CN2665682Y - 漫反射积分式激光功率能量测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种漫反射积分式激光功率能量测量装置，包括视场光阑、传感器、显示器，其特征在于：有一个积分球，其积分球反射层为高反射率的漫射层，设有一个激光入射口和激光漫反射探测口，探测口处安装视场光阑、传感器。本装置特别适用于大功率、超大功率和各种束散角，特别是大束散角的激光功率能量测量。由于本实用新型采用高反射漫反射材料制作积分球与测试靶的表面，而非吸收体式，从而大大提高了基底材料的抗激光损坏能力，同时，测量的重复性、稳定性得以提高。

Description

漫反射积分式激光功率能量测量装置

技术领域

本实用新型属于激光功率能量测量领域，涉及一种激光功率能量的测量装置。

背景技术

激光功率能量的测量装置有多种形式，如，中国专利“锆钛酸铅热释电型激光功率能量计”(审定公告号2071334)介绍了一种采用将吸收体附于热敏传感器上进行激光功率能量测量的装置；中国专利“全波段快响应激光功率计”(申请号85200370)介绍了一种石墨吸收体-热电偶形式的激光功率计；中国专利“陶瓷衰减型激光功率计”(审定公告号2290040)介绍了一种在探测组件前放置陶瓷衰减片的激光功率能量测量装置；中国专利“无源袖珍激光功率计”(审定公告号2225670)介绍了一种采用光电传感器直接测量激光功率能量的装置。上述装置的测量原理主要采用吸收体将激光能量转换成其它能量形式再进行测量或采用光电传感器直接进行测量。由于采用吸收体将激光能量转化为其它形式的能量或直接测量，存在以下不足：其一吸收体及装置有被高能量密度激光损坏的危险，特别是超大功率能量激光；其二吸收或衰减与所用材料以及激光波长有关，影响测量的准确性，其三当激光照射到装置不同部位或以不同角度照射时，相同功率能量激光对传感器产生的作用是有差异的，因此也存在测量精度也不高的问题，其四这些测量装置对半导体等大发散角度的激光测量存在困难。

实用新型内容

本实用新型提出一种由漫反射积分球所构成的光学系统的激光功率能量测量装置，克服了上述激光功率能量测量装置所存在种种不足。

本实用新型的技术方案是：

一种漫反射积分式激光功率能量测量装置，包括视场光阑、传感器、显示器，其特征在于：至少有一个积分球，其积分球反射层为高反射率的漫射层，设有一个激光入射口和激光漫反射探测口，探测口处安装视场光阑、传感器、显示器。

所述积分球的入射口径向对面处另有一个测试靶开口，测试靶开口相邻一个旋转测试靶，旋转测试靶为盘状，其上有旋转轴，旋转测试靶的靶面为高反射率的漫射层，积分球激光入射口和测试靶开口截面面积为入射光束截面的1～5倍，测试靶的面积大于测试靶开口的面积，测试靶与测试靶开口之间的距离不大于积分球直径的1％，测试靶旋转速度不低于1周/秒。

本实用新型激光功率能量测量装置由积分球、视场光阑、传感器、显示器等器件组成。入射激光由积分球上的激光入射口入射至积分球，积分球内壁为高反射率的漫射层，入射激光在积分球内多次漫反射后在漫反射探测口形成近朗伯体光源，经漫反射探测口至视场光阑，由传感器接收，再由显示器显示入射激光的功率能量测量值。

积分球至少有一个入射口和一个探测口，通常选择二者相互垂直。激光漫反射探测口的面积与积分球内表面积比不大于0.02；各开口面积之和与总表面积比不大于0.06。漫射层的反射率在紫外波段不小于95％，可见-近红外波段不小于98％，短波红外波段不低于94％，热红外波段不低于92％。在传感器与激光漫反射出射口处放置的视场光阑可以屏蔽入射激光一次反射至传感器。视场光阑的孔径与出射口的孔径相等。

传感器所接收的激光功率能量按下式计算：

$\mathrm{\Φ}=\frac{{\mathrm{\Φ}}_0}{\mathrm{\πA}}\×\frac{\mathrm{\ρ}}{1-\mathrm{\ρ}(1-f)}\×a\×\mathrm{\Ω}$

