专利名称：一种半导体激光器激光功率实时在线检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种半导体激光器激光功率实时在线检测装置，该装 置可以实时检测半导体阵列激光器中激光输出功率以及激光加工过程中工 件表面反射回到半导体激光器表面的光功率，属于激光光电检测领域。
技术背景激光输出功率是激光器的关键参数之一，在激光加工领域，激光器的 激光功率直接影响着加工范围、加工工艺和加工质量等参数，因此，激光 功率的检测是激光器不可缺少的组成部分。目前，高功率半导体阵列激光器激光输出功率的检测主要是采用激光 功率计进行离线测量，这对于科研用激光器是可行的，但是，对于工业加 工用激光器，离线测量需要中断加工过程，而且不能实时反映加工过程中 激光功率的变化情况，并且现有的高功率激光功率计结构比较复杂、体积 较大，难于和体积较小的半导体激光器实现集成。另外，高功率半导体阵 列激光器具有发光单元尺寸在微米量级、光束发散角大、光束强度空间分 布不均匀等特点，所以现有的大功率气体激光器和固体激光器的激光功率 在线检测装置无法应用到高功率半导体阵列激光器上。激光加工中，当激光照射到那些对激光吸收率较低的材料或是表面光 洁度较高的材料时，部分激光会反射回到半导体激光器的表面，对激光器 造成损伤，严重时会损坏激光器。因此，对激光加工过程中工件反射回到 半导体激光器表面的光功率进行实时在线的检测，能够避免激光加工时因 为工件反光而造成的半导体激光器损伤。目前，还没有针对激光加工中工 件反射光功率的检测装置。 实用新型内容本实用新型提供了一种激光功率在线检测装置，该装置可以集成于半 导体阵列激光器的输出光路中，能够同时实现激光输出功率和工件反射光 功率的实时在线检测。本实用新型的基本思路为在半导体阵列激光器的光路中放置一片分 光镜，从激光器输出的激光光束S和工件反射光光束R中分出小部分的光 束S1和光束R1，针对半导体激光光束强度在空间上分布不均匀的特点，分 别对光束Sl和光束Rl进行光强匀化和衰减处理，得到光强较均匀的光束S2和光束R2，采用两个光电转换模块分别将光束S2和光束R2的光功率信 号转换为与之成线性关系的电流信号Is和Ir，再将电流信号Is和Ir经过 运算放大电路转换成电压信号并进行放大，然后经过滤波电路滤波后得到 0-5V范闱内的电压信号Us和Ur，通过实时测量电压信号Us和Ur的值就 可以计算出输出激光S的功率Ps和工件反射光R的功率Pr。本实用新型采用的技术方案如下本检测装置包括分光镜、激光输出 功率检测部分和工件反射光功率检测部分。所述的激光输出功率检测部分 包括光束匀化衰减系统、第一光电转换模块和第一信号放大滤波模块。所 述的工件反射光功率检测部分包括光束匀化聚焦系统、第二光电转换模块 和第二信号放大滤波模块。激光器的输出激光经过分光镜时发生反射的光束Sl经过光束匀化衰减 系统后照射到第一光电转换模块上产生小电流信号，小电流信号经过第一 信号放大滤波模块进行放大滤波后得到与激光器输出功率成线性关系的电 压信号。工件反射光光束经过分光镜时反射的光束Rl经过光束匀化聚焦系统后 照射到第二光电转换模块上产生小电流信号，小电流信号经过第二信号放 大滤波模块进行放大滤波后得到与工件反射光功率成线性关系的电压信号。所述的分光镜与激光器输出光路的光轴成30度 60度角放置。所述光束匀化衰减系统包括沿光的传播方向依次放置的第一毛玻璃片 和衰减片，第一毛玻璃片与光束Sl的光轴成30度 60度角放置。所述光束匀化聚焦系统包括沿光的传播方向依次放置的第二毛玻璃片 和凸透镜，第二毛玻璃片与光束Rl的光轴成30度 60度角放置。所述的光电转换模块为光电二极管。本实用新型具有以下优点1) 实现了高功率半导体阵列激光器激光输出功率和加工时工件反射光 功率的同时在线检测；2) 检测装置结构简单，体积小，可以集成到高功率半导体阵列激光器 的光路中；3) 通过对光束Sl和光束Rl不同比例的衰减，可以实现从几十瓦到几 万瓦半导体激光器光功率的检测，适用范围广。
