CN117309136A - 一种激光原位测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光原位测量装置，涉及激光测试技术领域，装置包括荧光产生组件、分光采样部件、等大成像透镜、光吸收器及光束质量分析组件；分光采样部件、等大成像透镜及光束质量分析组件依次设置在荧光产生组件的荧光出射光路上；荧光产生组件发出的荧光是基于待测激光光束得到的；分光采样部件用于对荧光产生组件发出的荧光进行折射和反射，以得到两束光，分别进入等大成像透镜和光吸收器；光束质量分析组件用于对经由等大成像透镜聚焦后的荧光进行采集和分析，以得到待测激光光束的二维光强分布、三维光强分布及光束质量因子。本发明可以对激光束实现原位、高效测量。

Description

一种激光原位测量装置

技术领域

本发明涉及激光测试技术领域，特别是涉及一种激光原位测量装置。

背景技术

半导体激光是物理光学领域的前沿研究方向。受益于材料与工艺、半导体封装等技术突破，半导体激光具有体积小、重量轻、可靠性高、转换效率高、功耗低、驱动电源简单、能直接调制、结构简单、价格低廉、使用安全等优势。尤其是大功率半导体激光器，具有较高输出功率和高效率等特点，在医疗、军事、激光加工等领域具有广阔的应用前景。与此同时，高功率、高能量激光器在国防、工业、科研等领域具有广泛应用。在激光产生或使用过程中监测激光光束质量，是激光器研制与生产过程中的重要环节。其关键参数包括激光输出功率、激光输出能量、激光光束质量、激光光斑尺寸和光强分布等。激光光束质量监测结果，可以为光学系统设计、光束传输变换和光束质量控制提供理论依据。

当前高功率、高能量激光光束的直接测量，主要受限于探测感应器以及光学元件的损伤阈值，尤其是探测感应器的损伤阈值。激光必须经过一系列衰减将激光功率或激光能量降至合适的范围。常用的衰减方式包括采用高能量分光镜、高功率分光镜、结合反射式衰减片和透射式衰减片组成衰减系统、采用透射式斩光器和反射式斩光器截取长脉冲激光进行测量。

刘怀亮等在中国实用新型发明专利CN214706569U《一种高功率激光测试装置》中，公开了一种高功率激光测试装置，该装置采用两套分光采样镜，包括第一分光采样装置、第二分光采样装置；也包括聚焦镜和光束质量测试设备，通过设置两套分光采样装置，将激光器射出的光束分成两路进行采样，进入光束质量测试设备的待测光束功率约为激光器出射光束的0.16％；进而实现对激光功率、激光光束质量的测量。但该装置在测量MW级激光时还需要在光路中加入衰减片，否则存在损伤设备的风险。

郭谦等在中国发明专利CN111121960B《一种高能强连续激光光束质量因子的采样测量系统》中，公开了一种高能强连续激光光束质量因子的采样测量系统。该系统包括入射待测激光器、控制激光器、吸能介质、采样装置、成像透镜、CCD快速相机、光学平移台、光电倍增管、图像采集及控制系统。采用透射式斩光器和反射式斩光器等快速成像技术，对连续激光的成像截取为长脉冲激光稳定部分成像，对进入光学系统的光束能量预先进行衰减，但该系统在测量高脉冲峰值功率激光时还需引入衰减元件。

当前半导体激光、高功率激光、高能量激光的测量方法，无法原位获得光强分布和光斑尺寸。不能原位反馈激光在光路中的光斑尺寸及其变化、光强分布等信息。如何原位监测高功率、高能量激光的光强分布和光斑尺寸，是激光器研制、生产及使用过程中的关键问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光原位测量装置及方法，实现对激光束的原位、高效测量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种激光原位测量装置，包括荧光产生组件、分光采样部件、等大成像透镜、光吸收器及光束质量分析组件；

