專利名稱：基于積分球的光纖激光輸出功率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖激光輸出功率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，尤其是使用積分球?qū)饫w激光輸出功率進(jìn)行取樣和無擾動(dòng)測(cè)量的一種光纖激光輸出功率在線測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在醫(yī)療及軍事等激光應(yīng)用技術(shù)中，實(shí)現(xiàn)激光輸出功率的實(shí)時(shí)測(cè)量同時(shí)又不減少輸出能量是極為重要的，尤其是在激光研究過程中，必須實(shí)時(shí)地對(duì)激光器每一次發(fā)射的能量予以測(cè)定，它是診斷激光性能的直接指標(biāo)，對(duì)激光器的設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)和應(yīng)用等均具有十分重要的意義。目前，實(shí)現(xiàn)激光輸出功率實(shí)時(shí)測(cè)量的常用方法之一是在線測(cè)試，即從激光輸出主光束中部分取樣，然后對(duì)取樣得到的光束進(jìn)行測(cè)量。在線測(cè)試既可以滿足激光輸出功率實(shí)時(shí)測(cè)試的要求，又可以滿足激光器同時(shí)進(jìn)行其他應(yīng)用的要求，其中最簡(jiǎn)潔、最常用的方法就是采用分光器件分光測(cè)試法[魏繼鋒，張凱，錢紹圣，高學(xué)燕，周山，周殿華，“高能激光能量在線測(cè)試中的不確定度分析，”強(qiáng)激光與粒子束，2007，1103-1106]。光纖激光是一種新型的固態(tài)激光器，具有轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、熱管理方便、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，能夠獲得高功率和高光束質(zhì)量的激光輸出。目前對(duì)光纖激光輸出功率進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)所采取的主要方法是使用前面介紹的分光方法，將光纖激光器輸出光束中的一部分能量分出，對(duì)分出的光使用光電探測(cè)器進(jìn)行測(cè)量[G.D.Goodno, S.J.McNaught, J.E.Rothenberg,T.S.McCombj P.A.Thielenj M.G.Wickham, and Μ.E.Weber, "Active phase andpolarization locking of a 1.4kW fiber amplifier.0ptics Letters, 2010，35，1542-1544]。但是，上述方法采用空間結(jié)構(gòu)并需在出射光路上插入光學(xué)器件(偏振分光鏡等)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，并對(duì)輸出激光造成不必要的擾動(dòng)，影響后續(xù)應(yīng)用。此外，激光對(duì)插入傳輸光路器件的抗損傷性提出了挑戰(zhàn)。因此，在實(shí)際工程化應(yīng)用中，前面介紹的分光式在線監(jiān)測(cè)激光輸出功率的方法并不適合對(duì)光纖激光器輸出功率進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:針對(duì)現(xiàn)有激光輸出功率在線監(jiān)測(cè)方法存在光路復(fù)雜、難以應(yīng)用到光纖激光輸出功率在線監(jiān)測(cè)的不足，提供一種基于積分球的光纖激光輸出功率取樣及在線監(jiān)測(cè)的方法，采用該方法可以實(shí)現(xiàn)光纖激光輸出功率的無擾動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本發(fā)明的技術(shù)方案是:由于光纖制造工藝、材料等原因，在光纖中會(huì)存在缺陷。當(dāng)激光在光纖中傳輸時(shí)，光纖中的缺陷會(huì)將入射的激光散射。其中一部分散射光會(huì)經(jīng)光纖包層泄露出來，利用積分球收集從光纖中泄露出來的激光，通過光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路及數(shù)據(jù)采集處理單元就可以監(jiān)測(cè)散射光功率。而散射光功率與光纖中傳輸?shù)墓夤β适浅烧鹊?，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)散射光功率就可以實(shí)現(xiàn)光纖激光輸出功率的在線監(jiān)測(cè)。具體技術(shù)方案如下:一種光纖激光輸出功率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括光纖激光輸出功率取樣器和探測(cè)單元；其中，所述探測(cè)單元包括光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路和數(shù)據(jù)采集處理單元；光電探測(cè)器放入所述光纖激光輸出功率取樣器輸出窗口中；所述光電探測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路處理后送入數(shù)據(jù)采集處理單元，所述光纖激光輸出功率取樣器為一金屬積分球,包括上半球和下半球；所述上下半球拼接的地方設(shè)有凹槽，用于放置光纖；所述積分球上半球或下半球上設(shè)有小孔，作為積分球輸出窗口 ；所述上半球四個(gè)角處設(shè)有螺紋，下半球?qū)?yīng)的位置也設(shè)有螺紋。所述積分球上半球上的凹槽為半圓柱形，下半球上的凹槽為半圓柱形，上下半球拼接后形成完整的圓柱形；光纖放入上述拼接凹槽后，可以筆直地在積分球內(nèi)經(jīng)球心穿過；圓柱形凹槽的直徑尺寸根據(jù)所要放入光纖的直徑尺寸決定，以到達(dá)允許光纖穿過圓柱形凹槽。