CN114414216B

CN114414216B - 一种激光器的功率监测装置及监测方法

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Publication number: CN114414216B
Application number: CN202210331146.9A
Authority: CN
Inventors: 陈乃奇; 张向非
Original assignee: Shenzhen Anteland Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Anteland Technology Co Ltd
Priority date: 2022-03-31
Filing date: 2022-03-31
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2042-03-31
Also published as: CN114414216A

Abstract

本发明公开了一种激光器的功率监测装置和监测方法，装置包括：激光光源、至少一块凸透镜、光阑、传感器和控制器；激光光源和光阑分别设置在凸透镜两侧的主光轴上，激光光源发出的若干激光光束经过凸透镜透射后，里边部分的激光光束穿过位于光阑中间的过光孔后汇聚于焦点，外围部分的激光光束被光阑的挡光部位遮挡。传感器读取外围部分的光斑半径为x的激光光束的光强IX，求得激光器衰减后的最大光强I₀，控制器将I₀和激光光源的初始未衰减时的最大光强I₁进行比较，根据差值（I₁‑I₀）对激光光源进行补偿，以使得激光光源的最大光强一直维持为初始值I₁。本装置及方法保证了激光器的激光功率一直稳定在初始值状态，提高了激光曝光质量。

Description

一种激光器的功率监测装置及监测方法

技术领域

本发明属于光学领域，尤其运用于激光直接成像设备中的激光器的功率监测。

背景技术

在激光直接成像技术领域，需要运用到大量的激光器，每一个激光器在经过一段使用时间后，出光功率就会出现衰减，即激光器的实际发光功率和初始功率相比，出现变小的情况。若使用了功率衰减后的激光器对感光胶片的感光涂层曝光，则不能将感光涂层爆透，造成感光胶片报废。

参考图1，在一些情形下，为提高曝光质量，激光器的激光光源1发出的若干激光光束11穿过凸透镜2后，需要用光阑3将外围部分的功率较小的激光光束遮挡，让里边部分功率较大的激光光束穿过位于光阑3中间的过光孔31，汇聚于焦点O₁。同时，为了减少外界杂散光7的干扰而影响曝光质量，会在光阑3和凸透镜2之间设置套筒6。为了确保激光光源1的激光功率一直维持在初始时的水平，需要对激光光源1的出光功率适时监测。然而，为不影响激光光源1的正常工作，通常情况下不对激光光源1的出光功率直接监测，也不能用传感器4遮挡采集穿过光阑3的过光孔31的那部分有用的激光光束。

发明内容

本发明公开了一种激光器的功率监测装置，其目的在于解决如何防止激光器的激光功率衰减后导致的感光胶片曝光质量变差的问题。

本发明的方案如下：

一种激光器的功率监测装置，包括：激光光源、至少一块凸透镜、光阑、传感器和控制器；

激光光源和光阑分别设置在凸透镜两侧的主光轴上，激光光源发出的若干激光光束经过凸透镜透射后，里边部分的激光光束穿过位于光阑中间的过光孔后汇聚于焦点，外围部分的激光光束被光阑的挡光部位遮挡；

传感器设置在凸透镜和光阑之间且距离主光轴的水平距离为x，用于读取外围部分的光斑半径为x的激光光束的光强I_X,

，根据

求得衰减系数A，

,然后定义当x=0时，求得激光光源衰减后的最大光强

；

传感器将I₀发送给控制器，控制器将I₀和激光光源的初始未衰减时的最大光强I₁进行比较，根据差值（I₁-I₀）对激光光源进行补偿，以使得激光光源的最大光强一直维持为I₁；

其中，k为与凸透镜有关的常数。

进一步地，功率监测装置还包括两端贯通的套筒，凸透镜设置在套筒的靠近激光光源的一端，光阑设置在套筒的另一端，套筒的圆周侧壁设置有通孔以供连接传感器和控制器的数据线穿过使用。

进一步地，套筒的内侧壁还设置有放置传感器的支架。

进一步地，传感器为数字传感器。

进一步地，数字传感器为光敏电阻或者光敏感应器。

进一步地，处理器为芯片处理器。

本发明还公开了一种功率监测装置监测激光功率的方法，包括如下步骤：

步骤1：将探测器设置在距离凸透镜的主光轴的水平距离为x的位置上，探测器读取外围激光光束的光强I_X；

步骤2：根据公式

，求得衰减系数A；

步骤3：定义当x=0时，求得激光光源衰减后的最大光强

；

步骤4：传感器将I₀发送给控制器，控制器将I₀和激光光源的初始未衰减时的最大光强I₁进行比较，根据差值（I₁-I₀）对激光光源进行补偿，以使得激光光源的最大光强一直维持为I₁ 。

