大功率光纤激光器参数一体化同步测试装置的制作方法

本发明提供一种大功率光纤激光器参数一体化同步测试装置，能够一体化同步测量大功率光纤激光器（平均功率介于0.5~30kw）的多项参数，属于测试技术领域，可广泛应用于大功率光纤激光器的测试。

背景技术：

光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、热管理方便、结构紧凑、可柔性操作等优点，广泛应用于工业加工和国防领域。使用、评估光纤激光器需要准确的测量光纤激光器的性能参数。大功率连续波光纤激光器的参数包括：输出功率、光束质量、输出光谱、功率时域稳定性等。

目前，针对上述光纤激光器参数的测量设备已经比较成熟，市场上出现了多款测试仪器。然而，采用单个仪器设备逐一测试上述各项参数，不但工作量大、操作繁琐，而且无法获得光纤激光器在同一时刻、同一状态下的各项参数。近年来，有研究人员提出了分光测量的方案（cn201610305698.7）：首先采用分光元件将大功率光纤激光器的输出光束进行分光，然后将分光后的各路光束分别入射到各个测量仪器中，实现对多个参数的同步测量。但这种分光测量方案仍然存在两个方面的问题。一方面是光路上的各种光学元件（特别是分光元件）会影响测量结果的准确性，要减小这种影响必须对光学链路中的每一个光学元件、每一台仪器的多种指标做出非常细致的要求。而这些要求与被测激光器的功率水平密切相关，不能一概而论。目前，尚未看到详细具体的光学元件、测量仪器的指标体系能够满足大功率光纤激光器（平均功率介于0.5~30kw）参数测试的要求。另一方面，在这种分光测量方案中，虽然被测光束分光后同时入射到了多台测量仪器中，但是这些测量仪器仍然由人工操作，参数测量、数据采集和数据存储的同步性受限于各个测试人员的操作同步性，一般都在秒量级，无法实现更高的同步精度。

在分光测量方案中，若使用控制计算机同步控制所有的测量仪器同时进行参数测量、数据采集、数据存储，则能够极大的提高测量的同步性。然而，这些测量仪器都是由不同厂商按照不同的标准生产的，它们的控制接口、数据格式、传输协议、采样时长各不相同，简单的将这些测量仪器连接到控制计算机并不能实现协同控制。目前尚未看到能够协同控制功率计、光谱仪、示波器、光束质量测量仪、近场/远场测量相机等测量仪器的控制方案。

技术实现要素：

针对现有测试技术存在的缺陷，本发明提供一种大功率光纤激光器参数一体化同步测试装置。

本发明利用若干光学元器件，按照一定的准则，对大功率光纤激光器的输出光束进行分光，分别采用功率计、光束质量测量仪、积分球、光谱仪、光电探测器、示波器、远场测量ccd相机、近场测量ccd相机，测量被测光纤激光器的输出功率、光束质量、输出光谱、功率时域稳定性、近场强度分布、远场强度分布等参数。并对上述光学元件和测量仪器做了详细具体的指标约束，以保证测量精度。进一步地，本发明按照一定的布局，采用合适的线路将上述多种测量仪器与控制计算机组成控制网络，并在控制计算机上运行特定的测控软件，能够同时测量大功率光纤激光器的多种参数，保证参数测试的同步性优于1ms。

具体地，本发明的技术方案是：

一种大功率光纤激光器参数一体化同步测试装置，包括准直器、高功率分光镜、功率计、缩束镜、第一45°分光镜、积分球、光电探测器、示波器、光谱仪、衰减片、滤光片、第二45°分光镜、光束质量测量仪、第三45°分光镜、会聚透镜、远场测量ccd相机、近场测量ccd相机；

被测光纤激光器的输出端与准直器连接，被测光纤激光器输出的光束经准直器准直后，入射到高功率分光镜上，经高功率分光镜反射的光束入射到功率计的靶面中心，经高功率分光镜透射的光束入射到缩束镜上，经缩束镜缩束后入射到第一45°分光镜，经第一45°分光镜反射的光束入射到积分球中。积分球上安装有光电探测器，所述的光电探测器与示波器的信号线连接，光电探测器将采集到的光信号转换为电信号并输出到示波器。光谱仪通过单模光纤跳线与积分球连接。经第一45°分光镜透射的光束经过衰减片、滤光片后入射到第二45°分光镜上；经第二45°分光镜反射的光束入射到光束质量测量仪中；经第二45°分光镜透射的光束入射到第三45°分光镜上，经第三45°分光镜反射的光束经过会聚透镜后聚焦在远场测量ccd相机上，经第三45°分光镜透射的光束入射到近场测量ccd相机中。

