雷射能量和光功率密度時空分布測量用光取樣器的製作方法

2023-05-17 06:29:16

專利名稱：雷射能量和光功率密度時空分布測量用光取樣器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種雷射能量和光功率密度時空分布測量用光取樣器，尤其涉及一種用於大面積高能雷射能量和光功率密度時空分布在線測量用光取樣器。
現有的高能雷射能量和光功率密度分布的測量方法主要有能量燒蝕法、靶斑散射測量法、熱吸收探測法等。
能量燒蝕法是讓雷射照射到燒蝕物，通常是有機玻璃上，通過測量燒蝕物在雷射照射前後的質量變化來計算出總能量，通過測量燒蝕痕跡來粗略得出光斑的功率密度分布。這種方法的主要缺點是只能測量雷射的總能量值和光功率密度在空間上的分布，無法測量光功率密度在時間上的分布，而且不能在線測量。
靶斑散射測量法是將強雷射照射到鍍有高反膜的反射鏡後，將高反鏡透過的衰減了幾個數量級後的光照射到一個金屬漫反射屏上，用CCD熱像儀獲取金屬屏的漫反射光。由於強雷射要經過高反射鏡、金屬散射屏才到達探測器上，影響測量結果的因素較多，尤其是漫反射屏無法進行準確標定，因此只能測得光功率密度分布的相對值，無法得到光功率密度分布的絕對值和總能量值。
熱吸收探測法的探測器通常為熱電偶，具體的測量手段有面陣式、圓錐式、斬波式等多種。面陣式通常採用石墨面陣背後布放熱電偶的方法，可以得出總能量和光功率隨空間的變化；圓錐式則將雷射照射到一個金屬圓錐裡，只能得出總能量值；斬波式可以測量總能量值，與面陣式、圓錐式相比增加了在線測量的功能。但是熱吸收探測法的主要缺陷在於熱探測是個積分效應，對光功率密度的空間分布測量雖有一定的精度，但對光功率密度的時間分布無法測量或者測量精度很低。
採用現有技術，如果要實現在線測量高能雷射的能量和光功率密度的時空分布，就必須將上述三種或兩種測量方法結合使用。由於上述三種方法的測量標準不統一，測量結果不具備對比性，因此在實際實施中只能以一種測量方法為主，而其他方法僅能用作參考。
本發明的目的在於避免上述現有技術中的不足之處，而提供一種適用範圍廣，測量指標多，測量精度高，在線實時測量，對原光路擾動非常小的雷射能量和光功率密度時空分布測量用光取樣器。
本發明的目的可通過以下措施來達到一種雷射能量和光功率密度時空分布測量用光取樣器，包括與傳動機構相連接的電機13，其特殊之處在於它還包括光纖10、設置於機架19上的光纖固定盤9、與傳動機構相連接的轉筒7；所述光纖10的一端通過光纖插針18插於光纖固定盤9上均布的孔內，另一端與光探測器6連接；所述光纖10在光纖固定盤9上沿圓周方向均勻排列；所述轉筒7上設置有環狀斬波環8，所述斬波環8一側設置有45°倒角構成的反射面11，所述斬波環8的反射面11與入射光成45°角；所述轉筒7上還設有帶開孔的遮光片15；所述機架19的一側設置有同步信號觸發開關16。
上述轉筒7可通過軸承14設置於機架19上。
上述轉筒7可通過橡膠磙子設置於機架19。
上述光纖固定盤9上的孔可以是與法線方向成5度°角的斜孔。
上述光纖固定盤9的內壁可為粗糙面。
上述斬波環8上的反射面11可為拋光面或其上鍍有高反膜。
上述光纖10可為大芯徑石英光纖或耐熱強度較小的塑料光纖。
上述光纖10上可設置光纖衰減器，或所述的光纖10與光探測器6可偏心耦合。
