CN100580395C - 激光功率动态标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光功率动态标定装置。激光功率动态标定装置，其特征在于：包括有保护套，所述的保护套内有反射筒，所述的保护套与反射筒内壁均经过粗糙化发黑处理，所述的保护套侧壁上安装有扩束镜，所述的扩束镜前方的光路中，在反射筒的两侧壁上分别安装有光阑，在保护套上有开孔，所述的反射筒侧壁上的两个光阑之间倾斜安装有单面增透光学玻璃，单面增透玻璃与光束成45°夹角，96%以上的光束能量沿原光路传输，低于4%的光束能量被反射到与激光束平行且相隔一定距离的凸透镜上，在凸透镜的下方焦点处，设置一采样光纤，会聚后的反射光束经光纤传出，进入光电倍增管即可获得激光功率的动态变化情况。

Description

激光功率动态标定装置

技术领域

本专利涉及光电探测领域，具体是激光功率动态标定装置。

背景技术

作为影响和表征气溶胶粒子物理特性的重要参数，粒形研究受到越来越多的重视。气溶胶粒子的散射光强度分布即相函数包含着粒子的形状信息，发明专利申请“多通道散射反演颗粒三维形状检测仪(2007100222577)”和“基于图像监测微颗粒形状与散射的新装置(200710023960.X)”即是以此为基本原理的。上述发明专利申请中用波长650nm的半导体激光器作为光源，在黑色中空球形散射腔表面多个方位合理设置光纤插孔，经光纤将这些方位的粒子散射光导出至光电倍增管，获得散射光强度的分布情况，由此反演气溶胶粒子形状并统计分类。

激光器功率是不稳定的，通常具有2％～5％的振荡范围。如果测量所需时间远大于激光功率的平均振荡周期，则激光功率的振荡对结果的影响是可以忽略的；反之，如果测量所需时间与激光功率的平均振荡周期相当或更小，就必须考虑因激光功率的振荡对实验结果带来的影响，否则测量值将较真实值偏大或偏小。严格说来，凡是利用激光束的瞬态测量，考虑其功率振荡都会使实验结果更为精确。650nm半导体激光器的平均振荡周期在微秒(μS)量级，气溶胶颗粒通过光束的时间也在微秒量级，功率振荡对测量值的影响需要加以校正。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光功率动态标定装置。通过本装置抽检约4％的光束功率来探知激光总功率的波动情况，可以为激光功率的控制提供依据。

本发明的技术方案如下：

激光功率动态标定装置，其特征在于：包括有保护套，所述的保护套内有反射筒，所述的保护套与反射筒内壁均经过粗糙化发黑处理，所述的保护套侧壁上安装有扩束镜，所述的扩束镜前方的光路中，在反射筒的两侧壁上分别安装有光阑，在保护套上有开孔，所述的反射筒侧壁上的两个光阑之间倾斜安装有单面增透光学玻璃，所述的单面增透光学玻璃的出射激光束面镀增透膜，单面增透光学玻璃的反射光路中，有安装于反射筒内的凸透镜，所述的凸透镜焦点位于安装在反射筒内的采样光纤的端口。

所述的激光功率动态标定装置，其特征在于：所述的采样光纤的端口上安装有微凸透镜，位于凸透镜焦点处。

所述的激光功率动态标定装置，其特征在于：所述的单面增透玻璃安装于螺杆端部，所述的螺杆安装于保护套与反射筒顶部的螺孔内，螺杆下端伸入到反射筒内。

所述的激光功率动态标定装置，其特征在于：所述的在保护套上的开孔上安装有光阑。

所述的激光功率动态标定装置，其特征在于：所述的光阑为圆孔光阑，其中有圆锥形通光孔，孔径为0.2-3mm，所述的位于单面增透光学玻璃后的反射筒侧壁上的光阑，其孔径大于位于保护套与单面增透光学玻璃前的光阑孔径。

所述的激光功率动态标定装置，其特征在于：所述的保护套与反射筒均为方形箱体。

测量原理

光电转换器件主要是利用光电效应将光信号转换成电信号。光电倍增管可以将较弱光强转换为电压值，通过测量电压的实时值，即可获得激光功率随时间的变化情况。用V表示激光功率平均值对应的光电转换电压，V_t激光功率瞬时值对应的光电转换电压，通常情况下V≠V_t，而是

$\stackrel{\‾}{V}=\frac{\underset{t=t_1}{\overset{t_2}{\mathrm{\Σ}}}{V}_t}{\underset{t=t_1}{\overset{t_2}{\mathrm{\Σ}}}t}$ 或 $\stackrel{\‾}{V}=\frac{\underset{t_1}{\overset{t_2}{\text{\∫}}}{V}_t\mathrm{dt}}{\underset{t_1}{\overset{t_2}{\text{\∫}}}\mathrm{tdt}}.$

本发明所述装置的原理实质上是利用少量抽检光的光电转换电压反映激光束总功率随时间的变化。采样光纤所收集到的光线中可能有少量的环境光成分，不过实验条件下环境光在较长时间内是稳定的，由环境光带来的影响也是稳定的。根据光的独立作用原理，激光器关闭条件下，该装置的光电转换设备得到的是环境光对应的电压值，在数据处理中，应将这一部分扣除。如果V_d为所要获得的数据值，用V_m表示粒子散射光经光电转换后的电压测量值，则

