一种便携式大口径实时激光能量测量系统及方法与流程
本发明属于设计光电测量领域，尤其涉及一种激光能量测量系统及方法。
背景技术：
随着激光技术的逐渐发展，激光的应用越来越普及，尤其是远程激光测距机在使用一段时间后，通常无法判断其出射能量衰减了多少，或是实际出射能量有多少。脉冲激光测距机所发射出的脉冲激光通常是单个发射的，但是某些激光测距机会发射出脉冲串，以求获得更高的测量精度。一般来说，单个脉冲激光的能量是衡量脉冲激光测距机测程的关键指数之一，某些激光测距机所发射的脉冲串为衡量测距机质量的指数之一。每个脉冲串内的单个脉冲频率约2khz，那么要测量脉冲串的信息，就要使热释电探头及之后的装置都要能够进行高速的测量。脉冲激光测距机发出的激光波长为1064nm，脉宽一般只有10ns左右，并且远程激光测距机的出射口径一般有100mm左右，这就要求测量系统有较大的入射口径。传统科学实验中的能量测量计虽然也可以测到脉冲的激光能量，但是其口径通常是不够大的，并且传统的热释电探头所能处理脉冲频率最多也只有上百赫兹，这不能满足实时性的要求。而且，现有技术中的激光能量测量装置还存在激光能量测量设备体积较大，口径小，测量频率低，不方便携带的缺陷。
测量激光能量设备有很多类型，到目前为止，国内在激光能量测量方面主要有：中科院上海光机所高功率激光物理联合实验室，林康春等人用于神光ⅱ的三倍频的大口径能量计，但是其口径300mm、测量能量2000j，但整体来说造价昂贵、体积很大，并且不适于激光测距机。中科院上海光机所，王瑞华等人研制的jk-80大口径激光能量计，其口径仅用80mm，其口径不够大，并且其测量时间间隔要一分钟，测量速度太慢，所以其也不适用于激光测距机。西安应用光学研究所，雷俊杰等人的大口径激光能量计，其口径100mm，无会聚镜头，入射激光直接入射到热释电探头上，这样其实际测量的能量密度损伤阈值较低，那么这种设计也不适合脉冲激光测距机。
技术实现要素：
本发明的目的在于：为了测量远程激光测距机的能量，检测其能量衰减情况，提供一种便携式大口径实时激光能量测量系统及方法，不仅解决了在测量远程激光测距机出射能量时存在的口径小、速度慢、能量密度损伤阈值低等技术问题，实现了对远程激光测距机出射激光(脉冲激光)能量的实时测量，而且兼具了针对连续激光的功率测量功能。另外，本发明也能够解决目前激光能量测量设备体积较大，不方便携带的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种便携式大口径实时激光能量测量系统，包括
大口径会聚透镜，用于将远程激光测距机射出的脉冲激光/连续激光会聚，并入射到分光镜；
分光镜，用于反射和透射脉冲激光/连续激光，并将反射后的脉冲激光入射到高速热释电探头；
光学斩波器，由步进电机控制，用于控制通光孔位置，让由分光镜反射的脉冲激光完整通过；将分光镜入射到光学斩波器的连续激光调制为矩形脉冲激光，并控制矩形脉冲激光的调制频率；
高速热释电探头，用于测量经光学斩波器入射来的矩形脉冲激光/脉冲激光的能量数据，并将测得的能量数据传递到智能信号转换器；
智能信号转换器，用于将接收到的能量数据转换为软件处理信号，并传递到处理装置；
处理装置，用于接收和处理软件处理信号，得到矩形脉冲激光/脉冲激光能量的测量结果，或根据调制频率和矩形脉冲激光能量计算得到连续激光的功率。
进一步的，还包括红外ccd，用于监测矩形脉冲激光/脉冲激光照射在高速热释电探头上的激光光斑图像的位置(高速热释电探头上的激光光斑图像依次沿光学斩波器、分光镜向红外ccd反射)，并将监测到的激光光斑图像传递到处理装置。
进一步的，还包括热沉装置，用于吸收高速热释电探头产生的热量。
