基于激光干涉的高功率激光多参数测量装置

1.本发明属于激光参数测量技术领域，特别是涉及基于激光干涉的高功率激光多参数测量装置与数据处理方法。


背景技术：

2.为了满足不同领域对激光输出参数精确控制的需要，对于激光器的输出特性需要进行能量、频域、时域、空域等多方面的参数测量，比如：激光能量、脉冲波形、脉冲宽度、峰值功率、重复功率、瞬时功率、功率稳定性、光束直径、发散角、椭圆度、横模式、波长、谱线宽度、光束质量因子等，现有的激光参数测量仪器，大多都是对一个或多个相关联的激光参数进行测量，而不能对能量、频域、时域的多个参数进行同时测量，而且现有的激光参数测量装置无法同时探测大功率脉冲或连续激光的能量、功率、频域、时域及空域特性，要获取激光不同域的参数信息，需要采用多种不同的测量装置进行测量，如使用光谱仪对激光的波长、光谱分布等频域相关参数进行测量；使用超快光电探测器与示波器配合对激光的重复频率、脉冲宽度、脉冲稳定性等时域相关参数进行测量；使用能量计探头结合表头对激光功率/能量进行测量，而现有的激光多参数测量装置都是多个不同的测量仪器组成的，这样的选择会导致测量装置的复杂程度提高，无法实现实时在线的检测需求，特别是医用激光的质量控制场景下更难，针对高功率激光的临床应用，如飞秒激光治疗近视，皮秒激光治疗皮肤疾病等场景，对于激光输出特性的监测更为严格，因此提出可靠的激光输出特性实时监测系统是有必要的。
3.如申请号为200610167350.2的激光参数测量装置，包括待测光源、参考光源、成像光靶及图像处理装置，通过待测激光与参考光源的漫反射激光的灰度图像的比值以及参考激光的漫反射激光光斑直接，获取待测激光的相关参数。但该装置所能测量的参数会受硬件设备(图像采集卡)的限制，即测量的参数局限于脉宽、频率等图像相关的参数，并不能全面的检测待测激光的输出特性；
4.如申请号为201010268566.4的激光多参数实时测量装置，该系统由分光装置、各个参数的测量装置、综合处理装置及显示装置组成，完成对待测激光多方面的测量，实现对激光输出特性的全面、高效、实时测量和监控，为激光器的调试和研究提供了更快速、更便捷的测量，但该装置的光路结构复杂且应用场景有限，无法针对高功率激光进行测量，无法在激光工作过程中进行监测；
5.如申请号为201921785821.5的一种多参数测量装置，使用激光传输元件和多种参数测量器件结合可以实现对激光多参数的测量，有效解决了需要采用多种不同装置来测量激光不同域的参数信息的技术问题，实现了在节省器件的基础上，便于测量激光不同域的参数信息的效果，同时也适用于高功率激光。但该装置无法在激光工作场景下对其进行实时监测。
6.本发明的有益效果提供一种基于激光干涉原理的激光多参数测量装置，解决了现有技术中需要使用多种不同的测量仪器来测量激光不同领域参数的问题，提供一种能够同
时测量频域参数中的激光波长；时域参数中的重复频率、脉冲宽度等；空域参数中的光斑尺寸、光束质量因子等；能量功率中的脉冲能量等多个参数的测量装置。该装置能同时对高功率激光的频域、时域、空域、能量/功率以及上述结果计算得出的参数进行测量，实现了对激光光束输出特性的更全面、更便捷的监测，同时不会影响激光的正常使用。


技术实现要素：

7.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
8.本发明的基于激光干涉的高功率激光多参数测量装置，测量装置的内部包含有辐射压力测量模块、光衰减模块、光场分析组件、参考光源组件、干涉系统模块与高速光电探测器；
9.辐射压力测量模块：用于测量待测光源所产生的辐射压力大小，并以此来计算得出激光功率/能量值；
10.光衰减模块：用于衰减待测激光强度以免器件的损伤；
11.光场分析组件：用于激光光场的分析，获取激光空域相关参数；
12.干涉系统：用于激光辐射力形成的反射镜位移的干涉信号的产生；
