一种高能激光束杂散光能量测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种高能激光束杂散光能量测量系统，所述测量系统含有数个吸收光阑，热电偶温度传感器，光阑固定支架，引线，温度采集模块，网络交换机，上位机。吸收光阑为硬铝或紫铜制成的圆环形结构，吸收光阑迎光面设置有环形的V型槽，表面为氧化铝和氧化钛混合物涂层。热电偶温度传感器粘接于吸收光阑背光面设置的热电偶温度传感器固定槽位中。热电偶温度传感器采用串联连接，并通过引线电连接至温度采集模块。温度采集模块、网络交换机、上位机通过网线组建成为分布式测量系统。本发明可有效实现高能激光束杂散光大范围复杂分布的动态测量，并显著提高测量精度，标准化模块设计使得系统具有可扩展性和可移植性。
【专利说明】一种高能激光束杂散光能量测量系统
【技术领域】
[0001]本发明属于高能激光能量测量领域，具体涉及一种高能激光束杂散光能量测量系统，适用于环形高能激光束杂散光能量测量。
【背景技术】
[0002]在高能激光传输过程中，通道内激光束衍射、高阶模、光学元件散射等高频分量杂散光的存在，是引起激光传输效率降低、造成部分能量损失的重要因素。杂散光造成的能量损失会对光束传输产生重大影响，能量损失导致通道整体温升，使内通道的光束传输产生严重波前畸变和光束漂移，温升导致内通道及通道内镜架等结构形变引起光束的漂移，严重时光束可能损坏内通道甚至无法正常输出。然而，目前尚无针对高能激光束杂散光能量测量的专用测试设备，其主要设计瓶颈在于:一方面，高能激光在近场传输距离较长，通常达到数十米，杂散光造成的能量损失覆盖整个传输路径，并且杂散光与高能激光束在空间上高度重合，分布特性极其复杂，目前还没有高能激光束杂散光分布特性方面的报道，这给杂散光能量测量造成极大的困难；另一方面，杂散光强度变化较大，部分信号信噪比较低，且现场环境复杂，对系统的测量精度要求较高，如何获得较大的信噪比和较高的测量精度也是需要重点解决的问题。
【发明内容】
[0003]为了实现对高能激光束杂散光大范围复杂分布的动态测量，并提高能量测量的精度，本发明提供了一种高能激光束杂散光能量测量系统。
[0004]一种高能激光束杂散光能量测量系统，其特点是，所述的测量系统包括数个吸收光阑、热电偶温度传感器、光阑固定支架、引线、温度采集模块、网络交换机、上位机；所述的吸收光阑为圆环形；其连接关系是，所述的吸收光阑通过螺纹与光阑固定支架连接；吸收光阑背光面设置有数组热电偶温度传感器固定槽位，每组的热电偶温度传感器固定槽位均设置在吸收光阑背光面对应的同心圆圆周上；热电偶温度传感器粘接于热电偶温度传感器固定槽位中，热电偶温度传感器通过引线与温度采集模块电连接；温度采集模块通过网线与网络交换机电连接；网络交换机通过网线与上位机电连接；数个吸收光阑设置于高能激光的传输路径上。
[0005]所述的每组的热电偶温度传感器固定槽位等距离的设置在一个同心圆圆周上。
[0006]所述的吸收光阑迎光面设置有环形的V型槽，数个V型槽的槽底构成一组圆环，圆环的圆心与吸收光阑的圆心重合。
[0007]所述的V型槽夹角α的范围为20°?60° ;所述的V型槽的深度小于等于吸收光阑厚度的0.5倍。
[0008]所述的吸收光阑的内径为被测激光束外径的1.05?1.1倍，吸收光阑的外径大于等于被测激光束外径的2倍。
[0009]所述的热电偶温度传感器的工作端为露端型。[0010]所述的热电偶温度传感器的工作端嵌入吸收光阑背光面设置的热电偶温度传感器固定槽位中；每个吸收光阑上粘接有数组结构相同的热电偶温度传感器，每组的热电偶温度传感器对应粘接在热电偶温度传感器固定槽位中；每组的热电偶温度传感器采用串联连接，并通过弓I线与温度采集模块电连接。
