CN112834029A - 基于多次反射结构的高功率激光功率测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于多次反射结构的高功率激光功率测量系统，涉及激光测量技术领域。包括：测量反射镜、测量模块、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，其中，测量反射镜的非反光面与测量模块的测量端连接，且测量模块的测量方向与测量反射镜的反光面垂直，第三反射镜的反光面与测量反射镜的反光面相对放置，第一反射镜用于改变入射的高功率激光的光路，第二反射镜用于改变出射的高功率激光的光路，使高功率激光经过测量反射镜和第三反射镜的反射后沿入射光路的方向射出。该系统的体积小、重量轻、响应速度快、无需水冷且可在线测量，测量准确度高且稳定性好，且可实现更低的激光功率分辨能力，大大降低测量装置成本。

Description

基于多次反射结构的高功率激光功率测量系统

技术领域

本发明涉及激光测量技术领域，尤其涉及高功率激光功率测量系统。

背景技术

高功率激光，通常是指高功率激光器发出的激光，其输出功率通常在1千瓦以上，高功率激光在工业加工、军事国防和科学研究等领域具有重要的应用。近年来随着激光技术的发展，激光器输出功率水平不断提升。功率的准确测量是高功率激光研究和应用的基础，而高功率激光的功率快速准确测量一直以来是个难题。

目前，现有的高功率激光测量方法主要有两类：量热方法和取样方法。

量热方法通过吸收材料将高功率激光全部吸收并转化成热量，通过测量装置中热沉或水的温度升高量得到激光功率。然而，量热方法使用的装置体积较大、重量较重且响应速度较慢，需要配备水冷机或储水箱，且测量的功率越高装置的体积越大，测量装置的吸收材料表面极易被激光损伤。

取样方法通过取样器件将高功率激光取出一小部分进行测量，然后通过器件的取样比计算出激光的功率。取样方法测量装置体积较小，但取样器在高功率激光照射下温度升高并产生非线性效益，取样比易发生变化，导致测量结果产生偏差，相比量热方法测量误差大、稳定性差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于多次反射结构的高功率激光功率测量系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种基于多次反射结构的高功率激光功率测量系统，包括：测量反射镜、测量模块、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，其中，所述测量反射镜的非反光面与所述测量模块的测量端连接，且所述测量模块的测量方向与所述测量反射镜的反光面垂直，所述第三反射镜的反光面与所述测量反射镜的反光面相对放置，所述第一反射镜用于改变入射的高功率激光的光路，所述第二反射镜用于改变出射的高功率激光的光路，使所述高功率激光经过所述测量反射镜和所述第三反射镜的反射后沿入射光路的方向射出。

本发明的有益效果是：由于光子虽然没有静止质量但是有动量，当激光照射到物体表面时会产生压力，因此发明提供的高功率激光功率测量系统，通过测量模块采集测量反射镜上由高功率激光产生的光压，根据测量模块与激光功率之间的比例关系，即可测得高功率激光的功率，相比于量热方法，测量系统的体积小、重量轻、响应速度快、无需水冷且可在线测量，相比于取样方法，测量准确度高且稳定性好，还具有响应速度快、测量准确度高和可在线测量等优点，并且由于采用了两块平行相对放置的测量反射镜，使激光在两块测量反射镜之间反射，实现了将激光在测量反射镜上产生的压力放大数倍，从而将激光功率分辨力降低了相同的倍数，无需使用价格更昂贵、环境要求更高的高分辨力测量模块，即可实现更低的激光功率分辨能力，大大降低测量装置成本。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为本发明基于多次反射结构的高功率激光功率测量系统的实施例提供的一种结构示意图；

图2为本发明基于多次反射结构的高功率激光功率测量系统的实施例提供的另一种结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，为本发明基于多次反射结构的高功率激光功率测量系统的实施例提供的一种结构示意图，图中箭头方向为激光传播方向，该高功率激光功率测量系统包括：测量反射镜10、测量模块20、第一反射镜30、第二反射镜40和第三反射镜50，其中，测量反射镜10的非反光面与测量模块20的测量端连接，且测量模块20的测量方向与测量反射镜10的反光面垂直，第三反射镜50的反光面与测量反射镜10的反光面相对放置，第一反射镜30用于改变入射的高功率激光的光路，第二反射镜40用于改变出射的高功率激光的光路，使高功率激光经过测量反射镜10和第三反射镜50的反射后沿入射光路的方向射出。