进一步的，还包括热量垃圾桶，用于排出分光镜透射后的脉冲激光/连续激光能量和空间内的冗余能量。
进一步的，分光镜采用的是反射率为5％～10％的分光镜。
进一步的，还包括外壳，用于将大口径会聚透镜、分光镜、光学斩波器、高速热释电探头和处理装置安装于其内，且其(即外壳)与大口径会聚透镜相对的位置留有开口，该开口用于充当光阑。光阑限制接收光束的孔径、光斑大小。
进一步的，分光镜与光轴呈45°设置。
进一步的，大口径会聚透镜的直径为120mm。
一种便携式大口径实时激光能量测量方法，包括如下步骤：
(a).大口径会聚透镜将远程激光测距机射出的脉冲激光/连续激光会聚，并入射到分光镜；
(b).分光镜反射和透射脉冲激光/连续激光，并将反射后的脉冲激光入射到高速热释电探头；通过由步进电机控制的光学斩波器将分光镜入射到光学斩波器的连续激光调制为矩形脉冲激光，并控制矩形脉冲激光的调制频率；并且控制通光孔位置，让由分光镜反射的脉冲激光完整通过；
(c).高速热释电探头测量经光学斩波器入射来的矩形脉冲激光/脉冲激光的能量数据，并将测得的能量数据传递到智能信号转换器；
(d).智能信号转换器将接收到的能量数据转换为软件处理信号，并传递到处理装置；
(e).处理装置接收和处理软件处理信号，得到矩形脉冲激光/脉冲激光能量的测量结果，或根据调制频率和矩形脉冲激光能量计算得到连续激光的功率。
进一步的，所述方法，还包括如下步骤：
采用红外ccd监测矩形脉冲激光/脉冲激光照射在高速热释电探头上的激光光斑图像的位置，并将监测到的激光光斑图像传递到处理装置；
进一步的，所述方法，还包括如下步骤：
采用热沉装置吸收高速热释电探头产生的热量。
进一步的，所述方法，还包括如下步骤：
采用热量垃圾桶排出分光镜透射后的脉冲激光能量和空间内的冗余能量。
一种激光功率测量系统，包括
会聚透镜，用于将激光测距机射出的连续激光会聚，并入射到分光镜；
分光镜，用于反射和透射连续激光，并将反射后的连续激光入射到光学斩波器；
光学斩波器，由步进电机控制，用于控制通光孔位置，让由分光镜反射的脉冲激光完整通过；将分光镜入射到光学斩波器的连续激光调制为矩形脉冲激光，并控制矩形脉冲激光的调制频率；
热释电探头，用于测量经光学斩波器入射来的脉冲激光的能量数据，并将测得的能量数据传递到智能信号转换器；
智能信号转换器，用于将接收到的能量数据转换为软件处理信号，并传递到处理装置；
处理装置，用于接收软件处理信号，并根据调制频率和矩形脉冲激光能量计算得到连续激光的功率。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明的主要改进点在于，采用大口径会聚透镜，可以会聚入射光(连续激光)，利用分光镜的分光作用，减小反射到高速热释电探头上的激光能量，能够避免因高速热释电探头接收的激光能量过高而损坏，也能够避免因高速热释电探头接收的激光能量过低而测量不准确，扩大了激光能量的测量范围，同时解决了在测量远程激光测距机出射能量时存在的口径小、速度慢、能量密度损伤阈值低等技术问题，实现了对远程激光测距机出射激光(连续激光)能量的实时测量；同时，由于光学斩波器的加入，通过步进电机控制光学斩波器，将分光镜入射到高速热释电探头的连续激光调制为矩形脉冲激光，并控制矩形脉冲激光的调制频率，处理装置就能通过调制频率和矩形脉冲激光能量计算得到连续激光的功率；因此，本发明不仅能够测量脉冲激光的能量，而且还兼具了连续激光功率的测量功能。
由于焦距较短的大口径会聚透镜，大口径会聚透镜将入射光会聚，大口径会聚透镜与分光镜、高速热释电探头的整体构成可以控制整个光路的规模，能够使系统的整个光路控制在合理的尺寸之下，减小系统的体积，从而提高整个系统的便携性，解决了现有技术中存在的激光能量测量设备体积较大，不利于携带的技术问题。
