CN115901019A - 一种立体测温吸收腔型激光功率探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种立体测温吸收腔型激光功率探测器，采用立体测温元件测量吸收腔表面和内部温度分布，实现激光功率的精确测量。包括反射锥、吸收腔、立体测温组件、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。吸收腔的有平滑圆柱形或V型圆环槽的结构形式，内壁表面具有高吸收率、导热性能良好且耐高温涂层。吸收腔上分布着一系列通孔，通孔中安装立体测温组件。吸收腔外围加工成散热片结构，置于流水环境中。外壳上开孔用于进水和出水，实现水冷散热。该激光功率探测器不仅可以提高功率测量的空间均匀性和准确性，而且便于安装集成。

Description

一种立体测温吸收腔型激光功率探测器

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，但在空间均匀性方面性能较差，表现为当采用不同尺寸的激光束照射时，测量得到的功率值差异较大。这是由于现有激光功率计大部分是通过反射锥将入射激光反射到吸收腔内壁上，通过测量吸收腔端面的温升来实现激光功率的测量。而由于不同尺寸的激光束被反射锥反射后，在吸收腔内壁上的分布是不同的，在一定时间内测得的吸收体的端面温升也会不同，从而导致较大的测量误差。

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，测量均匀性好，准确度高，性能稳定。

本发明的技术方案如下：

一种立体测温吸收腔型激光功率探测器，通过测温元件测量吸收腔内部的温度变化，实现激光功率的测量。所述激光功率探测器包括反射锥、吸收腔、立体测温组件、外壳等部分。所述反射锥安装于所述吸收腔的底部。所述立体测温组件环状分布于所述吸收腔内部。所述吸收腔外围加工成散热片结构。所述反射锥、所述吸收腔、所述测温元件置于所述外壳内部。

具体地，所述反射锥安装于所述吸收腔底部位置，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。所述反射锥的表面镀高反射率膜层，以大幅提高对待测激光的反射率，将待测激光反射至所述吸收腔内壁并被吸收。

所述吸收腔的内壁可采用两种结构，一种是平滑圆柱形，另一种包含一系列V型圆环槽结构。上述两种吸收腔内壁结构都可用于吸收从所述反射锥反射的光束，并转化为热能。与所述平滑圆柱形内壁相比，所述V型圆环槽结构可以增大光吸收面积，降低激光功率密度，从而提高激光功率探测器的抗激光损伤能力。所述吸收腔内壁通过表面处理工艺提高其对激光的吸收率，实现对激光的均匀吸收。

所述吸收腔绕其中心对称轴均匀分布一系列通孔，用于安装所述测温元件。其中，靠近吸收腔内壁的测温元件用于测量热端温度，靠近吸收腔外部散热片的测温元件用于测量冷端温度。为了实现立体测温，即获得吸收体表面和内部不同位置处的温度分布，将所述测温元件每N个(N≥3)组成一组，贴附于所述吸收腔的通孔中。可采用下述三种方式进行测温元件的安装贴附：

第一种，在吸收腔上加工M个沿圆周均匀分布的通孔，连通热端和冷端，先将测温元件每N个串联为一组，分别贴附在靠近热端和靠近冷端的通孔内壁上。

第二种，在吸收腔的热端圆环和冷端圆环位置分别加工M个沿圆周均匀分布的独立通孔，先将测温元件每N个串联为一组，分别贴附在热端通孔一侧内壁、冷端通孔一侧内壁上。

第三种，在吸收腔上加工M个沿圆周均匀分布的通孔，连通热端和冷端，再加工M个与所述通孔形状和尺寸匹配的导热块。先将测温元件每N个串联为一组，在每个所述导热块的热端端面和冷端端面分别贴附一组所述N个测温元件的组合，即每个导热块分别贴附2组测温元件，形成立体测温组件。将M个所述立体测温组件分别插入所述M个通孔中，并用导热胶进行粘贴固化。

所述吸收腔的外围加工成散热片结构，置于流水环境中，以提高散热效率。

所述热端测温元件可以全部串联起来，也可以根据实际需要分组串联。所述冷端测温元件可以全部串联起来，也可以根据实际需要分组串联。根据热端测温元件和冷端测温元件测量得到的温度差，来计算待测激光的功率。