所述分光采样部件、所述等大成像透镜及所述光束质量分析组件依次设置在所述荧光产生组件的荧光出射光路上；

所述荧光产生组件发出的荧光是基于待测激光光束得到的；

所述分光采样部件用于对所述荧光产生组件发出的荧光进行折射和反射，以得到两束光，分别进入所述等大成像透镜和所述光吸收器；

所述光束质量分析组件用于对经由所述等大成像透镜聚焦后的荧光进行采集和分析，以得到所述待测激光光束的二维光强分布、三维光强分布及光束质量因子。

可选地，所述荧光产生组件包括第一待测高功率激光二极管及第一荧光产生部件；

所述第一待测高功率激光二极管用于产生待测激光光束；

所述第一荧光产生部件用于将所述待测激光光束转换为荧光；

其中，所述待测激光光束的输出方向与所述光束质量分析组件的探测面相互垂直；所述光束质量分析组件的探测面用于采集经由所述等大成像透镜聚焦后的荧光。

可选地，所述荧光产生组件包括第二待测高功率激光二极管、反射镜及第二荧光产生部件；

所述第二待测高功率激光二极管用于产生待测激光光束；

所述反射镜用于将所述待测激光光束反射至所述第二荧光产生部件；

所述第二荧光产生部件用于将所述反射镜反射的待测激光光束转换为荧光；

其中，所述待测激光光束的输出方向与所述光束质量分析组件的探测面相互平行；所述光束质量分析组件的探测面用于采集经由所述等大成像透镜聚焦后的荧光。

可选地，所述光束质量分析组件包括探测感应器及激光光束分析仪；

所述等大成像透镜的焦点位于所述探测感应器的探测面上；所述等大成像透镜用于在所述探测感应器的探测面上产生荧光光斑，且所述荧光光斑的大小与所述待测激光光束的大小相同；

所述探测感应器与所述激光光束分析仪连接；所述激光光束分析仪用于对所述荧光光斑进行分析，以得到所述待测激光光束的二维光强分布、三维光强分布及光束质量因子。

可选地，所述探测感应器为CMOS相机或CCD相机。

可选地，所述第一荧光产生部件由荧光产生介质构成；

所述荧光产生介质的形态维度包括一维、二维平面及三维块体；

所述荧光产生介质的构成材料包括玻璃、晶体、陶瓷、光纤、微米量级粉体及纳米粉体；

所述荧光产生介质中的发光离子包括稀土离子和过渡族离子；所述过渡族离子包括钛离子、钒离子、铬离子及锰离子；

所述荧光产生介质中的基质材料包括化合物；所述化合物包括卤化物、氧化物、硫化物、硒化物、碲化物、硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐、砷酸盐、锑酸盐、铋酸盐、碳酸盐、硅酸盐、锗酸盐、锡酸盐、硼酸盐、铝酸盐、偏铝酸盐、镓酸盐、锰酸盐、钨酸盐、钼酸盐、铌酸盐及钽酸盐。

可选地，所述荧光产生介质中的发光离子还包括：多种稀土离子共掺、稀土离子与过渡族离子共掺、稀土离子与不发光离子共掺。

可选地，所述荧光产生介质中的基质材料还包括：由所述化合物与高传热材料制成的复合材料；

所述高传热材料包括金刚石、蓝宝石、碳化硅、氮化铝、石墨、银、铜、金、铝、钨及锌。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开一种激光原位测量装置，分光采样部件、等大成像透镜及光束质量分析组件依次设置在荧光产生组件的荧光出射光路上；荧光产生组件发出的荧光是基于待测激光光束得到的；分光采样部件对荧光产生组件发出的荧光进行折射和反射，以得到两束光，分别进入等大成像透镜和光吸收器；经由等大成像透镜聚焦后的荧光由光束质量分析组件进行采集和分析，以得到待测激光光束的二维光强分布、三维光强分布及光束质量因子。本发明避免使用衰减片、衰减器、高功率分束镜等光学元件，避免使用透过式或反射式斩光器等机械装置，可直接应用于在线、原位测量高功率、高能量激光光束质量，解决科研与工业生产中需要原位、高效评价激光光束的技术难题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明激光原位测量装置中对808nm激光进行原位测量的装置示意图；

图2为本发明激光原位测量装置中对364nm激光进行原位测量的装置示意图；

图3为本发明激光原位测量装置测量的光斑束径的对比图；

符号说明：

11-808nm半导体激光，12-Nd:YAG晶体，13-808nm/1038nm分束镜，14-表面镀制1020-1200nm增透膜的等大成像透镜，15-CMOS激光光束分析仪，16-近红外波段用光阱，21-364nm半导体激光，22-Dy:CaSrF₄晶体，23-364nm/410nm分束镜，24-表面镀制400-750nm增透膜的等大成像透镜，25-CCD激光光束分析仪，26-可见光波段光阱，27-表面镀制364nm反射膜的反射镜。

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。

本发明激光原位测量装置适用于高功率、高能量激光系统的激光光束测量，尤其是适用于紫外波段、可见光波段、近红外波段、中红外波段、远红外波段、太赫兹波等波长范围的原位、高效测量，以解决半导体激光、高功率激光、高能量激光等激光科研、工业生产中需要原位、高效评价激光光束的技术难题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种激光原位测量装置，包括荧光产生组件、分光采样部件、等大成像透镜、光吸收器及光束质量分析组件。

