CN112945909A - 基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置及方法 - Google Patents

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武春风
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姜永亮
刘厚康
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何苗
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Abstract

本发明提供了一种基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置及方法。所述装置包括：窄线宽激光器，用于发射窄线宽激光；第一反射镜，用于反射激光；待测激光反射元件，与第一反射镜组合形成共振增强腔，实现共振增强效应；频率稳定单元，用于实现共振增强腔频率与窄线宽激光器发射激光频率稳定匹配；功率计，用于检测待测激光反射元件的透射功率；元件检测设备，用于实现待测激光反射元件性能检测；其中，元件检测设备为非接触测量设备。本发明可以通过更换不同元件检测设备，实现对待测激光反射元件在高功率激光负载下的温升、面型等指标检测，具有良好的拓展性。

Description

基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置及方法
技术领域
本发明实施例涉及激光功率检测技术领域，尤其涉及一种基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置及方法。
背景技术
高功率激光反射元件作为高功率激光系统中重要组成部分，在高功率激光负载下温升、面型等指标将直接影响高功率激光系统的工作性能。传统高功率激光反射元件检测需在相应功率等级的激光辐射下进行，但随着近年来对更高功率激光元件检测要求的不断提升，相关检测方法受激光器性能、高功率激光安全等方面限制，难以满足数十千瓦乃至兆瓦量级高功率激光元件检测要求，且相关高功率元件检测系统的搭建成本较高。因此，开发一种基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置及方法，可以有效克服上述相关技术中的缺陷，就成为业界亟待解决的技术问题
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供了一种基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置及方法。
第一方面，本发明的实施例提供了一种基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，包括：窄线宽激光器，用于发射窄线宽激光；第一反射镜，用于反射激光；待测激光反射元件，与第一反射镜组合形成共振增强腔，实现共振增强效应；频率稳定单元，用于实现共振增强腔频率与窄线宽激光器发射激光频率稳定匹配；功率计，用于检测待测激光反射元件的透射功率；元件检测设备，用于实现待测激光反射元件性能检测；其中，元件检测设备为非接触测量设备。
在上述装置实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，还包括：第二反射镜，用于反射激光；第三反射镜，用于反射激光。
在上述装置实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，所述窄线宽激光器包括：窄线宽光纤激光器，用于发射激光；光束耦合器，用于形成聚焦光束。
在上述装置实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，所述频率稳定单元包括：光电探测器，用于探测共振增强腔的反射光；混频器，用于将所述反射光与电光调制器的边带信号进行混频，形成误差信号；驱动控制器，用于接收所述误差信号，控制压电陶瓷进行腔长调整；电光调制器，用于对入射激光进行电光调制；压电陶瓷，用于实现共振增强腔长调整。
在上述装置实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜上均镀有增透膜，用于透射波长为1063纳米至1065纳米的激光，且所述第一反射镜和第二反射镜的曲率半径均为1500毫米，第三反射镜为平面镜；所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜的镜片法线与入射激光的夹角均为五度。
在上述装置实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，所述第一反射镜与光束耦合器的距离为900毫米；所述第二反射镜与第一反射镜的距离为200毫米；所述待测激光反射元件与第二反射镜的距离为350毫米；所述第三反射镜与待测激光反射元件的距离为500毫米。
在上述装置实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，所述共振增强腔由所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和待测激光反射元件构成。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于共振增强效应的激光反射元件功率检测方法，包括：采用如前述装置实施例中任一装置实施例所述的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，根据共振增强的倍率确定待测激光反射元件的激光功率。