进一步地，本发明还包括路由器和控制计算机。所述的示波器与光谱仪通过网线与路由器相连接，所述的功率计、光束质量测量仪、远场测量ccd相机、近场测量ccd相机通过usb3.0数据线分别与控制计算机连接，所述的路由器通过网线与控制计算机连接。将控制计算机、路由器与功率计、光束质量测量仪、远场/近场测量ccd相机、光电探测器、示波器、光谱仪组成控制网络。

所述的控制计算机内预先加载有大功率光纤激光器参数同步测试软件，控制计算机运行大功率光纤激光器参数同步测试软件，同步控制功率计、示波器、光谱仪、光束质量测量仪、远场测量ccd相机和近场测量ccd相机，实现被测光纤激光器输出功率、功率时域稳定性、输出光谱、光束质量、远场强度分布、近场强度分布的同步测量、数据的同步采集和同步存储。

所述的被测光纤激光器为连续波光纤激光器，其输出功率需处于0.5~30kw之间，输出的激光波长λ处于1060~1090nm之间，被测光纤激光器的输出端为qbh接口。

所述的准直器的像差小于λ/20，其输入端为qbh接口，其输出端通光口径>2.5cm，被测光纤激光器输出端通过qbh接口与准直器连接。

所述的高功率分光镜通光口径>2.5cm，在900~1200nm波段的反射率>99.95%、光谱透射率起伏小于2%、吸收率小于50ppm，像差小于λ/20。

所述的功率计为ophir公司生产的型号为ophir-30kw的大量程功率计。

所述的缩束镜的缩束比为5:1，入瞳口径>2.5cm，出瞳口径>0.5cm，像差小于λ/20。

所述的第一45°分光镜对透射光与反射光的分光比为99:1，光谱反射率起伏小于2%，像差小于λ/20。

所述的积分球为thorlabsinc公司生产的is200型积分球。所述的光电探测器为thorlabsinc公司生产的sm05pd4a型ingaas探测器，通过螺纹转接头sm05l05安装在积分球球壁上。所述的示波器为tektronix公司生产的mdo4000型示波器，通过示波器自带的信号线与光电探测器相连。所述的光谱仪为yokogawa公司生产的型号为aq6370d的近红外光谱仪，通过thorlabsinc公司生产的sm05fc型单模光纤跳线转接头、p1-980a-fc-1型单模光纤跳线与积分球连接。

所述的衰减片的衰减倍率为50，衰减非均匀性小于2%，像差小于λ/20。

所述的滤光片在1050~1200nm波段的透射率>95%，在900~1030nm波段的透射率<5%，像差小于λ/20。

所述的第二45°分光镜和第三45°分光镜对透射光与反射光的分光比均为5:5，像差均小于λ/20。

所述的光束质量测量仪为ophir-spiricon公司生产的m2-200s型光束质量测量仪。

所述的会聚透镜焦距介于15~30cm之间，通光口径>0.5cm，像差小于λ/20。

所述的远场测量ccd相机的分辨率>640×480，动态范围>8bit，远场测量ccd相机置于会聚透镜的焦平面上。

所述的近场测量ccd相机分辨率>640×480，动态范围>8bit。

所述的路由器为tp-link公司生产的tl-wr886n型路由器。所述的示波器、光谱仪通过网线（如t568a双绞线）与路由器相连接。

所述的控制计算机为pc机，cpu酷睿i3以上，主频1.8ghz以上，内存1gb、以上，硬盘空间10gb以上。所述的控制计算机内预先加载有大功率光纤激光器参数同步测试软件（如大功率光纤激光器参数同步测试软件v1.0，该软件的登记号：2018sr425558）。所述的功率计、光束质量测量仪、远场测量ccd相机、近场测量ccd相机分别通过usb3.0数据线与控制计算机连接，所述的路由器通过网线（如t568a双绞线）与控制计算机连接。

与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：

1.本发明采用分光测量的方式，使得在一个光路布局上同时测得大功率光纤激光器的输出功率、光束质量、输出光谱、功率时域稳定性、近场强度分布、远场强度分布等多项参数，获得大功率光纤激光器在同一时刻、同一状态下的多项指标，避免了针对大功率光纤激光器的不同参数分开搭建不同光路，不仅不能同步测量，而且测试过程繁琐，工作量大，测试结果受人为因素影响很大的缺陷。