其中：Φ为传感器接收的光功率能量；

      Φ₀为入射激光的功率能量；

      ρ为积分球壁的平均反射率；

      A为积分球表面积；

      a为漫反射出射口面积；

      f为积分球上各开口面积之和与表面积之比；

      Ω为传感器接收立体角。

由于积分球反射率、表面积、开口均为常数，上式可以写为：

Φ＝KΦ₀即，传感器所接收激光功率能量与入射激光功率能量成正比。

本实用新型激光功率能量测量装置可以有进一步改进，以提高测量装置的抗激光损坏能力：

(1)、在积分球的入射口径向对面增设一测试靶开口，测试靶开口处安装可旋转运动的测试靶。测试靶表面为高反射率的漫射材料，积分球的入射口和测试靶开口截面面积为入射光束截面的1-5倍。入射激光由积分球入射口入射穿过积分球照射至测试靶上，经测试靶漫反射进入积分球，在积分球内多次漫反射后经激光漫反射探测口和视场光阑，由传感器接收，并由显示器显示入射激光的功率能量测量值。测试靶表面反射率范围与积分球漫射层相同或接近。测试靶的面积大于测试靶开口的面积，测试靶与测试靶开口之间的距离不大于积分球直径的1％，测试靶旋转速度不低于1周/秒。

(2)、在现有积分球的基础上，在漫反射探测口处连通另一个积分球，该积分球上面再设置激光漫反射探测口，依此类推，可以有多个积分球相互连通，激光入射到第一个积分球后，经过多个积分球的漫反射，在最后一个积分球的激光探测口安装视场光阑、传感器、显示器等，此装置可用于大功率激光功率能量的测量。

本实用新型各部件采用常规机械结构安装。

本实用新型激光功率能量测量装置所用传感器为光电式、量热式、电容式等线性传感器。测量装置经标定后可用于微瓦至上百万瓦激光功率能量的测量。

本发明的优越效果：

1、本实用新型采用高反射漫反射材料制作积分球与测试靶的表面，因此与被测激光的波长无关。与其它吸收体表面相比较，减少了由于不同波长能量吸收而影响测量精度，同时大大提高了基底材料的抗激光损坏能力，如，表面反射率高于90％，仅有10％不到的入射激光能量被照射部位吸收，相同基底材料情况下其激光承受力提高1个量级以上。同时，测量的重复稳定性得到提高，也延长了测量装置的使用寿命，拓宽了基底材料的选择范围，进而降低制作成本。

2、采用积分球对入射激光进行匀光，并以视场光阑遮挡被入射激光照射部位的一次反射，激光在积分球激光反射出射口形成朗伯体光源，传感器所接收的激光功率能量与激光入射的角度、方向、位置以及激光束的能量分布和光束直径无关，而仅与入射激光的功率能量成线性关系，进而提高了测量的精度。与此同时，本测量装置可以测量各种束散角激光的功率能量，特别是可以测量大束散角激光的功率能量。

3、采用可运动的高反射漫射测试靶和积分球，装置表面所接收的功率能量密度得到降低，经适当的冷却，本装置可用于大功率能量激光的功率能量测量，特别是上百万瓦级的超大功率能量激光的高精度功率能量测量。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为本实用新型增加了测试靶的结构示意图。

具体实施方式

例1

本实用新型激光功率能量测量装置用于可见-短波红外波段微瓦至毫瓦功率能量激光的测量。测量装置由积分球(8)、传感器(1)、显示器(2)和视场光阑(3)组成(如图1所示)。积分球(8)直径10mm，积分球(8)有2个相互垂直的开口，激光入射口(4)的直径为2.5mm，激光反射探测口(5)、视场光阑(3)的直径均为2mm，积分球反射率为98％，传感器接收视场为±30°，传感器(1)为光电传感器，光敏面直径2mm，响应度为1微安/微瓦，暗电流为20纳安。

计算得出，本例K≈0.054

在10微瓦激光入射时，传感器上的信号为540纳安，信噪比为27∶1。

例2

本实用新型激光功率能量测量装置用于可见-短波红外波段大束散角激光的功率能量测量。测量装置由积分球(8)、传感器(1)、显示器(2)和视场光阑(3)组成(如图1所示)。积分球(8)直径75mm，积分球(8)水平位置有2个相互垂直的开口，激光入射口(4)直径为20mm，激光反射探测口(5)、视场光阑(3)的直径均为2mm，积分球反射率为98％，传感器接收视场为±18°，传感器(1)为光电传感器，光敏面直径2mm，响应度为1微安/微瓦，暗电流为20纳安。