[0011]所述的吸收光阑采用的材料为硬铝或紫铜，吸收光阑迎光面的表面为经过高温等离子喷涂氧化铝和氧化钛混合物的涂层。
[0012]为了实现对高能激光束杂散光大范围复杂分布的动态测量，本发明中吸收光阑、温度采集模块均采用标准模块化设计，并采用分布式系统布局，多个独立设计的吸收光阑设置于高能激光的传输路径上，利用多个标准模块化设计的温度采集模块及网络交换机、上位机组建分布式测量系统。上位机通过网络交换机发送上层控制命令至各个温度采集模块，各温度采集模块接收到命令后解析转换为底层采集硬件电路控制命令，实现同步采集控制，并将采集后的数据通过网络交换机发送至上位机进行数据处理与显示。
[0013]为了实现高精度的能量测量，本发明采取了四项技术措施:一是提高吸收光阑表面对高能激光束杂散光的吸收效率，吸收光阑迎光面表面为经过高温等离子喷涂氧化铝和氧化钛混合物的涂层，使得吸收光阑单次吸收效率达到80%，在吸收光阑迎光面增加环形的V型槽设计，从而增大吸收光阑的迎光面表面积，并且使得高能激光杂散光在V型槽内部发生多次漫反射；二是降低热损失，吸收光阑通过螺纹与光阑固定支架连接，且螺纹之间增加聚四氟乙烯隔热垫，从而减少吸收光阑与固定支架间的热传导，有效抑制热传导造成的能量损失；三是确保温度传感器测量准确与快速，热电偶温度传感器工作端设置为露端型，从而缩短响应时间，安装时其工作端紧密贴近吸收光阑背光面热电偶温度传感器固定槽位的底部，以保证最大限度的贴近吸收光阑迎光面；四是提高信噪比，每个吸收光阑背光面均安装有数组结构相同的热电偶温度传感器，每组的热电偶温度传感器对应粘接在位于吸收光阑背光面的一个同心圆圆周上的热电偶温度传感器固定槽位中，每组的热电偶温度传感器采用串联连接，从而提高信号的信噪比。
[0014]本发明采用分布式系统布局实现对高能激光束杂散光大范围复杂分布的动态测量，通过提高吸收光阑表面对杂散光的吸收效率、降低热传导造成的能量损失、提高热电偶温度传感器响应速度及测温准确性、提高信号的信噪比等技术措施以提升能量测量的精度。本发明可实现对高能激光束杂散光能量及分布特性的有效测量，并显著提高系统能量测量精度，标准模块化设计使得系统具有良好的可扩展性和可移植性。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明的高能激光束杂散光能量测量系统结构示意图；
图2(a)为本发明中的吸收光阑结构示意图，(b)为吸收光阑AA处的剖面示意图，(C)为吸收光阑I处的局部放大图；
图3为本发明中的热电偶温度传感器安装布局示意图；
图4为本发明中的热电偶温度传感器串联连接示意图；
图中，1.吸收光阑 2.热电偶温度传感器 3.光阑固定支架 4.引线
5.温度采集模块 6.网络交换机 7.上位机 8.热电偶温度传感器固定槽位。【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明进一步说明。
[0017]实施例1
图1为本发明的高能激光束杂散光能量测量系统结构示意图，图2(a)为本发明中的吸收光阑结构不意图，(b)为吸收光阑AA处的剖面不意图，(c)为吸收光阑I处的局部放大图，图3为本发明中的热电偶温度传感器安装布局示意图，图4为本发明中的热电偶温度传感器串联连接示意图。在图1?图4中，本发明的高能激光束杂散光能量测量系统包括数个吸收光阑、热电偶温度传感器2、光阑固定支架3、引线4、温度采集模块5、网络交换机6、上位机7 ;所述的吸收光阑I为圆环形；其连接关系是，所述的吸收光阑I通过螺纹与光阑固定支架3连接；吸收光阑I背光面设置有数组热电偶温度传感器固定槽位8，每组的热电偶温度传感器固定槽位8均设置在吸收光阑I背光面对应的同心圆圆周上；热电偶温度传感器2粘接于热电偶温度传感器固定槽位8中，热电偶温度传感器2通过引线4与温度采集模块5电连接；温度采集模块5通过网线与网络交换机6电连接；网络交换机6通过网线与上位机7电连接；数个吸收光阑设置于高能激光的传输路径上。
