CN114993462A - 一种消除偏振影响的光压法高能激光功率测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种消除偏振影响的光压法高能激光功率测量装置,解决了现有激光因偏振态未知带来的反射镜传输效率计算误差较大的问题,实现了高能激光功率的高精度测量。一种消除偏振影响的光压法高能激光功率测量装置,包括光路系统以及机壳组件;所述光路系统位于壳体组件内;所述光路系统包括光压转换模块和沿光线传播方向级联设置的第一级输入反射镜、第二级输入反射镜、光压接收反射镜和输出反射镜,光压接收反射镜的背光面紧贴在光压转换模块测量面上;所述第一级输入反射镜和第二级输入反射镜正交放置;入射至所述光压接收反射镜的激光的方向与反射镜法线夹角为θ,θ=5°~10°。本发明实现了高能激光功率的高精度测量。
Description
技术领域
本发明属于激光测量领域,具体涉及一种消除偏振影响的光压法高能激光功率测量装置。
背景技术
随着激光技术的迅猛发展,激光器输出技术指标不断提高,极大地提升了在工业和军事等领域的应用前景。激光功率是表征高能激光出光能力的重要参数,常用的高能激光功率测试方法有量热法、光电转换法和光压法。
光压法基于光辐射压力实现对光功率的测量。公开号为CN102322951A的中国专利“基于光压原理测量高能激光能量参数测量方法和装置”公开了一种光压原理测量高能激光的方法,在入射光路上设置一只反射镜和变形杆,反射镜激光入射方向的背面布置多只位移传感器,实时测量激光出光过程中光压引起的反射镜微位移,解算得到激光产生的光压值,最后计算得到入射激光的平均功率。
公开号为US10837828B2的美国专利“NON-ATTENUATING METER FOR DETERMININGOPTICAL ENERGY OF LASER LIGHT”公开了一种利用天平和三片反射镜的激光功率测量方法,利用天平测量得到质量变化反映光压,进而推导出激光功率。但上述方法和装置均未考虑入射激光偏振度的影响,实际上入射激光在经过反射镜反射时,不同偏振态激光具有不同的反射率,特别是激光以较大的角度入射至反射镜时,即使功率相同,也会因为偏振态不同,经过该装置后测量得到不同的激光功率,限制了该装置的测量精度和应用范围。
发明内容
本发明提供一种消除偏振影响的光压法高能激光功率测量装置,解决了现有激光因偏振态未知带来的反射镜传输效率计算误差较大的问题,实现了高能激光功率的高精度测量。
为实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种消除偏振影响的光压法高能激光功率测量装置,其特殊之处在于:包括光路系统以及机壳组件;
所述光路系统位于机壳组件内;
所述光路系统包括光压转换模块和沿光路传播方向级联设置的第一级输入反射镜、第二级输入反射镜、光压接收反射镜和输出反射镜,光压接收反射镜的背光面紧贴在光压转换模块测量面上;
所述第一级输入反射镜和第二级输入反射镜正交放置;入射至所述光压接收反射镜的激光的方向与反射镜法线夹角为θ,θ=5°~10°。
进一步地,所述机壳组件包括壳体,以及设置在壳体上的入射窗口、出射窗口、第一透射窗口和第二透射窗口;
所述入射窗口设置在第一级输入反射镜入射光路上,所述出射窗口设置在输出反射镜的反射光路上;
所述第一透射窗口设置在第一级输入反射镜的透射光路上;
所述第二透射窗口设置在第二级输入反射镜的透射光路上。
进一步地,所述第一级输入反射镜和第二级输入反射镜为高反射镜,反射率高于95%;
所述第一透射窗口、第二透射窗口、出射窗口和入射窗口均通过激光高透射材料制备,其透射率高于95%。
进一步地,所述光压接收反射镜与光压转换模块之间放置隔热材料。
进一步地,所述第一级输入反射镜、第二级输入反射镜通过支撑结构固定于壳体内。