需要说明的是，为了减少损耗和发热，测量反射镜10、第一反射镜30、第二反射镜40和第三反射镜50采用的镜片的反射率高于99.9％。

优选地，测量反射镜10、第一反射镜30、第二反射镜40和第三反射镜50采用的镜片的反射率为99.99％。

测量模块20可以为力传感器、质量传感器或位移传感器。

以质量传感器为例，当功率为P的激光照射到测量反射镜10上时，测量模块20测得的质量m为：

其中，c为真空光速，g为重力加速度，θ为激光入射角度，R和A分别为测量反射镜10的反射率和吸收率，n为激光在测量反射镜10与第三反射镜50之间反射的次数，如图1所示，激光在测量反射镜10与第三反射镜50之间反射了3次，那么n就为3。

当激光进入测量系统后，根据测量模块20的质量读数即可得到入射激光的功率。当测量模块20分辨力为10μg时，等效的激光功率分辨力约为5.2W，即质量与激光功率的换算系数为0.52W/μg。装置的功率测量上限仅受限于激光反射镜的损伤阈值，因此功率测量上限可达100kW甚至更高，同时还具有响应速度快、测量准确度高、可在线测量等优点。

可选地，质量传感器的型号可以为XSE105。

需要说明的是，图1给出的仅仅是示例性的结构图，由于技术限制，激光通常是沿水平方向射入，因此需要改变光路传播方向，使其射向测量反射镜10，使其在测量反射镜10和第三反射镜50之间反射，然后再通过第二反射镜40使激光沿原光路射出，两块反射镜的放置角度可以根据需要激光在测量反射镜10和第三反射镜50之间反射的次数设置，例如，激光射向第一反射镜30的入射角优选地可以为55°，可选地可以为50°～60°之间，激光射向测量反射镜10的入射角优选地可以为20°，可选地可以为15°～30°之间，激光射向第二反射镜40的入射角优选地可以为55°，可选地可以为50°～60°之间。

由于光子虽然没有静止质量但是有动量，当激光照射到物体表面时会产生压力，因此发明提供的高功率激光功率测量系统，通过测量模块20采集测量反射镜上由高功率激光产生的光压，根据测量模块20与激光功率之间的比例关系，即可测得高功率激光的功率，相比于量热方法，测量系统的体积小、重量轻、响应速度快、无需水冷且可在线测量，相比于取样方法，测量准确度高且稳定性好，还具有响应速度快、测量准确度高和可在线测量等优点，并且由于采用了两块平行相对放置的测量反射镜，使激光在两块测量反射镜之间反射，实现了将激光在测量反射镜上产生的压力放大数倍，从而将激光功率分辨力降低了相同的倍数，无需使用价格更昂贵、环境要求更高的高分辨力测量模块，即可实现更低的激光功率分辨能力，大大降低测量装置成本。

可选地，在一些可能的实施方式中，测量反射镜10的反射率高于99.9％。

可选地，在一些可能的实施方式中，第一反射镜30、第二反射镜40和第三反射镜50的反射率高于99.9％。

可选地，在一些可能的实施方式中，测量模块20的测量方向与高功率激光的入射光路的方向垂直，且测量模块20的测量方向为重力方向。

通过将测量模块20的测量方向设置为重力方向，这样能够避免测量反射镜10自重产生的扭矩对测量模块20的测量结果产生影响，消除了测量模块20校准姿态与测量姿态不一致引入的额外测量误差，测量反射镜10自重只要不超过测量模块20最大称量即可，不会产生扭矩对测量结果产生影响，从而提高测量的准确性。

可选地，在一些可能的实施方式中，如图2所示，第一反射镜30设置在高功率激光的入射光路中，具体用于改变高功率激光的入射光路的方向，将高功率激光以预设角度反射至测量反射镜10；第二反射镜40设置在高功率激光的出射光路中，用于改变经第三反射镜50反射后的高功率激光的出射光路的方向，使高功率激光沿入射光路的方向射出。

