CN113654692B - 一种基于双表面测温的激光功率探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于双表面测温的激光功率探测器，采用多个导流片，并基于双表面测温方式进行温度测量。包括反射锥、吸收腔、导流片、散热片、温度传感器、外壳等部分。反射锥安装于吸收腔底部，锥尖正对激光入射口方向。吸收腔的内部侧壁为V型圆环槽结构。吸收腔外部侧壁与导流片的内壁紧密接触，每个导流片上的两面各开两个圆环槽，槽内安装温度传感器，可测量导流片热端和冷端的温度。相邻导流片之间安装有散热片，导流片与散热片同轴装配，导流片与散热片的周围部分置于流水环境中，以提高散热效率。外壳上开孔用于进水和出水，实现水冷散热。该激光功率探测器可提高功率测量的准确性和稳定性，并提高激光损伤阈值，降低探测器损伤风险。

Description

一种基于双表面测温的激光功率探测器

技术领域

本发明属于激光辐射参数测量技术领域，涉及激光功率测量装置，尤其是一种高功率激光功率探测器。

背景技术

随着激光技术的快速发展，激光器的输出功率不断提高，如近年来发展最快的光纤激光器，单模块输出功率已达到万瓦以上，多模激光输出功率突破100kW。基于高功率激光的工业加工设备得到广泛应用，进而推动激光技术更快发展。随着激光功率水平的提高，需要配备相应的激光功率测量设备，进行性能监测和评估。目前的高功率激光功率计普遍采用量热的方法进行激光功率测量，但在测量准确度和抗激光损伤方面无法满足当前高功率激光的测量要求。一方面，现有激光功率计大部分是通过测量吸收体某一表面的温度实现激光功率的测量，这种测温方式获得的温度值与吸收体的实际温度变化存在较大差异，而且很容易发生温漂，测温误差较大。此外，现有激光功率计对入射激光的扩束比较低，吸收面上的激光功率密度分布不均匀，导致抗激光损伤能力差，测量过程中被激光打坏的概率非常大。

因此，非常有必要开发一种新型激光功率探测器，提高其测量准确度和抗激光损伤能力，以更好地满足当前高功率激光的测量需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种新型激光功率探测器，测量准确性高，性能稳定，激光损伤阈值高。

本发明的技术方案如下：

一种基于双表面测温的激光功率探测器，采用多个热流传导片(简称“导流片”)，并基于双表面测温方式进行温度测量。所述激光功率探测器包括反射锥、吸收腔、导流片、散热片、温度传感器、外壳等部分。所述反射锥安装于所述吸收腔内部，所述吸收腔外部侧壁安装所述导流片，每个所述导流片的前后两面各设置两组所述温度传感器。相邻的所述导流片之间安装所述散热片。所述反射锥、所述吸收腔、所述导流片、所述散热片、所述温度传感器置于所述外壳内部。

具体地，所述反射锥安装于所述吸收腔的底部位置，锥尖正对所述激光功率探测器的激光入射口方向，用于将入射激光反射至所述吸收腔的内壁上。所述反射锥的侧面镀高反射率膜层，以提高对待测激光的反射率，降低对激光的吸收。

所述吸收腔的内壁包含一系列V型圆环槽结构，用于吸收从所述反射锥反射至所述吸收腔内壁的光束，并转化为热能。所述V型圆环槽的作用是增大光吸收面积，降低激光功率密度，从而提高激光功率计的抗激光损伤能力。所述吸收腔内壁通过表面处理工艺提高其吸收率，实现对激光的均匀吸收。所述反射锥安装于所述吸收腔的一端内部。

