CN1385681A - 激光能量和光功率密度时空分布测量用光取样器 - Google Patents

Abstract

一种激光能量和光功率密度时空分布测量的光取样器,可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。该光取样器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。本发明适用范围广,测量指标多,测量精度高,在线实时测量,对原光路扰动非常小。

Description

激光能量和光功率密度时空分布测量用光取样器

本发明涉及一种激光能量和光功率密度时空分布测量用光取样器，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在线测量用光取样器。

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。

采用现有技术，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，就必须将上述三种或两种测量方法结合使用。由于上述三种方法的测量标准不统一，测量结果不具备对比性，因此在实际实施中只能以一种测量方法为主，而其他方法仅能用作参考。

本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处，而提供一种适用范围广，测量指标多，测量精度高，在线实时测量，对原光路扰动非常小的激光能量和光功率密度时空分布测量用光取样器。

本发明的目的可通过以下措施来达到：

一种激光能量和光功率密度时空分布测量用光取样器，包括与传动机构相连接的电机13，其特殊之处在于：它还包括光纤10、设置于机架19上的光纤固定盘9、与传动机构相连接的转筒7；所述光纤10的一端通过光纤插针18插于光纤固定盘9上均布的孔内，另一端与光探测器6连接；所述光纤10在光纤固定盘9上沿圆周方向均匀排列；所述转筒7上设置有环状斩波环8，所述斩波环8一侧设置有45°倒角构成的反射面11，所述斩波环8的反射面11与入射光成45°角；所述转筒7上还设有带开孔的遮光片15；所述机架19的一侧设置有同步信号触发开关16。

上述转筒7可通过轴承14设置于机架19上。

上述转筒7可通过橡胶磙子设置于机架19。

上述光纤固定盘9上的孔可以是与法线方向成5度°角的斜孔。

上述光纤固定盘9的内壁可为粗糙面。

上述斩波环8上的反射面11可为抛光面或其上镀有高反膜。

上述光纤10可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，或所述的光纤10与光探测器6可偏心耦合。

上述同步信号触发开关16可采用红外对管、霍尔开关；电机13可为高转速的直流电机、同步电机或步进电机。

上述传动机构可为齿轮传动机构、齿形链传动机构或齿形带传动机构；所述齿轮传动机构可包括与电机13通过连轴器相连的主动齿轮12，从动齿轮17与主动齿轮12相啮合，从动齿轮17设置于转筒7上；所述齿形链传动机构可包括齿形链、主动链轮和从动链轮，所述齿形链设置于链轮上，所述主动链轮通过连轴器与电机13相连接，所述的从动链轮设置于转筒7上；所述的齿形带传动机构可包括齿形带、主动带轮和从动带轮，所述齿形带设置于带轮上，所述主动带轮通过连轴器与电机13相连接，所述的从动带轮设置于转筒7上。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

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.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.光取样器采用曲面机械斩波结构设计，解决了光纤沿圆周布放时的入射角问题，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。

7.光取样器采用高速旋转的机械斩波机构，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。

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。

附图图面说明如下：

图1为本发明应用测量系统的原理图。

图2为本发明的结构原理图。

图3为本发明实施例的结构示意图。

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—多通道数据采集卡，5—数据处理计算机，6—光探测器，7—转筒，8—斩波环，9—光纤固定盘，10—光纤，11—反射面，12—主动齿轮，13—电机，14—轴承，15—遮光片，16—同步信号触发开关，17—从动齿轮，18—光纤插针，19—机架。

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步详述：

参见图1，本发明应用于在线式激光能量和光功率密度时空分布测量系统时，

该系统主要包括光取样器2、光探测器阵列3、多通道数据采集卡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，光取样器是测量系统中的关键部件，它直接影响到整个测量系统的技术和方案。光取样器主要由斩波环8、光纤10、光纤固定盘9、转筒7等组成。斩波环8的反射面11与入射激光1成45°角，光纤10在光纤固定盘9上沿圆周方向均匀排列。斩波环8将取样光反射到光纤10上，经光纤10传至光探测器6上。由于光纤10存在入射角，即只有一定角度范围内的入射光才能耦合进光纤10内，故斩波环8设计为环状，在一侧加工有45°倒角，并对倒角进行抛光或镀高反膜处理。这样，斩波环8在任意角度，都会有对应位置的大约一半数量的光纤10接收到光信号。由于只有斩波环8所在位置的光才能被反射进光纤10内，所以从接收到光信号的光纤10位置，可反推出斩波环8所在位置，也就是取样光的位置。光探测器6接收到的信号强弱，也直接反映了光功率幅值的大小。当转筒7带动斩波环8转动一周时，就可以测量出整个光束截面上的光功率密度分布。再结合多通道数据采集卡4和数据处理计算机5，就可以测量出激光的能量和光功率密度在时间和空间上的分布。

