CN116222762A - 一种基于旋转波片的激光功率采样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于旋转波片的激光功率采样装置及方法。其中，基于旋转波片的激光功率采样装置包括分光装置、波片和激光功率探测器；分光装置设置在入射激光的光路上，用于将入射激光分为加工光路和探测光路；波片设置在入射激光位于分光装置之前的光路上，且波片持续旋转，同时入射激光从波片的中心通过、波片的旋转轴与入射激光的光轴重合；激光功率探测器设置在探测光路上，用于监测探测光路的激光功率。本发明在分光前对入射激光的偏振态进行了调制，使其在分光后具有稳定的反射率，既可以保证加工过程激光功率的稳定性，提高激光功率实时监测的采样精度，又无需复杂的光学系统以及精细的调校过程，方便实用。

Description

一种基于旋转波片的激光功率采样装置及方法

技术领域

本发明涉及激光加工探测技术领域，尤其涉及一种基于旋转波片的激光功率采样装置及方法。

背景技术

激光功率是一个度量单位时间内输出激光能量的物理量纲，是激光加工过程中的重要参数，需借助专门仪器进行测量。目前，激光功率/能量的测量方法有三种：第一种是信号获取采用光-热转换方式的直接测量法，该方法的激光功率探头/能量探头是一个涂有热电材料的吸收体，热电材料吸收激光能量并转化成热量，导致探头温度变化产生电流，电流再通过薄片环形电阻转变成电压信号传输出来；第二种是信号获取采用光-电转换方式的间接测量法，该方法选用光电式探头让激光信号转换为电流信号，再转化为与输入激光功率/能量成正比的电压信号，完成能量的测量；第三种是信号获取采用光-压转换方式的间接测量法，该方法通过检测激光撞击天平的镜面使其产生的微位移大小，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。

由于光电间接测量方法的探测器灵敏度高、响应速度快、操作方便，因而市场占有率高。但即使激光探测器的精度很高，在激光功率实时监测系统内也很难保证较高的采样精度。一般激光功率的测量可以直接将探头放置于激光器出口处或聚焦镜下，这样可以获得很高的采样精度，但是会阻挡光路，干扰激光对样品的加工过程。出于对激光功率实时监测的需求，只能在加工光路中分出一路探测光路，通过测量探测光路的激光功率，再通过分光比例计算激光输出总功率。分光光路多采用不镀膜的反射镜，可使大部分激光透过进入加工光路，而少部分激光经过反射进入探测光路，不会损失太多激光能量。

然而，当激光以非垂直角度穿透光学元件表面时，反射和透射特性均依赖于偏振现象，一般情况下反射光和折射光都是由S偏振（偏振矢量垂直于该平面）和P偏振（偏振矢量平行于该平面）组成的部分偏振光，S偏振和P偏振的反射率随入射角度的变化而变化。其中，当入射角满足布儒斯特角时，反射光为完全S偏振光。可见，激光在光路系统中传输经过镜片的反射率与入射激光偏振态以及入射角度相关。如果入射激光为完全线偏振光，其在S偏振方向上有固定比例的分量，则在探测光路上监测的激光功率就是稳定的。而实际上所谓线偏振激光其实并非完全线偏振光，也存在一部分另一轴向的偏振分量，主偏振方向分量与与其垂直偏振方向分量的比值为消光比。当消光比值较高时，可近似认为是线偏振光。而当消光比值较低时，其通过光学镜片的反射率就会有较大波动，从而影响激光功率的采样精度。尤其是随机偏振的激光器，其在不同方向上的偏振分量无规则变化，这就会导致反射激光功率出现较大波动，无法准确监测。

针对此问题，公开号为CN114993462A的发明专利提出了一种消除偏振影响的光压法高能激光功率测量装置，该装置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。之后激光再以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较小，可实现各种偏振态入射激光功率的高精度测量。然而，此方法对光学系统的调校要求很高，会直接对测量精度造成影响。

发明内容

本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种基于旋转波片的激光功率采样装置及方法，在分光前对入射激光的偏振态进行了调制，使其在分光后具有稳定的反射率，既可以保证加工过程激光功率的稳定性，提高激光功率实时监测的采样精度，又无需复杂的光学系统以及精细的调校过程，方便实用。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于旋转波片的激光功率采样装置，包括分光装置、波片和激光功率探测器；所述分光装置设置在入射激光的光路上，用于将入射激光分为加工光路和探测光路；所述波片设置在入射激光位于分光装置之前的光路上，且波片持续旋转，同时入射激光从波片的中心通过、波片的旋转轴与入射激光的光轴重合；所述激光功率探测器设置在探测光路上，用于监测探测光路的激光功率。

