用于与红外激光器的谐振腔尾端固定连接，其第二端的端面中心开设有呈圆台形状的激光入射口5，且激光入射口5靠近镜屋13第一端的一面开口半径大于另一面的开口半径；
功率计屋14呈圆筒状，其第一端与镜屋13的第二端固定连接，其内部设置有功率采样面4，且功率采样面4将功率计屋14分为两个部分；如图1所示，按照图1的摆放方式，功率采样面4具体将功率计屋分为左右两个部分；
功率采样面4，其底面为圆形且远离功率计屋14的第一端，其另一面(即靠近功率计屋14的第一端的一面)为反射面，反射面的圆心处呈半径较小的圆锥体；激光入射口5、功率采样面4的圆形底面、圆锥体以及红外激光器的谐振腔尾端均同轴设置；由镜屋13第二端的外端面、功率采样面4的反射面以及功率计屋14的侧壁包围构成衰减匀化区2；沿图2中的(a)所示的功率计剖面线9剖开后，即可看到衰减匀化区的剖面图，如图2中的(b)所示；
功率采样面4的圆形底面上内嵌了偶数支沿圆周均匀分布的功率探头1，其中一半为采光的功率探头7，另一半为不采光的功率探头8，如图2中的(b)所示，采光的功率探头7与衰减匀化区2之间存在通光小孔10，不采光的功率探头8与衰减匀化区之间存在遮光壁11；采光的功率探头7与衰减匀化区2以通光小孔10相通以采光，用于采集含有噪声的激光功率；不采光的功率探头8不与衰减匀化区2连通，用于采集温度引起的噪声功率；如图3所示，两类功率探头交错间隔分布，并且相邻功率探头之间反串联，从而消除激光功率信号中有环境温度所带来的误差，功率探头之间的连接关系如图4所示。
为了输出检测到的激光功率信号，如图1所示，可将各功率探头连接至一个功率检测电路板15，由该功率检测电路板15将经过温度补偿之后的功率信号输出。
工作时，红外激光器的谐振腔尾端透射的激光束经激光入射口入射到功率采样面的反射面上，该反射面上的小圆锥体能够以一定的角度反射直射而来的激光束，反射后的激光束进入衰减匀化区进行漫反射，由此能够防止部分激光照射到功率采样面后直接反射回激光器的谐振腔内，从而增加了衰减匀化区对于入射激光束的收集效率，降低了功率检测误差；最终，衰减匀化区内的激光功率会被采光的功率探头采集到，与此同时，即不采光的功率探头会采集到由于温度引起的噪声功率，通过将这两类功率探头反串联，能够消除激光功率信号中由温度引起的噪声，最终完成对红外激光器输出功率的检测。
在本发明的第一实施例中，功率探头1具体为热电堆红外测温传感器；
热电堆红外测温传感器具有无需低温，并且能提供毫秒级的响应速度的特点，但是损伤阈值低，对温度很敏感；本实施例采用衰减匀化区对激光进行衰减匀化后，热电堆红外测温传感器对激光功率进行采样，配合温度补偿机制，能够在保证检测精度的情况下提高响应速度，从而可以满足红外激光器的功率实时检测需求。
为了进一步保证功率检测精度，在一个可选的实施方式中，本发明第一实施例所提供的红外激光功率检测装置中，在功率采样面4的圆形底面上，在功率探头1的外周设置有恒温水冷却通道18；
恒温水冷却通道18用于通入恒温水，进行散热；
沿图2中的(b)所示的恒温水冷却通道剖面线17剖开后，恒温水冷却通道18的结构如图2中的(c)所示。
在一个可选的实施方式中，本发明第一实施例所提供的红外激光功率检测装置中，衰减匀化区2的各表面及功率采样面4均经过喷砂处理，由此能够增强散射效果，使得衰减匀化区内的光能量分布均匀，有利于提高检测精度。
在一个可选的实施方式中，本发明第一实施例所提供的红外激光功率检测装置中，如图1所示，激光入射口5靠近镜屋13第一端的一面开口半径大于入射激光束的半径，且激光入射口5远离镜屋第一端13的一面开口半径小于入射激光束的半径；利用这样的圆台结构，激光束经过激光入射口时，会过滤掉激光光斑的边缘衍射旁瓣，只采集中间对激光加工影响较大的光斑部分功率；激光入射口5的轴向长度应根据实际被测的激光器相应设定，以使照射在圆台斜面上的光束旁瓣不会直接反射回激光器。
在一个可选的实施方式中，本发明第一实施例所提供的红外激光功率检测装置中，如图1所示，激光入射口5与红外激光器的激光谐振腔镜片(例如激光器输出镜或者尾镜)之间存在间隙，且镜屋13的侧面安装有进气接头3，进气接头的喷嘴位于激光入射口与红外激光器的谐振腔尾端之间；
进气接头用于通入干燥气体，以保持红外激光器的镜片及装置腔体内表面干燥，从而避免衰减匀化区各表面的反射率发生变化。
本发明第一实施例所提供的上述红外激光功率检测装置，可以安装在红外激光器谐振腔的尾端，此时可实现千瓦级红外激光器的功率检测，具体地，镜屋13的内部可通过尾镜调节组件实现镜屋13的第一端与激光器尾镜之间的固定连接，在保证功率计稳固的同时使功率采样面4与激光器尾镜同轴。在检测到功率信号后，根据尾镜的透射率以及红外激光功率检测装置本身的衰减率即可计算得到红外激光器的输出激光功率。
应当说明的是，本发明第一实施例所提供的上述红外激光功率检测装置，也可做一般的功率检测，但仅能针对输出功率较小的红外激光器进行功率检测。
在本发明的第二实施例中，提供了一种红外激光功率检测装置，与本发明第一实施例中提供的红外激光功率检测装置结构类似，所不同之处在于，本发明第二实施例中，如图5所示，镜屋13还包括：尾镜安装板12、尾镜6以及尾镜镜夹16；