所述分光采样部件、所述等大成像透镜及所述光束质量分析组件依次设置在所述荧光产生组件的荧光出射光路上；所述荧光产生组件发出的荧光是基于待测激光光束得到的。

所述分光采样部件用于对所述荧光产生组件发出的荧光进行折射和反射，以得到两束光，分别进入所述等大成像透镜和所述光吸收器。

所述光束质量分析组件用于对经由所述等大成像透镜聚焦后的荧光进行采集和分析，以得到所述待测激光光束的二维光强分布、三维光强分布及光束质量因子。具体地，所述光束质量分析组件包括探测感应器及激光光束分析仪。所述等大成像透镜的焦点位于所述探测感应器的探测面上。所述等大成像透镜用于在所述探测感应器的探测面上产生荧光光斑，且所述荧光光斑的大小与所述待测激光光束的大小相同。所述探测感应器与所述激光光束分析仪连接；所述激光光束分析仪用于对所述荧光光斑进行分析，以得到所述待测激光光束的二维光强分布、三维光强分布及光束质量因子。

实例1

在一个具体实施例中，在上述激光原位测量装置的基础上，所述荧光产生组件包括第一待测高功率激光二极管及第一荧光产生部件。所述第一待测高功率激光二极管用于产生待测激光光束，所述第一荧光产生部件用于将所述待测激光光束转换为荧光；其中，所述待测激光光束的输出方向与所述光束质量分析组件的探测面相互垂直；所述光束质量分析组件的探测面用于采集经由所述等大成像透镜聚焦后的荧光。

另外，该实例中的探测感应器为CMOS相机。

如图1所示，以测量808nm激光光束质量的实时测量为例，将第一待测高功率激光二极管作为808nm半导体激光11的产生部件，808nm半导体激光11为待测激光光束。第一荧光产生部件由荧光产生介质构成，荧光产生介质为Nd:YAG晶体12，即钕离子掺杂钇铝石榴石激光晶体。分光采样部件选用808nm/1038nm分束镜13，该分束镜具体为表面镀制针对808nm的高反膜，反射率为99.8％以上；同时镀制针对1038nm波长的增透膜，透射率大于20％。等大成像透镜选用表面镀制1020nm-1200nm增透膜的等大成像透镜14。该实例中由CMOS相机与激光光束分析仪共同构成CMOS激光光束分析仪15。光吸收器选用近红外波段用光阱16，在具体应用中，还可以将近红外波段用光阱16更换为对应的吸能介质。

装置工作时，808nm半导体激光11入射到Nd:YAG晶体12上产生1038nm荧光，产生的荧光再入射到所述808nm/1038nm分束镜13，透过808nm/1038nm分束镜13后的荧光经等大成像透镜聚焦后进入CMOS激光光束分析仪15，808nm/1038nm分束镜13反射未被完全吸收的808nm半导体激光11所产生的激光光束，由近红外波段用光阱16或吸能介质吸收，保证激光操作环境安全。CMOS激光光束分析仪15可得到待测激光光束的二维、三维光强分布，以及光束质量因子。

其中，表面镀制1020nm-1200nm增透膜的等大成像透镜14中心位于808nm半导体激光11的光路上，焦点位于CMOS激光光束分析仪15像平面上。

实例2

本实例与实例1的不同之处在于：所述荧光产生组件包括第二待测高功率激光二极管、反射镜及第二荧光产生部件；所述第二待测高功率激光二极管用于产生待测激光光束；所述反射镜用于将所述待测激光光束反射至所述第二荧光产生部件；所述第二荧光产生部件用于将所述反射镜反射的待测激光光束转换为荧光。其中，所述待测激光光束的输出方向与所述光束质量分析组件的探测面相互平行；所述光束质量分析组件的探测面用于采集经由所述等大成像透镜聚焦后的荧光。

另外，该实例中的探测感应器为CCD相机。

如图2所示，以测量紫外波段波长364nm激光光束质量的实时测量为例，由第二待测高功率激光二极管为364nm半导体激光21的产生部件，364nm半导体激光21为待测激光光束。第二荧光产生部件由荧光产生介质构成，荧光产生介质为Dy:CaSrF₄晶体22。反射镜选用表面镀制364nm反射膜的反射镜27。分光采样部件选用364nm/410nm分束镜23。等大成像透镜选用表面镀制400nm-750nm增透膜的等大成像透镜24。该实例中由CCD相机与激光光束分析仪共同构成的CCD激光光束分析仪25。光吸收器选用可见光波段光阱26，在具体应用中，还可以将可见光波段光阱26更换为对应的吸能介质，或者对应设置为对应的可见光，如紫外光波段光阱。