进一步的，当入射激光为非圆偏振光时，所述波片选用二分之一波片。

进一步的，当入射激光为圆偏振光时，所述波片选用四分之一波片。

进一步的，所述分光装置为未镀膜的反射镜或光楔，其反射率不大于5%，入射激光经分光装置后的透射光路和反射光路分别为加工光路和探测光路。

进一步的，所述激光功率探测器与分光装置之间设有导光系统，导光系统包括若干反射镜和/或光楔。

进一步的，所述波片固定在旋转中空轴内，以实现持续旋转。

进一步的，所述波片的转速不低于500r/min。

一种基于旋转波片的激光功率采样方法，包括如下步骤：在入射激光的光路上设置分光装置，将入射激光分为加工光路和探测光路，在入射激光位于分光装置之前的光路上设置波片，并使波片持续旋转，同时使入射激光从波片的中心通过、波片的旋转轴与入射激光的光轴重合，在探测光路上设置激光功率探测器，监测探测光路的激光功率。

进一步的，当入射激光为非圆偏振光时，所述波片选用二分之一波片。

进一步的，当入射激光为圆偏振光时，所述波片选用四分之一波片。

本发明的有益效果为：

本发明在入射激光位于分光装置之前的光路上设置持续旋转的波片，可以对入射激光的偏振态进行调制，使其在各个方向上的分量均匀分布，从而在波片后输出具有均匀偏振状态的激光，随后通过分光装置时，可以达到稳定的反射率。按照上述设计，本发明的优点如下：一方面，可以保证加工过程激光功率的稳定性，提高激光功率实时监测的采样精度；另一方面，无需复杂的光学系统以及精细的调校过程，方便实用。

附图说明

图1为本发明基于旋转波片的激光功率采样装置的光路结构示意图；

图2为随机偏振光的偏振状态示意图；

图3为线偏振光通过持续旋转的二分之一波片后的偏振状态示意图。

标注说明：1、入射激光，2、旋转中空轴，3、波片，4、分光装置，5、探测光路，6、加工光路，7、导光系统，8、激光功率探测器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

请参阅图1所示，一种基于旋转波片的激光功率采样装置，包括分光装置4、波片3和激光功率探测器8。

分光装置4设置在入射激光1的光路上，用于将入射激光1分为加工光路6和探测光路5。具体的，分光装置4为未镀膜的反射镜或光楔，其反射率不大于5%，入射激光1经分光装置4后的透射光路和反射光路分别为加工光路6和探测光路5。

波片3设置在入射激光1位于分光装置4之前的光路上，且波片3持续旋转，同时入射激光1从波片3的中心通过、波片3的旋转轴与入射激光1的光轴重合。具体的，波片3固定在旋转中空轴2内，以实现持续旋转，波片3的转速不低于500r/min。

激光功率探测器8设置在探测光路5上，用于监测探测光路5的激光功率。具体的，激光功率探测器8与分光装置4之间设有导光系统7，导光系统7包括若干反射镜和/或光楔。

上述技术方案中，当入射激光1为非圆偏振光时，波片3选用二分之一波片；当入射激光1为圆偏振光时，波片3选用四分之一波片。其中，非圆偏振光包括线偏振光、椭圆偏振光以及随机偏振光。

请参阅图2、3所示，该激光功率采样装置中，若入射激光1为随机偏振光，其在垂直于激光传输方向的面上的偏振分量表示为图2的形式，即可以看作是不同方向上不同振幅线偏振光的叠加。

任取其中一个线偏振光分量进行考虑，当入射线偏振光的振动方向与二分之一波片快轴（或慢轴）的夹角为α，则出射线偏振光的振动方向向着快轴（或慢轴）的方向转过2α角度。当二分之一波片持续旋转时，则各个偏振分量会在垂直于激光传输方向面上均匀分布，如图3所示。显然，各分量叠加后，在垂直于光束传播方向的面上仍然为均匀偏振分布。如此偏振分布的激光在S偏振和P偏振方向上的分量为恒定值，以一定入射角度通过分光装置4时，其反射率是稳定的。线偏振光和椭圆偏振光与此类似，不再详述。

若入射激光1为圆偏振光，波片3优选采用四分之一波片，因为圆偏振光总可以分解为两个相互垂直的位相差为π/2的部分，而四分之一波片又恰好可以产生π/2奇数倍的相位延迟，因而圆偏振光通过四分之一波片总为线偏振光，其振动方向与四分之一波片快轴（或慢轴）呈45度夹角。同样，当四分之一波片持续旋转时，则通过四分之一波片的激光偏振会在垂直于激光传输方向面上均匀分布，也呈现出如图3所示的状态。

