CN1219195C - 在线式激光能量和光功率密度时空分布测量系统 - Google Patents

Abstract

一种在线式高能激光能量和光功率密度时空分布测量系统。该系统主要由光取样器、探测器阵列、多信道数据采集卡、数据处理计算机组成。该系统可以在线地测量出高能激光光功率密度随时间和空间的变化，通过计算还可得到总能量值。该系统特别适合光斑面积大、发光时间短、输出能量和功率密度高的氟化氘、氧碘等红外波段的连续波高能激光器，也可以用于二氧化碳、YAG等功率密度较高的连续波激光器。

Description

在线式激光能量和光功率密度时空分布测量系统

技术领域

本发明涉及一种在线式激光能量和光功率密度时空分布测量系统，尤其涉及一种用于大面积高能激光能量和光功率密度时空分布的在线测量系统。

背景技术

现有的高能激光能量和光功率密度分布的测量方法主要有能量烧蚀法、靶斑散射测量法、热吸收探测法等。

能量烧蚀法是让激光照射到烧蚀物，通常是有机玻璃上，通过测量烧蚀物在激光照射前后的质量变化来计算出总能量，通过测量烧蚀痕迹来粗略得出光斑的功率密度分布。这种方法的主要缺点是只能测量激光的总能量值和光功率密度在空间上的分布，无法测量光功率密度在时间上的分布，而且不能在线测量。

靶斑散射测量法是将强激光照射到镀有高反膜的反射镜后，将高反镜透过的衰减了几个数量级后的光照射到一个金属漫反射屏上，用CCD热像仪获取金属屏的漫反射光。由于强激光要经过高反射镜、金属散射屏才到达探测器上，影响测量结果的因素较多，尤其是漫反射屏无法进行准确标定，因此只能测得光功率密度分布的相对值，无法得到光功率密度分布的绝对值和总能量值。

热吸收探测法的探测器通常为热电偶，具体的测量手段有面阵式、圆锥式、斩波式等多种。面阵式通常采用石墨面阵背后布放热电偶的方法，可以得出总能量和光功率随空间的变化；圆锥式则将激光照射到一个金属圆锥里，只能得出总能量值；斩波式可以测量总能量值，与面阵式、圆锥式相比增加了在线测量的功能。但是热吸收探测法的主要缺陷在于热探测是个积分效应，对光功率密度的空间分布测量虽有一定的精度，但对光功率密度的时间分布无法测量或者测量精度很低。

在现有技术条件下，如果要实现在线测量高能激光的能量和光功率密度的时空分布，就必须将上述的三种或两种测量方法结合使用。但是由于现有的三种方法的测量标准不统一，测量结果不具备对比性，因此在实际实施时只能以一种测量方法为主，其它方法仅作辅助参考。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在线式激光能量和光功率密度时空分布测量系统，其解决了背景技术中只能测量激光的总能量值和光功率密度在空间上的分布，无法测量光功率密度在时间上的分布，或对光功率密度的时间分布无法测量；不能在线测量；影响测量结果的因素较多；测量精度很低的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种在线式激光能量和光功率密度时空分布测量系统，包括数据处理计算机5，其特殊之处在于：它还包括光取样器2、可接收光取样器2光信号的光探测器阵列3，所述的光探测器阵列3由光探测器6组成，所述的探测器阵列3的信号输出端接多信道数据采集卡4的信号采集端，所述的多信道数据采集卡4的输出信号端接数据处理计算机5；所述的光取样器2包括光纤10，其呈线性阵列布放，光纤固定盘9上均布有设置光纤10的孔，光纤10的一端插于光纤固定盘9上的孔内，另一端接至光探测器6相接，电机11通过传动装置与光刀8相连，限位导向装置13设置于机架7上，光刀8的两端与限位导向装置13作可移动配合，在测量光域边界处的机架7上安装有同步信号触发开关14。