进一步地,所述光压转换模块为电容位移传感器、光纤位移传感器或高精度天平;所述电容位移传感器和光纤位移传感器的位移测量分辨力为纳米级,高精度天平的测量分辨力为0.01mg~0.1mg。
进一步地,所述光压转换模块底部安装有隔振材料。
进一步地,所述入射光束与第一级输入反射镜的夹角为35°~45°。
与现有技术相比,本发明的有益效果具体如下:
1、本发明实现了与入射激光偏振态弱相关的激光功率的高精度测量,首先采用空间正交排布的两只反射镜将激光引入,由于反射镜组采用正交排布,即使大角度入射情况下,对于任意偏振态的激光,通过两个正交反射镜后的反射系数保持不变;其次经过正交反射镜后再以5°~10°小角度入射至光压接收反射镜,由于小角度下反射率随偏振态的变化可忽略,故实现了各种偏振态入射激光功率的高精度测量。
2、本发明的测量装置中强激光小角度入射至光压接收反射镜和光压转换模块,光束在光压接收反射镜的尺寸较小,可减小对光压接收反射镜的尺寸要求,进而降低光压接收镜的体积和重量,同时5°~10°入射时对角度灵敏度影响较小,进一步提高测量精度。
3、本发明的测量装置在使用中不遮挡正常光路,可实现对强激光的插入式在线测量,可用于激光参数状态的精确监测,提高了实验的效费比。本发明的测量装置只需更换镀制不同膜系的高反射镜,可适用于多波段强激光参数测量。
4、本发明的测量装置采用密封壳体和底部减震材料,减小了空气扰动对测量结果的影响,具有较好的稳定性和环境适应性,应用范围广。
附图说明
图1为p偏振和s偏振激光在反射镜上的反射率随入射角度变化曲线;
图2为本发明测量装置光路示意图;
图3为本发明测量装置结构示意图,未示出第一透射窗口和第二透射窗口。
其中,附图标记具体:
1-入射窗口、2-入射光束、3-第一级输入反射镜、4-第二级输入反射镜、5-光压接收反射镜、6-光压转换模块、7-输出反射镜、8-出射光束、9-出射窗口、10-壳体、11-第一透射窗口、12-第二透射窗口。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚,下面结合附图,对本发明的具体实施方式进行详细描述,但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1所示,当采用反射镜对激光进行反射时,不同偏振态的激光在不同入射角度时具有不同的反射率,下面针对常见的多层介质膜高反射镜分析激光偏振态与入射角度的关系。
激光光束入射至多层介质膜反射镜,介质膜为光学厚度均为1/4波长的高折射率层(折射率为nH)和低折射率层(折射率为nL)交替叠成的膜系,介质膜共2n+1层,此时s偏振光反射率为p偏振光反射率为其中 ε0为真空介电常数,μ0为真空磁导率,n0为空气折射率,nG反射镜基底折射率,θ0为光束在介质膜表面的入射角,θH为光束在介质膜高折射率材料中的折射角,θL为光束在介质膜低折射率材料中折射角,θG为光束在基底材料中折射角。典型的比如激光从空气入射至由折射率为2.35的硫化锌和折射率为1.35的氟化镁组成的11层高反射介质膜层时,不同偏振态光束在镀制上述介质膜、基底为折射率为1.50的石英材料高反射镜上的反射率变化曲线如图1所示。
计算可知,小角度入射时两偏振态激光反射率差别不大,随着入射角度增大,两偏振态激光反射率差别快速变大,比如常用的激光入射角为45°时,s偏振光反射率为99.6%,而p偏振光反射率为95.8%。此时,两种不同偏振态激光反射率差异将近4%,进而导致功率测量结果产生相同比例的误差。
以专利US10837828B2中技术方案为例,当光压转换模块为高精度天平时,需要将水平方向的激光经过第一反射镜折转为向下入射至光压转换模块,故入射激光与第一反射镜之间的夹角很大,如果激光器的偏振态未知,直接使用自然偏振态激光反射率计算高能激光功率、能量,会存在一定的误差,难以满足高能激光能量的精确测量。