所述的積分球上半球或下半球上的小孔用于放置光電探測(cè)器，小孔大小和形狀根據(jù)選用的光電探測(cè)器決定。所述的積分球內(nèi)表面、上下半球拼接平面以及上下半球凹槽內(nèi)表面均拋光處理為光潔面。所述的積分球材料優(yōu)選為鋁，也可以是銅、鐵、PTFE等其他對(duì)監(jiān)測(cè)激光波長高反的材料。采用本發(fā)明可以達(dá)到以下技術(shù)效果:1、本發(fā)明能對(duì)光纖激光的輸出功率進(jìn)行取樣和實(shí)時(shí)無擾動(dòng)在線監(jiān)測(cè)，避免了對(duì)后續(xù)激光應(yīng)用的影響；2、本發(fā)明可通過更換不同類型的探測(cè)器，用于多種不同波長的光纖激光能量監(jiān)測(cè)；3、本發(fā)明能保持光纖激光系統(tǒng)的全光纖緊湊結(jié)構(gòu)；4、本發(fā)明不需要承受強(qiáng)激光輻照，無激光損傷閾值問題，可用于高功率、高能量的光纖激光取樣和在線監(jiān)測(cè)；5、本發(fā)明中的光纖凹槽內(nèi)表面拋光處理為光潔面，可防止取樣器對(duì)光纖包層的影響，確保無擾動(dòng)取樣；6、本發(fā)明還可以根據(jù)實(shí)際測(cè)量需要對(duì)積分球取樣器、信號(hào)處理電路進(jìn)行改進(jìn)，如積分球的大小、形狀、信號(hào)處理電路中放大電路的放大倍率等，進(jìn)一步大幅度提高系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，包括分辨率、靈敏度等。7、本發(fā)明不需要精密的測(cè)控裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低而且容易實(shí)施。


圖1為本發(fā)明光纖激光輸出功率取樣器示意圖，圖2為本發(fā)明光纖激光輸出功率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖，圖3為本發(fā)明光纖激光輸出功率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例功率標(biāo)定關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式圖中，1-金屬積分球；11_上半球；12_下半球；13_凹槽；14_積分球小孔；螺紋孔-15 ;2_光纖激光器；21_輸出傳能光纖；22_準(zhǔn)直器；23_輸出激光；3_光電探測(cè)器；4-信號(hào)處理電路；5_電線；6_數(shù)據(jù)采集處理單元；7_激光功率計(jì)。
如圖1所不,光纖激光輸出功率取樣器為一金屬積分球I,包括上半球11和下半球12。首先將上半球11和下半球12內(nèi)表面和拼接平面拋光后，依據(jù)光纖21的尺寸設(shè)計(jì)半圓形凹槽13，并在上半球11和下半球12上過球心的直線位置上刻畫凹槽13，并將凹槽13的內(nèi)表面做拋光處理；然后根據(jù)光電探測(cè)器3尺寸設(shè)計(jì)積分球小孔14尺寸，并在金屬積分球I適當(dāng)位置鉆孔，用于放置光電探測(cè)器3測(cè)量激光功率。將光纖激光2的輸出光纖21穿過金屬積分球1，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖激光的輸出功率進(jìn)行取樣。上述光纖激光輸出功率取樣器在光纖激光輸出功率在線監(jiān)測(cè)裝置中得到成功應(yīng)用。將輸出傳能光纖21放入積分球I的凹槽13內(nèi)，用固化膠固定在凹槽13內(nèi)，這樣可以使光纖在凹槽13位置固定，增加了取樣的可靠性。然后通過螺紋孔15拼接緊固上半球11和下半球12，最后將光電探測(cè)器3放入積分球小孔14內(nèi)，用固化膠固定，光電探測(cè)器輸出端接信號(hào)處理電路4，信號(hào)經(jīng)電線5送入數(shù)據(jù)采集處理單元6，如圖2所示。通過標(biāo)定信號(hào)處理電路4輸出與光纖激光輸出23功率關(guān)系即可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)光纖激光的輸出功率。方法是:I)標(biāo)定功率關(guān)系。利用激光功率計(jì)7測(cè)量輸出激光功率，并記錄相應(yīng)的信號(hào)處理電路4輸出(電壓等)，對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，得到信號(hào)處理電路4輸出與激光輸出功率的關(guān)系。2)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。利用信號(hào)處理電路4輸出與激光輸出功率的關(guān)系和計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)光纖激光輸出功率的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。下面給出本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施實(shí)例:在光纖激光輸出功率在線監(jiān)測(cè)裝置中，取樣器積分球采用金屬鋁材料制成，積分球與光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路、多通道數(shù)據(jù)采集處理單元配合完成光纖激光輸出功率的在線測(cè)量。定標(biāo)關(guān)系如圖3所示，輸出電壓=0.15X輸出功率+0.29，根據(jù)上述關(guān)系，通過測(cè)量輸出電壓即可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)光纖激光的輸出功率。在該應(yīng)用實(shí)例中，該實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能響應(yīng)高于IW的光纖激光輸出。
