一種用於材料雷射性能的測量設備的製作方法

2023-06-28 00:28:11

專利名稱：一種用於材料雷射性能的測量設備的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種測量設備，尤其是一種用於材料雷射性能的測量設備，具體地說是能夠對材料雷射反射能量的角度分布特性、光譜特性和偏振特性進行自動化室內測量設備，屬於雷射測量的技術領域。
背景技術：
雷射具有極好的單色性、方向性和相干性，在軍用測距、武器制導、目標識別和偵察探測等領域得到廣泛應用。植被、巖石、水體等自然背景地物，以及金屬表面、織物、油漆塗層等人工材料對入射雷射的反射、偏振等傳輸特性的測量，對於目標特性研究和相關材料技術研究具有重要意義。目前，國內外對材料雷射性能的測量，基本上以野外實驗方法為主，例如雷射反射測量的消光試驗法[國軍標GJB2241A-2008，及ANSI C136. 20-20081、偏振計或偏振成像測試[國標GB/T 14077-1993，及MIL-13830A、ANSI/TIA455-201-2001]；室內測量主要是人工搭建測量光路臺，在雷射(或線偏振雷射)垂直入射的條件下，測量材料表面法射方向的反射功率、光譜波長，或者反射能量的偏振態，裝置的集成化程度低、調試較為複雜、測量精度不高、自動化程度較低。目前，能夠完成雷射反射能量隨角度分布變化特性測量功能的儀器設備尚未見報導；集材料雷射反射角度分布特性、光譜特性和偏振特性測量功能於一體的自動化室內測量裝置，在國內外尚屬空白。
發明內容本實用新型的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種用於材料雷射性能的測量設備，其結構簡單緊湊，自動化程度高，測量精度高，使用方便，適應範圍廣，安全可靠。按照本實用新型提供的技術方案，所述用於材料雷射性能的測量設備，包括至少一個雷射光源，所述雷射光源的主光軸上設有比例分光鏡，所述比例分光鏡的主傳輸光路上設有第二雷射能量探測器與可旋轉的樣品臺形成的主測量光路或能繞樣品臺轉動的第二雷射能量探測器與樣品臺形成的主測量光路；副傳輸光路上設有能對雷射光源發射功率穩定性監控的第一雷射能量探測器；所述樣品臺的反射光路上設有反射鏡，樣品臺上材料反射的雷射通過反射鏡反射到第二雷射能量探測器內，第一雷射能量探測器和第二雷射能量探測器的輸出端與數據處理器相連；數據處理器根據第一雷射能量探測器探測的雷射光源的雷射能量信號，調整並控制雷射光源的輸出功率，使雷射光源的輸出功率保持穩定；數據處理器對第二雷射能量探測器探測的雷射能量信號處理後，存儲並輸出相應的材料雷射反射能量角度分布特性。所述比例分光鏡與樣品臺間設有起偏器；樣品臺與反射鏡間設有與起偏器相匹配設置的檢偏器；雷射光源的主光軸的光束通過比例分光鏡、起偏器後輸入樣品臺上的材料上，樣品臺上材料反射的雷射通過檢偏器、反射鏡後反射到第二雷射能量探測器內；數據處理器對第二雷射能量探測器探測的雷射能量信號進行處理，存儲並輸出相應的材料雷射偏振特性。在反射鏡與第二雷射能量探測器傳輸光路上設有用於檢測反射雷射光譜特性的光譜儀，所述光譜儀的輸出端與數據處理器相連，所述數據處理器處理光譜儀輸入的光譜特性信號，存儲並輸出相應的材料反射雷射的光譜特性。所述數據處理器包括單片機及工控機，所述工控機通過單片機與第一雷射能量探測器和第二雷射能量探測器相連。