專利名稱：一種激光能量探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能量探測(cè)器技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種激光能量探測(cè)器。
背景技術(shù)：
激光能量探測(cè)器是在使用激光器時(shí)常用的設(shè)備。常用的激光能量探測(cè)器中使用的探測(cè)材料主要為熱電材料和光電材料兩種。其中，熱電材料吸收光能后轉(zhuǎn)換成熱量，導(dǎo)致電阻等物理量發(fā)生變化并產(chǎn)生電信號(hào)；而光電材料則直接將光能轉(zhuǎn)變成光生載流子，形成電壓或電流信號(hào)。一般將使用熱電材料的探測(cè)器稱為光-熱-電型探測(cè)器，將使用光電材料的探測(cè)器稱為光電探測(cè)器。光電探測(cè)器具有響應(yīng)速度快、靈敏性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可用于探測(cè)連續(xù)輸出的激光或脈沖激光，但是這種探測(cè)器往往無法探測(cè)高能量的調(diào)Q脈沖激光，所以需要使用衰減片將光強(qiáng)進(jìn)行足夠的衰減才能進(jìn)行探測(cè)，但是衰減片往往價(jià)格較昂貴；而光-熱-電型探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量光譜范圍寬、可探測(cè)高能量的激光，但是此類探測(cè)器的工作機(jī)理決定了它的響應(yīng)速度較慢，不適用于實(shí)時(shí)探測(cè)脈沖激光器每個(gè)輸出脈沖的能量。具體地，典型的光-熱-電型探測(cè)器中，將一個(gè)熱電材料單元與一個(gè)固定電阻串聯(lián)后接在電源之間，當(dāng)熱電材料吸收光能后，溫度升高，進(jìn)而導(dǎo)致電阻變化，這樣熱電材料單元兩端的分壓就會(huì)改變， 通過測(cè)量該分壓即可反映出所接收的光能。分析上述工作機(jī)制，可以看出，光-熱-電型探測(cè)器在工作時(shí)，當(dāng)它接收到一個(gè)激光脈沖后，需要一定的時(shí)間釋放熱量回復(fù)到熱平衡狀態(tài)， 而釋放熱量的過程往往會(huì)比較慢(一般需要1 5秒才能回復(fù)到熱平衡狀態(tài))，導(dǎo)致無法正常探測(cè)下一個(gè)激光脈沖。另外，目前還存在一種熱釋電探測(cè)器，它是使用熱釋電材料來探測(cè)激光能量。熱釋電材料的原理是入射光被樣品吸收后會(huì)產(chǎn)生溫度變化，導(dǎo)致材料中電偶極矩體密度(極化強(qiáng)度)發(fā)生改變，引起材料表面凈電荷的變化，從而在探測(cè)器兩端產(chǎn)生一個(gè)正比于溫度變化的電壓差。熱釋電探測(cè)器具有反應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，然而，熱釋電材料制備工藝要求高， 制成探測(cè)器的步驟相對(duì)復(fù)雜，成本較高；而且使用熱釋電探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)時(shí)，會(huì)受到背景光及環(huán)境溫度的干擾。綜上所述，當(dāng)前迫切需要一種低成本且反應(yīng)速度快的激光能量探測(cè)器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低成本且反應(yīng)速度快的激光能量探測(cè)器。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種激光能量探測(cè)器，包括殼體、壓電轉(zhuǎn)換探頭和金屬片；所述殼體包括位于外側(cè)的隔音層和位于內(nèi)側(cè)的吸音層，使殼體內(nèi)部形成隔離腔，所述殼體上設(shè)置有入射窗，金屬片置于所述隔離腔內(nèi)對(duì)應(yīng)所述入射窗的位置處，用于接收激光照射，所述壓電轉(zhuǎn)換探頭的接收端置于所述隔離腔內(nèi)。其中，所述壓電轉(zhuǎn)換探頭是麥克風(fēng)探頭或壓電換能器。其中，所述金屬片為鋁片或銅片。
