专利名称：光学控制装置和热扩散率测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光学控制装置，更具体地涉及一种安装在热扩散率测量装置 上的光学控制装置。
背景技术：
热扩散率是表征材料内部非稳态导热过程的重要热物理参数之一，是用来描述物 体在加热或冷却过程中各部分趋于一致的能力。自然界和许多科技领域里的大部分导热过 程均为非稳态导热过程。了解介质材料的热扩散率，对传热过程进行热分析和热计算有重 要的意义。航空航天、核能技术、新材料开发等高新技术领域，以及建筑节能、石油化工、钢 铁冶金、食品加工等传统领域，都需要对材料热扩散率的准确测量。1961年Parker等人提出闪光法测量固体材料热扩散率，由于其具有试样尺寸小 (厚度1. 5-4mm/直径6_18mm)、测试周期短(数秒)、温度范围广(100-2500K)和参数区间 宽(0. l-1000mm2/s)等优点，被广泛使用。但是该物理模型是建立在一系列理想条件基础 之上的，对实际的测量条件要求比较苛刻，如建立从试样正面到背面的一维热流；激光脉 冲的周期足够短；激光脉冲能量被试样前表面应均勻地吸收；试样热损失应可忽略不计； 试样背面的最大温升保持在一定的范围内；热响应信号数据采集记录系统必需具有足够高 的分辨率、采集速率及稳定性，以达到较高的测量精度。目前，各国普遍采用加热能量比较大的脉冲型激光直接对试样前表面进行照射， 激光光斑分布不均勻且分布规律不强。而测量原理是基于一系列假设条件下的一维无限大 平板理想导热模型，这种脉冲型(非连续)激光器输出的稳定性以及输出光斑的均勻性直 接会影响到试样前表面的均勻受热情况，进而最终影响到热扩散率测量的准确度。为此需 要考虑激光非均勻性加热带来的影响，设法提高激光光斑的均勻性。
发明内容本实用新型提供一种安装在热扩散率测量装置上的光学控制装置，其能够对高能 量的光斑进行实时监测，并获得一系列不同能量的高均勻性光斑，减小由光斑非均勻性加 热带来的测量误差。实际上光束空间分布是激光器的驱动电流、光源温度、内部孔径或反射镜设置等 多重因素共同作用的结果。要保证激光脉冲能量均勻地被样品正面吸收，除调整激光器结 构尽可能保证激光的激光均勻输出外，系统设计者必须要了解光的初始分布，对光束的性 能进行实时的反馈以便及时做出调整。利用光束质量分析仪采集激光光斑的分布图，调整 各项试验参数，测量光束的能量分布图形，可在合适的参数条件下获得高均勻性激光光斑。 在将激光器各项参数调整到最佳后，经测量发现在激光器的输出能量较小时，激光光斑的 能量分布均勻性较差；在激光输出能量较大时，光斑均勻性会大幅提高，通过光束质量分析 仪的测量表明，激光器输出能量的调高有助于提高激光光斑能量分布的均勻性，使得激光 脉冲能均勻的照射在样品正面，最大程度的降低激光脉冲光斑能量分布对热扩散率测量的影响。同时可利用能量计和光束质量分析仪对激光器的输出能量和光斑质量进行实时监 测，进而对光斑能量进行有选择的衰减，减小由非均勻性加热带来的测量误差。本实用新型的光学控制装置，用于对激光器发射的光束进行控制，其包括光学部 件组、光束质量分析仪和能量计，从激光器发出的激光经所述光学部件组分光入射到所述 光束质量分析仪和能量计，所述光学部件组依次具有第一分光器件、第一光学片、第二光学 片和第二分光器件，其特征在于所述第一分光器件用于将从激光器发出的激光分光形成 第一光束和第二光束，所述光束质量分析仪用于对第一光束进行分析，所述第一、第二光学 片用于对第二光束进行激光能量衰减，所述第二分光器件将能量衰减后的第二光束分光形 成第三和第四光束，其中第三光束进入能量计，第四光束沿第二光束方向出射。其中第一、第二光学片为可更换部件，由第一和第二光学片的组合形成不同的衰 减系数对激光光束进行衰减，得到了一系列不同能量的激光光斑。优选的第一光学片和第二光学片只设置其中一个或一个也不设置。优选的第一光学片和第二光学片均为光衰减片或其他可对激光光束能量调整的 光学元件。优选的第一光学片和第二光学片为转盘式结构。优选由所述光束质量分析仪和所述能量计测得的数据可获得激光光束的光斑图 像和能量分布。一种热扩散率测量装置，其特征在于，该热扩散率测量装置上安装有上述光学控 制装置。
图1热扩散率测量装置示意图。
具体实施方式
本实用新型的优点将会通过下文结合附图中对优选实施例的详细描述而更加明