權(quán)利要求
1.一種高能光纖激光輸出功率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括光纖、高能光纖激光輸出功率取樣器和探測(cè)單元，其特征在于，所述探測(cè)單元包括光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路和數(shù)據(jù)采集處理單元；光電探測(cè)器放入所述高能光纖激光輸出功率取樣器輸出窗口中；所述光電探測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路處理后送入數(shù)據(jù)采集處理單元， 所述高能光纖激光輸出功率取樣器為一金屬積分球，包括上半球和下半球；所述上下半球拼接的地方設(shè)有凹槽，用于放置光纖；所述積分球上半球或下半球上設(shè)有小孔，作為積分球輸出窗口 ；所述上半球四個(gè)角處設(shè)有螺紋，下半球?qū)?yīng)的位置也設(shè)有螺紋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高能光纖激光輸出功率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述積分球上半球上的凹槽為半圓柱形，下半球上的凹槽為半圓柱形，上下半球拼接后形成完整的圓柱形；光纖放入上述拼接凹槽后，可以筆直地在積分球內(nèi)經(jīng)球心穿過；圓柱形凹槽的直徑尺寸根據(jù)所要放入光纖的直徑尺寸決定，以到達(dá)允許光纖穿過圓柱形凹槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高能光纖激光輸出功率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述的積分球上半球或下半球上的小孔用于放置光電探測(cè)器，小孔大小和形狀根據(jù)選用的光電探測(cè)器決定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高能光纖激光輸出功率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述的積分球內(nèi)表面、上下半球拼接平面以及上下半球凹槽內(nèi)表面均處理為光潔面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高能光纖激光輸出功率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述的積分球材料為鋁，也可以是銅、鐵或PTFE。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高能光纖激光輸出功率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖放入積分球的凹槽內(nèi)，用固化膠固定在凹槽內(nèi)，使光纖在凹槽位置固定，然后通過螺紋孔拼接緊固上半球和下半球，最后將光電探測(cè)器放入積分球小孔內(nèi)，用固話膠固定，光電探測(cè)器輸出端接信號(hào)處理電路，信號(hào)經(jīng)電線送入數(shù)據(jù)采集處理單元，通過標(biāo)定信號(hào)處理電路輸出與高能光纖激光輸出功率關(guān)系實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)高能光纖激光的輸出功率，標(biāo)定方法是: 1)標(biāo)定功率關(guān)系，利用激光功率計(jì)測(cè)量輸出激光功率，并記錄相應(yīng)的信號(hào)處理電路輸出，對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，得到信號(hào)處理電路輸出與激光輸出功率的關(guān)系； 2)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用信號(hào)處理電路輸出與激光輸出功率的關(guān)系和計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)高能光纖激光輸出功率的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于積分球的光纖激光輸出功率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括高能光纖激光輸出功率取樣器和探測(cè)單元；其中，所述探測(cè)單元包括光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路和數(shù)據(jù)采集處理單元；光電探測(cè)器放入所述高能光纖激光輸出功率取樣器輸出窗口中；所述光電探測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路處理后送入數(shù)據(jù)采集處理單元。該系統(tǒng)通過更換不同類型的探測(cè)器，用于多種不同波長的光纖激光能量監(jiān)測(cè)；能保持高能光纖激光系統(tǒng)的全光纖緊湊結(jié)構(gòu)；不需要承受強(qiáng)激光輻照，無激光損傷閾值問題，可用于高功率、高能量的光纖激光取樣和在線監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低而且容易實(shí)施。
文檔編號(hào)G01J1/04GK103162822SQ201310062948
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月28日
發(fā)明者陶汝茂, 王小林, 周樸, 馬閻星, 肖虎, 張漢偉, 司磊, 許曉軍, 陳金寶, 劉澤金 申請(qǐng)人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)