一種高能雷射束雜散光能量測量系統的製作方法

2023-05-25 15:13:16

一種高能雷射束雜散光能量測量系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種高能雷射束雜散光能量測量系統，所述測量系統含有數個吸收光闌，熱電偶溫度傳感器，光闌固定支架，引線，溫度採集模塊，網絡交換機，上位機。吸收光闌為硬鋁或紫銅製成的圓環形結構，吸收光闌迎光面設置有環形的V型槽，表面為氧化鋁和氧化鈦混合物塗層。熱電偶溫度傳感器粘接於吸收光闌背光面設置的熱電偶溫度傳感器固定槽位中。熱電偶溫度傳感器採用串聯連接，並通過引線電連接至溫度採集模塊。溫度採集模塊、網絡交換機、上位機通過網線組建成為分布式測量系統。本發明可有效實現高能雷射束雜散光大範圍複雜分布的動態測量，並顯著提高測量精度，標準化模塊設計使得系統具有可擴展性和可移植性。
【專利說明】一種高能雷射束雜散光能量測量系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於高能雷射能量測量領域，具體涉及一種高能雷射束雜散光能量測量系統，適用於環形高能雷射束雜散光能量測量。
【背景技術】
[0002]在高能雷射傳輸過程中，通道內雷射束衍射、高階模、光學元件散射等高頻分量雜散光的存在，是引起雷射傳輸效率降低、造成部分能量損失的重要因素。雜散光造成的能量損失會對光束傳輸產生重大影響，能量損失導致通道整體溫升，使內通道的光束傳輸產生嚴重波前畸變和光束漂移，溫升導致內通道及通道內鏡架等結構形變引起光束的漂移，嚴重時光束可能損壞內通道甚至無法正常輸出。然而，目前尚無針對高能雷射束雜散光能量測量的專用測試設備，其主要設計瓶頸在於:一方面，高能雷射在近場傳輸距離較長，通常達到數十米，雜散光造成的能量損失覆蓋整個傳輸路徑，並且雜散光與高能雷射束在空間上高度重合，分布特性極其複雜，目前還沒有高能雷射束雜散光分布特性方面的報導，這給雜散光能量測量造成極大的困難；另一方面，雜散光強度變化較大，部分信號信噪比較低，且現場環境複雜，對系統的測量精度要求較高，如何獲得較大的信噪比和較高的測量精度也是需要重點解決的問題。

【發明內容】

[0003]為了實現對高能雷射束雜散光大範圍複雜分布的動態測量，並提高能量測量的精度，本發明提供了一種高能雷射束雜散光能量測量系統。
[0004]一種高能雷射束雜散光能量測量系統，其特點是，所述的測量系統包括數個吸收光闌、熱電偶溫度傳感器、光闌固定支架、引線、溫度採集模塊、網絡交換機、上位機；所述的吸收光闌為圓環形；其連接關係是，所述的吸收光闌通過螺紋與光闌固定支架連接；吸收光闌背光面設置有數組熱電偶溫度傳感器固定槽位，每組的熱電偶溫度傳感器固定槽位均設置在吸收光闌背光面對應的同心圓圓周上；熱電偶溫度傳感器粘接於熱電偶溫度傳感器固定槽位中，熱電偶溫度傳感器通過引線與溫度採集模塊電連接；溫度採集模塊通過網線與網絡交換機電連接；網絡交換機通過網線與上位機電連接；數個吸收光闌設置於高能雷射的傳輸路徑上。
[0005]所述的每組的熱電偶溫度傳感器固定槽位等距離的設置在一個同心圓圓周上。
[0006]所述的吸收光闌迎光面設置有環形的V型槽，數個V型槽的槽底構成一組圓環，圓環的圓心與吸收光闌的圓心重合。
[0007]所述的V型槽夾角α的範圍為20°?60° ;所述的V型槽的深度小於等於吸收光闌厚度的0.5倍。
[0008]所述的吸收光闌的內徑為被測雷射束外徑的1.05?1.1倍，吸收光闌的外徑大於等於被測雷射束外徑的2倍。
[0009]所述的熱電偶溫度傳感器的工作端為露端型。[0010]所述的熱電偶溫度傳感器的工作端嵌入吸收光闌背光面設置的熱電偶溫度傳感器固定槽位中；每個吸收光闌上粘接有數組結構相同的熱電偶溫度傳感器，每組的熱電偶溫度傳感器對應粘接在熱電偶溫度傳感器固定槽位中；每組的熱電偶溫度傳感器採用串聯連接，並通過弓I線與溫度採集模塊電連接。
