CN111521269A - 液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验装置及方法 - Google Patents

液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验装置及方法 Download PDF

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CN111521269A CN202010323078.2A CN202010323078A CN111521269A CN 111521269 A CN111521269 A CN 111521269A CN 202010323078 A CN202010323078 A CN 202010323078A CN 111521269 A CN111521269 A CN 111521269A
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Abstract

本发明涉及一种激光辐照效应实验装置及方法，尤其涉及一种用于液氮制冷型红外焦平面阵列的激光聚焦辐照实验装置及方法。本发明的目的是解决现有激光聚焦辐照实验装置及方法存在难以在红外焦平面阵列表面形成光斑直径足够小、光场分布精确可控的聚焦光斑的问题，提供一种液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验装置及方法。该装置包括依次连接的光纤激光器、光纤可变衰减器和光纤分束器，激光功率计，可控聚焦辐照模块真空密封连接于杜瓦瓶上；可控聚焦辐照模块的单模光纤两端分别位于杜瓦瓶内外两侧；光束聚焦结构安装于光纤末端，与红外焦平面阵列距离为5‑15mm；光束聚焦结构焦距为5‑15mm；机械调节机构轴向调节范围为0‑25毫米。该方法利用该装置进行。

Description

液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验装置及方法
技术领域
本发明涉及一种激光辐照效应实验装置及方法，尤其涉及一种用于液氮制冷型红外焦平面阵列的激光聚焦辐照实验装置及方法。
背景技术
红外焦平面阵列是红外成像系统的图像传感器。针对红外焦平面阵列的激光辐照效应研究，能够进一步揭示红外成像系统对强光的响应行为及其机制，对于促进红外器件技术的发展具有重要意义，也是激光与物质相互作用领域的研究热点之一。
激光辐照实验是激光辐照效应研究的一项主要手段，具体为：将满足一定要求的激光束辐照于实验样品表面，然后通过测量获取实验样品的效应参数，当实验对象为液氮制冷型红外焦平面阵列时，多数情况下，需要将红外激光聚焦辐照于红外焦平面阵列的感光面上，并使聚焦光斑直径减小到100μm左右，相当于一个或多个像元的尺寸，当然不同红外焦平面阵列的像元大小不完全一样，只要聚焦光斑越接近单像元越好。
现有的液氮制冷型红外焦平面阵列通常封装于中测杜瓦之中，其激光辐照光路，具体为：经准直处理过的光束通过自由空间(如大气、真空)再经单透镜或透镜组会聚后，如图1所示，穿过中测杜瓦01的通光窗口03，以较小的光斑辐照在热沉02上的红外焦平面阵列04上。这种实验装置虽然简单，但很难实现对红外焦平面阵列的可控、小光斑聚焦辐照，主要由以下三个原因导致：
其一，中测杜瓦01本身结构决定了通光窗口03与红外焦平面阵列04之间会有一定距离，约为20mm-40mm，使得聚焦透镜(即前述单透镜或透镜组)与红外焦平面阵列04之间的距离不能任意减小，故无法使用聚焦效果更好的短焦透镜以获得直径约为100μm的微小光斑；
其二，由于光束自身固有的衍射特性，以及实际光学元件不可避免地存在像差，光束从聚焦透镜出射后需传输较远距离才能到达红外焦平面阵列04处，故其聚焦光斑直径总是大于理论设计值；
其三，由于透镜、中测杜瓦01的通光窗口03和红外焦平面阵列04的多个光学表面均会引起光束多次反射，导致红外焦平面阵列04表面的实际光场分布更加分散，故光场的分布无法实现精确控制。
综上，现有的激光聚焦辐照实验装置很难在红外焦平面阵列04样品表面形成光斑直径足够小、光场分布精确可控的聚焦光斑，故难以进行红外焦平面阵列04的激光聚焦辐照实验，从而给激光辐照效应研究的进一步深入造成了阻碍。
发明内容
本发明的目的是解决现有激光聚焦辐照实验装置及方法存在难以在红外焦平面阵列表面形成光斑直径足够小、光场分布精确可控的聚焦光斑的技术问题，提供一种液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