上述同步信號觸發開關16可採用紅外對管、霍爾開關；電機13可為高轉速的直流電機、同步電機或步進電機。
上述傳動機構可為齒輪傳動機構、齒形鏈傳動機構或齒形帶傳動機構；所述齒輪傳動機構可包括與電機13通過連軸器相連的主動齒輪12，從動齒輪17與主動齒輪12相嚙合，從動齒輪17設置於轉筒7上；所述齒形鏈傳動機構可包括齒形鏈、主動鏈輪和從動鏈輪，所述齒形鏈設置於鏈輪上，所述主動鏈輪通過連軸器與電機13相連接，所述的從動鏈輪設置於轉筒7上；所述的齒形帶傳動機構可包括齒形帶、主動帶輪和從動帶輪，所述齒形帶設置於帶輪上，所述主動帶輪通過連軸器與電機13相連接，所述的從動帶輪設置於轉筒7上。
本發明與現有技術相比具有如下優點1.採用一套測量系統，即可測量出雷射的能量和光功率密度隨時間和空間的變化，並且可實現在線測量。
2.光取樣器採用斬波式結構和光纖傳輸光信號，對原光路的擾動很小，避免了對後續其它測量工作的影響。
3.通過更換不同類型的探測器，該系統可用於多種波長的雷射器能量和光功率密度測量。
4.對光取樣器的結構進行改動，可進一步大幅度提高系統的技術指標，包括空間解析度、時間解析度等，還可以擴展適用範圍，應用於更大面積和更大能量的雷射器。
5.本發明採用光纖將光傳輸到探測器上，由於光纖芯徑較細，而且光纖對某些波長的雷射損耗較大，使得能耦合進光纖並傳輸到探測器的能量較小，避免了探測器受強雷射照射而損壞。
6.光取樣器採用曲面機械斬波結構設計，解決了光纖沿圓周布放時的入射角問題，使得取樣光能有效地耦合進光纖內，最終保證了測量結果的準確性。
7.光取樣器採用高速旋轉的機械斬波機構，保證了測量的時間解析度；採用密集布放的光纖陣列，保證了測量的空間解析度，最終保證了測量精度。
8.本發明採用同步開關產生的觸發信號對採集的數據進行分幀，提高了還原圖象的準確性，從而提高了測量精度。
9.本發明中的光取樣器中採用了光纖傾斜布放、光纖固定盤表面化學處理等方法，避免了取樣光沿原光路返回，幹擾雷射器。
附面說明如下

圖1為本發明應用測量系統的原理圖。
圖2為本發明的結構原理圖。
圖3為本發明實施例的結構示意圖。
上述附圖標號說明如下1—雷射，2—光取樣器，3—光探測器陣列，4—多通道數據採集卡，5—數據處理計算機，6—光探測器，7—轉筒，8—斬波環，9—光纖固定盤，10—光纖，11—反射面，12—主動齒輪，13—電機，14—軸承，15—遮光片，16—同步信號觸發開關，17—從動齒輪，18—光纖插針，19—機架。
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步詳述參見圖1，本發明應用於在線式雷射能量和光功率密度時空分布測量系統時，
該系統主要包括光取樣器2、光探測器陣列3、多通道數據採集卡4、數據處理計算機5。
強雷射1經過光取樣器2後耦合進光探測器陣列3，光探測器陣列3由數百個光探測器6組成。光探測器陣列3輸出電信號幅值的變化可反映入射到光取樣器2上的雷射光功率變化，多信道數據採集卡4對每個光探測器6的輸出信號進行採集和記錄，再通過數據處理計算機5對測量結果進行處理，即得出雷射的光功率密度在時間和空間上的分布，且可計算出總能量值。