[0011]所述的吸收光闌採用的材料為硬鋁或紫銅，吸收光闌迎光面的表面為經過高溫等離子噴塗氧化鋁和氧化鈦混合物的塗層。
[0012]為了實現對高能雷射束雜散光大範圍複雜分布的動態測量，本發明中吸收光闌、溫度採集模塊均採用標準模塊化設計，並採用分布式系統布局，多個獨立設計的吸收光闌設置於高能雷射的傳輸路徑上，利用多個標準模塊化設計的溫度採集模塊及網絡交換機、上位機組建分布式測量系統。上位機通過網絡交換機發送上層控制命令至各個溫度採集模塊，各溫度採集模塊接收到命令後解析轉換為底層採集硬體電路控制命令，實現同步採集控制，並將採集後的數據通過網絡交換機發送至上位機進行數據處理與顯示。
[0013]為了實現高精度的能量測量，本發明採取了四項技術措施:一是提高吸收光闌表面對高能雷射束雜散光的吸收效率，吸收光闌迎光面表面為經過高溫等離子噴塗氧化鋁和氧化鈦混合物的塗層，使得吸收光闌單次吸收效率達到80%，在吸收光闌迎光面增加環形的V型槽設計，從而增大吸收光闌的迎光面表面積，並且使得高能雷射雜散光在V型槽內部發生多次漫反射；二是降低熱損失，吸收光闌通過螺紋與光闌固定支架連接，且螺紋之間增加聚四氟乙烯隔熱墊，從而減少吸收光闌與固定支架間的熱傳導，有效抑制熱傳導造成的能量損失；三是確保溫度傳感器測量準確與快速，熱電偶溫度傳感器工作端設置為露端型，從而縮短響應時間，安裝時其工作端緊密貼近吸收光闌背光面熱電偶溫度傳感器固定槽位的底部，以保證最大限度的貼近吸收光闌迎光面；四是提高信噪比，每個吸收光闌背光面均安裝有數組結構相同的熱電偶溫度傳感器，每組的熱電偶溫度傳感器對應粘接在位於吸收光闌背光面的一個同心圓圓周上的熱電偶溫度傳感器固定槽位中，每組的熱電偶溫度傳感器採用串聯連接，從而提高信號的信噪比。
[0014]本發明採用分布式系統布局實現對高能雷射束雜散光大範圍複雜分布的動態測量，通過提高吸收光闌表面對雜散光的吸收效率、降低熱傳導造成的能量損失、提高熱電偶溫度傳感器響應速度及測溫準確性、提高信號的信噪比等技術措施以提升能量測量的精度。本發明可實現對高能雷射束雜散光能量及分布特性的有效測量，並顯著提高系統能量測量精度，標準模塊化設計使得系統具有良好的可擴展性和可移植性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發明的高能雷射束雜散光能量測量系統結構示意圖；
圖2(a)為本發明中的吸收光闌結構示意圖，(b)為吸收光闌AA處的剖面示意圖，(C)為吸收光闌I處的局部放大圖；
圖3為本發明中的熱電偶溫度傳感器安裝布局示意圖；
圖4為本發明中的熱電偶溫度傳感器串聯連接示意圖；
圖中，1.吸收光闌 2.熱電偶溫度傳感器 3.光闌固定支架 4.引線
5.溫度採集模塊 6.網絡交換機 7.上位機 8.熱電偶溫度傳感器固定槽位。【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發明進一步說明。
[0017]實施例1
圖1為本發明的高能雷射束雜散光能量測量系統結構示意圖，圖2(a)為本發明中的吸收光闌結構不意圖，(b)為吸收光闌AA處的剖面不意圖，(c)為吸收光闌I處的局部放大圖，圖3為本發明中的熱電偶溫度傳感器安裝布局示意圖，圖4為本發明中的熱電偶溫度傳感器串聯連接示意圖。在圖1?圖4中，本發明的高能雷射束雜散光能量測量系統包括數個吸收光闌、熱電偶溫度傳感器2、光闌固定支架3、引線4、溫度採集模塊5、網絡交換機6、上位機7 ;所述的吸收光闌I為圓環形；其連接關係是，所述的吸收光闌I通過螺紋與光闌固定支架3連接；吸收光闌I背光面設置有數組熱電偶溫度傳感器固定槽位8，每組的熱電偶溫度傳感器固定槽位8均設置在吸收光闌I背光面對應的同心圓圓周上；熱電偶溫度傳感器2粘接於熱電偶溫度傳感器固定槽位8中，熱電偶溫度傳感器2通過引線4與溫度採集模塊5電連接；溫度採集模塊5通過網線與網絡交換機6電連接；網絡交換機6通過網線與上位機7電連接；數個吸收光闌設置於高能雷射的傳輸路徑上。
