CN113566954A - 一种高功率激光功率计标定方法及标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率激光功率计标定方法及标定装置，高功率激光功率计标定方法，同时将两束以上相同功率的低功率激光合束叠加在标准功率计或被标定的功率计上，实现对被标定的功率计的标定；低功率激光中其中一束为中心激光束、其余为周边激光束，合束叠加后的周边激光束与中心激光束之间的夹角小于5°。本发明实现了利用低功率激光对高功率激光功率计的标定，精度高，稳定性好，容易操作，安全性高。

Description

一种高功率激光功率计标定方法及标定装置

技术领域

本发明涉及一种高功率激光功率计标定方法及标定装置，属于高功率激光功率计标定技术领域。

背景技术

千瓦输出的光纤激光已经批量生产并且广泛应用于切割、焊接、打孔、打标、清洗、异物清除、反无人机等行业。在实际应用中，精确测量激光的输出功率对于保障激光加工设备的正常功能至关重要。激光输出功率太低，会导致设备的功能失败；激光输出功率太高，会导致设备本身、被加工件面临被烧坏的风险。激光输出功率通常是由激光功率计测量的，而随着激光功率计的元器件的老化，激光功率计的读数可能发生漂移而失准，要确保激光功率测量值准确可信，就必须定时对激光功率计进行标定。这就需要设计、制造能够对千瓦级激光功率计进行标定的设备。

然而，能够产生千瓦级激光输出的通常是光纤激光器，其输出功率的数值、输出功率的稳定性、输出激光偏振状态的稳定性均不合适直接用于千瓦级激光功率计的精确标定。

因此，有必要提出一套新的原理和方法，从工程应用上实现对千瓦级激光功率计的标定，并且达到市售主流激光功率计的精度要求。

发明内容

本发明提供一种高功率激光功率计标定方法及标定装置，实现了利用低功率激光对高功率激光功率计的标定，精度高，稳定性好，容易操作，安全性高。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种高功率激光功率计标定方法，同时将两束以上相同功率的低功率激光合束叠加在标准功率计或被标定的功率计上，实现对被标定的功率计的标定；低功率激光中其中一束为中心激光束、其余为周边激光束，合束叠加后的周边激光束与中心激光束之间的夹角小于5°。

上述方法适于对高功率激光功率计的标定。

本申请用多束非相干激光的叠加照射来实现高功率照射，对于多束光，I1、I2、I3……，它们照射在一个点上产生的照度是所有束光的直接相加，如果多束激光的光斑大小一样，均以接近垂直的角度照射到目标上的同一个点，那么，照射效果跟一束相加后同样功率的高功率激光照射是一样的。

申请人经研究发现，若直接将千瓦级的光纤激光器输出的激光束先打到标准的激光功率计，然后再达到被标定的激光功率计，通过两者读数的比较，将被标定激光功率计的读数投影到标准的激光功率计上，实现对被标定激光功率计的定标作业，则存在如下问题：从千瓦级光纤激光器中输出的激光束的品质非常低，功率稳定性和输出激光的偏振态稳定性，均不足于达到仪器级的精度要求，例如，对于要实现准确度为1％的激光功率计，对激光功率的稳定性要求应该要达到0.1％，但实际上无法找到这样的激光器供应。目前市场上能够找到的、光束输出特性比较好的光纤激光器的输出功率也仅仅是500W，且偏振态只能达到>50:1，那就存在2％的不确定性。而直接采用输出特性差的千瓦级激光器和采用输出特性较好的500W级光纤激光器，均无法实现对千瓦级激光功率计的测量和标定操作。由于没有仪器级质量的千瓦级输出的光纤激光器，目前能找到的输出质量最高的光纤激光器的输出功率仅仅为500W，这个所谓的最高激光输出质量，也仅仅达到了50:1的消光比，仍然没有达到仪器级光源的要求。

为了提高标定精度，所有低功率激光均依次经过扩束镜和偏振片后，再合束叠加在标准功率计或被标定的功率计上。

对每一束低功率激光进性扩束，让激光束直径变大，降低单位面积的功率密度，防止对光学元器件的烧伤，便于后续操作。因为扩束镜是轴对称的，而激光束也是轴对称的，所以，只要安装精度够，扩束不会导致激光束的参数品质下降。

