專(zhuān)利名稱(chēng)：在線(xiàn)式激光能量和光功率密度時(shí)空分布測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在線(xiàn)式激光能量和光功率密度時(shí)空分布測(cè)量系統(tǒng)，尤其涉及一種用于大面積高能激光能量和光功率密度時(shí)空分布的在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)。
現(xiàn)有的高能激光能量和光功率密度分布的測(cè)量方法主要有能量燒蝕法、靶斑散射測(cè)量法、熱吸收探測(cè)法等。
能量燒蝕法是讓激光照射到燒蝕物，通常是有機(jī)玻璃上，通過(guò)測(cè)量燒蝕物在激光照射前后的質(zhì)量變化來(lái)計(jì)算出總能量，通過(guò)測(cè)量燒蝕痕跡來(lái)粗略得出光斑的功率密度分布。這種方法的主要缺點(diǎn)是只能測(cè)量激光的總能量值和光功率密度在空間上的分布，無(wú)法測(cè)量光功率密度在時(shí)間上的分布，而且不能在線(xiàn)測(cè)量。
靶斑散射測(cè)量法是將強(qiáng)激光照射到鍍有高反膜的反射鏡后，將高反鏡透過(guò)的衰減了幾個(gè)數(shù)量級(jí)后的光照射到一個(gè)金屬漫反射屏上，用CCD熱像儀獲取金屬屏的漫反射光。由于強(qiáng)激光要經(jīng)過(guò)高反射鏡、金屬散射屏才到達(dá)探測(cè)器上，影響測(cè)量結(jié)果的因素較多，尤其是漫反射屏無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定，因此只能測(cè)得光功率密度分布的相對(duì)值，無(wú)法得到光功率密度分布的絕對(duì)值和總能量值。
熱吸收探測(cè)法的探測(cè)器通常為熱電偶，具體的測(cè)量手段有面陣式、圓錐式、斬波式等多種。面陣式通常采用石墨面陣背后布放熱電偶的方法，可以得出總能量和光功率隨空間的變化；圓錐式則將激光照射到一個(gè)金屬圓錐里，只能得出總能量值；斬波式可以測(cè)量總能量值，與面陣式、圓錐式相比增加了在線(xiàn)測(cè)量的功能。但是熱吸收探測(cè)法的主要缺陷在于熱探測(cè)是個(gè)積分效應(yīng)，對(duì)光功率密度的空間分布測(cè)量雖有一定的精度，但對(duì)光功率密度的時(shí)間分布無(wú)法測(cè)量或者測(cè)量精度很低。
在現(xiàn)有技術(shù)條件下，如果要實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)測(cè)量高能激光的能量和光功率密度的時(shí)空分布，就必須將上述的三種或兩種測(cè)量方法結(jié)合使用。但是由于現(xiàn)有的三種方法的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，測(cè)量結(jié)果不具備對(duì)比性，因此在實(shí)際實(shí)施時(shí)只能以一種測(cè)量方法為主，其它方法僅作輔助參考。
本發(fā)明的目的在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，而提供一種適用范圍廣，測(cè)量指標(biāo)多，測(cè)量精度高，在線(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，對(duì)原光路擾動(dòng)非常小的在線(xiàn)式激光能量和光功率密度時(shí)空分布測(cè)量系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的可通過(guò)以下措施來(lái)達(dá)到一種在線(xiàn)式激光能量和光功率密度時(shí)空分布測(cè)量系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)5，其特殊之處在于它還包括光取樣器2、可接收光取樣器2光信號(hào)的光探測(cè)器陣列3，所述的光探測(cè)器陣列3由光探測(cè)器6組成，所述的探測(cè)器陣列3的信號(hào)輸出端接多信道數(shù)據(jù)采集卡4的信號(hào)采集端，所述的多信道數(shù)據(jù)采集卡4的輸出信號(hào)端接數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)5；所述的光取樣器2包括光纖10，其呈線(xiàn)性陣列布放，光纖固定盤(pán)9上均布有設(shè)置光纖10的孔，光纖10的一端插于光纖固定盤(pán)9上的孔內(nèi)，另一端接至光探測(cè)器6相接，電機(jī)11通過(guò)傳動(dòng)裝置與光刀8相連，限位導(dǎo)向裝置13設(shè)置于機(jī)架7上，光刀8的兩端與限位導(dǎo)向裝置13作可移動(dòng)配合，在測(cè)量光域邊界處的機(jī)架7上安裝有同步信號(hào)觸發(fā)開(kāi)關(guān)14。
