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CN114414212B - 一种便携式激光光束质量β因子测试装置 - Google Patents

一种便携式激光光束质量β因子测试装置 Download PDF

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CN114414212B CN202111583285.2A CN202111583285A CN114414212B CN 114414212 B CN114414212 B CN 114414212B CN 202111583285 A CN202111583285 A CN 202111583285A CN 114414212 B CN114414212 B CN 114414212B
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Abstract

本发明涉及一种便携式激光光束质量β因子测试装置,该装置包括沿被测激光光路方向依次设置的:能量衰减模块A:用以将高能量的被测激光进行能量衰减和光路调节后精确发送到能量衰减模块B中;能量衰减模块B:用以通过可更换的安装在安装支架上的衰减片进行进一步的衰减,并将进一步衰减后的被测激光输出到β检测模块中;β检测模块:用以实时检测输入激光的光斑图片,在获取灰度信息后得到光束质量β因子。与现有技术相比,本发明具有模块化、标准化、检测准确实时、操作简单等优点。

Description

一种便携式激光光束质量β因子测试装置
技术领域
本发明涉及激光技术领域,尤其是涉及一种便携式激光光束质量β因子测试装置。
背景技术
自第一台红宝石激光器诞生以来,激光技术一直处于飞速发展中,各类激光器也相继问世,激光不仅在医疗、通信、材料加工、激光焊接等工业领域有着广泛的应用,在军事上更是有着不可替代的应用前景。
近年来,很多发达国家正大力发展高能激光光源,高能激光光源具有很多优点,如具有轻量化、高效、低成本等突出特点,在军事上扮演着非常重要的作用,高能激光光源最重要的评价参数是光束质量,其指标的优劣直接影响目标上的光斑能量密度和作用时间,进而影响打击目标的距离和毁伤效果,目前定义激光光束质量的方法有很多,其中,β因子和M2最能够反应光束质量的实质,能够反应光强的空间分布,目前这两种方法也被广泛的使用。
目前市面上的光束质量仪采用的技术基本上是利用CCD、刀口和狭缝等设备进行的光束轮廓测量,最重要两点是聚焦光束测量和准直激光测量,经过多次测量获取光束质量的精确值,但是这类仪器光束质量检测时间较长,接近两分钟,不能实时动态检测,这样的测量方法对于低功率,测量较为准确;对于高功率,由于热效应的影响,不同时刻对应光束质量是不一样的,因此,尤其需要能够实时动态检测光束质量的设备。
目前采用β因子检测高能激光光束质量的装置基本上没有出现,研究工作主要集中在分析影响β因子原因以及如何改善提高β因子计算的准确性,如王艳茹的文献高能激光光束质量β因子的影响因素分析;也有研究光束质量β因子的校准测量系统,如中国专利CN104977156A公开的一种用于CCD远场法光束质量β因子测量的校准系统;以及中国专利CN108871559A公开的一种光束质量β因子测量系统的校准方法等,而目前能查到的光束质量的检测方法或装置,基本都是基于M2工作原理,通过先对激光进行聚焦,然后连续变焦,在变焦过程中进行采集和计算光束质量,但是这样的方法实现不了实时监测检测光束质量,且自行设计并搭建系统测试工装,一般不具备标准化,方法杂乱,体积庞大,成本非常高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种便携式激光光束质量β因子测试装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种便携式激光光束质量β因子测试装置,该装置包括沿被测激光光路方向依次设置的:
能量衰减模块A:用以将高能量的被测激光进行能量衰减和光路调节后精确发送到能量衰减模块B中;
能量衰减模块B:用以通过可更换的安装在安装支架上的衰减片进行进一步的衰减,并将进一步衰减后的被测激光输出到β检测模块中;