可选地，在一些可能的实施方式中，第一反射镜30与入射光路的角度为根据高功率激光在测量反射镜10和第三反射镜50之间的反射次数设置的预设角度。

应理解，预设角度是根据激光在测量反射镜10和第三反射镜50之间的反射次数设置的，本领域技术人员可以根据所需的测量模块20的分辨力按照上述公式反推出所需的反射次数，从而通过调整第一反射镜30与入射光路的角度的方式，使激光在测量反射镜10和第三反射镜50之间按照预设的次数反射。

如图2所示，通过改变第一反射镜30与入射光路的角度，使激光在测量反射镜10与第三反射镜50之间反射了5次。

可选地，在一些可能的实施方式中，高功率激光功率测量系统还包括：显示器，显示器与测量模块20连接，用于显示测量模块20的读数。

应理解，显示器可以是专利的独立的显示设备，如手机、电脑等，可以通过数据线等与测量模块20有线连接，传输测量结果，也可以通过蓝牙模块、wifi模块、4G模块或5G模块等与测量模块20无线连接，传输测量结果。

可选地，显示器也可以仅仅为一块显示屏，嵌入式安装在测量模块20的外表面，便于读数。

可选地，在一些可能的实施方式中，如图1或图2所示，还可以设置外壳60，将整个系统设置在外壳60内，在光路通过的位置处设置窗口70。

其中，窗口70的透射率高于99.8％。

应理解，外壳60为封闭结构，能够避免空气扰动对测量结果的影响。

可以理解，在一些实施方式中，可以包含以上各可选实施方式的全部或部分。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于多次反射结构的高功率激光功率测量系统，其特征在于，包括：测量反射镜、测量模块、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，其中，所述测量反射镜的非反光面与所述测量模块的测量端连接，且所述测量模块的测量方向与所述测量反射镜的反光面垂直，所述第三反射镜的反光面与所述测量反射镜的反光面相对放置，所述第一反射镜用于改变入射的高功率激光的光路，所述第二反射镜用于改变出射的高功率激光的光路，使所述高功率激光经过所述测量反射镜和所述第三反射镜的反射后沿入射光路的方向射出。

2.根据权利要求1所述的基于多次反射结构的高功率激光功率测量系统，其特征在于，所述测量反射镜的反射率高于99.9％。

3.根据权利要求1所述的基于多次反射结构的高功率激光功率测量系统，其特征在于，所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜的反射率高于99.9％。

4.根据权利要求1所述的基于多次反射结构的高功率激光功率测量系统，其特征在于，所述测量模块的测量方向与所述高功率激光的入射光路的方向垂直，且所述测量模块的测量方向为重力方向。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于多次反射结构的高功率激光功率测量系统，其特征在于，所述第一反射镜设置在所述高功率激光的入射光路中，具体用于改变所述高功率激光的入射光路的方向，将所述高功率激光以预设角度反射至所述测量反射镜；所述第二反射镜设置在所述高功率激光的出射光路中，用于改变经所述第三反射镜反射后的所述高功率激光的出射光路的方向，使所述高功率激光沿所述入射光路的方向射出。

6.根据权利要求5所述的基于多次反射结构的高功率激光功率测量系统，其特征在于，所述第一反射镜与所述入射光路的角度为根据所述高功率激光在所述测量反射镜和所述第三反射镜之间的反射次数设置的预设角度。

7.根据权利要求1所述的基于多次反射结构的高功率激光功率测量系统，其特征在于，还包括：显示器，所述显示器与所述测量模块连接，用于显示所述测量模块的读数。

8.根据权利要求1所述的基于多次反射结构的高功率激光功率测量系统，其特征在于，还包括：外壳，所述测量反射镜、所述测量模块、所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜设置在所述外壳内，所述外壳在所述高功率激光通过的位置处设置有窗口。

9.根据权利要求8所述的基于多次反射结构的高功率激光功率测量系统，其特征在于，所述窗口的透射率高于99.8％。

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