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其中，所述金屬片上面對(duì)所述入射窗的一側(cè)貼有熔融石英片。其中，所述金屬片的位置靠近所述麥克風(fēng)探頭的接收端。其中，金屬片上接收激光的區(qū)域與麥克風(fēng)探頭的接收端的距離為5 10mm。其中，所述激光能量探測(cè)器還包括輸出單元，所述壓電轉(zhuǎn)換探頭的輸出端連接所述輸出單元的輸入端。其中，在一個(gè)方案中，所述輸出單元包括積分電路、采樣保持電路和顯示裝置，所述積分電路用于對(duì)弛豫電壓信號(hào)進(jìn)行積分，所述采樣保持電路用于設(shè)定所述積分電路的開始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間以形成定積分，所述顯示裝置用于顯示經(jīng)所述積分電路定積分后的電信號(hào)。其中，在另一個(gè)方案中，所述輸出單元包括信號(hào)放大電路、積分電路、采樣保持電路和顯示裝置，所述信號(hào)放大電路用于對(duì)所述壓電轉(zhuǎn)換探頭所測(cè)得的弛豫電壓信號(hào)進(jìn)行放大，所述積分電路用于對(duì)放大后的弛豫電壓信號(hào)進(jìn)行積分，所述采樣保持電路用于設(shè)定所述積分電路的開始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間以形成定積分，所述顯示裝置用于顯示經(jīng)所述積分電路定積分后的電信號(hào)。其中，所述顯示裝置采用示波器或計(jì)算機(jī)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列技術(shù)效果1、反應(yīng)速度快，適合脈沖激光器的激光單脈沖的能量探測(cè)，尤其適合高能量的調(diào)Q 脈沖激光器的激光單脈沖的能量探測(cè)。2、不需要使用衰減片、熱釋電部件等昂貴器件，成本大幅降低。3、測(cè)量準(zhǔn)確性不受背景光和環(huán)境溫度的干擾。4、光譜響應(yīng)范圍寬。


圖1示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的激光能量探測(cè)器的結(jié)構(gòu)；圖2示出了本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中輸出單元的結(jié)構(gòu)；圖3a示出了金屬片上沒有貼石英片時(shí)，麥克風(fēng)探頭所測(cè)得的三種不同能量的光
聲信號(hào)；圖北示出了金屬片上貼上石英片時(shí)，麥克風(fēng)探頭所測(cè)得的三種不同能量的光聲
信號(hào)；圖3c示出了金屬片上貼上石英片時(shí)，經(jīng)過信號(hào)處理電路進(jìn)行定積分處理后的信號(hào)的實(shí)測(cè)結(jié)果圖；圖3a c中，橫坐標(biāo)均為時(shí)間，單位是毫秒，縱坐標(biāo)均為信號(hào)強(qiáng)度，單位是伏；圖4示出了本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的激光能量探測(cè)器對(duì)一個(gè)調(diào)Q脈沖激光器的測(cè)量結(jié)果直方圖；其中，橫坐標(biāo)是脈沖周期數(shù)，縱坐標(biāo)是脈沖能量；圖5示出了本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的激光能量探測(cè)器對(duì)另一個(gè)調(diào)Q脈沖激光器的測(cè)量結(jié)果直方圖；其中，橫坐標(biāo)是脈沖周期數(shù)，縱坐標(biāo)是脈沖能量。
具體實(shí)施例方式下面，結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種激光能量探測(cè)器，該激光能量探測(cè)器包括殼體、麥克風(fēng)探頭和金屬片。如圖1所示，所述殼體由外至內(nèi)包括隔音層104、支撐層(圖1中未示出)和吸音層103，使殼體內(nèi)部形成探頭隔離腔105。其中，支撐層采用剛性材料制作，隔音層104和吸音層103分別附著在支撐層的外側(cè)和內(nèi)側(cè)。本實(shí)施例中，支撐層材料為鋁，隔音層材料為隔音橡膠，吸音層材料為吸音棉。所述殼體上設(shè)置有入射窗106，使激光能夠入射到所述探頭隔離腔105內(nèi)。本實(shí)施例中，入射窗采用熔融石英制作。麥克風(fēng)探頭102采用駐極式電容麥克風(fēng)探頭，該麥克風(fēng)探頭102與所述殼體密封連接，麥克風(fēng)探頭102的接收端置于所述殼體內(nèi)部，即探頭隔離腔105內(nèi)，用于接收聲信號(hào)， 輸出端置于所述殼體外部，用于輸出電信號(hào)。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解，對(duì)于不同的頻率響應(yīng)范圍，也可以用其它類型的電容麥克風(fēng)探頭或壓電換能器(一般采用壓電陶瓷制作)等壓電轉(zhuǎn)換探頭來代替駐極式電容麥克風(fēng)探頭。金屬片101置于所述探頭隔離腔105內(nèi)對(duì)應(yīng)所述入射窗106的位置處，用于接收的激光照射。