13.参考光源组件：用于发出激光与干涉系统结合，测量被测激光产生的辐射力作用下的高反射镜的位移，进而得到激光辐射力；
14.高速光电探测器：用于对干涉信号进行时域及频域上的处理，获取激光时域及频域参数。
15.进一步的，所述辐射压力测量模块用于完成待测激光的激光功率/能量的测量，包括：防干扰外壳、透镜光窗、高反射镜及与其连接的弹性元件，其中高反射镜固定在弹性元件上。
16.进一步的，所述高反射镜用于减少激光的热辐射效应。
17.进一步的，所述光衰减模块用于衰减待测激光强度，避免测量元件损坏；所述光衰减模块连接有第二分光镜，所述光衰减模块连接有第三分光镜；
18.进一步的，所述光场分析组件由光束采样器、第一光束吸收模块、第二光束吸收模块以及ccd传感器组成，用于测量待测激光的空域参数。
19.进一步的，所述ccd传感器用于完成待测激光的空域参数的测量，所述光束采样器的输出端与所述ccd传感器的输入端连接；所述ccd传感器的输出端连接有上位机。
20.进一步的，所述参考光源组件由he-ne激光和光隔离器构成，用于发出激光与干涉系统结合，测量被测激光产生的辐射力作用下的高反射镜的位移，进而得到激光辐射力。
21.进一步的，所述光隔离器用于隔离反射光回射至he-ne激光，其与he-ne激光输出端连接。
22.进一步的，所述高速光电探测器用于检测所述干涉部分产生的干涉信号，完成待测激光时域以及频域参数的测量。
23.本发明相对于现有技术包括有以下有益效果：
24.1、本发明基于干涉原理进行激光的多参数测量，降低了光路的复杂程度，高精度干涉测量能保证测量精度，有利于激光多参数测量的模块化设计。
25.2、收益于装置中的采样器及光衰减模块，该装置可承受高能量激光测量的要求，
不易损坏。
26.3、本发明对待测激光进行测量时，能够在激光正常工作的同时，对激光进行实时监测。
27.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明的测量逻辑流程图；
30.图2为本发明实施例提供的激光多参数测量装置的光路示意图。
31.其中，1、待测激光；2、辐射压力测量模块；3、第一分光镜；4、第一光束吸收模块；5、第二分光镜；6、光束采样器；7、第二光束吸收模块；8、ccd传感器；9、光衰减模块；10、第三分光镜；11、光隔离器；12、he-ne激光；13、高速光电探测器；14、第四分光镜；15、第一反射镜；16、上位机信号处理系统。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
33.本发明的基于激光干涉的高功率激光多参数测量装置，测量装置的内部包含有辐射压力测量模块2、光衰减模块8、光场分析组件、参考光源组件、干涉系统模块与高速光电探测器13；
34.辐射压力测量模块2：用于测量待测光源所产生的辐射压力大小，并以此来计算得出激光功率/能量值；
35.光衰减模块9：用于衰减待测激光1强度以免器件的损伤；
36.光场分析组件：用于激光光场的分析，获取激光空域相关参数；
37.干涉系统：用于激光辐射力形成的反射镜位移的干涉信号的产生；
38.参考光源组件：用于发出激光与干涉系统结合，测量被测激光产生的辐射力作用下的高反射镜的位移，进而得到激光辐射力；
39.高速光电探测器13：用于对干涉信号进行时域及频域上的处理，获取激光时域及频域参数。
40.优选的，辐射压力测量模块2用于完成待测激光1的激光功率/能量的测量，包括：防干扰外壳、透镜光窗、高反射镜及与其连接的弹性元件，其中高反射镜固定在弹性元件上。
41.优选的，高反射镜用于减少激光的热辐射效应，套公式其发射率应尽可能高，考虑到材料的限制，可使用直角棱镜替代高反射镜，直角棱镜可实现激光的全反射，最大限度的
减少激光的热辐射效应，降低测量的不确定度。