装置工作时，待测的364nm半导体激光21以45度入射至表面镀制364nm反射膜的反射镜27，表面镀制364nm反射膜的反射镜27的表面针对紫外光波段250nm-400nm镀制部分反射膜，反射率介于1％-99％之间，入射角度45度。部分未被反射的364nm激光透射经过表面镀制364nm反射膜的反射镜27，进入紫外光波段光阱或吸能介质，保证激光操作环境安全。部分反射后的364nm待测激光垂直入射Dy:CaSrF₄晶体22，获得410nm荧光信号。部分未被Dy:CaSrF₄晶体22完全吸收的364nm激光，经由所述364nm/410nm分束镜23，反射至紫外光波段光阱或吸能介质，保证激光操作环境安全。经过Dy:CaSrF₄晶体22获得的410nm荧光信号，经过表面镀制400nm-750nm增透膜的等大成像透镜24获得等大成像荧光光斑，投射至CCD激光光束分析仪25。

无论是上述实例1还是实例2中，所述第一荧光产生部件由荧光产生介质构成；所述荧光产生介质的形态维度包括一维、二维平面及三维块体。

所述荧光产生介质的构成材料包括玻璃、晶体、陶瓷、光纤、微米量级粉体及纳米粉体。

所述荧光产生介质中的发光离子包括稀土离子(Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb)和过渡族离子；所述过渡族离子包括钛离子、钒离子、铬离子及锰离子。所述荧光产生介质中的发光离子还包括：多种稀土离子共掺、稀土离子与过渡族离子共掺、稀土离子与不发光离子(如Cu、Ag、Au)共掺。

所述荧光产生介质中的基质材料包括化合物；所述化合物包括卤化物、氧化物、硫化物、硒化物、碲化物、硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐、砷酸盐、锑酸盐、铋酸盐、碳酸盐、硅酸盐、锗酸盐、锡酸盐、硼酸盐、铝酸盐、偏铝酸盐、镓酸盐、锰酸盐、钨酸盐、钼酸盐、铌酸盐及钽酸盐。所述卤化物包括氟化物、氯化物、溴化物、碘化物。所述荧光产生介质中的基质材料还包括：由所述化合物与高传热材料制成的复合材料；所述高传热材料包括金刚石、蓝宝石、碳化硅、氮化铝、石墨、银、铜、金、铝、钨及锌。所述高传热材料对于待测激光可以具有透过性或不透过性。

实例3

本实例与实例1的区别在于：待测激光光束由铥离子掺杂固态激光器产生，激光波长为1950nm。荧光产生介质为Ho:Sc₂SiO₅。分束镜(分光采样部件)表面镀制针对1950nm的高反膜、针对2100nm的透过膜。等大成像透镜表面镀制2000nm-2400nm增透膜。光阱或吸能介质16适用于2μm-3μm。

实例4

本实例与实例1的区别在于：荧光产生介质采用Nd:YAG与金刚石制成的复合材料，兼具荧光产生与高传热特性。

实例5

本实例基于激光实时测量，以获得光斑束径在不同距离处的分布规律，如图3所示。采用808nm半导体激光器，功率30W。三角形符号代表808nm激光经过一套扩束准直镜所测量的结果；圆形符号代表808nm激光经过一套缩束准直镜所测量的结果。在扩束准直镜后端距离为0mm处，光斑束径为0.64mm；距离为3.5mm处，光斑束径为0.53mm；距离为6mm处，光斑束径为0.75mm。在缩束准直镜后端距离为0mm处，光斑束径为0.48mm；距离为1.0mm处，光斑束径为0.25mm；距离为2.0mm处，光斑束径为0.40mm。根据图3可知，本发明激光实时测量装置具有优秀的原位评价激光光束的能力。

综上，本发明待测激光通过荧光产生介质后产生荧光，经分光采样装置采样，进入所述激光光束质量分析仪的荧光能量密度较低；经等大成像透镜装置可在探测感应器CMOS上获得与在激光出射面上激光光斑大小相同、能量密度较弱的荧光光斑并进行测量。由此，可避免激光光束质量测试系统的复杂结构，使得装置具有结构紧凑、制作方便、少光学元件等优点，具有小型化特征，可与半导体激光、高功率激光、高能量激光系统等有机衔接，可在激光光路中直接测量激光光斑尺寸及其变化、光强分布，具有较高的兼容性与灵活性，提高工作效率；同时可降低激光光束质量测试成本。