本发明的有益技术效果：在不影响激光器正常工作的情况下，传感器采集激光光束的外围光束的某一点的实时光强I_X，然后根据公式

求得衰减系数A，并据此求得激光器在衰减后的最大光强I₀。将I₀与激光器的初始未衰减时的最大光强I₁比较，求出衰减量（I₁-I₀），控制器根据衰减量（I₁-I₀）对激光光源进行补偿，以保证激光光源的光强一直维持在初始未衰减时的I₁水平。因此，本装置及方法保证了激光器出光的稳定性并使激光器的出光功率一直稳定在未衰减时的初始值，提高了感光胶片的曝光质量，也提高了激光直接成像的成像质量。

附图说明

图1为激光器的功率监测装置的模块连接示意图；

图2为图1中标记出的G-G剖视示意图;

图3为图2中的G-G剖视的剖面图；

图4为激光器未衰减时和衰减后，激光光束距离主光轴远近和光强的对应关系图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述区别，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参考图1，本发明公开的一种激光器的功率监测装置，包括：激光光源1、至少一块凸透镜2、光阑3、传感器4和控制器5。激光光源1和光阑3分别设置在凸透镜2的主光轴OO₁的两侧，激光光源1发出的若干激光光束11经过凸透镜2透射后，里面部分的激光光束11穿过光阑3中间的过光孔31，汇聚于焦点O₁，外围部分的激光光束11入射到光阑3上后被光阑3的挡光部位遮挡。传感器4放置的位置为以距离凸透镜2的主光轴OO₁的投影点为圆心，以半径为x的圆周上的某一点P1(见图4），该点在图1的剖面图上显示为传感器4距离主光轴OO₁的水平距离x。传感器4检测到该点的光强值I_X。光强I_X通过传感器4检测得到，为已知值。

为0阶的厄米多项式,

为常数，k为与凸透镜2有关的常数。根据光强公式

，求得衰减系数A，

。然后定义x=0，即在图4的类似正态分布曲线M的P2点，x=0表示图1中的探测器4位于主光轴OO₁上，根据公式

，在衰减系数A已经求得的情况下，激光光源衰减后的最大光强

可以求出。需要说明的是，当x=0时，

的值为1。参考图1和图4，传感器4将I₀发送给控制器5，控制器5将I₀和激光光源的初始未衰减时的最大光强I₁（即图4中的正态分布曲线N上的P2上的光强值）进行比较，根据差值（I₁-I₀）对激光光源1进行补偿，以使得激光光源的最大光强一直维持为I₁。

参考图4，曲线M为激光器的激光光源1发生衰减后的光强分布曲线，其中，横轴上的数字表示衰减后的激光光源1发出的若干激光光束11经成像透镜2透射后至焦点O₁至之间形成的圆锥状光束的某一横截面上的某一点距离主光轴OO₁的远近，也可以理解为以光轴OO₁的投影为圆心，以所述某一横截面上的某一点到圆心的距离为半径的圆的大小。纵坐标上的数字表示该某一点的光强占激光器的最大光强的比值。曲线N为同一激光器的激光光源1未发生衰减的光强分布图，曲线N上任意一点表示初始时未发生衰减时的激光器的激光光源1发出的若干激光光束11经成像透镜2透射后至焦点O₁至之间形成的圆锥状光束的某一横截面上的某一点距离主光轴OO₁的远近，也可以理解为以光轴OO₁的投影为圆心，以所述某一横截面上的某一点到圆心的距离为半径的圆的大小。在曲线M中，P2点为激光光源1的光强发生衰减后在主光轴OO₁上处于最大光强I₀的位置，因此P2点的横坐标值为零，也就是说P2点表示处于图3中的内圆的圆心位置，此时P2点的光强值最大。P1点表示光强发生衰减后在以主光轴OO₁的投影为圆心，以X为半径的圆上的所有点的光强均为I_X，其对应的纵坐标值表示该点光强I_X占最大光强I₀的比值。从图4可以看出，激光器的激光光源1发出的呈圆锥形光束的能量分布情况为，光轴OO₁上的光强最大，偏离光轴OO₁越远的地方，光强值越小，占最大光强值的比值越小。这种光强分布规律对光强未发生衰减的光强分布曲线N同样适用。在图4中，P3点表示激光光源未发生衰减时在该点具有最大光强I₁，P2点表示激光光源发生衰减后在该点具有最大光强I₀，I₁-I₀即为激光器的激光光源衰减后需要补偿的光强值。