上述光纖固定盤(pán)9可為金屬盤(pán)，光纖固定盤(pán)9上的孔為沿受光方向傾斜5度°角的斜孔；所述光刀8的橫截面可為直角三角形，其受光面為拋光面或其上鍍有高反膜。
上述光纖固定盤(pán)9的表面可為粗糙面，所述的同步信號(hào)觸發(fā)開(kāi)關(guān)14可為紅外對(duì)管或霍爾開(kāi)關(guān)。
上述光纖10為大芯徑石英光纖或耐熱強(qiáng)度較小的塑料光纖。
上述光纖10上可設(shè)置光纖衰減器。
上述光纖10與光探測(cè)器6可采用偏心耦合。
上述光取樣器2的傳動(dòng)裝置可包括鏈輪15，其通過(guò)連軸器12與電機(jī)11相連接，齒形鏈16設(shè)置于鏈輪15上，所述光刀8固定于齒形鏈16的銷(xiāo)軸上。
上述光取樣器2的傳動(dòng)裝置可為絲杠或同步帶，光刀8固定于絲杠或同步帶上。
上述光刀8的限位導(dǎo)向裝置13可為導(dǎo)槽，其設(shè)置于機(jī)架7上，光刀8的兩端與導(dǎo)槽滑動(dòng)配合或滾動(dòng)配合。
上述光刀8的限位導(dǎo)向裝置13可為導(dǎo)槽、直線(xiàn)軸承或?qū)к?，其設(shè)置于機(jī)架7上，光刀8的兩端與導(dǎo)槽滑動(dòng)配合或滾動(dòng)配合。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1.采用一套測(cè)量系統(tǒng)，即可測(cè)量出激光的能量和光功率密度隨時(shí)間和空間的變化，并且可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)測(cè)量。
2.本發(fā)明的光取樣器采用斬波式結(jié)構(gòu)和光纖傳輸光信號(hào)，對(duì)原光路的擾動(dòng)很小，避免了對(duì)后續(xù)其它測(cè)量工作的影響。
3.通過(guò)更換不同類(lèi)型的探測(cè)器，該系統(tǒng)可用于多種波長(zhǎng)的激光器能量和光功率密度測(cè)量。
4.對(duì)光取樣器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動(dòng)，可進(jìn)一步大幅度提高系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，包括空間分辨率、時(shí)間分辨率等，還可以擴(kuò)展適用范圍，應(yīng)用于更大面積和更大能量的激光器。
5.本發(fā)明采用光纖將光傳輸?shù)教綔y(cè)器上，由于光纖芯徑較細(xì)，而且光纖對(duì)某些波長(zhǎng)的激光損耗較大，使得能耦合進(jìn)光纖并傳輸?shù)教綔y(cè)器的能量較小，避免了探測(cè)器受強(qiáng)激光照射而損壞。
6.本發(fā)明的光取樣器采用高速運(yùn)動(dòng)的直線(xiàn)斬波機(jī)構(gòu)，保證了測(cè)量的時(shí)間分辨率；采用密集布放的光纖陣列，保證了測(cè)量的空間分辨率，最終保證了測(cè)量精度。
7.本發(fā)明的光取樣器采用導(dǎo)槽機(jī)構(gòu)限位，對(duì)光刀在運(yùn)動(dòng)中的姿態(tài)進(jìn)行控制，使得取樣光能有效地耦合進(jìn)光纖內(nèi)，最終保證了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
8.本發(fā)明采用同步開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分幀，提高了還原圖象的準(zhǔn)確性，從而提高了測(cè)量精度。
9.本發(fā)明中的光取樣器中采用了光纖傾斜布放、光纖固定盤(pán)表面化學(xué)處理等方法，避免了取樣光沿原光路返回，干擾激光器。
附面說(shuō)明如下

圖1為本發(fā)明的原理圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明光取樣器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明光刀與鏈的位置示意圖。