所述雷射光源包括為四個平行布置的半導體泵浦雷射發射器，所述雷射發射器安裝於導軌上。所述雷射光源輸出的雷射波長為532nm、650nm、980nm或1064nm。所述樣品臺為插片式樣品臺。所述起偏器與檢偏器為格蘭-泰勒稜鏡。所述比例分光鏡的材料包括石英，比例分光鏡將雷射光源發出能量的5%分光後輸入到雷射能量探測器內，雷射能量探測器將比例分光鏡分光後探測的能量輸入到數據處理器內，數據處理器根據雷射能量探測器探測分光能量信號控制雷射光源的輸出，使雷射光源的輸出功率保持穩定。所述樣品臺及第二雷射能量探測器的旋轉均通過步進電機驅動。本實用新型的優點在殼體內同時設置雷射光源、比例分光鏡、起偏器、檢偏器、樣品臺、反射鏡、雷射能量探測器、光譜儀及探測器電控臺，能夠同時測量材料雷射偏振特性、 材料雷射能量反射角度分布特性及材料光譜特性，集成化程度高，安裝調試簡單；雷射光源的雷射波長可以進行選擇，樣品臺能旋轉，雷射能量探測器能圍繞樣品臺旋轉，提高了材料雷射能量反射角度分布特性測量的可靠性，自動化程度高，整個裝置由數據處理器及步進電機相對應配合控制，測量精度高，提高了適用範圍，安全可靠。

[0014]圖1為本實用新型的結構框圖。[0015]圖2為本實用新型的測量流程圖。[0016]圖3為實施例1的直角坐標曲線圖。[0017]圖4為實施例1的光探測反射能量分布的極坐標曲線圖。[0018]圖5為實施例1的雷射光源監測能量的極坐標曲線圖。[0019]圖6為圖4與圖5的差示極坐標曲線圖。[0020]圖7為實施例2的直角坐標曲線圖。[0021]圖8為實施例2的光探測反射能量分布的極坐標曲線圖。[0022]圖9為實施例2的雷射光源監測能量的極坐標曲線圖。[0023]圖10為圖8與圖9的差示極坐標曲線圖。[0024]圖11為實施例3的直角坐標曲線圖。[0025]圖12為實施例3的光探測反射能量分布的極坐標曲線圖[0026]圖13為實施例3的雷射光源監測能量的極坐標曲線圖。[0027]圖14為圖12與圖13的差示極坐標曲線圖。
具體實施方式
[0028]下面結合具體附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。如圖1所示本實用新型包括雷射光源1、導軌2、比例分光鏡3、起偏器4、檢偏器 5、樣品臺6、反射鏡7、第一雷射能量探測器8、第二雷射能量探測器9、光譜儀10、探測器電控臺11及數據處理器12。
如圖1所示為了能夠在室內同時對材料的雷射反射能量角度分布特性、光譜特性及偏振特性進行測量，在殼體內安裝有雷射光源1，所述雷射光源1安裝於導軌2上，雷射光源1能夠跟隨導軌2移動，導軌2的移動通過步進電機進行控制。所述雷射光源1包括至少一個半導體泵浦雷射發射器，雷射光源1發射雷射的波長包括532nm、650nm、980nm或 1064nm ；四個半導體泵浦雷射發射器可以分別輸出相應波長的雷射。雷射光源1的主光軸上設有比例分光鏡3，雷射光源1發出的雷射通過比例分光鏡3後輸出。當需要不同波長的雷射時，導軌2在步進電機作用下移動，使導軌2上相應雷射器的主軸與比例分光鏡3相對應；所述比例分光鏡3能夠將雷射光源1發出能量的5%傳輸到第一雷射能量探測器8內， 由第一雷射能量探測器8探測雷射光源1的能量，第一雷射能量探測器8將探測雷射光源 1的能量信號輸入到數據處理器12內，數據處理器12控制雷射光源1的輸出，確保雷射光源1輸出功率的穩定性；比例分光鏡3將雷射光源1的其餘能量透射到樣品臺6上的材料上，所述樣品臺6為插片式樣品臺，樣品臺6能夠進行0度 180度的旋轉，樣品臺6的轉動通過步進電機進行控制。