所述导流片的作用是通过其上安装的温度传感器进行内部温度的测量。在热流传导过程中，所述导流片吸收所述吸收腔的热量并将其传导至温度传感器。所述导流片的前后两个面上各加工两个环形凹槽，其中靠近吸收腔一侧的环形凹槽为热端，远离吸收腔一侧的环形凹槽为冷端。每个环形凹槽内安装多个温度传感器，实现热端与冷端温度差的测量。这种通过导流片的前后两个表面进行激光功率探测器温差测量的方法即双表面测温法。所述激光功率探测器可包含多个所述导流片。将所有导流片上距离所述吸收腔较近的凹槽中的所有温度传感器串联为一组，用于测量热端的温度；距离所述吸收腔较远的所有温度传感器串联为一组，用于测量冷端温度。根据热端和冷端的温度差，通过进一步计算分析，可获得待测激光的功率。所述导流片的中间部分为圆柱形的孔，孔的内壁与所述吸收腔的圆柱形外壁紧密贴合，以减小热阻。导流片的周围部分加工成梳齿形状，以增大散热面积。为了提高温度测量准确性，所述导流片的数量可以为两个或两个以上。

所述导流片、所述散热片和所述吸收腔同轴装配。所述散热片与所述吸收腔无直接接触。

所述导流片和所述散热片周围部分置于流水环境中，以提高散热效率。

所述外壳可包含前外壳和后外壳，所述前外壳中心区域开孔，作为激光入射口。所述后外壳开孔，作为电气线缆的穿线孔，或用于安装电气接口。所述外壳的侧壁还设置进水口和出水口，用于实现水冷散热。

所述导流片、所述散热片、所述外壳相互接触的位置开槽并安装密封胶圈，实现密封防水。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1.本发明采用多个导流片进行温度的测量，且每个导流片的前后两个面上均设置两组温度传感器，通过双表面测温原理，实现吸收体的实时温度测量。由于热流的分布是不均匀的，通过这种多个导流片的双表面测温方式，与常规的仅测量单一表面温度的方法相比，测量准确度更高，性能更加稳定。

2.本发明采用具有V型圆环槽结构的吸收腔进行激光的扩束和吸收，可显著降低激光功率密度，提高探测器的抗激光损伤能力。

附图说明

图1是本发明实施例的激光功率探测器的外形结构图；

图2是本发明实施例的激光功率探测器的内部结构图；

图3是本发明实施例的导流片结构示意图一；

图4是本发明实施例的导流片结构示意图二。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明进行详细说明。

参照图1和图2所示，本实施例的一种基于双表面测温的激光功率探测器包括：反射锥1、吸收腔2、导流片3、散热片4、外壳5、进水口10、出水口11等。

本实施例采用反射吸收测量原理进行激光功率测量，即入射激光通过激光功率探测器的入射口6，照射在反射锥1上，经反射锥1反射到吸收腔2的内壁，经过吸收腔2内壁的V型槽多次反射吸收，将激光能量转化为热能，并传导至导流片3。导流片3上分布有多个温度传感器，可测量出导流片3上温度的变化。当温度达到平衡时，根据测得的温差，可计算出入射激光功率。

本实施例中的反射锥1采用纯铜加工而成，侧面为圆锥形，表面镀金，以提高对待测激光的反射率。

吸收腔2采用纯铜加工而成，外形为圆柱形，内壁加工成一系列V型圆环槽21，V型圆环槽21开口角度在30°～50°之间，V型圆环槽21通过表面处理工艺，将反射率控制在50％～90％范围内。

所述激光功率探测器包含3个导流片3。导流片3与吸收腔2的外壁紧密贴合，二者可通过过盈配合的方式进行装配，使二者接触紧密，减小热阻；也可采用高热导率材料填充的方式来组装，同样可以减小热阻，提高响应速度。导流片3采用纯铜材料加工而成，导流片前后两面各开2个环形凹槽，如图3和图4所示，其中，801和802分别为导流片前面热端和冷端，803和804分别为导流片后面的热端和冷端。环形凹槽内安装温度传感器。温度传感器通过耐高温导热胶进行粘贴固定。通过这种双表面测温方式，可对热量传导过程中导流片分别靠近热端和冷端的温度进行测量，并根据热端与冷端的温度差计算得到待测激光功率。导流片3的周围部分加工成梳齿形状，以增大散热面积。