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。

所述吸收腔、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.本发明采用多组立体测温元件进行温度的测量，不仅可以测量吸收腔体表面的温度，还可以测量吸收腔体内部的温度，因此本发明能够更准确测量得到吸收腔体的整体温度分布。与常规的仅测量表面温度的技术相比，测量均匀性更好，准确度更高。

2.本发明提出立体测温元件多种安装贴附方式，使该方案更易于实现，并提高集成安装效率。

附图说明

图1是本发明实施例一～三的激光功率探测器的外形结构图；

图2是本发明实施例一～三中平滑内壁吸收腔型激光功率探测器的内部结构图；

图3是本发明实施例一～三中V型槽内壁吸收腔型激光功率探测器内部结构图；

图4是本发明实施例一的吸收腔结构示意图。

图5是本发明实施例二的吸收腔结构示意图。

图6是本发明实施例一和实施例二的测温元件组示意图。

图7是本发明实施例三的吸收腔结构示意图。

图8是本发明实施例三的立体测温组件示意图。

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。

实施例一：

参照图1～4和图6所示，本实施例的一种立体测温吸收腔型激光功率探测器包括：反射锥1、吸收腔2、立体测温组件3、外壳5、进水口9、出水口10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的内壁上，内壁有两种结构，图2所示为平滑内壁吸收腔，内壁201为平滑圆柱形结构，其表面通过喷涂特殊材料或化学方法，形成具有高吸收率、良好导热性和耐高温的吸收涂层。图3所示为V型槽内壁吸收腔，内壁202为V型圆环槽结构，可使经反射锥反射到内壁的激光在V型槽中经过多次反射而被吸收，从而进一步降低功率密度。其表面同样通过喷涂特殊材料或化学方法，形成具有高吸收率、良好导热性和耐高温的吸收涂层。

图4所示为本实施例吸收腔结构示意图。所述吸收腔上包含M个沿圆周方向均匀分布的通孔400，连通热端和冷端，先将测温元件每N个(N≥3)串联为一组，分别贴附在靠近热端和靠近冷端的通孔内壁上，形成立体测温组件3。所述吸收腔吸收激光能量后，将其转化为热能，并传导至所述立体测温组件3。所述立体测温组件3上分布的多个温度传感器，可测量出吸收腔2的表面和内部温度变化。测温元件数目N越大，则测得的腔体内部温度越准确。当温度达到平衡时，根据测得的热端和冷端温差，可计算出入射激光功率。

本实施例一中的所述反射锥1采用纯铜加工而成，侧面为圆锥形，表面镀金，以提高对激光的反射率。

所述吸收腔2采用纯铜加工而成，其内壁可吸收来自所述反射锥1的反射光，并转化为热量向外围传导。在所述吸收腔2的前后两个端面各加工两个圆环槽211和212，分别用于容纳热端和冷端温度传感器的导线。所述吸收腔2的外围加工成梳状散热片结构221，并置于流水环境中，以提高散热效率。

所述立体测温组件3结构如图6所示，由N个测温元件(温度传感器)301串联而成，将M个所述立体测温组件3依次贴附到所述吸收腔的M个通孔400靠近热端和靠近冷端的通孔内壁上，并采用导热胶进行粘贴和固化，从而可以测量吸收腔热端和冷端的温度变化。根据测得的热端和冷端的温差，就可以计算得到待测激光功率。

所述立体测温吸收腔型激光功率探测器还包含外壳5，包含前外壳501和后外壳502两部分。前外壳501中间开孔，作为激光入射口6。后外壳侧面开孔，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501和后外壳502分别开槽8，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。

所述立体测温吸收腔型激光功率探测器的工作过程如下：

将所述立体测温吸收腔型激光功率探测器的入射口6对准待测激光，激光通过所述入射口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201(或202)上，激光能量被所述吸收腔2的内壁吸收并转化为热量，沿着所述吸收腔2的径向向外传导。热流传导过程中，引起吸收腔体温度的变化，该温度分布由立体测温组件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，根据测得的热端和冷端温差，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9可与外部冷却水连接，冷却水进入探测器内部后，流经所述吸收腔2的外围散热片221，带走其产生的热量，并经出水口10排出。