实施例2：

请参阅图1所示，一种基于旋转波片的激光功率采样方法，包括如下步骤：在入射激光1的光路上设置分光装置4，将入射激光1分为加工光路6和探测光路5，在入射激光1位于分光装置4之前的光路上设置波片3，并使波片3持续旋转，同时使入射激光1从波片3的中心通过、波片3的旋转轴与入射激光1的光轴重合，在探测光路5上设置激光功率探测器8，监测探测光路5的激光功率。

上述技术方案中，当入射激光1为非圆偏振光时，波片3选用二分之一波片；当入射激光1为圆偏振光时，波片3选用四分之一波片。其中，非圆偏振光包括线偏振光、椭圆偏振光以及随机偏振光。

具体的，针对不同类型的偏振光，本发明所提供激光功率采样方法的适用情况如下：

随机偏振光可以看作是不同方向上不同振幅的线偏光叠加而成的。当随机偏振光通过持续旋转的二分之一波片时，各线偏光分量都会随之旋转，分别在垂直于光束传播方向的面上形成均匀偏振分布状态，各分量叠加后，在垂直于光束传播方向的面上仍然为均匀偏振分布。如此偏振分布的激光在S偏振和P偏振方向上的分量为恒定值，因而以一定入射角度通过分光装置4时，其反射率是稳定的，最终实现激光功率监测的采样精度提升。

线偏振光和椭圆偏振光经过二分之一波片后仍为线偏振光和椭圆偏振光，只是振动方向旋转了一个角度。当二分之一波片持续旋转时，偏振也会在垂直于光束传播方向的面上均匀分布，则其在S偏振和P偏振方向上的分量也为恒定值。当其以一定入射角度通过分光装置4时，其反射率也是稳定的，最终实现激光功率监测的采样精度提升。

圆偏振光经过四分之一波片，因为四分之一波片可将圆偏振光转变为线偏振光，四分之一波片持续旋转时，也实现了如前描述的偏振在垂直于光束传播方向的面上均匀分布。当其以一定入射角度通过分光装置4时，其反射率也是稳定的，最终实现激光功率监测的采样精度提升。

总的来说，本发明在入射激光1位于分光装置4之前的光路上设置持续旋转的波片3，可以对入射激光1的偏振态进行调制，使其在各个方向上的分量均匀分布，从而在波片3后输出具有均匀偏振状态的激光，随后通过分光装置4时，可以达到稳定的反射率。按照上述设计，本发明的优点如下：一方面，可以保证加工过程激光功率的稳定性，提高激光功率实时监测的采样精度；另一方面，无需复杂的光学系统以及精细的调校过程，方便实用。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于旋转波片的激光功率采样装置，其特征在于：包括分光装置、波片和激光功率探测器；所述分光装置设置在入射激光的光路上，用于将入射激光分为加工光路和探测光路；所述波片设置在入射激光位于分光装置之前的光路上，且波片持续旋转，同时入射激光从波片的中心通过、波片的旋转轴与入射激光的光轴重合；所述激光功率探测器设置在探测光路上，用于监测探测光路的激光功率。

2.根据权利要求1所述的一种激光功率采样装置，其特征在于：当入射激光为非圆偏振光时，所述波片选用二分之一波片。

3.根据权利要求1所述的一种激光功率采样装置，其特征在于：当入射激光为圆偏振光时，所述波片选用四分之一波片。

4.根据权利要求1所述的一种基于旋转波片的激光功率采样装置，其特征在于：所述分光装置为未镀膜的反射镜或光楔，其反射率不大于5%，入射激光经分光装置后的透射光路和反射光路分别为加工光路和探测光路。

5.根据权利要求1所述的一种基于旋转波片的激光功率采样装置，其特征在于：所述激光功率探测器与分光装置之间设有导光系统，导光系统包括若干反射镜和/或光楔。

6.根据权利要求1所述的一种基于旋转波片的激光功率采样装置，其特征在于：所述波片固定在旋转中空轴内，以实现持续旋转。

7.根据权利要求1或6所述的一种基于旋转波片的激光功率采样装置，其特征在于：所述波片的转速不低于500r/min。

8.一种基于旋转波片的激光功率采样方法，其特征在于：包括如下步骤：在入射激光的光路上设置分光装置，将入射激光分为加工光路和探测光路，在入射激光位于分光装置之前的光路上设置波片，并使波片持续旋转，同时使入射激光从波片的中心通过、波片的旋转轴与入射激光的光轴重合，在探测光路上设置激光功率探测器，监测探测光路的激光功率。

9.根据权利要求8所述的一种激光功率采样方法，其特征在于：当入射激光为非圆偏振光时，所述波片选用二分之一波片。

10.根据权利要求8所述的一种激光功率采样方法，其特征在于：当入射激光为圆偏振光时，所述波片选用四分之一波片。

Images