參見圖2，光取樣器是測量系統中的關鍵部件，它直接影響到整個測量系統的技術和方案。光取樣器主要由斬波環8、光纖10、光纖固定盤9、轉筒7等組成。斬波環8的反射面11與入射雷射1成45°角，光纖10在光纖固定盤9上沿圓周方向均勻排列。斬波環8將取樣光反射到光纖10上，經光纖10傳至光探測器6上。由於光纖10存在入射角，即只有一定角度範圍內的入射光才能耦合進光纖10內，故斬波環8設計為環狀，在一側加工有45°倒角，並對倒角進行拋光或鍍高反膜處理。這樣，斬波環8在任意角度，都會有對應位置的大約一半數量的光纖10接收到光信號。由於只有斬波環8所在位置的光才能被反射進光纖10內，所以從接收到光信號的光纖10位置，可反推出斬波環8所在位置，也就是取樣光的位置。光探測器6接收到的信號強弱，也直接反映了光功率幅值的大小。當轉筒7帶動斬波環8轉動一周時，就可以測量出整個光束截面上的光功率密度分布。再結合多通道數據採集卡4和數據處理計算機5，就可以測量出雷射的能量和光功率密度在時間和空間上的分布。
參見圖3，電機13可選用高轉速的直流電機，通過調節電壓即可進行轉速微調。電機13也可以選用同步電機、步進電機。
傳動機構可採用齒輪傳動，傳動比由主動齒輪12和從動齒輪17的齒數確定。傳動機構也可以採用齒形鏈或者齒形帶傳動。
機架19用多塊厚鋼板焊接而成，轉筒7通過軸承14設置於機架19上，整個傳動部件採用脂潤滑。轉筒7也可通過橡膠磙子與機架19連接。
斬波環8為金屬材料製成的環形結構，其一側加工有45°倒角，該倒角可進行拋光和鍍高反膜；斬波環8固定在轉筒7上，安裝位置精度可由轉筒7上一個精銑出的槽來保證。如果雷射的能量不高，斬波環8也可以只拋光不鍍膜。
光纖固定盤9由金屬製成，上面均布有若干個與法線方向成5度°角的斜孔。光纖10一端通過光纖插針18插於斜孔內；另一端與光探測器6連接。由於取樣光可能沿原光路返回而幹擾雷射器，所以，光纖固定盤9的內壁可加工為粗糙面，並經化學處理，以降低反射係數。由於光纖插針18端面的光潔度很高，故將光纖固定盤9上的孔沿法線傾斜5°角，這樣，反射光就會射到光纖固定盤9的內壁，而避免了對雷射器的幹擾。如果所測量雷射的能量不高，雷射器和原光路也不怕反向幹擾，光纖10則無需傾斜安裝，光纖固定盤9表面也無需進行物理、化學處理。
光纖10可採用大芯徑石英光纖。如果雷射能量較小，光纖10可採用耐熱強度較小的塑料光纖；如果信號強而光纖的衰減小，則可在光纖上增加光纖衰減器，或通過與光探測器6的偏心耦合等方式進行光強衰減，以避免光探測器6受強光照射而損壞。
在機架19的一側設置有同步信號觸發開關16，在轉筒7上設置有帶一隻開孔的遮光片15，當遮光片15的開孔轉動到同步信號觸發開關16的位置時，同步信號觸發開關16就產生一個同步信號，用於對多通道數據採集卡4採集的數據進行分幀處理，從而可大大提高還原圖象的準確性，提高測量精度。同步信號觸發開關16可採用紅外對管，也可採用霍爾開關等。
本發明實施例的技術指標時間解析度約為0.03s，空間解析度小於1mm，可測量的光斑面積為Ф160mm，最大可測量雷射的功率密度達幾十kW/cm2。如果在原裝置的基礎上對部件加以改動，還可以進一步大幅度提高系統的技術指標(包括空間解析度、時間解析度)，另外還容易就可以拓展應用到更大面積和更大能量的雷射器。
權利要求