尾镜安装板12位于镜屋的第一端，尾镜6和尾镜镜夹16位于镜屋13的腔内；尾镜安装板用于与红外激光器的谐振腔尾端固定连接，并使尾镜6安装于红外激光器的谐振腔尾端，尾镜镜夹16用于使尾镜6与尾镜安装板12相对固定。
本发明第二实施例通过在镜屋中设置尾镜及相关的安装固定部件，对于不含尾镜的千瓦级红外激光器，也能实现正常的功率检测；
相应地，在利用进气接头进一步提高激光功率检测精度时，激光入射口5与尾镜6之间存在间隙，且镜屋的侧面安装有进气接头3，进气接头3的喷嘴位于激光入射口5与尾镜6之间；
进气接头3用于通入干燥气体，以保持红外激光器的镜片及装置腔体内表面干燥，从而避免衰减匀化区2各表面的反射率发生变化。
在本发明的第二实施例中，尾镜6的透过率为0.3％～0.5％。
在检测到功率信号后，根据尾镜6的透射率以及红外激光功率检测装置本身的衰减功率即可计算得到红外激光器的输出激光功率。
在本发明的第三实施例中，提供了一种上述第一实施例及上述第二实施例所提供的红外激光功率检测装置在激光加工领域的应用。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种红外激光功率检测装置，其特征在于，包括：镜屋(13)和功率计屋(14)；
所述镜屋(13)呈圆筒状，其第一端用于与红外激光器的谐振腔尾端固定连接，其第二端的端面中心开设有呈圆台形状的激光入射口(5)，且所述激光入射口(5)靠近所述镜屋(13)第一端的一面开口半径大于另一面的开口半径；
所述功率计屋(14)呈圆筒状，其第一端与所述镜屋(13)的第二端固定连接，其内部设置有功率采样面(4)，且所述功率采样面(4)将所述功率计屋(14)分为两个部分；
所述功率采样面(4)，其底面为圆形且远离所述功率计屋(14)的第一端，其另一面为反射面，所述反射面的圆心处呈半径较小的圆锥体；所述激光入射口(5)、所述功率采样面(4)的圆形底面、所述圆锥体以及红外激光器的谐振腔尾端均同轴设置；由所述镜屋(13)第二端的外端面、所述反射面以及所述功率计屋(14)的侧壁包围构成衰减匀化区(2)；
所述功率采样面(4)的圆形底面上内嵌了偶数支沿圆周均匀分布的功率探头(1)，其中一半为采光的功率探头(7)，另一半为不采光的功率探头(8)；所述采光的功率探头(7)与所述衰减匀化区(2)以小孔相通以采光，用于采集含有噪声的激光功率；所述不采光的功率探头(8)不与所述衰减匀化区(2)连通，用于采集温度引起的噪声功率；两类功率探头交错间隔分布，且相邻功率探头之间反串联从而消除激光功率信号中由环境温度所带来的误差；
所述功率探头(1)为热电堆红外测温传感器。
2.如权利要求1所述的红外激光功率检测装置，其特征在于，在所述功率采样面(4)的圆形底面上，在功率探头(1)的外周设置有恒温水冷却通道(18)；
所述恒温水冷却通道(18)用于通入恒温水，进行散热。
3.如权利要求1所述的红外激光功率检测装置，其特征在于，所述衰减匀化区(2)的各表面及功率采样面(4)均经过喷砂处理。
4.如权利要求1所述的红外激光功率检测装置，其特征在于，所述激光入射口(5)靠近所述镜屋(13)第一端的一面开口半径大于入射激光束的半径，且所述激光入射口(5)远离所述镜屋(13)第一端的一面开口半径小于入射激光束的半径。
5.如权利要求1所述的红外激光功率检测装置，其特征在于，所述激光入射口(5)与红外激光器的谐振腔尾端之间存在间隙，且所述镜屋的侧面安装有进气接头(3)，所述进气接头(3)的喷嘴位于所述激光入射口(5)与红外激光器的谐振腔尾端之间；
所述进气接头用于通入干燥气体，以保持红外激光器的镜片及装置腔体内表面干燥，从而避免所述衰减匀化区(2)各表面的反射率发生变化。
6.如权利要求1-4任一项所述的红外激光功率检测装置，其特征在于，所述镜屋(13)还包括：尾镜安装板(12)、尾镜(6)以及尾镜镜夹(16)；
所述尾镜安装板(12)位于所述镜屋的第一端，所述尾镜(6)和所述尾镜镜夹(16)位于所述镜屋(13)的腔内；所述尾镜安装板(12)用于与红外激光器的谐振腔尾端固定连接，并使所述尾镜(6)安装于红外激光器的谐振腔的尾端，所述尾镜镜夹(16)用于使所述尾镜(6)与尾镜安装板(12)相对固定。
7.如权利要求6所述的红外激光功率检测装置，其特征在于，所述激光入射口(5)与所述尾镜(6)之间存在间隙，且所述镜屋(13)的侧面安装有进气接头(3)，所述进气接头(3)的喷嘴位于所述激光入射口(5)与所述尾镜(6)之间；
所述进气接头用于通入干燥气体，以保持红外激光器的镜片及装置腔体内表面干燥，从而避免所述衰减匀化区(2)各表面的反射率发生变化。
8.如权利要求6所述的红外激光功率检测装置，其特征在于，所述尾镜的透过率为0.3％～0.5％。
9.如权利要求1-8任一项所述的红外激光功率检测装置在激光加工领域的应用。
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