并且，一般來說，金屬片101的位置靠近所述麥克風(fēng)探頭102的接收端。麥克風(fēng)探頭的接收端和金屬片上激光光斑的位置接近，可以使光聲信號(hào)盡量多地被麥克風(fēng)接收至IJ，但是如果過于接近，激光可能直接打到麥克風(fēng)上造成損壞或飽和，所以金屬片上接收激光的區(qū)域與麥克風(fēng)探頭的接收端的優(yōu)選距離為5 10mm。本實(shí)施例中，金屬片可使用鋁片或銅片等普通金屬材料，本實(shí)施例中，其厚度為0. 5mm左右，平面尺寸大于激光光斑即可。 在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，金屬片上面對(duì)所述入射窗106的一側(cè)貼有熔融石英片107，厚度可以是0. 5mm,熔融石英片107用于抑制高頻的聲波信號(hào)，而且不影響激光照射到金屬片上。 當(dāng)高頻聲波信號(hào)被熔融石英片107抑制后，輸出的電壓弛豫信號(hào)中疊加的阻尼振蕩信號(hào)減小，有利于后續(xù)的信號(hào)處理。下面簡(jiǎn)要說明本實(shí)施例的激光能量探測(cè)器的工作原理。當(dāng)金屬片受到光照射時(shí)， 金屬物質(zhì)吸收的光能(全部或部分)轉(zhuǎn)變?yōu)闊?。如果照射?jīng)過周期性強(qiáng)度調(diào)制的光束(如脈沖激光束)，則在金屬物質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生周期性的溫度變化，使這部分金屬物質(zhì)及其鄰近媒質(zhì)熱脹冷縮而產(chǎn)生應(yīng)力(或壓力)的周期性變化，因而產(chǎn)生聲波信號(hào)，本文中將此種信號(hào)稱光聲信號(hào)。光聲信號(hào)的重復(fù)頻率與光脈沖頻率相同，對(duì)于某種選定的吸光材料，其光聲信號(hào)的強(qiáng)度與入射激光的脈沖能量成正比，因此，麥克風(fēng)探頭所輸出的電信號(hào)能夠反映所探測(cè)的脈沖的穩(wěn)定性。并且，由于本實(shí)施例所探測(cè)的是聲波信號(hào)，靈敏性高，且不需要探測(cè)材料吸收較多的熱量，所以使用鋁片(或銅片)等金屬材料，熱傳導(dǎo)性能好、放熱時(shí)間短，因此響應(yīng)快，不會(huì)影響對(duì)下一個(gè)脈沖的探測(cè)。進(jìn)一步地，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，還給出了一個(gè)具體的連接所述麥克風(fēng)探頭的輸出單元，如圖2所示該輸出單元包括依次連接的信號(hào)放大電路202、積分電路203、采樣保持電路204和示波器205。其中，信號(hào)放大電路202的輸入端與麥克風(fēng)探頭201的輸出端連接。連接線均采用同軸電纜屏蔽線。其中，信號(hào)放大電路202用于放大麥克風(fēng)輸出的電信號(hào)(一般是電壓信號(hào))。麥克風(fēng)輸出的原始電壓信號(hào)是含有阻尼振蕩成分的弛豫信號(hào)，信號(hào)幅度很小，需要用放大電路進(jìn)行放大，放大電路為線性放大。放大后的信號(hào)仍然保持了原始信號(hào)的波形，脈沖能量越大，信號(hào)電壓的幅值也越大，但是由于阻尼振蕩的存在，不同脈沖能量時(shí)的信號(hào)差異很難準(zhǔn)確分辨(如圖3a、b所示)，所以最合理的方法是計(jì)算弛豫信號(hào)動(dòng)力學(xué)曲線所包圍的面積，這樣可以把弛豫信號(hào)所持續(xù)的時(shí)間范圍內(nèi)，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的信號(hào)差異進(jìn)行累加放大，弱化振蕩信號(hào)引起的噪聲干擾， 以便準(zhǔn)確地從輸出電壓上直接區(qū)分出輸入的激光脈沖的能量大小。計(jì)算一條函數(shù)曲線下所包含的面積的方法就是積分。為了使積分信號(hào)能更準(zhǔn)確地反應(yīng)脈沖能量大小的真實(shí)情況，需要對(duì)積分電路的開始結(jié)束時(shí)間進(jìn)行合理設(shè)定。本實(shí)施例中，這部分功能由積分電路和采樣保持電路共同完成， 即這里所做的積分是定積分(就是限制積分的起始和中止時(shí)間)，做定積分是為了在相同的時(shí)間間隔內(nèi)去比較不同強(qiáng)度激光脈沖的能量大小，同時(shí)也可以排除積分時(shí)間外背景噪聲的干擾。積分的功能由積分電路完成。通過與激光器重復(fù)頻率相同的同步信號(hào)用于觸發(fā)采樣保持電路，并啟動(dòng)積分計(jì)算，積分的開始時(shí)間和完成時(shí)間均由采樣保持電路完成設(shè)定。