1.一種雷射能量和光功率密度時空分布測量用光取樣器，包括與傳動機構相連接的電機(13)，其特徵在於它還包括光纖(10)、設置於機架(19)上的光纖固定盤(9)、與傳動機構相連接的轉筒(7)；所述光纖(10)的一端通過光纖插針(18)插於光纖固定盤(9)上均布的孔內，另一端與光探測器(6)連接；所述光纖(10)在光纖固定盤(9)上沿圓周方向均勻排列；所述轉筒(7)上設置有環狀斬波環(8)，所述斬波環(8)一側設置有45°倒角構成的反射面(11)，所述斬波環(8)的反射面(11)與入射光成45°角；所述轉筒(7)上還設有帶開孔的遮光片(15)；所述機架(19)的一側設置有同步信號觸發開關(16)。
2.如權利要求1所述的雷射能量和光功率密度時空分布測量用光取樣器，其特徵在於所述轉筒(7)通過軸承(14)設置於機架(19)上。
3.如權利要求1所述的雷射能量和光功率密度時空分布測量用光取樣器，其特徵在於所述轉筒(7)通過橡膠磙子設置於機架(19)。
4.如權利要求1或2或3所述的雷射能量和光功率密度時空分布測量用光取樣器，其特徵在於所述光纖固定盤(9)上的孔是與法線方向成5度°角的斜孔。
5.如權利要求4所述的雷射能量和光功率密度時空分布測量用光取樣器，其特徵在於所述光纖固定盤(9)的內壁為粗糙面。
6.如權利要求5所述的雷射能量和光功率密度時空分布測量用光取樣器，其特徵在於所述斬波環(8)上的反射面(11)為拋光面或其上鍍有高反膜。
7.如權利要求6所述的雷射能量和光功率密度時空分布測量用光取樣器，其特徵在於所述的光纖(10)為大芯徑石英光纖或耐熱強度較小的塑料光纖。
8.如權利要求7所述的雷射能量和光功率密度時空分布測量用光取樣器，其特徵在於所述的光纖(10)上設置有光纖衰減器，或所述的光纖(10)與光探測器(6)偏心耦合。
9.如權利要求6所述的雷射能量和光功率密度時空分布測量用光取樣器，其特徵在於所述的同步信號觸發開關(16)可採用紅外對管、霍爾開關；電機(13)為高轉速的直流電機、同步電機或步進電機。
10.如權利要求1或2所述的雷射能量和光功率密度時空分布測量用光取樣器，其特徵在於所述傳動機構為齒輪傳動機構、齒形鏈傳動機構或齒形帶傳動機構；所述齒輪傳動機構包括與電機(13)通過連軸器相連的主動齒輪(12)，從動齒輪(17)與主動齒輪(12)相嚙合，從動齒輪(17)設置於轉筒(7)上；所述齒形鏈傳動機構包括齒形鏈、主動鏈輪和從動鏈輪，所述齒形鏈設置於鏈輪上，所述主動鏈輪通過連軸器與電機(13)相連接，所述的從動鏈輪設置於轉筒(7)上；所述的齒形帶傳動機構包括齒形帶、主動帶輪和從動帶輪，所述齒形帶設置於帶輪上，所述主動帶輪通過連軸器與電機(13)相連接，所述的從動帶輪設置於轉筒(7)上。
全文摘要
一種雷射能量和光功率密度時空分布測量的光取樣器,可在線地測量出高能雷射光功率密度隨時間和空間的變化,通過計算還可得到總能量值。該光取樣器特別適合光斑面積大、發光時間短、輸出能量和功率密度高的氟化氘、氧碘等紅外波段的連續波高能雷射器,也可以用於二氧化碳、YAG等功率密度較高的連續波雷射器。本發明適用範圍廣,測量指標多,測量精度高,在線實時測量,對原光路擾動非常小。
文檔編號G01J1/42GK1385681SQ0211463
公開日2002年12月18日 申請日期2002年6月19日 優先權日2002年6月19日
發明者陳紹武, 王群書, 王立君, 劉福華, 馮國斌, 宋文卿 申請人:西北核技術研究所