所述激光功率探测器包含2个散热片4，散热片4采用铜或者铝材料加工而成。散热片4与导热片3紧密接触，与吸收腔2无直接接触。散热片4的周围部分加工成梳齿形状，以增大散热面积。

所述激光功率探测器还包含外壳5，外壳可采用铝合金加工而成，包含前外壳51和后外壳52两部分。前外壳51中间开孔，作为激光入射口6。后外壳中间开孔，作为穿线孔7，用于将温度传感器的引线穿出，并通过接线端子与负责控制和显示的仪表连接，也可与计算机系统进行连接。前外壳51和后外壳52分别开槽9，用于安装密封圈，避免冷却水进入所述激光功率探测器内部或从外壳连接处漏出。

所述激光功率探测器的工作过程如下：

将所述激光功率探测器的入射口6对准待测激光，激光通过入射口6照射在所述反射锥1上，经所述反射锥1反射到所述吸收腔2的内壁上。所述吸收腔2的内壁V型圆环槽21对激光进行多次反射和吸收，从而使激光能量可被吸收腔2内壁更加均匀地吸收，降低了局部的功率密度。所述吸收腔2内壁吸收激光能量后，转化为热量，并沿着吸收腔2的径向传导至所述导流片3，并继续沿着导流片3的径向传导。热流传导的过程中，引起导流片3温度的变化，该温度信号由导流片3上多个温度传感器进行采集，并传输至与之相连的外部负责控制和显示的仪表或者计算机系统。当温度达到平衡时，根据测得的温差，通过进一步的计算处理，得到待测激光功率值。

本实施例中，进水口10可与外部冷却水连接，冷却水进入探测器内部后，流经导流片3和散热片4，带走其产生的热量，并经出水口11排出。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (7)

1.一种基于双表面测温的激光功率探测器，其特征在于，包括反射锥、吸收腔、导流片、散热片、温度传感器、外壳；所述反射锥安装于所述吸收腔内部，所述吸收腔外部侧壁安装多个所述导流片，所述导流片的中间部分为圆柱形的孔，孔的内壁与所述吸收腔的圆柱形外壁紧密贴合，每个所述导流片的两面各开两个环形凹槽，所述环形凹槽围绕所述孔开设，其中靠近吸收腔一侧的环形凹槽为热端，远离吸收腔一侧的环形凹槽为冷端，每个环形凹槽内安装多个所述温度传感器；将所有导流片上距离所述吸收腔较近的凹槽中的所有温度传感器串联为一组，用于测量热端的温度；距离所述吸收腔较远的所有温度传感器串联为一组，用于测量冷端温度；所述导流片之间安装所述散热片；所述吸收腔的内壁包含V型圆环槽结构，用于吸收从所述反射锥反射至所述吸收腔内壁的光束；所述反射锥、所述吸收腔、所述导流片、所述散热片、所述温度传感器置于所述外壳内部。

2.根据权利要求1所述的一种激光功率探测器，其特征在于，所述反射锥安装于所述吸收腔的底部位置，锥尖正对所述激光功率探测器的激光入射口方向，用于将入射激光反射至所述吸收腔的内壁上。

3.根据权利要求1所述的一种激光功率探测器，其特征在于，所述吸收腔的外壁与所述导流片的内壁紧密贴合。

4.根据权利要求1所述的一种激光功率探测器，其特征在于，所述导流片、所述散热片和所述吸收腔同轴装配；所述散热片与所述吸收腔无直接接触。

5.根据权利要求1所述的一种激光功率探测器，其特征在于，所述导流片和所述散热片周围部分置于流水环境中，以提高散热效率。

6.根据权利要求1所述的一种激光功率探测器，其特征在于，所述外壳包含前外壳和后外壳，所述前外壳中心区域开孔，作为激光入射口；所述后外壳开孔，作为电气线缆的穿线孔，或用于安装电气接口；所述外壳的侧壁还设置进水口和出水口，用于实现水冷散热。

7.根据权利要求1所述的一种激光功率探测器，其特征在于，所述导流片、所述散热片、所述外壳相互接触的位置开槽并安装密封胶圈，实现密封防水。