一种液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验装置，其特殊之处在于：包括依次连接的光纤激光器、光纤可变衰减器和光纤分束器，激光功率计，可控聚焦辐照模块，以及用于封装红外焦平面阵列的杜瓦瓶；
所述光纤分束器包含两个输出端，一个输出端连接所述激光功率计，另一个输出端连接所述可控聚焦辐照模块；
所述可控聚焦辐照模块真空密封连接于所述杜瓦瓶上，其内部热沉上安装所述红外焦平面阵列；
所述可控聚焦辐照模块包含机械调节机构、光纤和光束聚焦结构；
所述机械调节机构用于调节所述光纤的轴向和径向位置；
所述光纤为单模光纤；
所述光纤的两端分别位于杜瓦瓶内、外两侧，位于杜瓦瓶内侧部分采用硬质封装；
所述光纤的轴线垂直于所述红外焦平面阵列；
所述光束聚焦结构安装于所述光纤位于杜瓦瓶内侧的末端，其与红外焦平面阵列的距离为5-15mm；
所述光束聚焦结构的焦距为5-15mm；
所述所述机械调节机构的轴向调节范围为0-25毫米。
进一步地，所述机械调节机构为二维机械调节机构，包含安装框、径向调节杆、真空法兰、轴向调节块、光纤过孔件；
所述安装框底部设有与所述杜瓦瓶配合的内螺纹，顶部设有两个带螺纹孔的吊耳；
所述径向调节杆螺纹连接于两个所述吊耳上；
所述光纤过孔件与所述轴向调节块螺纹连接；
所述轴向调节块固连于所述真空法兰上；
所述真空法兰与所述径向调节杆相接触。
进一步地，所述机械调节机构为三维机械调节机构，包含安装框、径向调节杆、真空法兰、轴向调节块、光纤过孔件；
所述安装框底部设有与所述杜瓦瓶配合的内螺纹，顶部沿同一圆周均布有四个带螺纹孔的吊耳；
所述径向调节杆包含相互垂直的第一径向调节杆和第二径向调节杆；
所述第一径向调节杆和第二径向调节杆螺纹连接于所述吊耳上；
所述光纤过孔件与所述轴向调节块螺纹连接；
所述轴向调节块固连于所述真空法兰上；
所述真空法兰与第一径向调节杆和第二径向调节杆分别接触。
进一步地，所述安装框与所述杜瓦瓶之间还设有密封圈。
进一步地，所述机械调节机构的径向调节范围为±1毫米。
进一步地，所述光纤激光器、光纤可变衰减器、光纤分束器、激光功率计和可控聚焦辐照模块之间的连接均采用单模光纤。
本发明还提供一种利用上述装置进行液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)实验装置准备
1.1)将上述液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验装置的光纤激光器、光纤可变衰减器、光纤分束器、激光功率计、可控聚焦辐照模块进行连接，运行光纤激光器，获取光纤分束器实际的激光功率分束比；
1.2)将所述可控聚焦辐照模块与封装有红外焦平面阵列的杜瓦瓶进行密封连接，利用真空机组使杜瓦瓶内部真空度达到要求范围，完成实验装置的准备；
2)进行激光聚焦辐照实验
2.1)信号调试
将光纤可变衰减器调节到较大衰减倍率，开启光纤激光器，利用激光功率计监测激光功率，观察红外焦平面阵列的输出信号，逐渐降低衰减倍率以使激光功率逐渐增大，直至红外焦平面阵列输出的信号强度合适；通过可控聚焦辐照模块调节光纤末端与红外焦平面阵列的相对位置，同时结合必要的衰减倍率调节，使得红外焦平面阵列输出信号的强度和宽度均达到合适范围，信号调试完成；
2.2)聚焦辐照
逐渐降低衰减倍率，使激光功率逐步增大，通过换算得到红外焦平面阵列表面的激光功率密度，记录所需的激光功率密度及其激光功率，并存储该激光功率密度下红外焦平面阵列输出的信号，激光聚焦辐照实验完成；
3)实验装置拆卸
关闭光纤激光器与红外焦平面阵列，将所述液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验装置恢复至步骤1.1)前的状态。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明提供的装置及方法能够实现对液氮制冷型红外焦平面阵列的可控小光斑激光聚焦辐照，可以在红外焦平面阵列样品表面形成直径约100μm的聚焦光斑，其尺寸接近于红外焦平面阵列的单像素尺寸。
2、将辐照激光通过单模光纤传输至杜瓦瓶内，在距离红外焦平面阵列表面几毫米处的光纤末端会聚后，照射到红外焦平面阵列样品表面，从而避免了现有辐照装置中聚焦透镜、杜瓦瓶窗口等光学介质表面多次反射引起的光场空间弥散，从而获得了精确可控的辐照光场。