42.优选的，光衰减模块9用于衰减待测激光1强度，避免测量元件损坏；光衰减模块9连接有第二分光镜5，光衰减模块9连接有第三分光镜10，其是与第三分光镜10的第一输入端相连接，与第二分光镜5的输出端连接。
43.优选的，光场分析组件由光束采样器6、第一光束吸收模块4、第二光束吸收模块7以及ccd传感器8组成，用于测量待测激光1的空域参数，第一光束吸收模块4的一侧设置有第一分光镜3，第一分光镜3的输出端与第一光束吸收模块4的输入端相连接的，第一分光镜3的输入端与第二分光镜5的输入端相连接的。
44.优选的，ccd传感器8用于完成待测激光1的空域参数的测量，光束采样器6的输出端与ccd传感器8的输入端连接；ccd传感器8的输出端连接有上位机。
45.优选的，参考光源组件由he-ne激光12和光隔离器11构成，用于发出激光与干涉系统结合，测量被测激光产生的辐射力作用下的高反射镜的位移，进而得到激光辐射力。
46.优选的，光隔离器11用于隔离反射光回射至he-ne激光12，其与he-ne激光12输出端连接，还与第三分光镜10第二输入端连接，第三分光镜10的一侧设置有第四分光镜14，第三分光镜10的输出端与第四分光镜14的第一输入端相连接的，第四分光镜14的第一输出端与第一反射镜15的输入端相连接的，第四分光镜14的第二输出端与高速光电探测器13的输入端相连接的，第一反射镜15的输出端与第四分光镜14的第二输入端连接。
47.优选的，高速光电探测器13用于检测干涉部分产生的干涉信号，完成待测激光1时域以及频域参数的测量，第三分光镜10的一侧设置有第一反射镜15，第三分光镜10的输出端是与第一反射镜15的输入端连接的，第一反射镜15的输出端与高速光电探测器13的输入端连接的，而高速光电探测器13的一侧设置有上位机信号处理系统16，高速光电探测器13的输出端是与上位机信号处理系统16输入端相连接的，he-ne激光12，第三分光镜10，第四分光镜14以及第一反射镜15组成干涉系统。
48.如图1所示，本发明的测量流程为由光束采样系统获取少量待测激光1，避免高功率激光对装置元件的损伤；测量装置主要指上述干涉系统、上述高速光电探测器13及上述ccd传感器8；经上位机处理及显示，得到能量参数、时域参数、空域参数、频域参数；
49.具体各参数的测量原理如下：
50.1、激光功率/能量测量：被测激光光束首先进入辐射压力测量模块2，用以测量激光的输出能量或瞬时功率，激光辐射压力通过弹性元件转化为位移，再经过由干涉仪系统测量位移量的大小；位移量与辐射力由弹性方程建立线性关系为
51.f＝k
·
x
52.f为激光作用在反射镜上的辐射力，k为辐射力测量模块中弹性元件的弹性模量，x为f作用此弹性模量后，反射镜的位移量。位移量由干涉系统测定。通过位移量计算出辐射力，将辐射力f带入下式可得激光功率p；
[0053][0054]
2、时域参数——激光脉冲宽度和重复频率测量：
[0055]
光电探测器优选为高速光电探测器13，采用高速信号采集系统采集，将激光辐射力的干涉信号通过简单的时域向频域转换信号分析即可得到激光的重复频率；利用采集的
信号做时域分析可确定脉冲宽度；
[0056]
3、频域参数——激光波长测量：
[0057]
对涉系统中的干涉信号做时域分析，在干涉系统中的光程差不变的情况下干涉条纹的级别发生改变，
[0058][0059]
λ为被测激光波长，nl为干涉仪的光程差，n为干涉级次，我们优选一参考激光波长，也就是在被测激光波长范围的中心，被测激光波长与参考波长的绝对差不超过参考波长的一半，这样可以在一个极大和极小强度范围内分析被测激光波长，测量被测激光波长时，可以先将干涉系统调节到一个固定位置，如光干涉相长或相消的位置，关闭参考激光，再开被测激光通过高速光电探测器13上时域信号强度分析得到被测激光的波长；
[0060]
4、空域参数——激光光场分析：
[0061]
