CN115332927A - 一种监控激光器输出功率的取光系统及取光方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光的技术领域，公开了一种监控激光器输出功率的取光系统及取光方法。该取光系统包括光学谐振腔、激光发射元件、激光反射元件、取光元件、功率检测元件以及激光接收元件，激光发射元件用于发射激光以形成激光光束，激光反射元件用于反射激光光束得到第一反射光束，第一反射光束通过取光元件进行反射得到第二反射光束，同时进行透射得到透射光束，第二反射光束进入功率检测元件进行功率检测并得到检测功率，透射激光光束被激光接收元件吸收并使光能转化为热能。上述的取光系统，优化了取光镜片的结构及设置，以延长取光镜片的使用寿命，提升了激光加工的精度与质量，满足微细加工的生产要求。

Description

一种监控激光器输出功率的取光系统及取光方法

技术领域

本发明涉及激光的技术领域，尤其是涉及一种监控激光器输出功率的取光系统及取光方法。

背景技术

近年来，激光技术与应用发展快速，广泛应用于工业生产、通讯、信息处理、生物医疗、军事、文化教育以及科学研究等领域，激光技术作为一种先进的非接触式制造应用技术，具有高聚焦、高柔性、灵活温度控制的特点，在微米级、纳米级加工领域内上具有其他加工方式无法比拟的优势。

鉴于现代工业的发展趋势，对于激光加工的效率和质量要求不断提升，高功率、短脉冲、高重复频率的紫外激光器必将成为行业发展趋势。现有激光器中，对于高功率、低频率、短脉宽等功率监控上效果不理想，取光镜片损坏时间极短导致光斑质量变差。因此，取光镜片的设置还有待优化，以以延长取光镜片的使用寿命，提升激光加工的精度与质量，满足微细加工的生产要求。

发明内容

本发明实施例提供了一种监控激光器输出功率的取光系统及取光方法，旨在解决的技术问题是优化取光镜片的设置，以延长取光镜片的使用寿命，提升激光加工的精度与质量，满足微细加工的生产要求。

第一方面，本发明实施例提供了一种监控激光器输出功率的取光系统，包括光学谐振腔、激光发射元件、激光反射元件、取光元件、功率检测元件以及激光接收元件，所述激光发射元件、所述激光反射元件、所述取光元件、所述功率检测元件以及所述激光接收元件分别设于所述光学谐振腔内；所述激光发射元件用于发射激光以形成激光光束，所述激光反射元件用于反射所述激光光束得到第一反射光束，所述第一反射光束通过所述取光元件进行反射得到第二反射光束，同时进行透射得到透射光束，所述第二反射光束进入所述功率检测元件进行功率检测并得到检测功率，所述透射激光光束被所述激光接收元件吸收并使光能转化为热能。

优选的，所述激光反射元件包括第一底座、光闸及反射镜，所述第一底座安装于所述光学谐振腔，所述光闸与所述第一底座相固定，所述反射镜安装于所述光闸端部，所述反射镜位于所述激光光束的发射路径上，所述激光光束经所述反射镜反射形成所述第一反射光束。

优选的，所述取光元件包括第二底座及透镜，所述第二底座安装于所述光学谐振腔，所述透镜固定于所述第二底座上，所述透镜位于所述第一反射光束的反射路径上，进而所述第一反射光束透过所述透镜形成所述透射光束，所述第一反射光束经所述透镜反射形成所述第二反射光束。