在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测方法，所述共振增强的倍率为：
Figure BDA0002923349150000021
其中，r1为第一反射镜的反射率；r2为第二反射镜的反射率；r3为第三反射镜的反射率；rd为待测激光反射元件的反射率；η为共振增强的倍率。
在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测方法，所述待测激光反射元件的激光功率为：
Figure BDA0002923349150000022
其中，P为待测激光反射元件的激光功率；Pi为功率计的功率示数。
本发明实施例提供的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置及方法，通过采用待测激光反射元件高功率在线检测，有效降低高功率元件检测系统的搭建难度与成本，可以通过更换不同检测设备，实现对待测激光反射元件在高功率激光负载下的温升、面型等指标检测，具有良好的拓展性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
通过光学谐振腔共振增强效应实现腔内功率大幅度提升，同时结合非接触式光学测试元件，解决现有高功率激光元件在线检测方法对输入功率要求过高的问题。基于这种思想，本发明实施例提供了一种基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，参见图1，该装置包括：窄线宽激光器1，用于发射窄线宽激光；第一反射镜2，用于反射激光；待测激光反射元件3，与第一反射镜组合形成共振增强腔，实现共振增强效应；频率稳定单元4，用于实现共振增强腔频率与窄线宽激光器发射激光频率稳定匹配；功率计5，用于检测待测激光反射元件的透射功率；元件检测设备6，用于实现待测激光反射元件性能检测；其中，元件检测设备6为非接触测量设备。
参见图2，在上述装置实施例的基础上，本发明实施例中提供的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，还包括：第二反射镜7，用于反射激光；第三反射镜8，用于反射激光。
参见图2，在上述装置实施例的基础上，本发明实施例中提供的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，所述窄线宽激光器包括：窄线宽光纤激光器101，用于发射激光；光束耦合器102，用于形成聚焦光束。
参见图2，在上述装置实施例的基础上，本发明实施例中提供的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，所述频率稳定单元包括：光电探测器401，用于探测共振增强腔的反射光；混频器402，用于将所述反射光与电光调制器404的边带信号进行混频，形成误差信号；驱动控制器403，用于接收所述误差信号；电光调制器404，用于对入射激光进行电光调制控制；压电陶瓷405，用于进行共振增强腔长调整。
参见图2，在上述装置实施例的基础上，本发明实施例中提供的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，所述第一反射镜2、第二反射镜7和第三反射镜8上均镀有增透膜，用于透射波长为1063纳米至1065纳米的激光，且所述第一反射镜2和第二反射镜7的曲率半径均为1500毫米，第三反射镜8为平面镜；所述第一反射镜2、第二反射镜7和第三反射镜8的镜片法线与入射激光的夹角均为五度。
参见图2，在上述装置实施例的基础上，本发明实施例中提供的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，所述第一反射镜2与光束耦合器102的距离为900毫米；所述第二反射镜7与第一反射镜2的距离为200毫米；所述待测激光反射元件3与第二反射镜7的距离为350毫米；所述第三反射镜8与待测激光反射元件3的距离为500毫米。
参见图2，在上述装置实施例的基础上，本发明实施例中提供的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，所述共振增强腔由所述第一反射2、第二反射镜7、第三反射镜8和待测激光反射元件3构成。
继续参见图2，窄线宽光纤激光101输出激光中心波长为1064nm，3dB线宽为1kHz，平均输出功率为10W，光束质量近衍射极限。窄线宽光纤激光器101发射激光通过光束耦合器102后，在距离光束耦合器102后1000mm处形成光束半径为0.7mm的聚焦光束。电光调制器404放置于光束耦合器102后300mm处，对入射激光进行电光调制，产生15MHz的边带信号，作为共振增强腔反射光的相位标准。
第一反射镜2、第二反射镜7、第三反射镜8均镀有1063nm至1065nm增透膜(具体可以为1063.5nm、1064nm和1064.5nm)，对1063nm至1065nm激光透过率大于99.99％。第一反射镜2为凹面镜，曲率半径为1500mm，放置于光束耦合器102后900mm处，镜片法线与入射激光呈5°放置。第三反射镜8为凹面镜，曲率半径为1500mm，放置于第一反射镜2后200mm处，镜片法线与入射激光呈5°放置。待测激光反射元件3为平面镜，镀有1063nm至1065nm增透膜，对1063nm至1065nm透过率大于99.9％，放置于第三反射镜8斜上方350mm处，镜片法线与入射激光呈5°放置。第二反射镜7为平面镜，放置于待测激光反射元件3后500mm处，镜片法线与入射激光呈5°放置。第一反射镜2、第二反射镜7、待测激光反射元件3、第三反射镜8共同组成“8字”环形共振增强腔，对入射窄线宽激光进行共振增强，实现待测激光反射元件3上入射功率倍增。