2.本发明克服了现有技术中采用人工操作分立的仪器设备分别测试上述多项指标，不但工作量大、操作繁琐，而且无法保证同步采样，难以获得光纤激光器在同一时刻、同一状态下的多项参数的缺陷。本发明按照一定的布局，采用合适的线路将多种测量仪器与控制计算机组成控制网络，并且在控制计算机上运行“大功率光纤激参数同步测试软件v1.0”，实现了大功率光纤激光器多项参数的自动化同步测量，能够同时测量光纤激光器在同一时刻、同一状态下的多项参数，测量同步性很高（优于1ms）。另外，本发明采用控制计算机协同控制多台测量仪器，自动进行参数测量、数据采集和数据存储，操作简便，大大减少了测试工作量，提升了测试的规范性，减轻了人为因素对测试结果的影响。

3.本发明采用标准的qbh接口与大功率光纤激光器连接，每次测试时，光纤激光器输出光束基本固定，只需微调测量光路即可，大大减少了调整光路的工作量。

4.本发明适用范围很广，对于平均输出功率介于0.5~30kw之间的连续光纤激光器和脉冲光纤激光器都可以测量。

本发明提供的大功率光纤激光器参数一体化同步测试装置能够在同一时刻、同一状态下同步测量大功率光纤激光器的输出功率、光束质量、输出光谱、功率时域稳定性、近场强度分布、远场强度分布等参数，全面、准确、科学的评价大功率光纤激光器的性能。本发明具有结构紧凑、简单可靠、操作简便的特点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图1中：1-被测的光纤激光器、2-准直器、3-高功率分光镜、4-功率计、5-缩束镜、6-第一45°分光镜、7-积分球、8-光电探测器、9-示波器、10-光谱仪、11-衰减片、12-滤光片、13-第二45°分光镜、14-光束质量测量仪、15-第三45°分光镜、16-会聚透镜、17-远场测量ccd相机、18-近场测量ccd相机、19-路由器、20-控制计算机。

图2是本发明提供的具体实例中得到的功率测量结果。

图3是本发明提供的具体实例中得到的功率时域稳定性测量结果。

图4是本发明提供的具体实例中得到的输出光谱测量结果。

图5是本发明提供的具体实例中得到的光束质量测量结果。

图6是本发明提供的具体实例中得到的远场强度分布测量结果。

图7是本发明提供的具体实例中得到的近场强度分布测量结果。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施方式进行进一步的详细说明。

参照图1，本发明的结构示意图，包括被测的光纤激光器1、准直器2、高功率分光镜3、功率计4、缩束镜5、第一45°分光镜6、积分球7、光电探测器8、示波器9、光谱仪10、衰减片11、滤光片12、第二45°分光镜13、光束质量测量仪14、第三45°分光镜15、会聚透镜16、远场测量ccd相机17、近场测量ccd相机18、路由器19、控制计算机20。

下面采用本发明提供的大功率光纤激光器参数一体化同步测试装置对国防科技大学搭建的3kw光纤激光器（型号：hpfl3000c）的主要参数（即光纤激光器的输出功率、光束质量、输出光谱、功率时域稳定性、近场强度分布、远场强度分布）进行了测量。

本实施例中：

被测的光纤激光器1为连续波光纤激光器，额定输出功率3kw，激光波长λ为1080nm，输出端为qbh接口。

准直器2的像差为λ/25，输入端为qbh接口、输出端通光口径3.5cm，被测光纤激光器1的输出端通过qbh接口与准直器2连接。

高功率分光镜3的通光口径为3.5cm，在900~1200nm波段的反射率为99.96%、光谱透射率起伏为1.5%、吸收率为35ppm，像差为λ/30。

功率计4为ophir公司生产的型号为ophir-30kw的大量程功率计。

缩束镜5的缩束比为5:1，入瞳口径3.5cm，出瞳口径1cm，像差为λ/25。

第一45°分光镜6对透射光与反射光的分光比为99:1，光谱反射率起伏为1.5%，像差为λ/25。

积分球7为thorlabsinc公司生产的is200型积分球。

光电探测器8为thorlabsinc公司生产的sm05pd4a型ingaas探测器，通过螺纹转接头sm05l05安装在积分球球壁上。

所述的示波器9为tektronix公司生产的mdo4000型示波器，通过示波器自带的信号线与光电探测器相连。

光谱仪10为yokogawa公司生产的型号为aq6370d的近红外光谱仪，通过thorlabsinc公司生产的sm05fc型单模光纤跳线转接头、p1-980a-fc-1型单模光纤跳线与积分球连接。