β检测模块:用以实时检测输入激光的光斑图片,在获取灰度信息后得到光束质量β因子。
所述的能量衰减模块A包括安装平台以及分别沿光路设置在安装平台上的多组发射吸收单元和调节组件,所述的多组发射吸收单元和调节组件均处于同一中心高。
每组发射吸收单元均由相互配合的高能反射组件和吸收体构成,所述的高能反射组件由高能反射镜和调整架构成,用以根据被测激光的波段去镀膜,将被测激光的绝大部分能量反射到对应的吸收体中,所述的高能反射组件的个数取决于被测激光能量的高低、反射膜能够承受的损伤阈值以及透镜的热变形。
所述的调节组件由反射镜以及用以调节反射镜的俯仰和倾斜角度的调整架构成,用以保证被测激光快速精确的调试到β检测模块中。
所述的吸收体由高热导率及高换热系数的金属材料加工而成,包括铝合金、和紫铜。
所述的吸收体与安装平台之间设有隔热垫,用以防止受热传导安装平台上,影响测量数据,所述的隔热垫采用聚四氟乙烯或POM的绝热材料制成。
所述的β检测模块包括计算机、平台以及设置在平台上的聚焦镜、与计算机通过串口通信的检测相机、分束器和全反镜,进一步衰减后的被测激光依次通过聚焦镜、分束器和全反镜后聚焦于检测相机上,所述的检测相机采集到被测激光的光斑图片,得到能量灰度信息发送给计算机进行实时处理得到被测激光的远场发散角与参考的衍射极限角的比值或被测光束远场光束直径与参考光束衍射极限角对应的远场光束直径的比值,即光束质量β因子,其表达式为:
Figure GDA0004194275060000031
其中,αu,real为被测光束远场发散角,αu,ref为参考光束衍射极限角,du,real为桶中功率比,即被测光束远场光束直径或宽度,du,ref为参考光束衍射极限角对应的远场光束直径或宽度。
所述的聚焦透镜通过二维调整架和一维直线位移台实现可移动控制功能,其中,二维调整架用以调节聚焦透镜的俯仰和旋转运动,一维直线位移台用以调节聚焦透镜的前后距离,从而调节β焦距,保证像点准确聚焦到检测相机的像面上,所述的一维直线位移台由滑轨与滑块组成。
所述的能量衰减模块B与β检测模块采用分体式设计或集成为作为标准模块的光束质量β因子检测模块。
该装置的应用包括激光光束质量实时检测、激光系统的便捷装调、多路激光合束的装调以及集成导激光系统中作为光束质量反馈模块。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
本发明提出了基于计算机编程实现的一种实时动态检测激光光束质量β因子装置,根据该装置,能够方便激光系统的装调,也能实时检测激光光束质量β因子,该装置为激光光束质量检测提供了模块化标准化检测仪器。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为能量衰减模块A的结构示意图。
图3为能量衰减模块B的结构示意图。
图4为β检测模块的结构示意图。
图5为将衰减模块B与β检测模块集成在一起的结构。
图中标记说明
1、被测激光,2、能量衰减模块A,3、能量衰减模块B,4、β检测模块,5、安装平台,6、高能反射组件a,7、高能反射组件b,8、吸收体a,9、吸收体b,10、调节组件,11、安装支架,12、衰减片,13、平台,14、聚焦镜,15、检测相机,16、计算机,17、分束器,18、全反镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种基于计算机编程实现的高功率激光器的便携式激光光束质量β因子实时测试装置,用以动态实时监测系统β因子,便于激光系统的装调;并且作为系统光束质量的监测反馈,从而实时动态调节;也可以作为标准化光束质量β因子的检测仪器,该装置基于计算机语言编程与相机通过串口连接,实现上位机界面,操作简单,灵活控制,能够实时精确检测激光光束β因子,该装置具备重量轻、体积非常小,成本低,便于携带,不仅能够在实验室使用,且容易集成到系统中,实现更多的检测与实验功能。
实施例1
本发明依据对高能激光光源仪器或设备特点实验与分析,对其光束质量检测方法进行了深入研究,提出了基于计算机编程实现的一种实时动态检测激光光束质量β因子的装置,如图1所示。
该装置整体包括三大模块,即:能量衰减模块A2、能量衰减模块B3和β检测模块4,该装置主要应用于激光光束质量的检测、激光系统的便捷装调、多路激光合束的装调以及集成导激光系统中作为光束质量反馈模块等。