扩束后，先经过偏振片，目的是提高原来激光输出的偏振特性，以500W输出的激光为例，扩束以后首先安装起偏器，目的是将原来激光输出的偏振特性由50:1提高到1000:1甚至10000:1，也就是将激光束的偏振特性由工业级提高到仪器级，极大地抑制了偏振状态的不确定性。

为了进一步提高标定的精度和稳定性，上述高功率激光功率计标定方法，包括顺序相接的如下步骤：

1)在每束低功率激光依次经过扩束镜和偏振片后，利用激光采样器采样，并利用激光采样功率计测量所采样品的功率，各低功率激光在时间t的功率读数分别为I1(t)、I2(t)、I3(t)……，各低功率激光在时间t的功率总和Is(t)也是时间的函数，Is(t)＝I1(t)+I2(t)+I3(t)+……；

2)将所有低功率激光合束叠加在标准功率计上，标准功率计在时间t的读数为Ia(t)；各个激光采样功率计和标准功率计需要同时采集读数，通过不同时间的读数，建立起Ia(t)与Is(t)之间一一对应的函数关系；

3)将所有低功率激光合束叠加在被标定的功率计上，同时采集各个激光采样功率计在时间t的读数总和Is(t)以及被标定的功率计上的读数Ia’(t)，以Is(t)为桥梁，通过步骤2)得到的Ia(t)与Is(t)之间一一对应的函数关系，可得到Ia’(t)对应的Ia(t)，从而实现标定。

上述激光采样功率计、标准功率计是经过国家权威计量部门标定过的，读数被认为是可信的、准确的。

为了抑制住激光功率输出的不确定性，方案中提出了采用多路、同时采集数据的办法，使所采集到的数据都是在相同的激光输出条件下获得的，使得采集的数据不再受激光输出功率波动的影响，因而激光输出功率的波动不再能够影响标定设备的精度。

上述在采集测量数据时，各个激光采样功率计和多束光汇合处的高功率标准功率计，必须同时采集读数。由于激光以光速传递，所以，不管从激光器输出的激光功率如何波动，在某一个时间点t输出的激光功率总归是一个确定的值，利用各个采样功率计以及高功率标准功率计中采集到的数据，可以建立起Ia(t)、Is(t)之间一一对应的函数关系，即，知道了一个Ia的值，就等于知道了对应的Is的值，反之也然。

建立起Ia(t)、Is(t)之间一一对应的函数关系以后，在以Is(t)、Ia(t)为坐标轴的二维图上，Is(t)和Ia(t)是完全等价的。这个关系建立后，可以开始功率计的标定操作。

虽然经过偏振片后，激光的偏振特性的精度提高到了0.1％，甚至0.01％，但是，改性后的激光功率的稳定性仍然由于激光器本身的输出特性，功率的稳定性仍然是2％，仍然达不到仪器级的要求，上述各步骤通过同时采集数据，消除了激光功率波动带来的测量不确定性，也即，实现了与激光功率波动无关的仪器级测量。

为了提高标定效率，同时提高作业的安全性，每个激光采样器的下游都设有反射式光阀和光吸收器，反射式光阀可将其对应的激光反射至光吸收器、并被光吸收器全部收集。这样在操作中更换标准功率计和被标定的功率计时，不必关掉低功率激光，只要通过控制反射式光阀将对应的激光反射至光吸收器吸收即可，避免了激光开机到稳定的时间浪费，同时保护了后面光路上作业的安全性。

为了便于更换功率计时能够容易找到准确的位置，同时确保操作的安全性，反射式光阀和反射镜之间设有合束器，合束器的光路与其对应的低功率激光的光路重合，以指示其对应的低功率激光在标准功率计和被标定的功率计上的位置，从而确定标准功率计和被标定的功率计的位置。合束器的设置是加载一束低功率的用于指示的可见激光，让可见激光的光路与其对应的红外激光(低功率激光)完全重合，也即低功率的可见激光与其对应的低功率激光的指向和落在功率计上的位置相同，当更换功率计时，可先利用低功率的可见激光确定功率计的位置，便于更换功率计时能够容易找到准确的位置，提高了操作的安全性，防止了红外激光对操作人员的伤害。

为了进一步提高标定的精度，周边激光束与中心激光束之间的夹角小于1.5°；中心激光束与标准功率计和被标定的功率计的表面均垂直。由于其他激光束与中心激光束之间的夹角比较小，因此其他激光束与功率计表面也基本垂直。