上述光纤固定盘9可为金属盘，光纤固定盘9上的孔为沿受光方向倾斜5度°角的斜孔；所述光刀8的横截面可为直角三角形，其受光面为抛光面或其上镀有高反膜。

上述光纤固定盘9的表面可为粗糙面，所述的同步信号触发开关14可为红外对管或霍尔开关。

上述光纤10为大芯径石英光纤或耐热强度较小的塑料光纤。

上述光纤10上可设置光纤衰减器。

上述光纤10与光探测器6可采用偏心耦合。

上述光取样器2的传动装置可包括链轮15，其通过连轴器12与电机11相连接，齿形链16设置于链轮15上，所述光刀8固定于齿形链16的销轴上。

上述光取样器2的传动装置可为丝杠或同步带，光刀8固定于丝杠或同步带上。

上述光刀8的限位导向装置13可为导槽，其设置于机架7上，光刀8的两端与导槽滑动配合或滚动配合。

上述光刀8的限位导向装置13可为直线轴承或导轨，其设置于机架7上。

本发明具有以下优点：

1.采用一套测量系统，即可测量出激光的能量和光功率密度随时间和空间的变化，并且可实现在线测量。

2.本发明的光取样器采用斩波式结构和光纤传输光信号，对原光路的扰动很小，避免了对后续其它测量工作的影响。

3.通过更换不同类型的探测器，该系统可用于多种波长的激光器能量和光功率密度测量。

4.对光取样器的结构进行改动，可进一步大幅度提高系统的技术指标，包括空间分辨率、时间分辨率等，还可以扩展适用范围，应用于更大面积和更大能量的激光器。

5.本发明采用光纤将光传输到探测器上，由于光纤芯径较细，而且光纤对某些波长的激光损耗较大，使得能耦合进光纤并传输到探测器的能量较小，避免了探测器受强激光照射而损坏。

6.本发明的光取样器采用高速运动的直线斩波机构，保证了测量的时间分辨率；采用密集布放的光纤阵列，保证了测量的空间分辨率，最终保证了测量精度。

7.本发明的光取样器采用导槽机构限位，对光刀在运动中的姿态进行控制，使得取样光能有效地耦合进光纤内，最终保证了测量结果的准确性。

8.本发明采用同步开关产生的触发信号对采集的数据进行分帧，提高了还原图象的准确性，从而提高了测量精度。

9.本发明中的光取样器中采用了光纤倾斜布放、光纤固定盘表面化学处理等方法，避免了取样光沿原光路返回，干扰激光器。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为本发明实施例的结构示意图；

图3为本发明光取样器的结构示意图；

图4为本发明光刀与链的位置示意图。

上述附图标号说明如下：

1-激光，2-光取样器，3-光探测器阵列，4-多信道数据采集卡，5-数据处理计算机，6-光探测器，7-机架，8-光刀，9-光纤固定盘，10-光纤，11-电机，12-联轴器，13-限位导向装置，14-同步信号触发开关，15-链轮，16-齿形链。

具体实施方式

参见图1，本发明主要包括光取样器2、光探测器阵列3、多信道数据采集卡4、数据处理计算机5。强激光1经过光取样器2后耦合进光探测器阵列3，光探测器阵列3由数百个光探测器6组成。光探测器阵列3输出电信号幅值的变化可反映入射到光取样器2上的激光光功率变化，多信道数据采集卡4对每个光探测器6的输出信号进行采集和记录，再通过数据处理计算机5对测量结果进行处理，即得出激光的光功率密度在时间和空间上的分布，且可计算出总能量值。

参见图2，光取样器2主要包括机架7、光刀8、光纤固定盘9、光纤10等。光刀8的横截面为直角三角形，其受光面上镀有高反膜。光刀8可在机架7上做高速直线运动。光纤10呈线性阵列，密集布放在光纤固定盘9上。激光1垂直入射到光刀8，由光刀8的斜面反射到光纤10，并传输至光探测器6。在任意时刻，光探测器6所接收信号的大小可反映光刀8所在位置——一条线上激光光功率的幅值大小，并由多信道数据采集卡4采集和记录。当光刀8沿激光1的整个光束横截面运动时，多信道数据采集卡4记录的数据就表示了整个光斑的光功率密度分布，经数据处理计算机5进行计算和处理，即得出激光功率密度在空间和时间上的分布和总能量值。

参见图3，光取样器2具体由以下几部分组成：机架7、光刀8、光纤固定盘9、光纤10、电机11、联轴器12、限位导向装置13、同步信号触发开关14、链轮15、齿形链16。

电机11可选用同步电机、步进电机等，但以高转速的直流电机为宜，通过调节电压可对其进行转速微调。

光取样器2的传动采用链传动方式，光刀8固定在齿形链16的销轴上，可随链节一起回转往复运动。限位导向装置13可为导槽，当光刀8运动到测量光域后，光刀8的两端立刻进入导槽内，与之滑动配合，以确保光刀8在测量光域内的运动姿态。为减小整个测量系统的噪音，延长其使用寿命，可在光刀8的两端安装滚动轴承，使光刀8与导槽滚动配合。

光纤固定盘9由金属板制成，其上均布有若干孔。光纤10的一端插于光纤固定盘9上的孔内，另一端与光探测器6相接。由于取样光可能沿原光路返回而干扰激光器，所以可将光纤固定盘9表面加工成粗糙面，并可通过化学处理降低其反射系数。另外，由于光纤10的端面光洁度很高，所以可将光纤固定盘9上的孔设置为与垂面成5度角的斜孔，即将光纤固定盘9上的孔沿受光方向倾斜5度角，则反射光会射到光取样器2的机架7上而被吸收，由此可避免对激光器的干扰。如果所测激光的能量不高，激光器和原光路也不怕反向干扰，光纤10则无需倾斜安装，光纤固定盘9表面也无需进行化学处理。