优选的，所述反射镜选用高反镜。

优选的，还包括隔离器，所述隔离器安装于所述光学谐振腔，且所述隔离器位于所述激光反射元件与所述取光元件之间，所述第一反射光束穿透所述隔离器。

优选的，还包括挡光元件，所述挡光元件安装于所述光学谐振腔，且所述挡光元件位于所述取光元件与所述功率检测元件之间，所述第二反射光束穿透所述挡光元件。

优选的，还包括线材密封器，所述线材密封器安装于所述光学谐振腔，所述线材密封器位于所述功率检测元件远离所述第二反射光束的一侧。

优选的，还包括水冷却元件，所述水冷却元件位于所述光学谐振腔背部，且所述水冷却元件紧贴所述光学谐振腔。

另一方面，本发明实施例还提供了一种监控激光器输出功率的取光方法，其中，所述取光方法应用于上述的取光系统，所述取光方法包括：

启动激光器控制系统，并持续开启光暖机10-15分钟，以使激光发射元件稳定输出所述激光光束；

通过信号控制所述激光反射元件将所述光闸放下，所述激光光束在所述反射镜的作用下，改变运动方向并形成所述第一反射光束；

所述第一反射光束依次通过所述隔离器与所述取光元件，所述第一反射光束经过所述取光元件反射得到所述第二反射光束，所述第一反射光束经过所述取光元件透射得到所述透射光束；

所述第二反射光束通过所述挡光元件进入所述功率检测元件，对光信号进行分析得到所述激光光束的出光功率；

判断所述激光器当前的所述出光功率是否可以满足预设判断条件；

若所述出光功率满足所述预设判断条件，通过信号控制所述激光反射元件将所述光闸转动，进而带动所述反射镜挪开所述激光光束的发射路径以使激光器可正常出光。

优选的，所述激光光束的波长为100～1000nm。

与现有技术相比，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

激光发射元件发射激光形成激光光束，当需要检测激光器的输出功率时，通过信号控制激光反射元件将光闸放下，激光光束在反射镜的作用下形成第一反射光束；第一反射光束透过隔离器并通过取光元件进行反射得到第二反射光束，同时取光元件对第一反射光束进行透射得到透射光束；对此，第二反射光束透过挡光元件进入功率检测元件，对光信号进行分析，经过光电转化，并进行线性拟合得到激光光束的出光功率，从而判断激光器当前的出光功率是否可以满足生产需求，透射的激光光束被激光接收元件吸收。

与现有技术相比较，在本实施例中，将透镜从激光器主光路挪出，激光光束通过高反镜反射后再经过透镜，透镜反射的光束进入功率检测元件中进行数据采集，优化了取光镜片的位置设置及结构，以延长取光镜片的使用寿命，提升激光加工的精度与质量，满足微细加工的生产要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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为本发明中监控激光器输出功率的取光系统的整体结构示意图。

图2为本发明中监控激光器输出功率的取光系统的光路图。

图3为本发明中监控激光器输出功率的取光方法的流程示意图。

附图标记说明：1、光学谐振腔；11、出光区域；12、功率检测区域；13、分隔侧壁；2、激光发射元件；3、激光反射元件；31、第一底座；32、光闸；33、反射镜；4、取光元件；41、第二底座；42、透镜；5、功率检测元件；6、激光接收元件；7、隔离器；8、挡光元件；9、线材密封器；10、密封隔板。

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。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

参照图1和图2，本发明实施例提供了一种监控激光器输出功率的取光系统。该取光系统设置于激光器内，可用于监控激光器输出功率，该取光系统包括光学谐振腔1、激光发射元件2、激光反射元件3、取光元件4、功率检测元件5以及激光接收元件6。其中，光学谐振腔1是一个光波可在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔，在本实施例中，光学谐振腔1为长方体状，激光发射元件2、激光反射元件3、取光元件4、功率检测元件5以及激光接收元件6分别安装于光学谐振腔1内。

对此，激光发射元件2用于发射激光以形成激光光束，在本实施例中，激光光束的波长范围可以为100～1000nm，具体的，激光光束的波长设置为355nm，在其他实施例中，激光光束的波长范围可以为50～100nm、1000～1500nm等；激光反射元件3位于激光光束的发射路径上，激光反射元件3用于反射激光光束以得到第一反射光束；取光元件4位于第一反射光束的反射路径上，第一反射光束通过取光元件4进行反射得到第二反射光束，同时第一反射光束通过取光元件4进行透射得到透射光束，第二反射光束进入功率检测元件5进行功率检测并得到检测功率，透射激光光束被激光接收元件6吸收并使光能转化为热能。