上述方法可适于千瓦级激光功率计的标定。

为了进一步提高标定的精度，所有低功率激光合束叠加后在标准功率计和被标定的功率计表面产生的光斑，与只有中心激光束时的光斑重合度大于95％。也即合束叠加后在功率计表面产生的光斑，与只有中心激光束时的光斑基本一致。即低功率激光合束叠加后的光斑要与单束低功率激光照射的光斑基本一样，避免在功率计上产生不可控因素。如图2所示，激光功率计的结构是几个同心圆，激光垂直照射在中心，作为热源，热量由中心向四周扩散，直至同心圆布置的阵列传感器，收集温差产生的信号，则为激光功率值。之所以要求多束光叠加在一起的光斑要与单束同功率的激光光斑一致，是为了确保功率计上的热传导条件是完全一样的，以此来保证多束叠加激光和单束同功率激光的等效性。

一种高功率激光功率计标定装置，包括标准功率计、待标定的功率计和低功率激光光路；

低功率激光光路有两条以上，其中一条低功率激光光路为中心激光光路、其余为周边激光光路，所有的低功率激光光路均合束叠加在标准功率计或待标定的功率计上，合束叠加后，周边激光束与中心激光束之间的夹角小于5°。

上述所有的低功率激光光路结构均相同，沿光路的传播方向，每条低功率激光光路均包括依次相接的激光器、扩束镜、偏振片和反射镜。

为了便于采样，同时实现对所采集样品的测量，每条低功率激光光路上均设有激光采样器和激光采样功率计，激光采样器设在偏振片反射镜之间，激光采样功率计用于测量激光采样器所采样品的功率。也即在每一束激光的起偏器之后，安装一个采样器，提取一小部分光到采样功率计。

为了提高标定效率，同时提高作业的安全性，每个激光采样器和反射镜之间都设有反射式光阀和光吸收器，反射式光阀可其对应的光路反射至光吸收器。

为了便于更换功率计时能够容易找到准确的位置，反射式光阀和反射镜之间设有合束器，合束器的光路与其对应的低功率激光的光路重合，以指示其对应的低功率激光在标准功率计和被标定的功率计上的位置，从而确定标准功率计和被标定的功率计的位置。合束器的设置是加载一束低功率的可见激光，让可见激光的光路与其对应的红外激光(低功率激光)完全重合，也即低功率的可见激光与其对应的低功率激光的指向和落在功率计上的位置相同，当更换功率计时，可先利用低功率的可见激光确定功率计的位置，便于更换功率计时能够容易找到准确的位置，提高了操作的安全性，防止了红外激光对操作人员的伤害。

为了进一步提高标定的精度，合束叠加后，周边激光束与中心激光束之间的夹角小于1.5°。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)在没有合用的千瓦级高功率激光的硬件条件下，选用了多束低功率激光叠加的办法，完成了千瓦级高功率激光功率计的标定目标，并且使设计制造的标定设备的精度高，远高于市面上常用的功率计的测量精度；

2)为了使多束叠加的激光束从整体效果上跟单束千瓦级高功率激光一致，本申请尽可能确保所有的光束以几乎垂直于功率计的配置方式叠加于功率计的表面，并且确保光斑基本与高功率激光一致；

3)为了抑制功率激光偏振特性的不确定性，本申请进一步采用了极高消光比的起偏器，例如可以将50:1的消光比提高到1000:1，甚至10000:1，工作激光高度的偏振稳定性，为实现标定设备的高精度奠定了基础；

4)为了抑制住激光功率输出的不确定性，本申请进一步采用多路同时采集数据的办法，使所采集到的数据都是在相同的激光输出条件下获得的，使得采集的数据不再受激光输出功率波动的影响；

5)进一步通过采样功率计的设置，建立了标准功率计读数与被标定的客户功率计读数之间的一一对应的关系，并通过拟合标定曲线实现给客户功率计的标定；

6)进一步通过反射式光阀的采用，在标定作业时无需关掉激光器，免去了激光开机稳定的时间，提高了标定设备的工作效率,也提高了设备的安全性；

7)指示激光的加入，为不可见激光的功率计的标定，提供了操作上的便利。

附图说明

图1为本发明高功率激光功率计标定装置的结构示意图；

图2为高功率激光功率计原理图；

图中，1为激光束(偏振态>50:1)，2为扩束镜，3为偏振片，4为激光采样器，5为激光采样功率计，6为反射式光阀，7为光吸收器，8为合束器，9为指示激光，10为反射镜，11为标准功率计，12为待标定的功率计，13为温差感测单元，14为激光加热点。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