[0018]所述的每组的热电偶温度传感器固定槽位8等距离的设置在一个同心圆圆周上，每一个同心圆圆周上的热电偶温度传感器固定槽位的数量是相等的。
[0019]所述的吸收光阑I迎光面设置有环形的V型槽，数个V型槽的槽底构成一组圆环，圆环的圆心与吸收光阑I的圆心重合。
[0020]本实施例中，所述的V型槽夹角α为20。;所述的V型槽的深度等于吸收光阑I厚度的0.5倍。所述的吸收光阑I的内径为被测激光束外径的1.05倍，吸收光阑I的外径等于被测激光束外径的2倍。
[0021]输入的环形高能激光主光束从本发明中的吸收光阑I中心圆孔穿过,主光束外围存在的高频分量杂散光被吸收光阑I的圆环遮挡并吸收，使得杂散光能量测量系统不会对主激光束的传输产生影响；吸收光阑I通过螺纹与光阑固定支架3连接，为了减少吸收光阑I与外界之间的热传导，在螺纹之间增加了聚四氟乙烯隔热垫；在吸收光阑I背光面设置有热电偶温度传感器固定槽位8，热电偶温度传感器2的工作端嵌入其中，并用高温导热胶粘接固定；热电偶温度传感器2通过引线4与温度采集模块5电连接；由于高能激光传输路径较长，要获得不同位置处杂散光能量及分布特性需要在光路上设置多个测点，为了解决分布在一个较大空间范围内多个测试点同步采集控制及高精度温度测量问题，本系统采用分布式系统布局，将温度采集模块5设计为标准化模块，具备命令接收与解析、温度数据实时采集、数据存储于传输功能；温度采集模块5通过网络交换机6接收来自上位机7发送的上层控制命令后，解析转换为底层采集硬件电路控制命令实现多通道同步采集。采集后的数据通过网络交换机6发送至上位机7进行数据处理与显示，如图1所示。
[0022]图2中，吸收光阑I材料为硬铝；吸收光阑I迎光面表面为经过高温等离子喷涂氧化铝和氧化钛混合物的涂层，使得材料表面对激光杂散光的单次吸收率达到80%，且涂层具有优异的附着力可与吸收光阑I表面紧密结合；为了减少多个测点吸收光阑I之间相互干扰引入的测量误差，吸收光阑I背光面采用黑色阳极氧化工艺处理；吸收光阑I迎光面上均匀的设置有环形的V型槽，V型槽的设置能够增大吸收光阑I迎光面的表面积，并且使得高能激光杂散光在V型槽内部发生多次漫反射，从而提升吸收光阑I迎光面对杂散光的吸收效率。
[0023]在图3中，所述的热电偶温度传感器2的工作端嵌入吸收光阑I背光面设置的热电偶温度传感器固定槽位8中，热电偶温度传感器与热电偶温度传感器固定槽位对应设置。为了使得热电偶温度传感器2温度测量的响应更迅速、测量更准确，热电偶温度传感器2的工作端为露端型，从而缩短热电偶温度传感器响应时间，安装时其工作端要紧密贴近热电偶温度传感器固定槽位8的底部，以保证最大限度的贴近吸收光阑I迎光面使得测量更准确，并用高温导热胶粘接使其与吸收光阑I之间稳固连接；根据高能激光束杂散光产生机理及特性，杂散光照射在吸收光阑I靠近外径的概率远小于靠近内径的概率，若采用完全独立的热电偶温度传感器布局，则会造成靠近吸收光阑I外径的热电偶温度传感器2产生的热电势较小，极易淹没于温度采集模块5的系统噪声中，同时，还会造成温度采集模块5的通道数成数倍的增长，故每个吸收光阑I上粘接有三十二支结构相同的热电偶温度传感器，热电偶温度传感器分为四组，每组的八支热电偶温度传感器对应粘接在位于吸收光阑I背光面的一个同心圆圆周上的热电偶温度传感器固定槽位中；每组的热电偶温度传感器采用串联连接，并通过弓I线与温度采集模块电连接。
[0024]图4中，八支热电偶温度传感器采用串联的连接方式焊接。这种连接方式可以获得较高的信噪比，并且在测量杂散光能量的同时也可以通过计算获得杂散光在吸收光阑I上的功率密度分布特性。