被测激光经衰减进入光场分析系统，经过图像像素分析得到光斑大小，轮廓，激光光束质量，波前分布等相关参数；
[0062]
通过对辐射压力测量模块2、光学镜片、光场分析模块、高速光电探测器13及参考激光源等元件的使用，可以实现对激光各域多个参数的测量，有效解决了现有技术中需要采用多种测量仪器来测量激光不同域参数的技术限制，实现了在节省器件的基础上，准确测量激光不同域参数的效果。
[0063]
为实现图1所述的各个功能，参见图2，本发明实施例提供的装置，包括1、待测激光；2、辐射压力测量模块；3、第一分光镜；4、第一光束吸收模块；5、第二分光镜；6、光束采样器；7、第二光束吸收模块；8、ccd传感器；9、光衰减模块；10、第三分光镜；11、光隔离器；12、he-ne激光；13、高速光电探测器；14、第四分光镜；15、第一反射镜；16、上位机信号处理系统。
[0064]
箭头为激光光束的传输方向，高功率激光入射至辐射压力测量模块2时，激光经由外壳的透镜窗口射入至高反射镜，激光光子在高反射镜上发生反射，光子动量发生变化产生辐射压力，辐射压力作用至高反射镜，导致弹性元件在光压作用下产生变形，因为高反射镜固定在弹性元件上导致高反射镜产生微位移，通过单频he-ne激光12作为参考光源，由第一反射镜15，高反射镜和第四分光镜14及高速光电探测器13组成的干涉仪可精确测量高反射镜的微位移值，通过位移值计算后可得到激光功率/能量；同时高速光电探测器13通过记录干涉信号的强度变化，通过时频信号的频域分析可以得到激光的脉冲宽度及重复频率，得到激光能量(功率)、时域及频域信息，如脉冲宽度，脉冲频率及激光波长。
[0065]
待测激光1经高反射镜反射后，从外壳另一透镜窗口射出至第一分光镜3，在第一分光镜3处主光束从测量光路射出到第一光束吸收模块4被吸收，另一部分反射光沿测量光路前进到第二分光镜5，再分为两路光：其中一路经过光束采样器6后，到第二光束吸收模块7被吸收，少量采样光进入ccd传感器8，传感器采集到数据后，将数据传输到上位机经处理后可以得到激光的空域参数，如光斑直径、空间分布、光束质量等，实现激光空域信息的获取和分析。
[0066]
另一路光经过光衰减系统8后到达第三分光镜10后，进入由第一反射镜15，高反射镜和第四分光镜14及高速光电探测器13组成的干涉仪，分析干涉信号的时频特性可以通过
计算得到激光波长信息，将测量结果集成输出到上位机信号处理系统16中处理并显示，就可实时地监测激光的输出特性，考虑到高功率激光峰值功率对测量元件的影响，本实施例中，可将所述高反射镜替换为直角棱镜，直角棱镜可实现高功率激光的全反射，其余测量流程和上述测量流程一致；第二分光镜5的输入端激光功率为第一分光镜3输入端的激光功率的5％-10％，光束采样器6的输入端激光功率为第三分光镜10的输入端激光功率为第二分光镜5输入端激光功率5％-10％，ccd传感器的输入端激光功率为光束采样器6的输入端激光功率的1％左右。
[0067]
为了避免上述光衰减元件的第三输出端的输出信号对其他元件造成损伤，第一分光镜3的第三输出端连接第一光束吸收模块4，光束采样器6的第三输出端连接第二光束吸收模块7，其中第一光束吸收模块4可替换为激光的工作目标，实现激光工作的在线测量。
[0068]
本发明提供的激光多参数测量装置相对于现有技术而言，利用干涉系统来实现对激光多参数的实时测量，并非使用多种不同仪器集成实现测量，极大地降低了操作复杂度及成本。实施例中提到的激光多参数测量装置可以同时测量高功率激光或超短脉冲的多个激光参数特性，包含激光能量/功率，频率特性：波长，时域特性：脉宽、重复频率、空域特性：光斑直径。除上述提到的多个参数外，本发明仍可对激光的其他参数，如波形、光束质量因子、功率稳定性等参数进行测量。
[0069]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。