如图1所示，一种高功率激光功率计标定装置，包括标准功率计、待标定的功率计和低功率激光光路；低功率激光光路有三条，其中一条低功率激光光路为中心激光光路、其余为周边激光光路，所有的低功率激光光路均合束叠加在标准功率计或待标定的功率计上，合束叠加后，周边激光束与中心激光束之间的夹角小于5°。

实施例2

在实施例1的基础上，进一步作了如下改进：所有的低功率激光光路结构均相同，沿光路的传播方向，每条低功率激光光路均包括依次相接的激光器(500W)、扩束镜、偏振片和反射镜。

实施例3

在实施例2的基础上，进一步作了如下改进：每条低功率激光光路上均设有激光采样器和激光采样功率计，激光采样器设在偏振片反射镜之间，激光采样功率计用于测量激光采样器所采样品的功率。

实施例4

在实施例3的基础上，进一步作了如下改进：每个激光采样器和反射镜之间都设有反射式光阀和光吸收器，反射式光阀可其对应的光路反射至光吸收器。

实施例5

在实施例4的基础上，进一步作了如下改进：反射式光阀和反射镜之间设有合束器，合束器的光路与其对应的低功率激光的光路重合，以指示其对应的低功率激光在标准功率计和被标定的功率计上的位置；合束器的设置是加载一束低功率的用于指示的可见激光(指示激光)，可见激光的光路与其对应的红外激光(低功率激光)完全重合，也即低功率的可见激光与其对应的低功率激光的指向和落在功率计上的位置相同，当更换功率计时，可先利用低功率的可见激光确定功率计的位置，便于更换功率计时能够容易找到准确的位置，提高了操作的安全性，防止了红外激光对操作人员的伤害，图1中实线为低功率激光的光路，虚线为可见激光的光路，虚线和实线应是重合在一起的，图1将虚线和实线分开是为了更加直观地显示两种不同的光路。

实施例6

在实施例5的基础上，进一步作了如下改进：束叠加后，周边激光束与中心激光束之间的夹角小于1.5°，中心激光束与标准功率计和被标定的功率计的表面均垂直。所有低功率激光合束叠加后在标准功率计和被标定的功率计表面产生的光斑，与只有中心激光束时的光斑重合度大于99％。

利用上述装置对高功率激光功率计标定方法为，同时将三束相同功率的低功率激光分别依次经过扩束镜、偏振片、激光采样器和反射镜后，分别合束叠加在标准功率计和被标定的功率计上，实现对被标定的功率计的标定；低功率激光中其中一束为中心激光束、其余为周边激光束，合束叠加后的周边激光束与中心激光束之间的夹角小于1.5°，具体包括如下步骤：

1)在每束低功率激光依次经过扩束镜和偏振片后，利用激光采样器采样，并利用激光采样功率计测量所采样品的功率，各低功率激光在时间t的功率读数分别为I1(t)、I2(t)、I3(t)……，各低功率激光在时间t的功率总和Is(t)也是时间的函数，Is(t)＝I1(t)+I2(t)+I3(t)+……；

2)将所有低功率激光合束叠加在标准功率计上，标准功率计在时间t的读数为Ia(t)；各个激光采样功率计和标准功率计需要同时采集读数，通过不同时间的读数，建立起Ia(t)与Is(t)之间一一对应的函数关系；

3)将所有低功率激光合束叠加在被标定的功率计上，同时采集各个激光采样功率计在时间t的读数总和Is(t)以及被标定的功率计上的读数Ia’(t)，以Is(t)为桥梁，通过步骤2)得到的Ia(t)与Is(t)之间一一对应的函数关系，可得到Ia’(t)对应的Ia(t)，从而实现标定；在0W～1000W的功率范围内，每隔5W做测量，获得0W～1000W的标定曲线；

上述采样功率计上的读数之和Is(t)与标准功率计上的读数Ia(t)是同时采样得到的，消除了功率随时间波动的干扰，并且获得了Is(t)与Ia(t)之间的函数关系(一一对应)；然后换成被测的功率计，作同样的测量，得到Is(t)和被测功率计的读数Ia(t)’；以Is(t)为桥梁，得到Ia(t)’的读数对应于标准功率计的读数Ia(t)，也就是实现了对被测功率计的标定。