[0025]实施例2
实施例2与实施例1结构基本相同，不同之处是，本实施例中吸收光阑的内径为被测激光束外径的1.1倍，吸收光阑迎光面设置的环形的V型槽夹角α为45°，每个吸收光阑上粘接有六十四支结构相同的热电偶温度传感器，热电偶温度传感器分为四组，每组的十六支热电偶温度传感器对应粘接在位于吸收光阑背光面的一个同心圆圆周上的热电偶温度传感器固定槽位中，吸收光阑材料为紫铜。
[0026]实施例3
实施例3与实施例1结构基本相同，不同之处是，本实施例中吸收光阑迎光面设置的环形的V型槽夹角α为60°，每个吸收光阑上粘接有四十支结构相同的热电偶温度传感器，热电偶温度传感器分为五组，每组的八支热电偶温度传感器对应粘接在位于吸收光阑背光面的一个同心圆圆周上的热电偶温度传感器固定槽位中。
【权利要求】
1.一种高能激光束杂散光能量测量系统，其特征在于:所述的测量系统包括数个吸收光阑、热电偶温度传感器(2)、光阑固定支架(3)、引线(4)、温度采集模块(5)、网络交换机(6)、上位机(7);所述的吸收光阑(I)为圆环形；其连接关系是，所述的吸收光阑(I)通过螺纹与光阑固定支架(3)连接；吸收光阑(I)背光面设置有数组热电偶温度传感器固定槽位(8)，每组的热电偶温度传感器固定槽位(8)均设置在吸收光阑(I)背光面对应的同心圆圆周上；热电偶温度传感器(2)粘接于热电偶温度传感器固定槽位(8)中，热电偶温度传感器(2)通过引线(4)与温度采集模块(5)电连接；温度采集模块(5)通过网线与网络交换机(6)电连接；网络交换机(6)通过网线与上位机(7)电连接；数个吸收光阑设置于高能激光的传输路径上。
2.根据权利要求1所述的高能激光束杂散光能量测量系统，其特征在于:所述的每组的热电偶温度传感器固定槽位(8)等距离的设置在同心圆圆周上。
3.根据权利要求1所述的高能激光束杂散光能量测量系统，其特征在于:所述的吸收光阑(I)迎光面设置有环形 的V型槽，数个V型槽的槽底构成一组圆环，圆环的圆心与吸收光阑(I)的圆心重合。
4.根据权利要求3所述的高能激光束杂散光能量测量系统，其特征在于:所述的V型槽夹角α的范围为20°~60° ;所述的V型槽的深度小于等于吸收光阑(I)厚度的0.5倍。
5.根据权利要求1所述的高能激光束杂散光能量测量系统，其特征在于:所述的吸收光阑(I)的内径为被测激光束外径的1.05~1.1倍，吸收光阑(I)的外径大于等于被测激光束外径的2倍。
6.根据权利要求1所述的高能激光束杂散光能量测量系统，其特征在于:所述的热电偶温度传感器(2)的工作端为露端型。
7.根据权利要求1所述的高能激光束杂散光能量测量系统，其特征在于:所述的热电偶温度传感器(2)的工作端嵌入吸收光阑(I)背光面设置的热电偶温度传感器固定槽位(8)中；每个吸收光阑(I)上粘接有数组结构相同的热电偶温度传感器，每组的热电偶温度传感器对应粘接在热电偶温度传感器固定槽位中；每组的热电偶温度传感器采用串联连接，并通过引线与温度采集模块电连接。
8.根据权利要求1所述的高能激光束杂散光能量测量系统，其特征在于:所述的吸收光阑(I)采用的材料为硬铝或紫铜，吸收光阑(I)迎光面的表面为经过高温等离子喷涂氧化铝和氧化钛混合物的涂层。
【文档编号】G01K7/04GK103604495SQ201310582846
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月20日 优先权日:2013年11月20日
【发明者】范国滨, 张卫, 常艳, 魏继锋, 周山, 周文超, 彭勇, 田英华, 黄德权, 沙子杰, 蒋志雄, 胡晓阳 申请人:中国工程物理研究院应用电子学研究所