3、通过设置光纤可变衰减器增加了激光功率连续可变衰减调节功能，通过设置光纤分束器和激光功率计增加了激光功率实时监测功能，完全满足激光聚焦辐照实验的需求。
4、机械调节机构的光纤过孔件与轴向调节块螺纹连接，能够使所述光束聚焦结构出射的聚焦光斑实现光纤轴向上的位置调节，轴向调节范围为0-25毫米；轴向调节块固连于真空法兰上，真空法兰与径向调节杆硬硬接触，能够使所述光束聚焦结构出射的聚焦光斑实现与光纤轴向垂直的任一平面或方向内的径向微调节，径向调节范围为±1毫米。
5、本发明所述光纤激光器、光纤可变衰减器、光纤分束器、激光功率计和可控聚焦辐照模块之间的连接均采用单模光纤，可控聚焦辐照模块上的光纤也采用单模光纤，即激光传输通道使用全光纤光路，避免了搭建自由空间传输光路时必需的光路准直等操作，构建方便，方法简单，能够大幅提高实验效率。
附图说明
图1为现有液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验装置的结构示意图；
图2为本发明液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验装置的结构示意图；
图3为图2中a处的结构示意图，其中虚线部分为不存在的结构，以虚线示意现有装置中的通光窗口，相当于图1中的通光窗口；
图4为现有液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验与本发明实验所得辐照光斑尺寸对比示意图，图a为现有实验所得辐照光斑，图b为本发明实验所得辐照光斑；
附图标记说明：
现有技术中：
01-中测杜瓦；02-热沉；03-通光窗口；04-红外焦平面阵列；
本发明中：
1-光纤激光器；2-光纤可变衰减器；3-光纤分束器；4-激光功率计；5-可控聚焦辐照模块；6-红外焦平面阵列；7-杜瓦瓶；8-热沉；
51-机械调节机构；52-光纤；53-光束聚焦结构；
511-安装框；512-径向调节杆；513-真空法兰；514-轴向调节块；515-光纤过孔件；516-吊耳。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
本发明提供一种用于液氮制冷型红外焦平面阵列的激光聚焦辐照实验装置，如图2所示，其构成包括：通过单模光纤输出激光的光纤激光器1，与光纤激光器1输出端通过标准光纤接头相互连接的、用于对激光功率进行衰减调节的光纤可变衰减器2，与光纤可变衰减器2输出端通过标准光纤接头相互连接的、以固定比例将输入激光功率一分为二输出的光纤分束器3，所述光纤可变衰减器2能够对辐照激光功率实现大范围连续调节，与光纤分束器3一个输出端通过标准光纤接头相互连接的可控聚焦辐照模块5，与可控聚焦辐照模块5通过真空密封连接的杜瓦瓶7，其内部热沉8上安装有红外焦平面阵列6，与光纤分束器3另一个输出端通过标准光纤法兰相互连接的、用于辐照激光功率监测的激光功率计4，可控聚焦辐照模块5的内部有一条单模光纤穿过，该条单模光纤可将激光从杜瓦瓶7外部传输至内部，位于杜瓦瓶7内侧的光纤52采用硬质封装且末端具有焦距为10mm左右的光束聚焦结构53，其与红外焦平面阵列6的距离为5-15mm，所述机械调节机构51的轴向调节范围为0-25毫米；从而使得光纤52末端指向稳定，而且从光纤52输出的激光能够会聚为直径为100μm左右的光斑。
如图3所示，所述机械调节机构51为二维机械调节机构，包含安装框511、径向调节杆512、真空法兰513、轴向调节块514、光纤过孔件515；所述安装框511底部设有与所述杜瓦瓶7配合的内螺纹，顶部设有两个带螺纹孔的吊耳516；所述径向调节杆512螺纹连接于两个所述吊耳516上；所述光纤过孔件515与所述轴向调节块514螺纹连接，能够使所述光束聚焦结构53出射的聚焦光斑实现光纤52轴向上的位置调节，轴向调节范围为0-25毫米；所述轴向调节块514固连于所述真空法兰513上；所述真空法兰513与所述径向调节杆512硬硬接触，能够使所述光束聚焦结构53出射的聚焦光斑实现与光纤52轴向垂直的方向的径向微调节，径向调节范围为±1毫米。
所述机械调节机构51也可以为三维机械调节机构，包含安装框511、径向调节杆512、真空法兰513、轴向调节块514、光纤过孔件515；所述安装框511底部设有与所述杜瓦瓶7配合的内螺纹，顶部沿同一圆周均布有四个带螺纹孔的吊耳516；所述径向调节杆512包含相互垂直的第一径向调节杆和第二径向调节杆；所述第一径向调节杆和第二径向调节杆螺纹连接于所述吊耳516上；所述光纤过孔件515与所述轴向调节块514螺纹连接；所述轴向调节块514固连于所述真空法兰513上；所述真空法兰513与第一径向调节杆和第二径向调节杆分别接触，其轴向调节范围为0-25毫米，径向调节范围为±1毫米。