光纤10一般采用大芯径石英光纤。如果激光能量较小，光纤10也可采用耐热强度较小的塑料光纤；如果激光信号强而光纤的衰减小，则可在光纤10上增加光纤衰减器，也可通过与光探测器6的偏心耦合等方式进行光强衰减，以避免光探测器6受强光照射而损坏。

在测量光域的边界处安装有两只同步信号触发开关14。当光刀8移动到同步信号触发开关14的安装位置时，同步信号触发开关14则产生一个同步信号，并触发多信道数据采集卡4开始采集信号。同步信号触发开关14采用红外对管，也可采用霍尔开关等。

整个光取样机构也可以采用非回转的直线往复运动机构，如由步进电机或直流电机带动丝杠或同步带传动做直线往复运动，运动中光刀8的姿态则由直线轴承或导轨来控制。

参见图4，光刀8的横截面为直角三角形，由金属材料制成。在齿形链16的一周均匀布放两、三把光刀8。由于光刀8在返回的途中也要遮挡一部分光，为防止这部分光沿原路返回干扰激光器，故光刀8的上下两个受光面均镀有高反膜，而光纤10和光探测器6安装在一侧、与光刀8同高的位置，这样当光刀8沿正向运动时，光纤10可以接收到光信号，而光刀在返回途中接收的光则被反射到机架7的内壁而被吸收。如果被测的激光功率密度较小，光刀也可以只抛光不镀膜。

本发明实施例技术指标：时间分辨率约为0.04s，空间分辨率大约为1.2mm，可测量的光斑面积为300×300mm²，最大可测量激光的功率密度几十kW/cm²。

Claims (10)

1.一种在线式激光能量和光功率密度时空分布测量系统，包括数据处理计算机(5)，其特征在于：它还包括光取样器(2)、可接收光取样器(2)光信号的光探测器阵列(3)，所述的光探测器阵列(3)由光探测器(6)组成，所述的探测器阵列(3)的信号输出端接多信道数据采集卡(4)的信号采集端，所述的多信道数据采集卡(4)的输出信号端接数据处理计算机(5)；所述的光取样器(2)包括光纤(10)，其呈线性阵列布放，光纤固定盘(9)上均布有设置光纤(10)的孔，光纤(10)的一端插于光纤固定盘(9)上的孔内，另一端接至光探测器(6)相接，电机(11)通过传动装置与光刀(8)相连，限位导向装置(13)设置于机架(7)上，光刀(8)的两端与限位导向装置(13)作可移动配合，在测量光域边界处的机架(7)上安装有同步信号触发开关(14)。

2.如权利要求1所述的在线式激光能量和光功率密度时空分布测量系统，其特征在于：所述光纤固定盘(9)为金属盘，光纤固定盘(9)上的孔为沿受光方向倾斜5度角的斜孔；所述光刀(8)的横截面为直角三角形，其受光面为抛光面或其上镀有高反膜。

3.如权利要求2所述的在线式激光能量和光功率密度时空分布测量系统，其特征在于：所述光纤固定盘(9)的表面为粗糙面，所述的同步信号触发开关(14)为红外对管或霍尔开关。

4.如权利要求3所述的在线式激光能量和光功率密度时空分布测量系统，其特征在于：所述的光纤(10)为石英光纤或塑料光纤。

5.如权利要求4所述的在线式激光能量和光功率密度时空分布测量系统，其特征在于：所述的光纤(10)上设置有光纤衰减器。

6.如权利要求4所述的在线式激光能量和光功率密度时空分布测量系统，其特征在于：所述的光纤(10)与光探测器(6)偏心耦合。

7.如权利要求1或2所述的在线式激光能量和光功率密度时空分布测量系统，其特征在于：所述光取样器(2)的传动装置包括链轮(15)，其通过连轴器(12)与电机(11)相连接，齿形链(16)设置于链轮(15)上，所述光刀(8)固定于齿形链(16)的销轴上。

8.如权利要求1或2所述的在线式激光能量和光功率密度时空分布测量系统，其特征在于：所述光取样器(2)的传动装置为丝杠或同步带，光刀(8)固定于丝杠或同步带上。

9.如权利要求7所述的在线式激光能量和光功率密度时空分布测量系统，其特征在于：所述光刀(8)的限位导向装置(13)为导槽，其设置于机架(7)上，光刀(8)的两端与导槽滑动配合或滚动配合。

10.如权利要求8所述的在线式激光能量和光功率密度时空分布测量系统，其特征在于：所述光刀(8)的限位导向装置(13)为直线轴承或导轨，其设置于机架(7)上。

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