$V_d=\frac{\stackrel{\‾}{v}-v_e}{v_t-v_e}\×V_m,$

式中v为光纤出射光对应的电压平均值，v_t为光纤出射光对应的电压实时值，v_e为所测电压中环境光所对应的部分。

如果环境光所对应的电压比例极小，如实验在暗室中进行或环境光极弱等，则上述公式可以简化为

$V_d=\frac{\stackrel{\‾}{v}}{v_t}\×V_m,$

上述V_d值即为所要得到的可用于数据处理的值，该值较V_m更为准确的反映了散射光的强度分布。

所述装置用硬铝制作，主要包括保护套、反射筒、扩束镜和采样光纤，其中反射筒含有单面增透光学玻璃和凸透镜，保护套和反射筒之间贯穿调节单面增透光学玻璃的定位螺丝。

1.保护套、反射筒和扩束镜支架的加工

保护套、反射筒和扩束镜支架均用硬铝制作。保护套、反射筒均为空心长方柱状体，保护套外围长、宽、高分别为80mm、80mm、120mm，壁厚5mm；反射筒外围长、宽、高分别为50mm、50mm和100mm，壁厚3mm。扩束镜支架为圆筒状结构，外部直径为50mm，内部直径根据实验要求设计，本装置的扩束镜扩束比例为3∶1，大小凸透镜对应的扩束镜支架的壁厚分别为2mm和6mm。

2.圆孔光阑的制作

为尽量减小光线之间的干涉，将圆孔光阑加工成圆锥状结构，选用硬铝制作。选择合适的锥度角以使圆孔光阑的反射光打到器壁上。制作一批不同孔径的圆孔光阑，以适应不同的实验要求，本装置配备的圆孔光阑的孔径包括：0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、3mm。

3.单面增透光学玻璃的处理和凸透镜的选择

保证光学玻璃的上下两面平行且光洁度高。本装置的单面增透光学玻璃需要镀650nm增透膜以配合所探测激光；凸透镜焦距为20mm。

4.光纤收集效率的提高

为提高光纤的收集效率，在其接收端安装了微凸透镜，使光纤的收集面积扩大到原来的10倍左右。

5.组装与校准

为减小自然光和杂散光的干扰，该装置中由硬铝制作的部分均做粗糙化发黑处理。在组装过程中，密封保护套与圆孔光阑、扩束镜支架的接口处；保证与扩束镜靠近的圆孔光阑的反射光不进入扩束镜，而全部反射到器壁上被吸收掉。

本发明的优点：

1、使用方便，将扩束镜迎着光束放置且光阑轴线与光束轴线重合即可；

2、减小光束发散角，改善光束质量；

3、不影响光束工作的前提下实现激光能量的实时测定。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

激光功率动态标定装置，包括有保护套1，所述的方形箱式保护套1内有反射筒2，所述的保护套1与反射筒2内壁均经过粗糙化发黑处理，所述的保护套1侧壁上安装有扩束镜3，所述的扩束镜3前方的光路中，在反射筒2的两侧壁上分别安装有光阑4、5，在保护套1上有开孔中安装有光阑6，所述的反射筒2侧壁上的两个光阑4、5之间倾斜安装有单面增透光学玻璃7，所述的单面增透光学玻璃7的出射激光束面镀增透膜，单面增透光学玻璃7的反射光路中，有安装于反射筒内的凸透镜8，所述的凸透镜8焦点位于安装在反射筒2内的采样光纤9的端口，采样光纤9的端口上安装有微凸透镜10。

反射筒2外壁和保护套1内壁保持平行，保证圆孔光阑4、5、6和扩束镜3的轴线重合。旋转定位螺丝11，令附在其底端45°斜面上的单面增透光学玻璃7垂直于反射筒2的前后两平面，从而使得反射光垂直于反射筒2的底面。调节凸透镜10和采样光纤9接收端的位置，使其焦点和采样光纤9的接收端口重合。

从扩束镜方向看存在4、5、6三个圆孔光阑，为了使反射筒2内不出现由于光阑的存在而导致的散射光线，通常处于圆孔光阑5的口径较其他两个圆孔光阑稍大。

将激光功率动态标定装置安放于激光束的传播方向上，使得激光束由扩束镜3一侧进入。将单面增透光学玻璃7未镀增透膜的一面迎着激光束，光束直径经扩束镜3后扩大为原来的3倍，光束的发散角减小，更加接近理想的平面波。选择合适圆孔光阑使得光束的中心部分光进入反射筒2，高达96％以上的光束穿过单面增透光学玻璃7，用于实验，低于4％的光束被单面增透光学玻璃7的反射面反射并由凸透镜8汇聚于采样光纤9的接收端。

微调采样光纤9接收端的位置使其处于凸透镜8的焦点上，收集的光线经光纤传出，由于激光束的能量波动范围不大，因此选择光电装换设备的主要标准是测量下限，本发明选择的是高灵敏的光电倍增管。

Claims (4)

1、激光功率动态标定装置，其特征在于：包括有保护套，所述的保护套内有反射筒，所述的保护套与反射筒内壁均经过粗糙化发黑处理，所述的保护套侧壁上安装有扩束镜，所述的扩束镜前方的光路中，在反射筒的两侧壁上分别安装有光

，在保护套上有开孔，所述的反射筒侧壁上的两个光

之间倾斜安装有单面增透光学玻璃，所述的单面增透光学玻璃的出射激光束面镀增透膜，单面增透光学玻璃的反射光路中，有安装于反射筒内的凸透镜，所述的凸透镜焦点位于安装在反射筒内的采样光纤的端口。

2、根据权利要求1所述的激光功率动态标定装置，其特征在于：所述的采样光纤的端口上安装有微凸透镜，位于凸透镜焦点处。

3、根据权利要求1所述的激光功率动态标定装置，其特征在于：所述的单面增透玻璃安装于螺杆端部，所述的螺杆安装于保护套与反射筒顶部的螺孔内，螺杆下端伸入到反射筒内。

4、根据权利要求1所述的激光功率动态标定装置，其特征在于：所述的在保护套上的开孔上安装有光

。

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