具体的，激光反射元件3包括第一底座31、光闸32及反射镜33。其中，第一底座31通过螺栓与螺母配合固定于光学谐振腔1的腔壁上，光闸32固定连接于第一底座31靠近激光光束的一侧，且反射镜33安装于光闸32远离第一底座31的端部，反射镜33位于激光光束的发射路径上，激光光束经反射镜33反射形成第一反射光束。在本实施例中，反射镜33选用高反镜，特定角度的激光光束经过高反镜反射，其光功率几乎没有损耗，且反射图像不失真，无重影，可提升激光器输出功率检测的准确性；若选用普通反射镜33反射激光光束，激光光束的反射率较低，光功率有所损耗，进而影响激光器输出功率检测的准确性。

取光元件4包括第二底座41及透镜42，第二底座41通过螺栓与螺母配合固定于光学谐振腔1的腔壁上，第二底座41远离光学谐振腔1腔壁的一侧开设有安装槽；透镜42插接固定于安装槽内，且透镜42远离第二底座41的一端延伸至安装槽外部以形成延伸部；透镜42的延伸部位于第一反射光束的反射路径上，进而第一反射光束透过透镜42的延伸部形成透射光束，第一反射光束经透镜42的延伸部反射形成第二反射光束。

继续参照图1和图2，现有的激光器中，用于取光的镜片损坏时间极短，导致光斑质量变差，且取光的平面镜片损坏后，更换非常困难，导致工作效率低、生产成本高。在本实施例中，取光镜片选用具有两个面的透镜42，并将透镜42从激光器主光路挪出，激光光束通过高反镜反射后再经过透镜42，透镜42反射的光束进入功率检测元件5中进行数据采集，优化了取光镜片的设置及结构，以延长取光镜片的使用寿命，提升激光加工的精度与质量，满足微细加工的生产要求。

在此，透镜42具有特定的反射率，但反射率会随着镜片角度变化而有细微变化。例如透射率为0.1％，则透镜42可透过第一反射光束中99％以上的光，只有不到1％的光进行反射形成第二反射光束，通过这不到1％的光来进行计算第二反射光束的功率，并经过换算得出透射光束的功率，进而得到激光光束的出光功率。此外，由于功率检测元件5设置有光功率阈值，超过光功率阈值会导致功率检测不准确或者损坏功率检测元件5，所以激光光束通过高反镜反射后再通过透镜42透射掉99％以上的光，最终只有不到1％的光进入功率检测元件5，提高了第二反射光束功率检测的准确率，延长功率检测元件5的使用寿命，降低了生产成本。

为了将出光区域11与功率检测区域12分隔为两个独立的工作区域，避免其相互影响，该取光系统还包括隔离器7，且光学谐振腔1设有分隔侧壁13，隔离器7安装于分隔侧壁13上，且隔离器7贯穿分隔侧壁13，隔离器7位于激光反射元件3与取光元件4之间，第一反射光束先穿透隔离器7再进入取光元件4。因而，隔离器7与光学谐振腔1的分隔侧壁13相互配合将光学谐振腔1分隔为出光区域11与功率检测区域12，其中，激光发射元件2与激光反射元件3位于出光区域11，取光元件4、功率检测元件5及激光接收元件6位于功率检测区域12，同时隔离器7可使第一反射光束基本无功率损耗的通过，进一步提高第二反射光束功率检测的准确率。

在更具体的实施例中，该取光系统还包括挡光元件8及线材密封器9，挡光元件8与线材密封器9分别通过螺栓与螺母配合固定于光学谐振腔1，且挡光元件8与线材密封器9位于功率检测区域12。具体的，挡光元件8设置于取光元件4与功率检测元件5之间，第二反射光束先穿透挡光元件8再进入功率检测元件5，挡光元件8可挡掉透镜42背面反射的光点，以免光强过强，导致功率检测结果不准确；线材密封器9设置于功率检测元件5远离第二反射光束的一侧，且线材密封器9远离功率检测元件5的一侧与光学谐振腔1的分隔侧壁13相贴。在此，功率检测区域12中靠近激光接收元件6的侧壁上还安装有密封隔板10，通过线材密封器9与密封隔板10可将功率检测区域12与外界环境分隔开，使整个取光过程将激光锁在激光器内部，外部环境无激光输出或者输入，功率检测区域12不受外部环境影响。