为了克服上述问题,如图2所示,本发明的思路是首先通过采用正交放置的双高反镜,第一级输入反射镜3水平传输激光,第二级输入反射镜4垂向传输激光,将水平传输的激光转换成近似垂直角度入射,使其以一个小的角度入射至光辐射压力转换模块6。
当激光入射至在空间正交排布的两只反射镜时,由于反射镜组采用正交排布,激光的偏振态在两个反射镜面上p光和s光相互转换,故无论激光是什么样的偏振态,即使是以45°的大角度入射,通过两个正交反射镜后的总的反射系数也保持不变。
以图2所示,假设第一级输入反射镜3和激光的入射角度确定,激光总功率为P,激光光场s光分量占比为x,则p光分量占比为(1-x),经过第一级输入反射镜3的s光分量激光反射功率为xRsP,p光分量反射功率为(1-x)RpP。经过正交的第二级输入反射镜后反射激光的p光和s光相互转换,即之前的s光分量变为p光分量,p光分量变为s光分量,此时激光s波分量反射功率为(1-x)RpP·Rs,p波分量反射功率为xRsP·Rp。计算可得经两级正交高反射镜后的激光功率为(1-x)RpP·Rs+xRsP·Rp=RsRpP,该值仅与两个正交反射镜的反射率乘积相关,与入射激光的s光和p光分量占比无关,这样即使在激光与第一级输入反射镜3之间夹角很大情况下,无论激光的偏振态如何变化,两只正交反射镜的反射率不变。
随后经过第二级输入反射镜后再以5°~10°小角度入射至光压接收反射镜5,由图1可知在5°和10°时的最大功率变化系数为0.3%和1.2%(变化最大情况为完全s光分量偏振光和完全p光分量偏振光),实际上高能激光难以做到完全线偏振光,故此项对激光功率影响较小,可以忽略。
由此,本发明采用组合方案,实现了入射激光偏振态弱相关的激光功率/能量参数的绝对测量,可适用于完全非偏振光、部分偏振光、完全偏振光(线偏振光、圆偏振光及椭圆偏振光)等光源,具有广泛的适用性。
如图2和图3所示,一种消除偏振影响的光压法高能激光功率测量装置,包括了壳体10、安装在壳体10底部的光压转换模块6以及位于壳体10内部的光路系统。
光路系统包括沿光路设置的第一级输入反射镜3、第二级输入反射镜4、光压接收反射镜5和输出反射镜7,光压接收反射镜5的背光面紧贴在光压转换模块6测量面上,光压接收反射镜5与光压转换模块6中间放置隔热材料,第一级输入反射镜3和第二级输入反射镜4正交放置,并且通过控制正交对镜角度使得第二级输入反射镜4的出射光束以θ=5°~10°的小角度入射至光压接收反射镜5,使得光压转换模块6测量得到相应数据。
正交放置即两者之间的法线夹角为90°。
第一级输入反射镜3和第二级输入反射镜4的基底为硅、石英、白宝石或碳化硅材料,反射面镀有激光波长对应的高反射膜,使得反射率高于95%。
入射光束2与第一级输入反射镜3的夹角为35°~45°;所述的光压接收反射镜5法线方向为垂直方向,入射至光压接收反射镜的激光方向与反射镜法线夹角为θ,且θ=5°~10°。
壳体10上设置有激光高透射材料制成第一透射窗口11、第二透射窗口12、出射窗口9和入射窗口1,其透射率高于95%,入射窗口1与第一级输入反射镜3对应,出射窗口9与输出反射镜7相对应,第一级输入反射镜3相对应的光束透射位置设置有第一透射窗口11和第二级输入反射镜4相对应的光束透射位置设置有第二透射窗口12。
入射光线2通过入射窗口1水平入射至入射到正交放置的第一级输入反射镜3和第二级输入反射镜4上,通过控制反射镜3和4的入射角保证第二级输入反射镜4将激光以与竖直成θ=5°~10°的夹角反射至光压接收反射镜5,并传递至光压转换模块6,接收反射镜5再将激光反射至输出反射镜7,最终通过输出反射镜7反射后经过出射窗口7输出出射光束8。
通过测量光压转换模块6的转换信号,结合入射窗口1透过率、第一级输入反射镜3、第二级输入反射镜4和光压接受反射镜5的反射率,可计算得到激光能量/功率等参数,