入射激光束发散角在水平方向上为±20°，垂直方向上为±55°，入射激光由积分球入射口(4)入射至积分球形成垂直的长条光斑，在积分球内经多次漫反射后在长条光斑外的积分球水平位置激光反射探测口(5)形成近朗伯体光源，视场光阑(3)限制了长条光斑发出的光不能直接进入传感器(1)，传感器(1)接收视场为±18°的光经光电转换后由显示器(2)显示入射激光的功率能量。

计算得出，本例K≈0.00044

在10瓦大束散角激光入射时，传感器上的信号为4.4毫安，信噪比为2.2×10⁵∶1。

例3

本实用新型激光功率能量测量装置用于百万瓦级热红外激光的功率能量测量。测量装置由积分球(8)、传感器(1)、显示器(2)、视场光阑(3)和可旋转运动的测试靶(7)组成(如图2所示)。积分球(8)直径300cm，积分球有三个开口，其中激光反射探测口(5)与入射口(4)、测试靶开口(6)垂直，入射开口(4)与测试靶开口(6)互为180°，入射开口(4)、测试靶开口(6)直径均为40cm，激光反射探测口(5)、视场光阑(3)的直径均为8mm，积分球、测试靶(7)的反射率均为95％，测试靶(7)的直径为500cm，传感器接收视场为±5°，传感器(1)为带有滤波器的热释电传感器，光敏面直径8mm，测试靶(7)与测试靶开口(6)之间的距离不大于0.5cm，测试靶(7)旋转速度不低于1周/秒，积分球与测试靶(7)均采用了风冷措施。

光束直径约20cm的入射激光由积分球入射开口(4)入射穿过积分球照射至测试靶开口(6)上的测试靶(7)，经测试靶(7)漫反射进入积分球，在积分球内多次漫反射后在激光反射探测口(5)形成近朗伯体光源，视场光阑(3)限制了测试靶(7)漫反射发出的光不能直接进入传感器(1)，带有滤波器的热释电传感器(1)接收视场为±5°的光并将热辐射隔离，经光电转换后由显示器(2)显示入射激光的功率能量值。

计算得出，本例K≈0.000000237

在100万瓦激光入射时，传感器上所接收到的光辐射约为0.24瓦。

入射激光由测试靶(7)单位面积吸收的光功率约为：

1000000×(1-0.95)/[2×3.14×(250-10)×20]≈1.6w/cm²

积分球上承受的平均光辐射照度约为：

1000000×0.95/{4×3.14×150²×[1-0.95×(1-0.0044)]}≈62w/cm²

积分球上单位面积吸收的光功率约为：

62×(1-0.95)≈3.1w/cm²。

Claims (4)

1、一种漫反射积分式激光功率能量测量装置，包括视场光阑、传感器、显示器，其特征在于：至少有一个积分球，其积分球反射层为高反射率的漫射层，设有一个激光入射口和激光漫反射探测口，探测口处安装视场光阑、传感器、显示器。

2、根据权利要求1所述的漫反射积分式激光功率能量测量装置，其特征在于：所述积分球的入射口径向对面处另有一个测试靶开口，测试靶开口相邻一个旋转测试靶，旋转测试靶为盘状，其上有旋转轴，旋转测试靶的靶面为高反射率的漫射层，积分球激光入射口和测试靶开口截面面积为入射光束截面的1～5倍，测试靶的面积大于测试靶开口的面积，测试靶与测试靶开口之间的距离不大于积分球直径的1％，测试靶旋转速度不低于1周/秒。

3、根据权利要求1所述的漫反射积分式激光功率能量测量装置，其特征在于：激光入射口与激光漫反射探测口之间相互垂直，积分球的内直径范围是：1cm～300cm。

4、根据权利要求1所述的漫反射积分式激光功率能量测量装置，其特征在于：积分球各开口的面积与积分球内表面积比不大于0.02，各开口面积之和与总表面积比不大于0.06。

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