樣品臺6上的材料將比例分光鏡3輸出的雷射通過反射鏡7反射到第二雷射能量探測器9上，第二雷射能量探測器9將樣品臺6上材料反射的雷射能量信號輸入到數據處理器12內，數據處理器12對數據處理器後，能夠存儲並輸出相應的材料雷射反射能量角度分布特性，所述材料雷射反射能量角度分布特性以曲線的形式表示。第二雷射能量探測器9安裝於探測器電控臺11上，第二雷射能量探測器9能跟隨探測器電控臺11轉動；第二雷射能量探測器9跟隨探測器電控臺11能繞樣品臺6轉動0度 180度， 從而實現了對樣品臺6上雷射反射能量多角度多方位的測量。具體實施時，比例分光鏡3 的主傳輸光路上通過樣品臺6的旋轉與第二雷射能量探測器9形成主測量光路或者是通過第二雷射能量探測器9繞樣品臺6旋轉並與樣品臺6對應配合後形成的主測量光路。為了能夠對材料偏振特性進行測量，在比例分光鏡3與樣品臺6間設有起偏器4， 在樣品臺6與反射鏡7間設有檢偏器5，所述檢偏器5與起偏器4由零位調整到一定的夾角；當雷射光源1發出雷射後，經過起偏器4起偏後入射在樣品臺6上的材料上，材料反射後通過檢偏器5及反射鏡7反射到第二雷射能量探測器9內，第二雷射能量探測器9能夠檢測偏振後的雷射能量信號，並將偏振後的雷射能量信號輸入到數據處理器12內，數據處理器12對信號處理後，能存儲並輸出相應的材料雷射偏振特性，所述材料雷射偏振特性也以曲線的形式表示。起偏器4與檢偏器5均為格蘭-泰勒稜鏡。為了能夠對材料的反射雷射光譜特性進行測量，在反射鏡7與第二雷射能量探測器9間設有光譜儀10，所述光譜儀10能夠檢測反射雷射的光譜特性；光譜儀10的輸出端與數據處理器12相連。光譜儀10能夠將檢測的光譜特性輸入到數據處理器12內，數據處理器12根據光譜儀10輸入的光譜信號，能存儲並輸出相應的材料雷射光譜特性。數據處理器12包括單片機及工控機，光譜儀10及第一雷射能量探測器8、第二雷射能量探測器9通過單片機與工控機相連，數據處理器12輸出的曲線通過工控機的顯示器進行顯示輸出。雷射光源1、導軌2、比例分光鏡3、起偏器4、檢偏器5、樣品臺6、反射鏡7、第一雷射能量探測器8、第二雷射能量探測器9、光譜儀10及探測器電控臺11均位於同一殼體內，實現了測量設備的集成設置；殼體的前面設有操作艙蓋，掀開後可進行樣品放置與更換、光譜儀10探頭安裝與拆卸等操作。起偏器4的起偏方向可以根據需要進行設定，檢偏器5的透光軸可360°旋轉。當不需要測量偏振特性時，起偏器4和檢偏器5的透光軸歸為零位；需要測量偏振特性時，起偏器4和檢偏器5 的透光軸調整到一定的夾角。樣品臺6採用插片式結構，對於片狀樣品可以直接插入到壓片下進行測量，對於塊狀樣品，將插片架取下，直接放置在轉臺平面上進行測量。其中，反射鏡7與入射雷射光軸的夾角45°，入射雷射從反射鏡7上沿緊貼穿過， 樣品的反射雷射由反射鏡7反射到其下部的THORLABS PM100型第二雷射能量探測器9或 OCEAN OPTICSSPECTRUM HR4000型光譜儀10。