光电探测器401用于探测共振增强腔的反射光，反射光频率代表共振增强腔振荡频率，并将光信号转换为电信号传输至混频器402中。混频器402将光电探测器401探测信号与电光调制器404的边带信号进行混频，形成误差信号，传输至驱动控制器403中。驱动控制器403根据输入误差信号，控制压电陶瓷405进行细微调整，实现共振增强腔腔长精密调整。电光调制器404、光电探测器401、混频器402、驱动控制器403与压电陶瓷405共同组成频率稳定单元4(如图1所示)，实现输入激光稳定共振增强。
功率计5放置于待测激光反射元件3后，用于探测待测激光反射元件3的输出功率。干涉仪602从待测激光反射元件3法线方向入射632.8nm波段激光，入射激光经过待测激光反射元件3反射后，回到干涉仪602中，与入射激光发生干涉，实现对待测激光反射元件3表面面型探测。热像仪601接收待测激光反射元件3表面温升引起的红外辐射，实现对待测激光反射元件3表面温升探测。此时功率计5显示示数为7W左右，考虑待测激光反射元件3反射率为99.9％，则此时待测激光反射元件3上入射功率为7000W以上，配合干涉仪602、热像仪601，即可实现对待测激光反射元件3在模拟高功率负载下的面型与温升在线测试。
需要说明的是，窄线宽光纤激光器输出激光应与共振增强腔的光斑尺寸及束腰位置匹配；共振增强腔腔长需满足实现入射激光共振增强的条件；频率稳定单元采用多种稳频技术实现，包括但不限于Pound-Drever-Hall(PDH)、Fringe side locking、Hansch-Couillaud locking、Transmission locking、Mode interference locking等；窄线宽光纤激光器输出光谱线宽为kHz、MHz级，有利于实现输入激光高效率共振增强；共振增强腔内的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜对入射激光反射率均大于99％，有利于实现共振增强腔放大倍率的有效提升；功率计的测试精度优于2％，有利于实现腔内功率高精度计算。
本发明实施例提供的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，通过采用待测激光反射元件高功率在线检测，有效降低高功率元件检测系统的搭建难度与成本，可以通过更换不同检测设备，实现对待测激光反射元件在高功率激光负载下的温升、面型等指标检测，具有良好的拓展性。
本发明实施例还提供了一种基于共振增强效应的激光反射元件功率检测方法，该方法包括：采用如前述装置实施例中任一装置实施例所述的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，根据共振增强的倍率确定待测激光反射元件的激光功率。
在上述方法实施例的基础上，本发明实施例中提供的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测方法，所述共振增强的倍率为：
Figure BDA0002923349150000061
其中，r1为第一反射镜的反射率；r2为第二反射镜的反射率；r3为第三反射镜的反射率；rd为待测激光反射元件的反射率；η为共振增强的倍率。
在上述方法实施例的基础上，本发明实施例中提供的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测方法，所述待测激光反射元件的激光功率为：
Figure BDA0002923349150000062
其中，P为待测激光反射元件的激光功率；Pi为功率计的功率示数。
本发明实施例中提供的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测方法，采用激光相干干涉增强作用将激光能量在光学谐振腔内增强的技术。依据腔内是否存在增益介质可以分为有源腔和无源腔，其中无源共振增强腔内没有增益介质，不存在增益介质热效应，有利于实现激光能量多次相干干涉叠加。以最简单的双镜法布里-珀罗谐振腔为例，忽略镜片损耗时：
Figure BDA0002923349150000063
Figure BDA0002923349150000064
其中，r1、t1分别表示入射镜片光场透射率和反射率；r2、t2分别表示输出镜片光场透射率和反射率。
注入光经过谐振腔循环一周后，忽略腔内色散等影响因素，所引入的相移φ(ω)：
Figure BDA0002923349150000065
其中，L表示谐振腔长，ω表示注入激光角频率，c表示光速。
共振增强腔工作于稳态时，腔内光电场满足稳态条件，即腔内光场循环一周后与入射激光之和等于光场循环一周前所对应的光电场。此时共振增强腔内功率增强倍数P可以表示为：
Figure BDA0002923349150000071
当相移φ(ω)为2π的整数倍时，谐振腔满足共振增强条件，此时P具有最大值，可以简化为：
Figure BDA0002923349150000072
假设r1 2、
Figure BDA0002923349150000073
取99％时，则共振增强腔内功率增强倍数约为100倍；当r1 2、
Figure BDA0002923349150000074
取99.9％时，共振增强腔内功率增强倍数约为1000倍。因此可以通过将共振增强腔组成元件替换为待测激光反射元件(高功率)，同时配合相关检测仪器，采用低功率检测激光即可实现对待测激光反射元件在高功率激光负载下的在线检测。具体技术方案包括窄线宽光纤激光器、共振增强腔(含待测激光反射元件、n片反射镜)、频率稳定单元、功率计、元件检测设备组成。窄线宽光纤激光器发射激光，射入共振增强腔中。共振增强腔由多片反射镜组成，调整各反射镜间距离控制腔内相位条件，采用频率稳定单元对窄线宽光纤激光器输出频率、共振增强腔振荡频率进行控制，使二者满足共振增强条件。此时入射激光多次相干叠加干涉增强，共振增强腔内等效功率得到有效提升，此时腔内放大倍率为：