上述附圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明如下1—激光，2—光取樣器，3—光探測(cè)器陣列，4—多信道數(shù)據(jù)采集卡，5—數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，6—光探測(cè)器，7—機(jī)架，8—光刀，9—光纖固定盤(pán)，10—光纖，11—電機(jī)，12—聯(lián)軸器，13—限位導(dǎo)向裝置，14—同步信號(hào)觸發(fā)開(kāi)關(guān)，15—鏈輪，16—齒形鏈。
下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述參見(jiàn)圖1，本發(fā)明主要包括光取樣器2、光探測(cè)器陣列3、多信道數(shù)據(jù)采集卡4、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)5。強(qiáng)激光1經(jīng)過(guò)光取樣器2后耦合進(jìn)光探測(cè)器陣列3，光探測(cè)器陣列3由數(shù)百個(gè)光探測(cè)器6組成。光探測(cè)器陣列3輸出電信號(hào)幅值的變化可反映入射到光取樣器2上的激光光功率變化，多信道數(shù)據(jù)采集卡4對(duì)每個(gè)光探測(cè)器6的輸出信號(hào)進(jìn)行采集和記錄，再通過(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)5對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理，即得出激光的光功率密度在時(shí)間和空間上的分布，且可計(jì)算出總能量值。
參見(jiàn)圖2，光取樣器2主要包括機(jī)架7、光刀8、光纖固定盤(pán)9、光纖10等。光刀8的橫截面為直角三角形，其受光面上鍍有高反膜。光刀8可在機(jī)架7上做高速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。光纖10呈線(xiàn)性陣列，密集布放在光纖固定盤(pán)9上。激光1垂直入射到光刀8，由光刀8的斜面反射到光纖10，并傳輸至光探測(cè)器6。在任意時(shí)刻，光探測(cè)器6所接收信號(hào)的大小可反映光刀8所在位置——一條線(xiàn)上激光光功率的幅值大小，并由多信道數(shù)據(jù)采集卡4采集和記錄。當(dāng)光刀8沿激光1的整個(gè)光束橫截面運(yùn)動(dòng)時(shí)，多信道數(shù)據(jù)采集卡4記錄的數(shù)據(jù)就表示了整個(gè)光斑的光功率密度分布，經(jīng)數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)5進(jìn)行計(jì)算和處理，即得出激光功率密度在空間和時(shí)間上的分布和總能量值。
參見(jiàn)圖3，光取樣器2具體由以下幾部分組成機(jī)架7、光刀8、光纖固定盤(pán)9、光纖10、電機(jī)11、聯(lián)軸器12、限位導(dǎo)向裝置13、同步信號(hào)觸發(fā)開(kāi)關(guān)14、鏈輪15、齒形鏈16。
電機(jī)11可選用同步電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等，但以高轉(zhuǎn)速的直流電機(jī)為宜，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓可對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)速微調(diào)。
光取樣器2的傳動(dòng)采用鏈傳動(dòng)方式，光刀8固定在齒形鏈16的銷(xiāo)軸上，可隨鏈節(jié)一起回轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。限位導(dǎo)向裝置13可為導(dǎo)槽，當(dāng)光刀8運(yùn)動(dòng)到測(cè)量光域后，光刀8的兩端立刻進(jìn)入導(dǎo)槽內(nèi)，與之滑動(dòng)配合，以確保光刀8在測(cè)量光域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。為減小整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的噪音，延長(zhǎng)其使用壽命，可在光刀8的兩端安裝滾動(dòng)軸承，使光刀8與導(dǎo)槽滾動(dòng)配合。