光纤激光器1可为任意的连续光纤激光器或者脉冲光纤激光器，光纤可变衰减器2、光纤分束器3、可控聚焦辐照模块5、激光功率计4的工作参数条件(激光波长、激光功率等)应与光纤激光器1输出激光参数相适合；光纤可变衰减器2可为任意工作原理的可变衰减器。
在本实施例中，光纤激光器1为波长1550nm连续波光纤激光器，输出端光纤接头类型为FC/PC；光纤可变衰减器2为Thorlabs公司的VOA 50-FC型器件，衰减动态范围1.5-50dB；光纤分束器3的分束比为1:9；可控聚焦辐照模块5为自研器件，通过单模光纤将2.0μm激光从光纤分束器3的主输出端传输进入杜瓦瓶7的内部，位于杜瓦瓶7内部的光纤52使用玻璃材料硬质封装，光纤52末端为焦距约12mm的聚焦结构，光纤52输出激光聚焦辐照于红外焦平面阵列6表面，辐照光斑直径约80μm，可控聚焦辐照模块5具有机械调节结构，在光纤52轴向上位移调节范围约25mm，在垂直光纤52轴向的一个方向(即径向)上位移调节范围约2mm；杜瓦瓶7为50芯中测杜瓦；激光功率计4为Ophir公司的3A-P型探头与Pulsar型转接器的组合。
本发明还提供一种利用上述装置进行液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验的方法，包括以下步骤：
1)实验装置准备
1.1)将上述液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验装置的光纤激光器1、光纤可变衰减器2、光纤分束器3、激光功率计4、可控聚焦辐照模块5进行连接，运行光纤激光器1，获取光纤分束器3实际的激光功率分束比；
1.2)将所述可控聚焦辐照模块5与封装有红外焦平面阵列6的杜瓦瓶7进行密封连接，利用真空机组使杜瓦瓶7内部真空度达到要求范围，完成实验装置的准备；
2)进行激光聚焦辐照实验
2.1)信号调试
将光纤可变衰减器2调节到较大衰减倍率，开启光纤激光器1，利用激光功率计4监测激光功率，观察红外焦平面阵列6的输出信号，逐渐降低衰减倍率以使激光功率逐渐增大，直至红外焦平面阵列6输出的信号强度合适；通过可控聚焦辐照模块5调节光纤52末端与红外焦平面阵列6的相对位置，同时结合必要的衰减倍率调节，使得红外焦平面阵列6输出信号的强度和宽度均达到合适范围，信号调试完成；
2.2)聚焦辐照
逐渐降低衰减倍率，使激光功率逐步增大，通过换算得到红外焦平面阵列6表面的激光功率密度，记录所需的激光功率密度及其激光功率，并存储该激光功率密度下红外焦平面阵列6输出的信号，激光聚焦辐照实验完成；
3)实验装置拆卸
关闭光纤激光器1与红外焦平面阵列6，将所述液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验装置恢复至步骤1.1)前的状态。
图4为现有液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验与本发明实验所得辐照光斑尺寸对比示意图，从图中可知，相比图a中现有实验所得辐照光斑，图b中本发明实验所得辐照光斑更加接近一个或几个像元。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验装置，其特征在于：包括依次连接的光纤激光器(1)、光纤可变衰减器(2)和光纤分束器(3)，激光功率计(4)，可控聚焦辐照模块(5)，以及用于封装红外焦平面阵列(6)的杜瓦瓶(7)；
所述光纤分束器(3)包含两个输出端，一个输出端连接所述激光功率计(4)，另一个输出端连接所述可控聚焦辐照模块(5)；
所述可控聚焦辐照模块(5)真空密封连接于所述杜瓦瓶(7)上，其内部热沉(8)上安装所述红外焦平面阵列(6)；
所述可控聚焦辐照模块(5)包含机械调节机构(51)、光纤(52)和光束聚焦结构(53)；
所述机械调节机构(51)用于调节所述光纤(52)的轴向和径向位置；
所述光纤(52)为单模光纤；
所述光纤(52)的两端分别位于杜瓦瓶(7)内、外两侧，位于杜瓦瓶(7)内侧部分采用硬质封装；
所述光纤(52)的轴线垂直于所述红外焦平面阵列(6)；
所述光束聚焦结构(53)安装于所述光纤(52)位于杜瓦瓶(7)内侧的末端，其与红外焦平面阵列(6)的距离为5-15mm；