图1激光功率在线检测装置结构组成图 图2光束匀化衰减系统实施例1的结构示意图 图3光束匀化聚焦系统实施例1的结构示意图 图4光束匀化衰减系统实施例2的结构示意图 图5光束匀化聚焦系统实施例2的结构示意图图中A、激光功率在线检测装置，B、激光输出功率检测部分，C、工 件反射光功率检测部分，S、输出激光光束，R、工件反射光光束，Sl、输 出激光光束S经过分光镜时反射的光束，Rl、工件反射光光束R经过分光 镜时反射的光束，1、分光镜，2、光束匀化衰减系统，S2、光束S1经过光 束匀化衰减系统2后的光束，3、第一光电转换模块，4、第一信号放大滤 波模块，5、光束匀化聚焦系统，R2、光束R1经过光束匀化聚焦系统5后 的光束，6、第二光电转换模块，7、第二信号放大滤波模块，21、第一毛 玻璃片，22、衰减片，51、第二毛玻璃片，52、凸透镜，23、第三毛玻璃 片，24、第二衰减片，53、第四毛玻璃片，54、第二凸透镜。
具体实施方式
以下结合附图1 图3对本实用新型作进一步说明 本实例的结构如图l所示， 总体上包括三部分分光镜l、激光输出功 率检测部分B和工件反射光功率检测部分C。激光输出功率检测部分B主要 由光束匀化衰减系统2、第一光电转换模块3和第一信号放大滤波模块4组 成。工件反射光功率检测部分B主要由光束匀化聚焦系统5、第二光电转换 模块6和第二信号放大滤波模块7组成。其中第一光电转换模块3的输 出端与第一信号放大滤波模块4的输入端相连，第二光电转换模块6的输出端与第二信号放大滤波模块7的输入端相连。本实例中的第一光电转换模块3和第二光电转换模块6均选用的是光电二极管。在半导体阵列激光器的输出光路中45度角放置一片镀有增透膜的分光 镜1，激光器的输出激光S经过分光镜1时有部分光束会发生90度反射得 到光束S1，光束S1经过与其光轴成45度角放置的第一毛玻璃片21后，发 生漫反射，其光强空间分布得到匀化，再经过衰减片22后得到光束S2，光 束S2照射到光电二极管上发生光电转换，产生与光束S2的光功率成线性 关系的小电流信号Is，电流信号Is经过第一信号放大滤波模块中的运放电 路转换成电压信号并进行放大，再经过滤波电路滤波后得到0 5V范围内 的电压信号lis，根据Us4,Is， Is二M^S2， Ps2二N,Ps" Ps产N。Ps，可得 Us二K萬N晶,Ps，即Ps二Us/(K,M凡N。)，其中Id是运放电路的放大倍数，M,是光 电二极管的光电转换系数，N是光束匀化衰减系统2的衰减系数，N。是分光 镜l的反射系数，Ps2是光束S2的光功率，Psi是光束Sl的光功率，Ps是 输出激光S的光功率。电压信号Us的值可以通过现有的方法测量获得，再 由Ps:Us/( K禹N,N。)就可以计算出输出激光S的功率Ps，实现了激光输出 功率的实时在线检测。工件反射光R经过分光镜1时也有部分光束会发生90度反射得到光束 Rl，光束Rl经过与其光轴成45度角放置的第二毛玻璃片51时，发生漫反 射，其光强空间分布得到匀化，再经过凸透镜52聚焦后得到光束R2，光束 R2照射到光电二极管上发生光电转换，产生与光束R2的光功率成线性关系 的小电流信号工r，电流信号Ir再经过第二信号放大滤波模块中的运放电路 转换成电压信号并进行放大，再经过滤波电路滤波后得到0 5V范围内的 电压信号Ur，根据Ur二KJr， Ir=M2Pr2， Pr^NzPr,, Pr,二N()Pr，可得Ur=I^M2N2N(Pr， 即Pr=Ur/(K美N美)，其中K2是运放电路的放大倍数，M2是光电二极管的光 电转换系数，N2是光束匀化衰减系统5的衰减系数，Pr2是光束R2的光功率， Pn是光束Rl的光功率，Pr是工件反射光R的光功率，电压信号Ur的数值 可以通过现有的方法测量获得，再根据Pr二Ur/ ( K美N美)就可以计算出工件 反射光R的功率Pr，实现了工件反射光功率的实时在线检测。