[0018]所述的每組的熱電偶溫度傳感器固定槽位8等距離的設置在一個同心圓圓周上，每一個同心圓圓周上的熱電偶溫度傳感器固定槽位的數量是相等的。
[0019]所述的吸收光闌I迎光面設置有環形的V型槽，數個V型槽的槽底構成一組圓環，圓環的圓心與吸收光闌I的圓心重合。
[0020]本實施例中，所述的V型槽夾角α為20。;所述的V型槽的深度等於吸收光闌I厚度的0.5倍。所述的吸收光闌I的內徑為被測雷射束外徑的1.05倍，吸收光闌I的外徑等於被測雷射束外徑的2倍。
[0021]輸入的環形高能雷射主光束從本發明中的吸收光闌I中心圓孔穿過,主光束外圍存在的高頻分量雜散光被吸收光闌I的圓環遮擋並吸收，使得雜散光能量測量系統不會對主雷射束的傳輸產生影響；吸收光闌I通過螺紋與光闌固定支架3連接，為了減少吸收光闌I與外界之間的熱傳導，在螺紋之間增加了聚四氟乙烯隔熱墊；在吸收光闌I背光面設置有熱電偶溫度傳感器固定槽位8，熱電偶溫度傳感器2的工作端嵌入其中，並用高溫導熱膠粘接固定；熱電偶溫度傳感器2通過引線4與溫度採集模塊5電連接；由於高能雷射傳輸路徑較長，要獲得不同位置處雜散光能量及分布特性需要在光路上設置多個測點，為了解決分布在一個較大空間範圍內多個測試點同步採集控制及高精度溫度測量問題，本系統採用分布式系統布局，將溫度採集模塊5設計為標準化模塊，具備命令接收與解析、溫度數據實時採集、數據存儲於傳輸功能；溫度採集模塊5通過網絡交換機6接收來自上位機7發送的上層控制命令後，解析轉換為底層採集硬體電路控制命令實現多通道同步採集。採集後的數據通過網絡交換機6發送至上位機7進行數據處理與顯示，如圖1所示。
[0022]圖2中，吸收光闌I材料為硬鋁；吸收光闌I迎光面表面為經過高溫等離子噴塗氧化鋁和氧化鈦混合物的塗層，使得材料表面對雷射雜散光的單次吸收率達到80%，且塗層具有優異的附著力可與吸收光闌I表面緊密結合；為了減少多個測點吸收光闌I之間相互幹擾引入的測量誤差，吸收光闌I背光面採用黑色陽極氧化工藝處理；吸收光闌I迎光面上均勻的設置有環形的V型槽，V型槽的設置能夠增大吸收光闌I迎光面的表面積，並且使得高能雷射雜散光在V型槽內部發生多次漫反射，從而提升吸收光闌I迎光面對雜散光的吸收效率。
[0023]在圖3中，所述的熱電偶溫度傳感器2的工作端嵌入吸收光闌I背光面設置的熱電偶溫度傳感器固定槽位8中，熱電偶溫度傳感器與熱電偶溫度傳感器固定槽位對應設置。為了使得熱電偶溫度傳感器2溫度測量的響應更迅速、測量更準確，熱電偶溫度傳感器2的工作端為露端型，從而縮短熱電偶溫度傳感器響應時間，安裝時其工作端要緊密貼近熱電偶溫度傳感器固定槽位8的底部，以保證最大限度的貼近吸收光闌I迎光面使得測量更準確，並用高溫導熱膠粘接使其與吸收光闌I之間穩固連接；根據高能雷射束雜散光產生機理及特性，雜散光照射在吸收光闌I靠近外徑的概率遠小於靠近內徑的概率，若採用完全獨立的熱電偶溫度傳感器布局，則會造成靠近吸收光闌I外徑的熱電偶溫度傳感器2產生的熱電勢較小，極易淹沒於溫度採集模塊5的系統噪聲中，同時，還會造成溫度採集模塊5的通道數成數倍的增長，故每個吸收光闌I上粘接有三十二支結構相同的熱電偶溫度傳感器，熱電偶溫度傳感器分為四組，每組的八支熱電偶溫度傳感器對應粘接在位於吸收光闌I背光面的一個同心圓圓周上的熱電偶溫度傳感器固定槽位中；每組的熱電偶溫度傳感器採用串聯連接，並通過弓I線與溫度採集模塊電連接。