所述光束聚焦结构(53)的焦距为5-15mm；
所述机械调节机构(51)的轴向调节范围为0-25毫米。
2.根据权利要求1所述的液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验装置，其特征在于：所述机械调节机构(51)为二维机械调节机构，包含安装框(511)、径向调节杆(512)、真空法兰(513)、轴向调节块(514)、光纤过孔件(515)；
所述安装框(511)底部设有与所述杜瓦瓶(7)配合的内螺纹，顶部设有两个带螺纹孔的吊耳(516)；
所述径向调节杆(512)螺纹连接于两个所述吊耳(516)上；
所述光纤过孔件(515)与所述轴向调节块(514)螺纹连接；
所述轴向调节块(514)固连于所述真空法兰(513)上；
所述真空法兰(513)与所述径向调节杆(512)相接触。
3.根据权利要求1所述的液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验装置，其特征在于：所述机械调节机构(51)为三维机械调节机构，包含安装框(511)、径向调节杆(512)、真空法兰(513)、轴向调节块(514)、光纤过孔件(515)；
所述安装框(511)底部设有与所述杜瓦瓶(7)配合的内螺纹，顶部沿同一圆周均布有四个带螺纹孔的吊耳(516)；
所述径向调节杆(512)包含相互垂直的第一径向调节杆和第二径向调节杆；
所述第一径向调节杆和第二径向调节杆螺纹连接于所述吊耳(516)上；
所述光纤过孔件(515)与所述轴向调节块(514)螺纹连接；
所述轴向调节块(514)固连于所述真空法兰(513)上；
所述真空法兰(513)与第一径向调节杆和第二径向调节杆分别接触。
4.根据权利要求2所述的液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验装置，其特征在于：所述安装框(511)与所述杜瓦瓶(7)之间还设有密封圈。
5.根据权利要求4所述的液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验装置，其特征在于：所述机械调节机构(51)的径向调节范围为±1毫米。
6.根据权利要求5所述的液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验装置，其特征在于：所述光纤激光器(1)、光纤可变衰减器(2)、光纤分束器(3)、激光功率计(4)和可控聚焦辐照模块(5)之间的连接均采用单模光纤。
7.一种利用权利要求3或6所述液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验装置进行液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)实验装置准备
1.1)将所述液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验装置的光纤激光器(1)、光纤可变衰减器(2)、光纤分束器(3)、激光功率计(4)、可控聚焦辐照模块(5)进行连接，运行光纤激光器(1)，获取光纤分束器(3)实际的激光功率分束比；
1.2)将所述可控聚焦辐照模块(5)与封装有红外焦平面阵列(6)的杜瓦瓶(7)进行密封连接，利用真空机组使杜瓦瓶(7)内部真空度达到要求范围，完成实验装置的准备；
2)进行激光聚焦辐照实验
2.1)信号调试
将光纤可变衰减器(2)调节到较大衰减倍率，开启光纤激光器(1)，利用激光功率计(4)监测激光功率，观察红外焦平面阵列(6)的输出信号，逐渐降低衰减倍率以使激光功率逐渐增大，直至红外焦平面阵列(6)输出的信号强度合适；通过可控聚焦辐照模块(5)调节光纤(52)末端与红外焦平面阵列(6)的相对位置，同时结合必要的衰减倍率调节，使得红外焦平面阵列(6)输出信号的强度和宽度均达到合适范围，信号调试完成；
2.2)聚焦辐照
逐渐降低衰减倍率，使激光功率逐步增大，通过换算得到红外焦平面阵列(6)表面的激光功率密度，记录所需的激光功率密度及其激光功率，并存储该激光功率密度下红外焦平面阵列(6)输出的信号，激光聚焦辐照实验完成；
3)实验装置拆卸
关闭光纤激光器(1)与红外焦平面阵列(6)，将所述液氮制冷型红外焦平面阵列激光聚焦辐照实验装置恢复至步骤1.1)前的状态。
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