进一步地，参考图1，激光功率监测装置还包括套筒6，套筒6为上、下贯通的圆筒形，凸透镜2设置在套筒6的靠近激光光源1的一端，光阑2设置在套筒的另一端，套筒6的圆周侧壁设置有通孔61以供连接传感器4和控制器5的数据线穿过使用。将套筒6套设在凸透镜2和光阑3上，可以减少外界杂散光7混入激光光束11中影响曝光质量。

进一步地，为了固定传感器4，在套筒6的内侧壁设置有支架62，将传感器4可拆卸固定在支架62上，以确保传感器4距离主光轴OO₁ 水平距离为x。

需要说明的是，本申请中的激光光源1发出的光经过凸透镜2透射后，经由过光孔31通过的那部分激光光束定义为里边部分激光光束。而被光阑3的挡光部位（即非过光孔部位）遮挡的那部分激光光束定义为外围部分的激光光束。参考图3，定义由凸透镜2透射后至光阑3之间的激光光束在G-G横截面上的外直径为d,其中，能通过过光孔31那部分激光光束的外直径为f。可以理解的是，在直径为d和直径为f的环形区域为外围激光光束通过的区域，在直径为f以内的区域为里面的激光光束通过的区域。为了使图1中的传感器4在读取光强过程中不影响激光光源1的正常工作，即不遮挡穿过过光孔31那部分激光光束，则传感器4需设置在套筒6中的中直径为d和直径为f之间的环形区域中的任意一点，即Фf≤Ф2x≤Фd。

需要说明的是，图2中的G-G截面距离凸透镜2或者光阑3在竖直方向的远近，决定了Фf和Фd的大小，因此Ф2x的选择范围也受相应影响。可以理解的是，当G-G截面在竖直方向上距离凸透镜2越近（或者距离光阑3越远）时，则Фf和Фd的值越大，Ф2x的取值较大；当G-G截面在竖直方向上距离凸透镜2越远（或者距离光阑3越近）时，则Фf和Фd的值越小，Ф2x的取值较小，因此，Фf、Фd和Ф2x均为变量。本申请中，一旦传感器4距离凸透镜2的高度位置确定，则Фf和Фd就确定了，此时x就限定在Фf≤Ф2x≤Фd。本申请中，可以理解的是，传感器的位置一旦确定，x值也就确定了。

需要说明的是，本申请中的传感器优选为数字传感器。数字传感器具有解决射频抗干扰、传感精度高、可靠性和稳定性高以及能减少模拟传感器经常引起的误差的优点。

优选地，数字传感器优选为光敏电阻或者光敏感应器。光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。

本申请中，处理器4优选为芯片处理器。

作为一个实施例，激光光源1发出的激光光束的波长为1060纳米。

本发明还公开了一种利用前面的激光器的功率监测装置监测激光功率的方法，包括如下步骤：

步骤2：根据公式

，求得衰减系数A；

步骤3：定义当x=0时，求得激光光源衰减后的最大光强

；

步骤4：传感器将I₀发送给控制器，控制器将I₀和激光光源的初始未衰减时的最大光强I₁进行比较，根据差值（I₁-I₀）对激光光源进行补偿，以使得激光光源的最大光强保持为I₁ 。

在步骤1中，假定探测器设置在图2所示的G-G横截面的外围激光光束上，探测器距离凸透镜的主光轴OO₁的水平距离x可求，外围激光光束是指由凸透镜射出的不会穿过光阑3的过光孔31那部分光束。假定在G-G横截面的外围光束的直径为外直径为d,其中，能通过过光孔31那部分激光光束的外直径为f,可以理解的是，在直径为d和直径为f的环形区域为外围激光光束通过的区域，在直径为f以内的区域为里面的激光光束通过的区域，在见图3。为了不遮挡激光光源1的正常工作，将探测器4设置在Фf≤Ф2x≤Фd的区域，即将探测器4设置在Фf≤Ф2x≤Фd的环形区域的任意一点。该点表现在图1的横截面时，体现出来的就是探测器距离凸透镜的主光轴OO₁的水平距离x。光强I_X可以通过探测器读出，k为与凸透镜有关的常数。因此，步骤1中x及I_X均为已知值。