在更具体的实施例中，该取光系统还包括水冷却元件，水冷却元件安装于光学谐振腔1背部，且水冷却元件紧贴光学谐振腔1的外腔壁，水冷却元件的位置与激光接收元件6的位置相对应。在此，激光接收元件6吸收第二反射光束，此时光能转化为热能，水冷却元件对激光接收元件6进行冷却，以免激光接收元件6的热能堆积导致激光接收元件6损坏。

参照图3，图3为本发明实施例提供的监控激光器输出功率的取光方法的方法流程示意图。本发明实施例还提供了一种监控激光器输出功率的取光方法，其中，该取光方法应用于上述的监控激光器输出功率的取光系统，所述方法包括步骤S110-S160。

S110、启动激光器控制系统，并持续开启光暖机10-15分钟，以使激光发射元件2稳定输出激光光束，此时激光光束未经激光反射元件3反射，可进行正常的生产、加工等操作。其中，激光发射元件2输出的激光光束的波长为355nm。

S120、当需要检测激光器的输出功率时，通过信号控制激光反射元件3将光闸32放下，激光光束在反射镜33的作用下，改变运动方向并形成第一反射光束。

S130、第一反射光束依次通过隔离器7与取光元件4，第一反射光束经过取光元件4反射得到第二反射光束，第一反射光束经过取光元件4透射得到透射光束。

S140、第二反射光束通过挡光元件8进入功率检测元件5，对光信号进行分析，经过光电转化，并进行线性拟合得到激光光束的出光功率。

S150、判断激光器当前的出光功率是否可以满足预设判断条件。

其中，预设判断条件可以是预设的判断阈值，当出光功率不大于判断阈值时，则满足预设判断条件；出光功率大于判断阈值时，则不满足预设判断条件。例如当判断阈值设置为200W时，出光功率为150W，则满足预设判断条件；当判断阈值设置为200W时，出光功率为210W，则不满足预设判断条件。

在步骤S150之后还包括步骤：若所述出光功率不满足所述预设判断条件，激光器发出报警信息，以提示用户。

S160、若所述出光功率满足所述预设判断条件，通过信号控制所述激光反射元件将所述光闸转动，进而带动所述反射镜挪开所述激光光束的发射路径以使激光器可正常出光。同时，透射光束被激光接收元件6吸收，此时光能转化为热能，水冷却元件对激光接收元件6进行冷却。完成激光器输出功率的检测后，通过信号控制所述激光反射元件3将所述光闸32转动，进而带动所述反射镜33挪开所述激光光束的发射路径，此时激光器可正常出光，进行生产、加工等操作。

本发明实施例一种监控激光器输出功率的取光系统及取光方法的实施原理为：取光系统包括光学谐振腔1、激光发射元件2、激光反射元件3、隔离器7、取光元件4、挡光元件8、功率检测元件5、激光接收元件6以及线材密封器9，激光发射元件2、激光反射元件3、隔离器7、取光元件4、挡光元件8、功率检测元件5、激光接收元件6以及线材密封器9分别安装于光学谐振腔1内。

激光发射元件2发射激光形成激光光束，当需要检测激光器的输出功率时，通过信号控制激光反射元件3将光闸32放下，激光光束在反射镜33的作用下形成第一反射光束；第一反射光束透过隔离器7并通过取光元件4进行反射得到第二反射光束，同时取光元件4对第一反射光束进行透射得到透射光束；对此，第二反射光束透过挡光元件8进入功率检测元件5，对光信号进行分析，经过光电转化，并进行线性拟合得到激光光束的出光功率，从而判断激光器当前的出光功率是否可以满足生产需求，透射的激光光束被激光接收元件6吸收。