在實(shí)際探測(cè)中，當(dāng)調(diào)Q脈沖激光器輸出的激光脈沖照射到金屬片上時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖式的聲音信號(hào)，該聲音信號(hào)被駐極式麥克風(fēng)探頭接收，經(jīng)過信號(hào)放大電路后產(chǎn)生一個(gè)包含部分阻尼振蕩成分的弛豫電壓信號(hào)(如圖3a、b所示)，該弛豫信號(hào)會(huì)持續(xù)約2 10ms。 然后經(jīng)過積分電路后計(jì)算出包絡(luò)線所包含的面積，由輸出單元采集輸出的電壓信號(hào)由示波器顯示，在實(shí)際積分過程中，設(shè)置積分的開始時(shí)間對(duì)于激光器的同步信號(hào)延時(shí)0. 75ms,以避開整個(gè)信號(hào)初始階段較大的振蕩成分；另外，設(shè)置積分的時(shí)長(zhǎng)為ans，這樣可以在信號(hào)過沖回零伏前完成積分計(jì)算。示波器將所測(cè)得的結(jié)果直觀地顯示給用戶(如圖4所示)。由于商用的調(diào)Q脈沖激光器大多在< 20Hz的重復(fù)頻率工作，即脈沖間隔> 50ms，所以信號(hào)持續(xù) 2ms IOms并不會(huì)影響探測(cè)器對(duì)下一個(gè)脈沖能量的探測(cè)。對(duì)某個(gè)固定波長(zhǎng)的激光來說，激光單脈沖的能量越高時(shí)，積分電路所計(jì)算出的包絡(luò)面積也越大，所以最后采樣輸出的電壓信號(hào)也越大。因此，示波器所顯示的信號(hào)處理電路輸出電壓的穩(wěn)定性，能夠反映金屬片所接收的激光脈沖的穩(wěn)定性。圖3a是金屬片上沒有貼石英片時(shí)，麥克風(fēng)探頭所測(cè)得的三種不同能量的光聲信號(hào)(即含有阻尼振蕩成分的弛豫信號(hào))在三個(gè)能量下的對(duì)比，可以看出圖3a中三種不同能量的光聲信號(hào)難以直觀地分辨出來；圖北是金屬片上貼上石英片時(shí)，麥克風(fēng)探頭所測(cè)得的三種不同能量的光聲信號(hào)，可以看出其阻尼振蕩成分減小，但三種不同能量的光聲信號(hào)仍然難以直觀地分辨出來；圖3c是金屬片上貼上石英片時(shí)，經(jīng)過信號(hào)處理電路進(jìn)行定積分處理后的信號(hào)的實(shí)測(cè)結(jié)果圖。從圖北和圖3c的對(duì)比中可以看出，經(jīng)過信號(hào)處理電路后可有效地提高信號(hào)質(zhì)量，使不同激光能量時(shí)的光聲信號(hào)更易于分辨，有助于在顯示器上實(shí)時(shí)檢測(cè)激光能量穩(wěn)定性。圖4和圖5分別是本實(shí)施例激光能量探測(cè)器在探測(cè)兩個(gè)不同調(diào)Q脈沖激光器時(shí)， 其示波器所輸出的脈沖信號(hào)幅值的直方圖。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，圖5所對(duì)應(yīng)的調(diào)Q脈沖激光器的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于圖4所對(duì)應(yīng)的調(diào)Q脈沖激光器。激光脈沖能量穩(wěn)定性有長(zhǎng)期穩(wěn)定性和短期穩(wěn)定性，本實(shí)施例對(duì)于這兩種穩(wěn)定性都可以做出測(cè)量，但是長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)量用現(xiàn)有的慢響應(yīng)的光-熱-電型探測(cè)器也能做到，因此本實(shí)施例的優(yōu)勢(shì)在于測(cè)量每個(gè)脈沖的能量穩(wěn)定性。穩(wěn)定性一般習(xí)慣用標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)于平均值的百分比來表示，具體操作方法為記錄一串脈沖的能量，計(jì)算其平均值，然后計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差， 以上兩者相除，即可得到穩(wěn)定性的指標(biāo)。需要說明的是，這種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不是唯一的，有時(shí)候也關(guān)心其統(tǒng)計(jì)分布的形狀(正態(tài)分布或其它分布)。但不管采取何種后期的計(jì)算方式進(jìn)行評(píng)價(jià)，本實(shí)施例能夠做到實(shí)時(shí)記錄每個(gè)脈沖的能量。另外，本實(shí)施例采用金屬片接收入射光，與半導(dǎo)體材料不同，金屬材料不存在能隙，所以不會(huì)只對(duì)特定波段才能吸收，而且金屬表面有大量的自由電子，所以很容易吸收各個(gè)波長(zhǎng)的光，因此本發(fā)明的光譜響應(yīng)范圍寬。本實(shí)施例中，示波器也可由計(jì)算機(jī)等其它顯示設(shè)備替換。本實(shí)施例的激光能量探測(cè)器可直接監(jiān)視調(diào)Q脈沖激光輸出單脈沖能量的穩(wěn)定性， 適用于在調(diào)試激光器的過程中使用。