光纖固定盤(pán)9由金屬板制成，其上均布有若干孔。光纖10的一端插于光纖固定盤(pán)9上的孔內(nèi)，另一端與光探測(cè)器6相接。由于取樣光可能沿原光路返回而干擾激光器，所以可將光纖固定盤(pán)9表面加工成粗糙面，并可通過(guò)化學(xué)處理降低其反射系數(shù)。另外，由于光纖10的端面光潔度很高，所以可將光纖固定盤(pán)9上的孔設(shè)置為與垂面成5度角的斜孔，即將光纖固定盤(pán)9上的孔沿受光方向傾斜5度角，則反射光會(huì)射到光取樣器2的機(jī)架7上而被吸收，由此可避免對(duì)激光器的干擾。如果所測(cè)激光的能量不高，激光器和原光路也不怕反向干擾，光纖10則無(wú)需傾斜安裝，光纖固定盤(pán)9表面也無(wú)需進(jìn)行化學(xué)處理。
光纖10一般采用大芯徑石英光纖。如果激光能量較小，光纖10也可采用耐熱強(qiáng)度較小的塑料光纖；如果激光信號(hào)強(qiáng)而光纖的衰減小，則可在光纖10上增加光纖衰減器，也可通過(guò)與光探測(cè)器6的偏心耦合等方式進(jìn)行光強(qiáng)衰減，以避免光探測(cè)器6受強(qiáng)光照射而損壞。
在測(cè)量光域的邊界處安裝有兩只同步信號(hào)觸發(fā)開(kāi)關(guān)14。當(dāng)光刀8移動(dòng)到同步信號(hào)觸發(fā)開(kāi)關(guān)14的安裝位置時(shí)，同步信號(hào)觸發(fā)開(kāi)關(guān)14則產(chǎn)生一個(gè)同步信號(hào)，并觸發(fā)多信道數(shù)據(jù)采集卡4開(kāi)始采集信號(hào)。同步信號(hào)觸發(fā)開(kāi)關(guān)14采用紅外對(duì)管，也可采用霍爾開(kāi)關(guān)等。
整個(gè)光取樣機(jī)構(gòu)也可以采用非回轉(zhuǎn)的直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如由步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)帶動(dòng)絲杠或同步帶傳動(dòng)做直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)中光刀8的姿態(tài)則由直線(xiàn)軸承或?qū)к墎?lái)控制。
參見(jiàn)圖4，光刀8的橫截面為直角三角形，由金屬材料制成。在齒形鏈16的一周均勻布放兩、三把光刀8。由于光刀8在返回的途中也要遮擋一部分光，為防止這部分光沿原路返回干擾激光器，故光刀8的上下兩個(gè)受光面均鍍有高反膜，而光纖10和光探測(cè)器6安裝在一側(cè)、與光刀8同高的位置，這樣當(dāng)光刀8沿正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，光纖10可以接收到光信號(hào)，而光刀在返回途中接收的光則被反射到機(jī)架7的內(nèi)壁而被吸收。如果被測(cè)的激光功率密度較小，光刀也可以只拋光不鍍膜。
本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)指標(biāo)時(shí)間分辨率約為0.04s，空間分辨率大約為1.2mm，可測(cè)量的光斑面積為300×300mm2，最大可測(cè)量激光的功率密度幾十kW/cm2。
權(quán)利要求
1.一種在線(xiàn)式激光能量和光功率密度時(shí)空分布測(cè)量系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(5)，其特征在于它還包括光取樣器(2)、可接收光取樣器(2)光信號(hào)的光探測(cè)器陣列(3)，所述的光探測(cè)器陣列(3)由光探測(cè)器(6)組成，所述的探測(cè)器陣列(3)的信號(hào)輸出端接多信道數(shù)據(jù)采集卡(4)的信號(hào)采集端，所述的多信道數(shù)據(jù)采集卡(4)的輸出信號(hào)端接數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)(5)；所述的光取樣器(2)包括光纖(10)，其呈線(xiàn)性陣列布放，光纖固定盤(pán)(9)上均布有設(shè)置光纖(10)的孔，光纖(10)的一端插于光纖固定盤(pán)(9)上的孔內(nèi)，另一端接至光探測(cè)器(6)相接，電機(jī)(11)通過(guò)傳動(dòng)裝置與光刀(8)相連，限位導(dǎo)向裝置(13)設(shè)置于機(jī)架(7)上，光刀(8)的兩端與限位導(dǎo)向裝置(13)作可移動(dòng)配合，在測(cè)量光域邊界處的機(jī)架(7)上安裝有同步信號(hào)觸發(fā)開(kāi)關(guān)(14)。