本实施例中的光束匀化衰减系统2也可以采用其它的结构形式，比如6将图2中的第一毛玻璃片21和衰减片22互换位置，或者将衰减片22去掉; 也可以采用如图4所示的结构形式，或者将图4中的第三毛玻璃片23和第 二衰减片24互换位置，或者将第二衰减片24去掉。本实施例中的光束匀化聚焦系统5也可以采用其它的结构形式，比如 将图3中的凸透镜52去掉；也可以采用如图5所示的结构形式，或者将图 5中的第二凸透镜54去掉。以上所述为本实用新型的一个实施例，当然本实用新型的内容并不局 限于所述实施例的内容，本专业的普通技术人员可对其进行一些变换，只 要其方法与本实用新型所叙述的一致，均应视为本实用新型所包括的范围。
权利要求1、一种半导体激光器激光功率实时在线检测装置，其特征在于包括放置在激光器输出光路中的分光镜(1)、激光输出功率检测部分(B)和工件反射光功率检测部分(C)；所述的激光输出功率检测部分(B)包括光束匀化衰减系统(2)、第一光电转换模块(3)和第一信号放大滤波模块(4)；所述的工件反射光功率检测部分(C)包括光束匀化聚焦系统(5)、第二光电转换模块(6)和第二信号放大滤波模块(7)；激光器的输出激光经过分光镜(1)时发生反射的光束S1经过光束匀化衰减系统(2)后照射到第一光电转换模块(3)上产生小电流信号，小电流信号经过第一信号放大滤波模块(4)进行放大滤波后得到与激光器输出功率成线性关系的电压信号；工件反射光光束经过分光镜(1)时反射的光束R1经过光束匀化聚焦系统(5)后照射到第二光电转换模块(6)上产生小电流信号，小电流信号经过第二信号放大滤波模块(7)进行放大滤波后得到与工件反射光功率成线性关系的电压信号。
2、 根据权利要求1所述的一种半导体激光器激光功率实时在线检测装置， 其特征在于所述分光镜(1)与激光器输出光路的光轴成30度 60度角放置。
3、 根据权利要求1所述的一种半导体激光器激光功率实时在线检测装置， 其特征在于所述的光束匀化衰减系统(2)包括沿光的传播方向依次放置 的第一毛玻璃片(21)和衰减片(22)，第一毛玻璃片(21)与光束S1的 光轴成30度 60度角放置。
4、 根据权利要求1所述的一种半导体激光器激光功率实时在线检测装置， 其特征在于所述的光束匀化聚焦系统(5)包括沿光的传播方向依次放置 的第二毛玻璃片(51)和凸透镜(52)，第二毛玻璃片(51)与光束R1的 光轴成30度 60度角放置。
5、 根据权利要求1所述的一种半导体激光器激光功率实时在线检测装置， 其特征在于所述的光电转换模块为光电二极管。
专利摘要本实用新型是一种半导体激光器激光功率实时在线检测装置，属于激光光电检测领域。本装置包括分光镜、激光输出功率检测部分和工件反射光功率检测部分。在半导体阵列激光器的光路中放置一片分光镜，从激光器输出的激光光束和从工件反射光光束中分出来两部分光束，针对半导体激光光束强度在空间上分布不均匀的特点，分别对两束光进行光强匀化和衰减，之后再进行放大滤波得到与激光器光功率和工件反射光功率成线性关系的电压信号，根据电压信号能够计算出激光器输出激光的光功率和工件反射的光功率。本实用新型实现了高功率半导体阵列激光器激光输出功率和加工时工件反射光功率的同时在线检测，该装置可以集成到高功率半导体阵列激光器的输出光路中。
文档编号G01J1/04GK201368769SQ200820123290
公开日2009年12月23日 申请日期2008年12月31日 优先权日2008年12月31日
发明者禹 宋, 王智勇, 秦文斌 申请人:北京工业大学