Figure BDA0002923349150000075
其中，
Figure BDA0002923349150000076
分别表示n片反射镜的反射率；
Figure BDA0002923349150000077
表示待测激光反射元件的反射率。记录功率计示数为Pi，则此时待测激光反射元件上激光功率如(2)式所示。
本发明实施例提供的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测方法，通过采用待测激光反射元件高功率在线检测，有效降低高功率元件检测系统的搭建难度与成本，可以通过更换不同检测设备，实现对待测激光反射元件在高功率激光负载下的温升、面型等指标检测，具有良好的拓展性。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。基于这种认识，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
在本专利中，术语"包括"、"包含"或者其任何其它变体意在涵盖非排它性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括……"限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
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；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，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各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，其特征在于，包括：窄线宽激光器，用于发射窄线宽激光；第一反射镜，用于反射激光；待测激光反射元件，与第一反射镜组合形成共振增强腔，实现共振增强效应；频率稳定单元，用于实现共振增强腔频率与窄线宽激光器发射激光频率稳定匹配；功率计，用于检测待测激光反射元件的透射功率；元件检测设备，用于实现待测激光反射元件性能检测；其中，元件检测设备为非接触测量设备。
2.根据权利要求1所述的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，其特征在于，还包括：第二反射镜，用于反射激光；第三反射镜，用于反射激光。
3.根据权利要求2所述的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，其特征在于，所述窄线宽激光器包括：窄线宽光纤激光器，用于发射激光；光束耦合器，用于形成聚焦光束。
4.根据权利要求3所述的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，其特征在于，所述频率稳定单元包括：光电探测器，用于探测共振增强腔的反射光；混频器，用于将所述反射光与电光调制器的边带信号进行混频，形成误差信号；驱动控制器，用于接收所述误差信号；电光调制器，用于对入射激光进行电光调制控制；压电陶瓷，用于进行共振增强腔长调整。
5.根据权利要求2所述的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，其特征在于，所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜上均镀有增透膜，用于透射波长为1063纳米至1065纳米的激光，且所述第一反射镜和第二反射镜的曲率半径均为1500毫米，第三反射镜为平面镜；所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜的镜片法线与入射激光的夹角均为五度。
6.根据权利要求3所述的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，其特征在于，所述第一反射镜与光束耦合器的距离为900毫米；所述第二反射镜与第一反射镜的距离为200毫米；所述待测激光反射元件与第二反射镜的距离为350毫米；所述第三反射镜与待测激光反射元件的距离为500毫米。
7.根据权利要求2所述的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，其特征在于，所述共振增强腔由所述第一反射、第二反射镜、第三反射镜和待测激光反射元件构成。
8.一种基于共振增强效应的激光反射元件功率检测方法，其特征在于，包括：采用如权利要求1至7任一权利要求所述的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置，根据共振增强的倍率确定待测激光反射元件的激光功率。
9.根据权利要求8所述的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测方法，其特征在于，所述共振增强的倍率为：
Figure FDA0002923349140000021
其中，r1为第一反射镜的反射率；r2为第二反射镜的反射率；r3为第三反射镜的反射率；rd为待测激光反射元件的反射率；η为共振增强的倍率。
10.根据权利要求9所述的基于共振增强效应的激光反射元件功率检测装置及方法，其特征在于，所述待测激光反射元件的激光功率为：
Figure FDA0002923349140000022
其中，P为待测激光反射元件的激光功率；Pi为功率计的功率示数。
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