实施例二：

参照图1～3、图5～6所示，本实施例的一种立体测温吸收腔型激光功率探测器包括：反射锥1、吸收腔2、立体测温组件3、外壳5、进水口9、出水口10等。

其工作原理与前述实施例一基本相同，主要区别在于，所述吸收腔2上用于贴附所述立体测温组件3的通孔结构不同。图5所示为本实施例中所述吸收腔2的结构示意图，其包含M个沿圆周均匀分布的热端通孔401和M个沿圆周均匀分布的冷端通孔402，且热端通孔401和冷端通孔402沿径向对齐分布。图6所示为立体测温组件3，由N个测温元件(温度传感器)串联而成。将M个所述立体测温组件3依次贴附在所述M个热端通孔401的一侧端面上，并将M个所述立体测温组件3依次贴附在所述M个冷端通孔402的一侧端面上，所述立体测温组件3采用导热胶进行粘贴和固化于所述吸收腔通孔中。

实施例三：

参照图1～3、图7～8所示，本实施例的一种立体测温吸收腔型激光功率探测器包括：反射锥1、吸收腔2、立体测温组件3、外壳5、进水口9、出水口10等。

其工作原理与前述实施例一基本相同，主要区别在于，所述立体测温组件3的结构不同。本实施例中，所述吸收腔2同样包含M个连通热端和冷端的沿圆周方向均匀分布的通孔400，而所述立体测温组件3的结构如图8所示，包含一个铜导热块302和两组测温元件301，所述铜导热块302的形状和尺寸与所述通孔400匹配，两组测温元件分别由N个测温传感器串联而成，并采用导热胶分别贴附在所述铜导热块302的靠近热端和冷端的端面上。进一步采用导热胶将M个所述立体测温组件3依次贴附和固化于所述吸收腔2的M个所述通孔400中。

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 (8)

1.一种立体测温吸收腔型激光功率探测器，其特征在于，包括反射锥、吸收腔、立体测温组件、外壳；所述反射锥安装于所述吸收腔底部；所述立体测温组件环状分布于吸收腔内部；所述吸收腔的内壁有平滑圆柱形或V型圆环槽的结构形式，内壁表面具有高吸收率、导热性能良好且耐高温涂层，用于吸收从所述反射锥反射至所述吸收腔内壁的激光束；所述吸收腔与所述立体测温组件的集成方式包括以下三种：

第一种，所述吸收腔上包含M个沿圆周均匀分布的通孔，连通热端和冷端，将所述立体测温组件依次贴附在通孔靠近热端和靠近冷端的内壁上，立体测温组件由N个测温传感器串联而成，N≥3；

第二种，所述吸收腔的热端圆环和冷端圆环位置分别具有M个沿圆周均匀分布的独立通孔，将所述立体测温组件依次贴附在热端通孔一侧内壁和冷端通孔一侧内壁上，立体测温组件由N个测温传感器串联而成，N≥3；

第三种，所述吸收腔上包含M个沿圆周均匀分布的通孔，连通热端和冷端，每个通孔安装一个所述立体测温组件，每个所述立体测温组件包含一个与所述通孔形状和尺寸匹配的导热块以及两组测温元件，两组测温元件分别由N个测温传感器串联而成，N≥3；所述立体测温组件依次插入每个所述通孔中，并用导热胶进行粘贴固化；

所述反射锥、所述吸收腔、所述立体测温组件置于所述外壳内部。

2.根据权利要求1所述的一种立体测温吸收腔型激光功率探测器，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所述的一种立体测温吸收腔型激光功率探测器，其特征在于，所述吸收腔内壁加工成平滑圆柱形结构，内壁表面通过喷涂或化学手段形成高吸收率、导热性能良好且耐高温的吸收层。

4.根据权利要求1所述的一种立体测温吸收腔型激光功率探测器，其特征在于，所述吸收腔内壁加工成V型圆环槽结构，内壁表面通过喷涂或化学手段形成高吸收率、导热性能良好且耐高温的吸收层，以降低激光功率密度，提高抗损伤阈值。

5.根据权利要求1所述的一种立体测温吸收腔型激光功率探测器，其特征在于，所述吸收腔外围具有散热片结构，置于冷却水环境中，以提高散热效率。

6.根据权利要求1所述的一种立体测温吸收腔型激光功率探测器，其特征在于，所述反射锥和所述吸收腔同轴装配。

7.根据权利要求1所述的一种立体测温吸收腔型激光功率探测器，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。

8.根据权利要求1所述的一种立体测温吸收腔型激光功率探测器，其特征在于，所述吸收腔与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。

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