[0024]圖4中，八支熱電偶溫度傳感器採用串聯的連接方式焊接。這種連接方式可以獲得較高的信噪比，並且在測量雜散光能量的同時也可以通過計算獲得雜散光在吸收光闌I上的功率密度分布特性。
[0025]實施例2
實施例2與實施例1結構基本相同，不同之處是，本實施例中吸收光闌的內徑為被測雷射束外徑的1.1倍，吸收光闌迎光面設置的環形的V型槽夾角α為45°，每個吸收光闌上粘接有六十四支結構相同的熱電偶溫度傳感器，熱電偶溫度傳感器分為四組，每組的十六支熱電偶溫度傳感器對應粘接在位於吸收光闌背光面的一個同心圓圓周上的熱電偶溫度傳感器固定槽位中，吸收光闌材料為紫銅。
[0026]實施例3
實施例3與實施例1結構基本相同，不同之處是，本實施例中吸收光闌迎光面設置的環形的V型槽夾角α為60°，每個吸收光闌上粘接有四十支結構相同的熱電偶溫度傳感器，熱電偶溫度傳感器分為五組，每組的八支熱電偶溫度傳感器對應粘接在位於吸收光闌背光面的一個同心圓圓周上的熱電偶溫度傳感器固定槽位中。
【權利要求】
1.一種高能雷射束雜散光能量測量系統，其特徵在於:所述的測量系統包括數個吸收光闌、熱電偶溫度傳感器(2)、光闌固定支架(3)、引線(4)、溫度採集模塊(5)、網絡交換機(6)、上位機(7);所述的吸收光闌(I)為圓環形；其連接關係是，所述的吸收光闌(I)通過螺紋與光闌固定支架(3)連接；吸收光闌(I)背光面設置有數組熱電偶溫度傳感器固定槽位(8)，每組的熱電偶溫度傳感器固定槽位(8)均設置在吸收光闌(I)背光面對應的同心圓圓周上；熱電偶溫度傳感器(2)粘接於熱電偶溫度傳感器固定槽位(8)中，熱電偶溫度傳感器(2)通過引線(4)與溫度採集模塊(5)電連接；溫度採集模塊(5)通過網線與網絡交換機(6)電連接；網絡交換機(6)通過網線與上位機(7)電連接；數個吸收光闌設置於高能雷射的傳輸路徑上。
2.根據權利要求1所述的高能雷射束雜散光能量測量系統，其特徵在於:所述的每組的熱電偶溫度傳感器固定槽位(8)等距離的設置在同心圓圓周上。
3.根據權利要求1所述的高能雷射束雜散光能量測量系統，其特徵在於:所述的吸收光闌(I)迎光面設置有環形 的V型槽，數個V型槽的槽底構成一組圓環，圓環的圓心與吸收光闌(I)的圓心重合。
4.根據權利要求3所述的高能雷射束雜散光能量測量系統，其特徵在於:所述的V型槽夾角α的範圍為20°~60° ;所述的V型槽的深度小於等於吸收光闌(I)厚度的0.5倍。
5.根據權利要求1所述的高能雷射束雜散光能量測量系統，其特徵在於:所述的吸收光闌(I)的內徑為被測雷射束外徑的1.05~1.1倍，吸收光闌(I)的外徑大於等於被測雷射束外徑的2倍。
6.根據權利要求1所述的高能雷射束雜散光能量測量系統，其特徵在於:所述的熱電偶溫度傳感器(2)的工作端為露端型。
7.根據權利要求1所述的高能雷射束雜散光能量測量系統，其特徵在於:所述的熱電偶溫度傳感器(2)的工作端嵌入吸收光闌(I)背光面設置的熱電偶溫度傳感器固定槽位(8)中；每個吸收光闌(I)上粘接有數組結構相同的熱電偶溫度傳感器，每組的熱電偶溫度傳感器對應粘接在熱電偶溫度傳感器固定槽位中；每組的熱電偶溫度傳感器採用串聯連接，並通過引線與溫度採集模塊電連接。
8.根據權利要求1所述的高能雷射束雜散光能量測量系統，其特徵在於:所述的吸收光闌(I)採用的材料為硬鋁或紫銅，吸收光闌(I)迎光面的表面為經過高溫等離子噴塗氧化鋁和氧化鈦混合物的塗層。
【文檔編號】G01K7/04GK103604495SQ201310582846
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月20日 優先權日:2013年11月20日
【發明者】範國濱, 張衛, 常豔, 魏繼鋒, 周山, 周文超, 彭勇, 田英華, 黃德權, 沙子傑, 蔣志雄, 胡曉陽 申請人:中國工程物理研究院應用電子學研究所