该装置的β测试基本原理具体为:
光束质量β因子,即被测光束的远场发散角与参考的衍射极限角的比值,基于计算机语言程序与β测试装置中的相机进行串口相连接,实现上位机操作,灵活控制,实时动态检测光束质量。
该装置的工作过程如下:
被测激光1经过能量衰减模块A2和能量衰减模块B3后,衰减到微弱的能量,进入β检测模块4,从而实现实时动态光束质量β因子的检测。
如图2所示,能量衰减模块A2具备衰减能量的功能,使得高能激光大部分能量反射到吸收体当中,使输出的微弱光进入β检测模块4内,防止β检测模块4,该模块还具备调节被测光路功能,用以使被测激光1精准调试进入β检测模块4内,安装平台5的作用主要是将各个组件集成在一起,且处于同一中心高;高能反射组件a6和高能反射组件b7主要是由高能反射镜和调整架构成,用以将绝大部分能量分别反射到吸收体a8和吸收体b9中,高能反射组件用的个数主要取决能量的高低、反射膜能够承受的损伤阈值以及透镜的热变形等参数,高能反射镜根据被测激光1的波段去镀膜,使得绝大部分能量反射到吸收体上,且调整架主要便于将被测光束调试到吸收体中去;吸收体a8和吸收体b9是由高热导率及高换热系数的金属材料加工而成,如铝合金、紫铜等材料均可,且吸收体安装到平台上面必须具有隔热作用,防止受热传导安装平台5上,影响其测量数据,吸收体和安装平台5之间通过隔热垫相连接,(隔热垫采用如聚四氟乙烯、POM等绝热材料制成);调节组件10主要由反射镜与调整架构成,具备调节反射镜的俯仰和倾斜功能,用以保证被测光束快速精确的调试到β检测模块4中。
如图3所示,能量衰减模块B3具备精确衰减能量的功能,且具备可调节功能,主要由衰减片12和安装支架11构成,其中,安装支架11可选择或设计成自动切换形式便于更换衰减片12。
能量衰减模块A2根据需要选择适当的反射镜,高能反射组件的反射率一般为99%~99.9%,主要根据现有光学镀膜技术水平镀高反膜以及β检测模块4能够承受的能量(一般为μW或mW级别),如被测激光1的激光功率为1000W,衰减模块A2需要衰减10-6倍,输出能量为1mW,再经过能量衰减模块B3衰减10-1~10-3倍,能量衰减模块B3主要通过吸收型衰减片或者反射型衰减片实现,最终保证到达β检测模块4的激光能量在μW或mW级别。
如图4所示,β检测模块4主要作用是动态实时检测光束质量β因子的变化,主要由平台13、聚焦镜14、检测相机15、计算机16、分束器17及全反镜18构成,被测激光1通过聚焦镜14、分束器17及全反镜18后将入射的被测激光1聚焦到检测相机15上,通过检测相机15采集到被测激光1的光斑图片,得到能量灰度信息,计算机16与检测相机15通过串口相连接,利用编程算法对光斑进行实时处理,得到光束质量β因子,即被测光束远场发散角与参考光束的衍射极限角的比值或被测光束远场光束直径与参考光束衍射极限角对应的远场光束直径的比值,具体公式为:
Figure GDA0004194275060000061
式中,αu,real为被测光束远场发散角,内含桶中功率比与参考光束衍射极限角内桶中功率比相等;αu,ref为参考光束衍射极限角,桶中功率比du,real为被测光束远场光束直径或宽度,内含桶中功率比与参考光束衍射极限角内桶中功率比相等;du,ref为参考光束衍射极限角对应的远场光束直径或宽度,编程算法则基于以上公式理论实现计算。
平台13是将整个β检测模块4的元件集成到一起,便于调试与搬运;聚焦镜14具备可移动控制功能,便于本发明装置的校准测试,聚焦透镜14通过二维调整架以及一维直线位移台实现可移动控制功能,其中,二维调整架用以调节聚焦透镜14的俯仰和旋转运动,一维直线位移台用以调节聚焦透镜14的前后距离,从而调节β焦距,保证像点准确聚焦到检测相机15的像面上,本例中,一维直线位移台由滑轨与滑块组成。
检测相机15具有能够接收激光的波段即可;分束器17主要将被测激光1分束到全反镜18上,再返回到分束器17上,再由分束器17反射到检测相机15上,完成聚焦作用,这样在增加焦距的同时,不增加装置的体积,全反镜18用以将被测光全部反射回去,实现光束的全反射。
实施例2
在本实施例中,将能量衰减模块B3与β检测模块4集成在一起形成新的光束质量β因子检测模块,该模块轻便小巧,集成化高,可以作为标准的检测β因子的仪器,如图5所示,其工作过程与实施例1相同。