由于x及I_X均已求得，所以根据公式

就可以求出衰减系数A。这是因为，

为0阶的厄米多项式,

为常数。当求得了I_X后，再定义x=0，即探测器位于主光轴OO₁上，最大光强

可计算得出，即图4中P2点的光强值。P2点表示光强发生衰减后在主光轴OO₁的最大光强I₀的位置。在求得I₀后，通过和激光光源的初始未衰减时的最大光强I₁进行比较，就求出衰减量（I₁-I₀），控制器根据衰减量（I₁-I₀）对激光光源1进行补偿，以保证一直维持在I₁大小。

本装置及方法的技术效果：在不影响激光器正常工作的情况下，通过采集激光光束的外围光束，采集到该点实时光强I_X，然后根据公式

求得衰减系数A，并据此求得激光器在衰减时的最大光强I₀，将I₀和I₁比较，求出激光器的衰减后时的最大光强I₀与初始值I₁比较，求出衰减量（I₁-I₀），控制器根据衰减量（I₁-I₀）对激光光源1进行补偿，以保证一直维持在I₁大小。因此，本装置及方法保证了激光器出光的稳定性并使激光器的出光功率一直稳定在设计值，进而提高了对感光胶片的曝光质量，以及提高了激光直接成像的质量。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种激光器的功率监测装置，其特征在于，包括：激光光源、至少一块凸透镜、光阑、传感器和控制器；

所述激光光源和所述光阑分别设置在所述凸透镜两侧的主光轴上，所述激光光源发出的若干激光光束经过所述凸透镜透射后，里边部分的激光光束穿过位于所述光阑中间的过光孔后汇聚于焦点，外围部分的激光光束被所述光阑的挡光部位遮挡；

所述传感器设置在所述凸透镜和所述光阑之间且距离所述主光轴的水平距离为x，用于读取所述外围部分的光斑半径为所述x的激光光束的光强I_X,

根据

求得衰减系数A(A∈(0,1)),定义当x＝0时，求得所述激光光源衰减后的最大光强I₀＝A[H₀(x)]²；

所述传感器将I₀发送给所述控制器，所述控制器将I₀和所述激光光源的初始未衰减时的最大光强I₁进行比较，根据差值(I₁-I₀)对所述激光光源进行补偿，以使得所述激光光源的最大光强一直维持为I₁；

其中，k为与所述凸透镜有关的常数，H₀(x)为0阶厄米多项式。

2.如权利要求1所述的功率监测装置，其特征在于，所述功率监测装置还包括两端贯通的套筒，所述凸透镜设置在所述套筒的靠近所述激光光源的一端，所述光阑设置在所述套筒的另一端，所述套筒的圆周侧壁设置有通孔以供连接所述传感器和所述控制器的数据线穿过使用。

3.如权利要求2所述的功率监测装置，其特征在于，所述套筒的内侧壁还设置有放置所述传感器的支架。

4.如权利要求1所述的功率监测装置，其特征在于，所述传感器为数字传感器。

5.如权利要求4所述的功率监测装置，其特征在于，所述数字传感器为光敏电阻。

6.如权利要求1所述的功率监测装置，其特征在于，所述控制器为芯片处理器。

7.一种利用如权利要求1-6中任一项所述的激光器的功率监测装置监测激光功率的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将探测器设置在距离所述凸透镜的主光轴的水平距离为x的位置上，所述探测器读取外围激光光束的光强I_X；

步骤2：根据公式

求得衰减系数A；

步骤3：定义当x＝0时，求得激光光源衰减后的最大光强I₀＝A[H₀(x)]²；

步骤4：传感器将I₀发送给所述控制器，所述控制器将I₀和所述激光光源的初始未衰减时的最大光强I₁进行比较，根据差值(I₁-I₀)对所述激光光源进行补偿，以使得所述激光光源的最大光强保持为I₁。