参见图3，电机13可选用高转速的直流电机，通过调节电压即可进行转速微调。电机13也可以选用同步电机、步进电机。

传动机构可采用齿轮传动，传动比由主动齿轮12和从动齿轮17的齿数确定。传动机构也可以采用齿形链或者齿形带传动。

机架19用多块厚钢板焊接而成，转筒7通过轴承14设置于机架19上，整个传动部件采用脂润滑。转筒7也可通过橡胶磙子与机架19连接。

斩波环8为金属材料制成的环形结构，其一侧加工有45°倒角，该倒角可进行抛光和镀高反膜；斩波环8固定在转筒7上，安装位置精度可由转筒7上一个精铣出的槽来保证。如果激光的能量不高，斩波环8也可以只抛光不镀膜。

光纤固定盘9由金属制成，上面均布有若干个与法线方向成5度°角的斜孔。光纤10一端通过光纤插针18插于斜孔内；另一端与光探测器6连接。由于取样光可能沿原光路返回而干扰激光器，所以，光纤固定盘9的内壁可加工为粗糙面，并经化学处理，以降低反射系数。由于光纤插针18端面的光洁度很高，故将光纤固定盘9上的孔沿法线倾斜5°角，这样，反射光就会射到光纤固定盘9的内壁，而避免了对激光器的干扰。如果所测量激光的能量不高，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表面也无需进行物理、化学处理。

光纤10可采用大芯径石英光纤。如果激光能量较小，光纤10可采用耐热强度较小的塑料光纤；如果信号强而光纤的衰减小，则可在光纤上增加光纤衰减器，或通过与光探测器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。

在机架19的一侧设置有同步信号触发开关16，在转筒7上设置有带一只开孔的遮光片15，当遮光片15的开孔转动到同步信号触发开关16的位置时，同步信号触发开关16就产生一个同步信号，用于对多通道数据采集卡4采集的数据进行分帧处理，从而可大大提高还原图象的准确性，提高测量精度。同步信号触发开关16可采用红外对管，也可采用霍尔开关等。

本发明实施例的技术指标：时间分辨率约为0.03s，空间分辨率小于1mm，可测量的光斑面积为Ф160mm，最大可测量激光的功率密度达几十kW/cm²。如果在原装置的基础上对部件加以改动，还可以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)，另外还容易就可以拓展应用到更大面积和更大能量的激光器。

Claims (10)

1.一种激光能量和光功率密度时空分布测量用光取样器，包括与传动机构相连接的电机(13)，其特征在于：它还包括光纤(10)、设置于机架(19)上的光纤固定盘(9)、与传动机构相连接的转筒(7)；所述光纤(10)的一端通过光纤插针(18)插于光纤固定盘(9)上均布的孔内，另一端与光探测器(6)连接；所述光纤(10)在光纤固定盘(9)上沿圆周方向均匀排列；所述转筒(7)上设置有环状斩波环(8)，所述斩波环(8)一侧设置有45°倒角构成的反射面(11)，所述斩波环(8)的反射面(11)与入射光成45°角；所述转筒(7)上还设有带开孔的遮光片(15)；所述机架(19)的一侧设置有同步信号触发开关(16)。

2.如权利要求1所述的激光能量和光功率密度时空分布测量用光取样器，其特征在于：所述转筒(7)通过轴承(14)设置于机架(19)上。

3.如权利要求1所述的激光能量和光功率密度时空分布测量用光取样器，其特征在于：所述转筒(7)通过橡胶磙子设置于机架(19)。

4.如权利要求1或2或3所述的激光能量和光功率密度时空分布测量用光取样器，其特征在于：所述光纤固定盘(9)上的孔是与法线方向成5度°角的斜孔。

5.如权利要求4所述的激光能量和光功率密度时空分布测量用光取样器，其特征在于：所述光纤固定盘(9)的内壁为粗糙面。

6.如权利要求5所述的激光能量和光功率密度时空分布测量用光取样器，其特征在于：所述斩波环(8)上的反射面(11)为抛光面或其上镀有高反膜。

7.如权利要求6所述的激光能量和光功率密度时空分布测量用光取样器，其特征在于：所述的光纤(10)为大芯径石英光纤或耐热强度较小的塑料光纤。

8.如权利要求7所述的激光能量和光功率密度时空分布测量用光取样器，其特征在于：所述的光纤(10)上设置有光纤衰减器，或所述的光纤(10)与光探测器(6)偏心耦合。

9.如权利要求6所述的激光能量和光功率密度时空分布测量用光取样器，其特征在于：所述的同步信号触发开关(16)可采用红外对管、霍尔开关；电机(13)为高转速的直流电机、同步电机或步进电机。

10.如权利要求1或2所述的激光能量和光功率密度时空分布测量用光取样器，其特征在于：所述传动机构为齿轮传动机构、齿形链传动机构或齿形带传动机构；所述齿轮传动机构包括与电机(13)通过连轴器相连的主动齿轮(12)，从动齿轮(17)与主动齿轮(12)相啮合，从动齿轮(17)设置于转筒(7)上；所述齿形链传动机构包括齿形链、主动链轮和从动链轮，所述齿形链设置于链轮上，所述主动链轮通过连轴器与电机(13)相连接，所述的从动链轮设置于转筒(7)上；所述的齿形带传动机构包括齿形带、主动带轮和从动带轮，所述齿形带设置于带轮上，所述主动带轮通过连轴器与电机(13)相连接，所述的从动带轮设置于转筒(7)上。

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