Claims (4)

1.一种便携式激光光束质量β因子测试装置,其特征在于,该装置包括沿被测激光光路方向依次设置的:
能量衰减模块A(2):用以将高能量的被测激光(1)进行能量衰减和光路调节后精确发送到能量衰减模块B(3)中;
能量衰减模块B(3):用以通过可更换的安装在安装支架(11)上的衰减片(12)进行进一步的衰减,并将进一步衰减后的被测激光(1)输出到β检测模块(4)中;
β检测模块(4):用以实时检测输入激光的光斑图片,在获取灰度信息后得到光束质量β因子;
所述的能量衰减模块A(2)包括安装平台(5)以及分别沿光路设置在安装平台(5)上的多组发射吸收单元和调节组件(10),所述的多组发射吸收单元和调节组件(10)均处于同一中心高;
每组发射吸收单元均由相互配合的高能反射组件和吸收体构成,所述的高能反射组件由高能反射镜和调整架构成,用以根据被测激光(1)的波段去镀膜,将被测激光(1)的绝大部分能量反射到对应的吸收体中,所述的高能反射组件的个数取决于被测激光(1)能量的高低、反射膜能够承受的损伤阈值以及透镜的热变形;
所述的吸收体与安装平台(5)之间设有隔热垫,用以防止受热传导安装平台(5)上,影响测量数据,所述的隔热垫采用聚四氟乙烯或POM的绝热材料制成;
所述的β检测模块(4)包括计算机(16)、平台(13)以及设置在平台(13)上的聚焦镜(14)、与计算机(16)通过串口通信的检测相机(15)、分束器(17)和全反镜(18),进一步衰减后的被测激光(1)依次通过聚焦镜(14)、分束器(17)和全反镜(18)后聚焦于检测相机(15)上,所述的检测相机(15)采集到被测激光(1)的光斑图片,得到能量灰度信息发送给计算机(16)进行实时处理得到被测激光(1)的远场发散角与参考的衍射极限角的比值或被测光束远场光束直径与参考光束衍射极限角对应的远场光束直径的比值,即光束质量β因子,其表达式为:
Figure QLYQS_1
其中,αu,real为被测光束远场发散角,αu,ref为参考光束衍射极限角,du,real为桶中功率比,即被测光束远场光束直径或宽度,du,ref为参考光束衍射极限角对应的远场光束直径或宽度;
所述的聚焦镜(14)通过二维调整架和一维直线位移台实现可移动控制功能,其中,二维调整架用以调节聚焦镜(14)的俯仰和旋转运动,一维直线位移台用以调节聚焦镜(14)的前后距离,从而调节β焦距,保证像点准确聚焦到检测相机(15)的像面上,所述的一维直线位移台由滑轨与滑块组成;
所述的能量衰减模块B(3)与β检测模块(4)采用分体式设计或集成为作为标准模块的光束质量β因子检测模块。
2.根据权利要求1所述的一种便携式激光光束质量β因子测试装置,其特征在于,所述的调节组件(10)由反射镜以及用以调节反射镜的俯仰和倾斜角度的调整架构成,用以保证被测激光(1)快速精确的调试到β检测模块(4)中。
3.根据权利要求1所述的一种便携式激光光束质量β因子测试装置,其特征在于,所述的吸收体由高热导率及高换热系数的金属材料加工而成,包括铝合金、和紫铜。
4.根据权利要求1所述的一种便携式激光光束质量β因子测试装置,其特征在于,该装置的应用包括激光光束质量实时检测、激光系统的便捷装调、多路激光合束的装调以及集成导激光系统中作为光束质量反馈模块。
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