權(quán)利要求
1.一種激光能量探測(cè)器，包括殼體、壓電轉(zhuǎn)換探頭和金屬片；所述殼體包括位于外側(cè)的隔音層和位于內(nèi)側(cè)的吸音層，使殼體內(nèi)部形成隔離腔，所述殼體上設(shè)置有入射窗，金屬片置于所述隔離腔內(nèi)對(duì)應(yīng)所述入射窗的位置處，用于接收激光照射，所述壓電轉(zhuǎn)換探頭的接收端置于所述隔離腔內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光能量探測(cè)器，其特征在于，所述壓電轉(zhuǎn)換探頭是麥克風(fēng)探頭或壓電換能器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光能量探測(cè)器，其特征在于，所述金屬片為鋁片或銅片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光能量探測(cè)器，其特征在于，所述金屬片上面對(duì)所述入射窗的一側(cè)貼有熔融石英片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光能量探測(cè)器，其特征在于，所述金屬片的位置靠近所述麥克風(fēng)探頭的接收端。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光能量探測(cè)器，其特征在于，金屬片上接收激光的區(qū)域與麥克風(fēng)探頭的接收端的距離為5 10mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光能量探測(cè)器，其特征在于，所述激光能量探測(cè)器還包括輸出單元，所述壓電轉(zhuǎn)換探頭的輸出端連接所述輸出單元的輸入端。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光能量探測(cè)器，其特征在于，所述輸出單元包括積分電路、采樣保持電路和顯示裝置，所述積分電路用于對(duì)弛豫電壓信號(hào)進(jìn)行積分，所述采樣保持電路用于設(shè)定所述積分電路的開始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間以形成定積分，所述顯示裝置用于顯示經(jīng)所述積分電路定積分后的電信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光能量探測(cè)器，其特征在于，所述輸出單元包括信號(hào)放大電路、積分電路、采樣保持電路和顯示裝置，所述信號(hào)放大電路用于對(duì)所述壓電轉(zhuǎn)換探頭所測(cè)得的弛豫電壓信號(hào)進(jìn)行放大，所述積分電路用于對(duì)放大后的弛豫電壓信號(hào)進(jìn)行積分，所述采樣保持電路用于設(shè)定所述積分電路的開始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間以形成定積分，所述顯示裝置用于顯示經(jīng)所述積分電路定積分后的電信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的激光能量探測(cè)器，其特征在于，所述顯示裝置采用示波器或計(jì)算機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明提供包括殼體、壓電轉(zhuǎn)換探頭和金屬片；所述殼體包括位于外側(cè)的隔音層和位于內(nèi)側(cè)的吸音層，使殼體內(nèi)部形成隔離腔，所述殼體上設(shè)置有入射窗，金屬片置于所述隔離腔內(nèi)對(duì)應(yīng)所述入射窗的位置處，用于接收激光照射，所述壓電轉(zhuǎn)換探頭的接收端置于所述隔離腔內(nèi)。本發(fā)明具有下列技術(shù)效果反應(yīng)速度快；成本低；測(cè)量準(zhǔn)確性不受背景光和環(huán)境溫度的干擾；光譜響應(yīng)范圍寬。
文檔編號(hào)G01J1/02GK102478427SQ20101056701
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月25日
發(fā)明者翁羽翔, 黃曉淳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所