當第二雷射能量探測器9光軸與樣品臺6上的樣品表面垂直時，為防止雷射探測器9與雷射光源1的主光軸重合而遮擋入射雷射，採用樣品表面法線方向小角度近似測量原理，控制雷射光源1主光軸與雷射能量探測器主光軸的夾角為3°，測量樣品表面法線方向的反射雷射能量，測量誤差不大於0.1%。當數據處理器12包括單片機及工控機時，工控機中安裝PCI 6221多功能控制卡，通過串口與SClOl 步進電機控制器進行通信，驅動和殼體內導軌2、起偏器4、檢偏器5、樣品臺6和探測器電控轉臺11相應的步進電機運動；工控機中安裝了測量控制與數據分析處理程序，通過VGA接口與顯示器相聯，進行測量自動操作、參數設定和數據處理分析。本實用新型的所依據的測量原理如下一、雷射反射場空間能量分布測量經過樣品表面反射後的雷射，依據其在空間的分布分為鏡面反射和漫反射。漫反射時，根據光強的空間分布，可以分為米氏反射和瑞利反射，米氏反射是指當微粒線度大於 10倍波長時，反射光強與波長和角度無關。瑞利反射是指當微粒線度小于波長十分之一時， 其反射光強和波長的四次方成反比，即
I(m)cc04 cc^-(1)
A和入射方向的夾角Φ的餘旋平方成正比，即Ι(Φ) = I0(l+cos2)+Im = (Φ) (3)其中^是米氏反射場分布，是常量。利用雷射能量探測器，測量出空間各點的能量分布，從而能夠判斷其反射規律，得出其材料表面特性。二、雷射偏振特性測量偏振通常表述有線偏振、圓偏振或橢圓偏振，地物目標所產生偏振效應基本上是線偏振，圓偏振完全可以忽略。偏振光的數學描述通常有兩種方法一種是Jones矢量法， 一種是斯託克斯(Stokes)參量法，在目標識別過程中一般使用Stokes體系解釋光在光路中傳播以及在目標表面反射時發生的偏振態變化。Stokes參量法使用四個相互獨立的參量I、Q、U、V來完全描述一束光線的偏振態。I表示光波的總強度，因而總是正的；Q表示X方向與Y方向上的線偏振光的強度差，根據X方向佔優勢、Y方向佔優勢或是一樣，Q取值正、負或零；U表示+45°方向與-45°方向上的線偏振光的強度差，根據+45°方向佔優勢、-45° 方向佔優勢或是一樣，U取值正、負或零；V表示右旋還是左旋圓偏振分量佔優勢，根據右旋方向佔優勢、左旋方向佔優勢或是一樣，V取值正、負或零。I、Q、U、V參量定義為
權利要求1.一種用於材料雷射性能的測量設備，其特徵是包括至少一個雷射光源(1)，所述雷射光源(1)的主光軸上設有比例分光鏡(3)，所述比例分光鏡(3)的主傳輸光路上設有第二雷射能量探測器(9)與可旋轉的樣品臺(6)形成的主測量光路或能繞樣品臺(6)轉動的第二雷射能量探測器(9)與樣品臺(6)形成的主測量光路；副傳輸光路上設有能對雷射光源(1)發射功率穩定性監控的第一雷射能量探測器(8)；所述樣品臺(6)的反射光路上設有反射鏡(7)，樣品臺(6)上材料反射的雷射通過反射鏡(7)反射到第二雷射能量探測器 (9)內，第一雷射能量探測器⑶和第二雷射能量探測器(9)的輸出端與數據處理器(12) 相連；數據處理器(1 根據第一雷射能量探測器(8)探測的雷射光源(1)的雷射能量信號，調整並控制雷射光源(1)的輸出功率，使雷射光源(1)的輸出功率保持穩定；數據處理器(1 對第二雷射能量探測器(9)探測的雷射能量信號處理後，存儲並輸出相應的材料雷射反射能量角度分布特性。