衰减片11的衰减倍率为50，衰减非均匀性为1.5%，像差为λ/25。

滤光片12在1050~1200nm波段的透射率为98%，在900~1030nm波段的透射率为2%，像差为λ/25。

第二45°分光镜13对透射光与反射光的分光比为5:5，像差为λ/25。

光束质量测量仪14为ophir-spiricon公司生产的m2-200s型光束质量测量仪。

第三45°分光镜15对透射光与反射光的分光比为5:5，像差为λ/25。

会聚透镜16的焦距为25cm，通光口径为1.5cm，像差为λ/25。

远场测量ccd相机17的分辨率为800×600，动态范围为16bit，置于会聚透镜的焦平面上。

近场测量ccd相机18的分辨率为800×600，动态范围为16bit。

路由器19为tp-link公司生产的tl-wr886n型路由器。示波器、光谱仪通过网线（t568a双绞线）与路由器相连接。

控制计算机20为联想thinkpadt430型pc机，cpu为酷睿i5，主频2.6ghz，内存4gb，硬盘空间500gb。

功率计4、光束质量测量仪14、远场测量ccd相机17、近场测量ccd相机18分别通过usb3.0数据线与控制计算机20连接，路由器19通过网线（t568a双绞线）与控制计算机20连接。

被测的光纤激光器1的输出端与准直器2连接。被测的光纤激光器1运行后，被测的光纤激光器1输出激光波长为λ的光束经过准直器2准直后，入射到高功率分光镜3上。通过调节高功率分光镜3的角度，使得经高功率分光镜3反射的光束入射到功率计4的靶面中心，功率计测得被测光纤激光器的输出功率。经高功率分光镜3透射的光束入射到缩束镜5上，光束经缩束镜5缩束后，入射到第一45°分光镜6上。通过调节缩束镜的光轴和第一45°分光镜的角度，使得经第一45°分光镜6反射的光束入射到积分球7中，积分球7上安装有光电探测器8，所述的光电探测器8与示波器9的信号线连接，光电探测器8将采集到的光信号转换为电信号并输出到示波器9。通过光电探测器、示波器实现对被测光纤激光器功率时域稳定性的测量。所述的光谱仪10通过单模光纤跳线与积分球7连接。通过光谱仪实现对被测光纤激光器输出光谱的测量。而经第一45°分光镜6透射的光束经过衰减片11、滤光片12后入射到第二45°分光镜13上。通过调节第二45°分光镜13的角度，使得经第二45°分光镜13反射的光束入射到光束质量测量仪14中，光束质量测量仪14实现对被测光纤激光器光束质量的测量。经第二45°分光镜13透射的光束入射到第三45°分光镜15上。通过调节第三45°分光镜15的角度和会聚透镜16的光轴，使得经第三45°分光镜15反射的光束经过会聚透镜16后聚焦在远场测量ccd相机17上，通过远场测量ccd相机实现对被测光纤激光器输出光束远场强度分布的测量。经第三45°分光镜15透射的光束入射到近场测量ccd相机18中，通过近场测量ccd相机实现对被测光纤激光器输出光束近场强度分布的测量。

在控制计算机20上运行“大功率光纤激光器参数同步测试软件v1.0”（登记号：2018sr425558），同步控制功率计4、示波器9、光谱仪10、光束质量测量仪14、远场测量ccd相机17和近场测量ccd相机18，实现被测光纤激光器输出功率、功率时域稳定性、输出光谱、光束质量、远场强度分布、近场强度分布等参数的同步测量，测量结果分别如图2、图3、图4、图5、图6、图7所示。其中：图2是本发明提供的具体实例中得到的功率测量结果，被测光纤激光器满功率运行后，测得其输出功率为3.081kw，在此后10小时的运行过程中，被测光纤激光器的输出功率仍然维持在3.081kw。图3是本发明提供的具体实例中得到的功率时域稳定性测量结果，当被测光纤激光器输出功率为1410w时，测得其功率波动为1.5%，当被测光纤激光器输出功率为2351w时，测得其功率波动为2.1%，当被测光纤激光器输出功率为3081w时，测得其功率波动为2.4%。图4是本发明提供的具体实例中得到的输出光谱测量结果，当被测光纤激光器的输出功率分别为1410w、1868w、2351w、2615w、2820w、3081w时，测得输出光谱的中心波长均为1080nm，光谱3db宽度均为4nm，srs抑制比均大于24db。图5是本发明提供的具体实例中得到的光束质量测量结果，当被测光纤激光器输出功率为3081w时，测得x方向的光束质量m²因子为1.639，y方向的光束质量m²因子为1.627。图6是本发明提供的具体实例中，当被测光纤激光器输出功率为3081w时测得的远场强度分布。图7是本发明提供的具体实例中，当被测光纤激光器输出功率为3081w时，测得的近场强度分布。

以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。