Mo如图1是本实用新型的安装有光学控制装置的热扩散率测量装置结构示意图，以 下是对本新型的进一步详细说明。采用Nd-YAG激光器101作为激发光源，其产生脉冲激光， 脉冲激光光束进入光学控制装置102中，光学控制装置102包括有光学部件组1021、能量 计1022和光束质量分析仪1023中，所述光学部件组1021具有第一分光镜1024、第二分光 镜1025、第一光学片10 和第二光学片1027，脉冲激光光束通过第一分光镜分光形成第一 光束和第二光束，其中第一光束进入光束质量分析仪1023中，通过该光束质量分析仪1023 可实时检测脉冲光束的空间能量分布图形，保证从激光器射出的脉冲光束光斑的能量分布 均勻，降低脉冲能量分布对测量准确度的影响，第二光束通过第一光学片10 和第二光学 片1027后激光光束能量被衰减，能量衰减后的第二光束通过第二分光镜1025形成第三和 第四光束，其中第三光束进入能量计1022，通过能量计能够得到第三光束的光束能量，根据 第一和第二分光镜的分光系数比以及两个光学片的衰减系数可计算出第一、第二和第四光 束的光束能量，第四光束沿第二光束方向出射，该第四光束照射在真空加热炉103的样品 1031前表面，该样品由样片架1033支撑，光束照在样品上后，其后表面产生瞬时温升，通过
4红外探测器105将探测到的温升信号经过前置放大器106放大后传送到数据采集卡中，其 中在激光触发的瞬间通过脉冲同步触发装置将触发信号传递给数据采集卡，采集卡在激光 触发瞬间开始计时，进行同步数据采集。数据采集卡将采集到的数据信号传送到计算机中， 获得样品背面的瞬态温升曲线，通过数据处理系统将这些数据进行处理计算得到热扩散率 测量值。其中可将第一光学片和第二光学片组成的多个光学片组集成在由步进电机控制 的转动平台上，通过控制步进电机实现光学片组的更换，通过围绕垂直轴的平台转动或围 绕水平轴的空间旋转方式等多种形式实现光学片组的手动或自动更换。通过可更换部件， 采用不同衰减系数的第一和第二光学片的组合，得到了一系列不同能量的均勻激光光斑。 光学部件组1021中的第一和第二光学片可只设置一个或一个也不设置。优选所述光学片 为衰减片或其他可对激光光束能量调整的光学元件。通过在热扩散率测量装置上安装光学控制装置，获得了一系列不同能量的高均勻 性光斑，减小了由光斑非均勻性加热带来的测量误差，提高了材料热扩散率测量的准确定 性。尽管参照特定的优选实施例示出并描述了本实用新型，但本领域技术人员应该理 解，本说明书中列举的具体实施方案或实施例，只不过是为了理解本发明的技术内容，在不 背离本发明的主旨和范围的情况下，本发明在形式上和细节上可以进行多种改变。
权利要求1.一种光学控制装置，用于对激光器发射的光束进行控制，其包括光学部件组、光束质 量分析仪和能量计，从激光器发出的激光经所述光学部件组分光入射到所述光束质量分析 仪和能量计，所述光学部件组依次具有第一分光器件、第一光学片、第二光学片和第二分光 器件，其特征在于所述第一分光器件用于将从激光器发出的激光分光形成第一光束和第 二光束，所述光束质量分析仪用于对第一光束进行分析，所述第一、第二光学片用于对第二 光束进行激光能量衰减，所述第二分光器件将能量衰减后的第二光束分光形成第三和第四 光束，其中第三光束进入能量计，第四光束沿第二光束方向出射。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于第一、第二光学片为可更换部件，由第一和 第二光学片的组合形成不同的衰减系数对激光光束进行衰减，得到了一系列不同能量的激 光光斑。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述第一光学片和第二光学片只设置其中 一个或一个也不设置。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述第一光学片和第二光学片均为光衰减片。
5.如权利要求1或3所述的装置，其特征在于所述第一光学片和第二光学片为转盘 式结构。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于由所述光束质量分析仪和所述能量计测得 的数据可获得激光光束的光斑图像和能量分布。
7.一种热扩散率测量装置，其特征在于该热扩散率测量装置上安装有如权利要求 1-6中任一项所述的光学控制装置。
专利摘要本实用新型涉及一种光学控制装置，其安装在热扩散率测量装置上，包括光学部件组、光束质量分析仪和能量计，所述光学部件组具有第一分光器件、第二分光器件、第一光学片和第二光学片，能量计和光束质量分析仪对激光器的输出能量和光斑质量进行实时监测，减小由光斑非均匀性加热带来的测量误差，其中第一光学片和第二光学片为可更换部件，采用不同衰减系数的第一和第二光学片的组合，获得了一系列不同能量的高均匀性光斑，提高了材料热扩散率测量的准确定性。
文档编号G01N25/20GK201819892SQ200920220398
公开日2011年5月4日 申请日期2009年10月30日 优先权日2009年10月30日
发明者刘建庆, 孙建平 申请人:中国计量科学研究院, 河北大学