在操作中更换标准功率计和被标定的功率计时，不必关掉低功率激光，只要通过控制反射式光阀将对应的激光反射至光吸收器即可，避免了激光开机到稳定的时间浪费，同时保护了后面光路上作业的安全性。

当更换功率计时，可先利用低功率的可见激光确定功率计的位置，便于更换功率计时能够容易找到准确的位置，提高了操作的安全性，防止了红外激光对操作人员的伤害。

Claims (10)

1.一种高功率激光功率计标定方法，其特征在于：同时将两束以上相同功率的低功率激光合束叠加在标准功率计或被标定的功率计上，实现对被标定的功率计的标定；低功率激光中其中一束为中心激光束、其余为周边激光束，合束叠加后的周边激光束与中心激光束之间的夹角小于5°。

2.如权利要求1所述的高功率激光功率计标定方法，其特征在于：所有低功率激光均依次经过扩束镜和偏振片后，再合束叠加在标准功率计或被标定的功率计上。

3.如权利要求2所述的高功率激光功率计标定方法，其特征在于：包括顺序相接的如下步骤：

1)在每束低功率激光依次经过扩束镜和偏振片后，利用激光采样器采样，并利用激光采样功率计测量所采样品的功率，各低功率激光在时间t的功率读数分别为I1(t)、I2(t)、I3(t)……，各低功率激光在时间t的功率总和Is(t)也是时间的函数，Is(t)＝I1(t)+I2(t)+I3(t)+……；

2)将所有低功率激光合束叠加在标准功率计上，标准功率计在时间t的读数为Ia(t)；各个激光采样功率计和标准功率计需要同时采集读数，通过不同时间的读数，建立起Ia(t)与Is(t)之间一一对应的函数关系；

3)将所有低功率激光合束叠加在被标定的功率计上，同时采集各个激光采样功率计在时间t的读数总和Is(t)以及被标定的功率计上的读数Ia’(t)，以Is(t)为桥梁，通过步骤2)得到的Ia(t)与Is(t)之间一一对应的函数关系，可得到Ia’(t)对应的Ia(t)，从而实现标定。

4.如权利要求1-3任意一项所述的高功率激光功率计标定方法，其特征在于：每个激光采样器的下游都设有反射式光阀和光吸收器，反射式光阀可将其对应的激光反射至光吸收器。

5.如权利要求5所述的高功率激光功率计标定方法，其特征在于：反射式光阀和反射镜之间设有合束器，合束器的光路与其对应的低功率激光的光路重合，以指示其对应的低功率激光在标准功率计和被标定的功率计上的位置，从而确定标准功率计和被标定的功率计的位置。

6.如权利要求1-3任意一项所述的高功率激光功率计标定方法，其特征在于：周边激光束与中心激光束之间的夹角小于1.5°，所有低功率激光合束叠加后在标准功率计和被标定的功率计表面产生的光斑，与只有中心激光束时的光斑重合度大于95％；中心激光束与标准功率计和被标定的功率计的表面均垂直。

7.一种高功率激光功率计标定装置，其特征在于：包括标准功率计、待标定的功率计和低功率激光光路；

低功率激光光路有两条以上，其中一条低功率激光光路为中心激光光路、其余为周边激光光路，所有的低功率激光光路均合束叠加在标准功率计或待标定的功率计上，合束叠加后，周边激光束与中心激光束之间的夹角小于5°。

8.如权利要求7所述的高功率激光功率计标定装置，其特征在于：所有的低功率激光光路结构均相同，沿光路的传播方向，每条低功率激光光路均包括依次相接的激光器、扩束镜、偏振片和反射镜。

9.如权利要求8所述的高功率激光功率计标定装置，其特征在于：每条低功率激光光路上均设有激光采样器和激光采样功率计，激光采样器设在偏振片反射镜之间，激光采样功率计用于测量激光采样器所采样品的功率；每个激光采样器和反射镜之间都设有反射式光阀和光吸收器，反射式光阀可其对应的光路反射至光吸收器。

10.如权利要求9所述的高功率激光功率计标定装置，其特征在于：反射式光阀和反射镜之间设有合束器，合束器的光路与其对应的低功率激光的光路重合，以指示其对应的低功率激光在标准功率计和被标定的功率计上的位置，从而确定标准功率计和被标定的功率计的位置；合束叠加后，周边激光束与中心激光束之间的夹角小于1.5°。

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