相较于现有技术，本发明具有如下优点：

(1)本发明基于荧光成像技术，在激光光路中直接测量光斑尺寸及其变化、光束质量，具有原位测量、实时监测、高时效性等特征。

(2)本发明体积小巧，截面小于50mm×50mm，长度小于100mm。

(3)本发明操作便捷，无需额外引入光学元件，可与激光系统有机衔接，可在激光光路中直接使用。

(4)本发明测量结果准确，测量像差及波前畸变较小，可原位、实时测量激光光束的二维、三维光强分布和光束质量因子。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种激光原位测量装置，其特征在于，装置包括荧光产生组件、分光采样部件、等大成像透镜、光吸收器及光束质量分析组件；

所述分光采样部件、所述等大成像透镜及所述光束质量分析组件依次设置在所述荧光产生组件的荧光出射光路上；

所述荧光产生组件发出的荧光是基于待测激光光束得到的；

所述分光采样部件用于对所述荧光产生组件发出的荧光进行折射和反射，以得到两束光，分别进入所述等大成像透镜和所述光吸收器；

所述光束质量分析组件用于对经由所述等大成像透镜聚焦后的荧光进行采集和分析，以得到所述待测激光光束的二维光强分布、三维光强分布及光束质量因子。

2.根据权利要求1所述的激光原位测量装置，其特征在于，所述荧光产生组件包括第一待测高功率激光二极管及第一荧光产生部件；

所述第一待测高功率激光二极管用于产生待测激光光束；

所述第一荧光产生部件用于将所述待测激光光束转换为荧光；

其中，所述待测激光光束的输出方向与所述光束质量分析组件的探测面相互垂直；所述光束质量分析组件的探测面用于采集经由所述等大成像透镜聚焦后的荧光。

3.根据权利要求1所述的激光原位测量装置，其特征在于，所述荧光产生组件包括第二待测高功率激光二极管、反射镜及第二荧光产生部件；

所述第二待测高功率激光二极管用于产生待测激光光束；

所述反射镜用于将所述待测激光光束反射至所述第二荧光产生部件；

所述第二荧光产生部件用于将所述反射镜反射的待测激光光束转换为荧光；

其中，所述待测激光光束的输出方向与所述光束质量分析组件的探测面相互平行；所述光束质量分析组件的探测面用于采集经由所述等大成像透镜聚焦后的荧光。

4.根据权利要求1所述的激光原位测量装置，其特征在于，所述光束质量分析组件包括探测感应器及激光光束分析仪；

所述等大成像透镜的焦点位于所述探测感应器的探测面上；所述等大成像透镜用于在所述探测感应器的探测面上产生荧光光斑，且所述荧光光斑的大小与所述待测激光光束的大小相同；

所述探测感应器与所述激光光束分析仪连接；所述激光光束分析仪用于对所述荧光光斑进行分析，以得到所述待测激光光束的二维光强分布、三维光强分布及光束质量因子。

5.根据权利要求4所述的激光原位测量装置，其特征在于，所述探测感应器为CMOS相机或CCD相机。

6.根据权利要求2所述的激光原位测量装置，其特征在于，所述第一荧光产生部件由荧光产生介质构成；

所述荧光产生介质的形态维度包括一维、二维平面及三维块体；

所述荧光产生介质的构成材料包括玻璃、晶体、陶瓷、光纤、微米量级粉体及纳米粉体；

所述荧光产生介质中的发光离子包括稀土离子和过渡族离子；所述过渡族离子包括钛离子、钒离子、铬离子及锰离子；

所述荧光产生介质中的基质材料包括化合物；所述化合物包括卤化物、氧化物、硫化物、硒化物、碲化物、硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐、砷酸盐、锑酸盐、铋酸盐、碳酸盐、硅酸盐、锗酸盐、锡酸盐、硼酸盐、铝酸盐、偏铝酸盐、镓酸盐、锰酸盐、钨酸盐、钼酸盐、铌酸盐及钽酸盐。

7.根据权利要求6所述的激光原位测量装置，其特征在于，所述荧光产生介质中的发光离子还包括：多种稀土离子共掺、稀土离子与过渡族离子共掺、稀土离子与不发光离子共掺。

8.根据权利要求6所述的激光原位测量装置，其特征在于，所述荧光产生介质中的基质材料还包括：由所述化合物与高传热材料制成的复合材料；

所述高传热材料包括金刚石、蓝宝石、碳化硅、氮化铝、石墨、银、铜、金、铝、钨及锌。