与现有技术相比较，在本实施例中，将透镜42从激光器主光路挪出，激光光束通过高反镜反射后再经过透镜42，透镜42反射的光束进入功率检测元件5中进行数据采集，优化了取光镜片的位置设置及结构，以延长取光镜片的使用寿命，提升激光加工的精度与质量，满足微细加工的生产要求。

以上所述，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 (10)

1.一种监控激光器输出功率的取光系统，其特征在于：包括光学谐振腔、激光发射元件、激光反射元件、取光元件、功率检测元件以及激光接收元件，所述激光发射元件、所述激光反射元件、所述取光元件、所述功率检测元件以及所述激光接收元件分别设于所述光学谐振腔内；

所述激光发射元件用于发射激光以形成激光光束，所述激光反射元件用于反射所述激光光束得到第一反射光束，所述第一反射光束通过所述取光元件进行反射得到第二反射光束，同时进行透射得到透射光束，所述第二反射光束进入所述功率检测元件进行功率检测并得到检测功率，所述透射激光光束被所述激光接收元件吸收并使光能转化为热能。

2.根据权利要求1所述的一种监控激光器输出功率的取光系统，其特征在于，所述激光反射元件包括第一底座、光闸及反射镜，所述第一底座安装于所述光学谐振腔，所述光闸与所述第一底座相固定，所述反射镜安装于所述光闸端部，所述反射镜位于所述激光光束的发射路径上，所述激光光束经所述反射镜反射形成所述第一反射光束。

3.根据权利要求1所述的一种监控激光器输出功率的取光系统，其特征在于，所述取光元件包括第二底座及透镜，所述第二底座安装于所述光学谐振腔，所述透镜固定于所述第二底座上，所述透镜位于所述第一反射光束的反射路径上，进而所述第一反射光束透过所述透镜形成所述透射光束，所述第一反射光束经所述透镜反射形成所述第二反射光束。

4.根据权利要求2所述的一种监控激光器输出功率的取光系统，其特征在于，所述反射镜选用高反镜。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种监控激光器输出功率的取光系统，其特征在于，还包括隔离器，所述隔离器安装于所述光学谐振腔，且所述隔离器位于所述激光反射元件与所述取光元件之间，所述第一反射光束穿透所述隔离器。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种监控激光器输出功率的取光系统，其特征在于，还包括挡光元件，所述挡光元件安装于所述光学谐振腔，且所述挡光元件位于所述取光元件与所述功率检测元件之间，所述第二反射光束穿透所述挡光元件。

7.根据权利要求1-4任一项所述的一种监控激光器输出功率的取光系统，其特征在于，还包括线材密封器，所述线材密封器安装于所述光学谐振腔，所述线材密封器位于所述功率检测元件远离所述第二反射光束的一侧。

8.根据权利要求1-4任一项所述的一种监控激光器输出功率的取光系统，其特征在于，还包括水冷却元件，所述水冷却元件位于所述光学谐振腔背部，且所述水冷却元件紧贴所述光学谐振腔。

9.根据权利要求1所述的一种监控激光器输出功率的取光方法，其特征在于，所述取光方法应用于如权利要求1-8任一项所述的取光系统，所述取光方法包括：

启动激光器控制系统，并持续开启光暖机10-15分钟，以使激光发射元件稳定输出所述激光光束；

通过信号控制所述激光反射元件将所述光闸放下，所述激光光束在所述反射镜的作用下，改变运动方向并形成所述第一反射光束；

所述第一反射光束依次通过所述隔离器与所述取光元件，所述第一反射光束经过所述取光元件反射得到所述第二反射光束，所述第一反射光束经过所述取光元件透射得到所述透射光束；

所述第二反射光束通过所述挡光元件进入所述功率检测元件，对光信号进行分析得到所述激光光束的出光功率；

判断所述激光器当前的所述出光功率是否可以满足预设判断条件；

若所述出光功率满足所述预设判断条件，通过信号控制所述激光反射元件将所述光闸转动，进而带动所述反射镜挪开所述激光光束的发射路径以使激光器可正常出光。

10.根据权利要求9所述的一种监控激光器输出功率取光方法，其特征在于，所述激光光束的波长为100～1000nm。

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