2.根據權利要求1所述的用於材料雷射性能的測量設備，其特徵是所述比例分光鏡 ⑶與樣品臺(6)間設有起偏器⑷；樣品臺(6)與反射鏡(7)間設有與起偏器⑷相匹配設置的檢偏器(5)；雷射光源(1)的主光軸的光束通過比例分光鏡(3)、起偏器(4)後輸入樣品臺(6)上的材料上，樣品臺(6)上材料反射的雷射通過檢偏器(5)、反射鏡(7)後反射到第二雷射能量探測器(9)內；數據處理器(12)對第二雷射能量探測器(9)探測的雷射能量信號進行處理，存儲並輸出相應的材料雷射偏振特性。
3.根據權利要求1所述的用於材料雷射性能的測量設備，其特徵是在反射鏡(7)與第二雷射能量探測器(9)傳輸光路上設有用於檢測反射雷射光譜特性的光譜儀(10)，所述光譜儀(10)的輸出端與數據處理器(1 相連，所述數據處理器(1 處理光譜儀(10)輸入的光譜特性信號，存儲並輸出相應的材料反射雷射的光譜特性。
4.根據權利要求1所述的用於材料雷射性能的測量設備，其特徵是所述數據處理器 (12)包括單片機及工控機，所述工控機通過單片機與第一雷射能量探測器(8)和第二雷射能量探測器(9)相連。
5.根據權利要求1所述的用於材料雷射性能的測量設備，其特徵是所述雷射光源(1) 包括為四個平行布置的半導體泵浦雷射發射器，所述雷射發射器安裝於導軌( 上。
6.根據權利要求1或5所述的用於材料雷射性能的測量設備，其特徵是所述雷射光源(1)輸出的雷射波長為532nm、650nm、980nm或1064nm。
7.根據權利要求1所述的用於材料雷射性能的測量設備，其特徵是所述樣品臺(6) 為插片式樣品臺。
8.根據權利要求2所述的用於材料雷射性能的測量設備，其特徵是所述起偏器(4) 與檢偏器( 為格蘭-泰勒稜鏡。
9.根據權利要求1所述的用於材料雷射性能的測量設備，其特徵是所述比例分光鏡 ⑶的材料包括石英，比例分光鏡⑶將雷射光源⑴發出能量的5%分光後輸入到雷射能量探測器(8)內，雷射能量探測器(8)將比例分光鏡( 分光後探測的能量輸入到數據處理器(1 內，數據處理器(1 根據雷射能量探測器(8)探測分光能量信號控制雷射光源 (1)的輸出，使雷射光源(1)的輸出功率保持穩定。
10.根據權利要求1所述的用於材料雷射性能的測量設備，其特徵是所述樣品臺(6) 及第二雷射能量探測器(9)的旋轉均通過步進電機驅動。
專利摘要本實用新型涉及一種用於材料雷射性能的測量設備，其包括至少一個雷射光源，雷射光源的主光軸上設有比例分光鏡，比例分光鏡的主傳輸光路上設有可旋轉的樣品臺或能繞樣品臺轉動的第二雷射能量探測器，副傳輸光路上設有能第一雷射能量探測器；樣品臺的反射光路上設有反射鏡，樣品臺上材料反射的雷射通過反射鏡反射到第二雷射能量探測器內；數據處理器根據第一雷射能量探測器探測的雷射光源的雷射能量信號，調整並控制雷射光源的輸出功率；數據處理器對第二雷射能量探測器探測的雷射能量信號處理後，存儲並輸出相應的材料雷射反射能量角度分布特性。本實用新型結構簡單緊湊，自動化程度高，測量精度高，使用方便，適應範圍廣，安全可靠。
文檔編號G01N21/17GK201974370SQ20112005846
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月8日 優先權日2011年3月8日
發明者凌軍, 吳堅業, 李昌立, 王海燕, 蔣曉軍, 蔡紅星, 謝衛, 鄭峰 申請人:中國人民解放軍總裝備部工程兵科研一所, 長春理工大學