2.如權(quán)利要求1所述的在線(xiàn)式激光能量和光功率密度時(shí)空分布測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述光纖固定盤(pán)(9)為金屬盤(pán)，光纖固定盤(pán)(9)上的孔為沿受光方向傾斜5度角的斜孔；所述光刀(8)的橫截面為直角三角形，其受光面為拋光面或其上鍍有高反膜。
3.如權(quán)利要求2所述的在線(xiàn)式激光能量和光功率密度時(shí)空分布測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述光纖固定盤(pán)(9)的表面為粗糙面，所述的同步信號(hào)觸發(fā)開(kāi)關(guān)(14)為紅外對(duì)管或霍爾開(kāi)關(guān)。
4.如權(quán)利要求3所述的在線(xiàn)式激光能量和光功率密度時(shí)空分布測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述的光纖(10)為大芯徑石英光纖或耐熱強(qiáng)度較小的塑料光纖。
5.如權(quán)利要求4所述的在線(xiàn)式激光能量和光功率密度時(shí)空分布測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述的光纖(10)上設(shè)置有光纖衰減器。
6.如權(quán)利要求4所述的在線(xiàn)式激光能量和光功率密度時(shí)空分布測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述的光纖(10)與光探測(cè)器(6)偏心耦合。
7.如權(quán)利要求1或2所述的在線(xiàn)式激光能量和光功率密度時(shí)空分布測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述光取樣器(2)的傳動(dòng)裝置包括鏈輪(15)，其通過(guò)連軸器(12)與電機(jī)(11)相連接，齒形鏈(16)設(shè)置于鏈輪(15)上，所述光刀(8)固定于齒形鏈(16)的銷(xiāo)軸上。
8.如權(quán)利要求1或2所述的在線(xiàn)式激光能量和光功率密度時(shí)空分布測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述光取樣器(2)的傳動(dòng)裝置為絲杠或同步帶，光刀(8)固定于絲杠或同步帶上。
9.如權(quán)利要求7所述的在線(xiàn)式激光能量和光功率密度時(shí)空分布測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述光刀(8)的限位導(dǎo)向裝置(13)為導(dǎo)槽，其設(shè)置于機(jī)架(7)上，光刀(8)的兩端與導(dǎo)槽滑動(dòng)配合或滾動(dòng)配合。
10.如權(quán)利要求8所述的在線(xiàn)式激光能量和光功率密度時(shí)空分布測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述光刀(8)的限位導(dǎo)向裝置(13)為導(dǎo)槽、直線(xiàn)軸承或?qū)к?，其設(shè)置于機(jī)架(7)上，光刀(8)的兩端與導(dǎo)槽滑動(dòng)配合或滾動(dòng)配合。
全文摘要
一種在線(xiàn)式高能激光能量和光功率密度時(shí)空分布測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由光取樣器、探測(cè)器陣列、多信道數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)組成。該系統(tǒng)可以在線(xiàn)地測(cè)量出高能激光光功率密度隨時(shí)間和空間的變化,通過(guò)計(jì)算還可得到總能量值。該系統(tǒng)特別適合光斑面積大、發(fā)光時(shí)間短、輸出能量和功率密度高的氟化氘、氧碘等紅外波段的連續(xù)波高能激光器,也可以用于二氧化碳、YAG等功率密度較高的連續(xù)波激光器。
文檔編號(hào)G01J1/00GK1385680SQ0211463
公開(kāi)日2002年12月18日 申請(qǐng)日期2002年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月19日
發(fā)明者陳紹武, 王群書(shū), 葉錫生, 劉福華, 馮國(guó)斌, 楊鵬翎 申請(qǐng)人:西北核技術(shù)研究所