根据经典电磁场理论,当强激光全部入射至光压接收反射镜,且假定光压接收镜为全反射镜,此时光压接收反射镜承受的光压F与光功率P可表示为:
F=2·P·cosθ/c
其中,c为光速,θ为光压接收反射镜激光入射角。考虑到激光在传输反射镜的反射率影响,光压F可表示为:
F=2·P·μ1·μ2·μ3·cosθ/c
其中,μ1为入射窗口1透过率;μ2为正交放置的第一级入射反射镜3和第二级入射反射镜4整体反射率,即为前面计算的RsRpP;μ3为光压接收反射镜反射率。
输出反射镜7位于第一级输入反射镜3和第二级反射镜4所在入射平面的下方,可充分利用空间,增强测量装置的紧凑性。
光压接收反射镜5将光压传递至光压转换模块6,光压转换模块6可以为电容位移传感器、光纤位移传感器或高精度天平,其电容位移传感器和光纤位移传感器的位移测量分辨力为纳米级,高精度天平的测量分辨力为0.01mg~0.1mg。光压转换模块6经过精确标定和校准,下方放置隔振材料,隔振材料可以为弹簧、海绵或其它组部件。
装置内所有反射镜根据波长不同选用硅、石英、白宝石或碳化硅等介质材料,表面镀有针对实验波长的高反射膜,膜层为多层介质反射膜,基于现有镀膜工艺要求反射率超过99.9%以上。装置内所有光学元件口径均大于入射至其表面的光束直径,且满足其损伤阈值高于激光功率密度最大值。
Claims (8)
1.一种消除偏振影响的光压法高能激光功率测量装置,其特征在于:包括光路系统以及机壳组件;
所述光路系统位于机壳组件内;
所述光路系统包括光压转换模块(6)和沿光路传播方向级联设置的第一级输入反射镜(3)、第二级输入反射镜(4)、光压接收反射镜(5)和输出反射镜(7),光压接收反射镜(5)的背光面紧贴在光压转换模块(6)测量面上;
所述第一级输入反射镜(3)和第二级输入反射镜(4)正交放置;入射至所述光压接收反射镜(5)的激光的方向与反射镜法线夹角为θ,θ=5°~10°。
2.根据权利要求1所述的一种消除偏振影响的光压法高能激光功率测量装置,其特征在于:
所述机壳组件包括壳体(10),以及设置在壳体(10)上的入射窗口(1)、出射窗口(9)、第一透射窗口(11)和第二透射窗口(12);
所述入射窗口(1)设置在第一级输入反射镜(3)入射光路上,所述出射窗口(9)设置在输出反射镜(7)的反射光路上;
所述第一透射窗口(11)设置在第一级输入反射镜(3)的透射光路上;
所述第二透射窗口(12)设置在第二级输入反射镜(4)的透射光路上。
3.根据权利要求1或2所述的一种消除偏振影响的光压法高能激光功率测量装置,其特征在于:
所述第一级输入反射镜(3)和第二级输入反射镜(4)为高反射镜,反射率高于95%;
所述第一透射窗口(11)、第二透射窗口(12)、出射窗口(9)和入射窗口(1)均通过透射率高于95%的激光高透射材料制备。
4.根据权利要求3所述的一种消除偏振影响的光压法高能激光功率测量装置,其特征在于:
所述光压接收反射镜(5)与光压转换模块(6)之间放置隔热材料。
5.根据权利要求4所述的一种消除偏振影响的光压法高能激光功率测量装置,其特征在于:
所述第一级输入反射镜(3)、第二级输入反射镜(4)通过支撑结构固定于壳体(10)内。
6.根据权利要求5所述的一种消除偏振影响的光压法高能激光功率测量装置,其特征在于:
所述光压转换模块(6)为电容位移传感器、光纤位移传感器或高精度天平;所述电容位移传感器和光纤位移传感器的位移测量分辨力为纳米级,高精度天平的测量分辨力为0.01mg~0.1mg。
7.根据权利要求6所述的一种消除偏振影响的光压法高能激光功率测量装置,其特征在于:
所述光压转换模块(6)底部安装有隔振材料。
8.根据权利要求1所述的一种消除偏振影响的光压法高能激光功率测量装置,其特征在于:
所述入射光束(2)与第一级输入反射镜(3)的夹角为35°~45°。
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