加之，由于分光镜和高速热释电探头的作用，不仅能够减小高速热释电探头的损伤几率，也能确保高速热释电探头检测到激光，并利用高速热释电探头优秀的处理能力进行快速的数据处理，使得本发明除了具备便携性之外，还能够达到实时测量激光能量的目的。
2.本发明还提供一种单独的激光功率测量系统，通过步进电机控制光学斩波器，实现了激光的调制，控制调制频率，处理装置就能通过测得的激光脉冲的能量及调制频率计算得到连续激光的功率。具体的，当接收的激光能量是由连续激光调制来的激光脉冲时，步进电机控制光学斩波器斩波频率为4hz(仅是举例，还可以是其他频率)，热释电探头每秒测得四次脉冲能量，处理装置(软件内部)设置脉冲累加个数为4，处理装置接收到从智能信号转换器传输过来待处理数据时，处理装置内将四次脉冲能量累加起来，其一秒钟测得的脉冲能量累加起来所得能量值，即是连续激光的功率值。在累加四次脉冲能量之后，处理装置开始下一轮累加循环。传统的方法是直接采用功率传感器来测量功率，而本申请在现有的激光能量测量设备中巧妙的增加了一个斩波器，使得其不需另外设置功率传感器的情况下通过斩波器与热释电探头的配合来实现功率的测定。
3.用外壳将大口径会聚透镜、分光镜、光学斩波器、高速热释电探头和处理装置等部件(还可以包括其他方案中的热沉装置、红外ccd和热量垃圾桶等)安装于其内，整合为一个便携式的激光能量测量装置；且本申请是直接用外壳上的开口充当光阑，既精简了结构组成，又降低了成本。
4.热沉装置是高热导率材料，将其紧贴于高速热释电探头下，吸收高速热释电探头由于长时间工作或测试时产生的冗余热量，有助于高速热释电探头热量的释放，热沉装置跟高速热释电探头的组合可以提高高速热释电探头的平均功率损伤阈值。
5.红外ccd的采用，则是方便监测系统运行过程中激光光斑的在高速热释电探头上的位置，确保高速热释电探头能够准确测量激光能量。
6.由于在集成化的光学系统中，不可避免总会在系统中产生冗余的热量，尤其是通过分光镜透射过去的光，这些都会影响高速热释电探头的测量，而热量垃圾桶就可以把这些多余的杂散光及热量排出；热量垃圾桶位于分光镜后，主要吸收分光镜透射能量，可以往系统外排出系统产生的冗余热量，减少了在封闭的测量系统/装置中会由于散射光等产生的热量对能量探头的测量产生影响；热量垃圾桶可以是微型风箱、吸收率很高的材料等，同时也要求系统的外壳内表面采用粗糙、高吸收率材料，这也是保证系统精度的一种方法。
7.本发明优选反射率为5％～10％的分光镜，且确保光轴与分光镜成45°夹角。分光镜也要采用优质石英，且反射面镀1064nm高能量密度损伤阈值增反膜、透射面镀1064nm高能量密度损伤阈值增透膜，这样既保证了精度，也提高了分光镜的能量密度损伤阈值。
8.本发明使用了光学斩波器，可以将连续激光转换为脉冲激光，这样可以提高平均功率，使测量更加准确；同时在测量连续激光时，要求连续激光的能量是不能过大的，否则容易损坏热释电探测器；并且，本申请主要针对的窄脉冲激光，步进电机是可以确保脉冲激光的激光光斑能够完全通过光学斩波器的通光孔，光学斩波器对于激光能量的测量是没有影响的。
9.本发明使用了的高速热释电探头，测量范围是0.2mj—10j，但是由于分光镜的分光，实际测量范围可以达到4mj—200j(分光镜反射率5％时)；且其内部处理频率能够高达2khz，结合高速的智能信号转换器与处理装置(软件处理)，即使某些激光测距机发射的是脉冲串，那么高速热释电探头也能够实时的处理数据。
10.本发明使用了处理装置进行软件部分的数据处理，处理装置从智能信号转换器获得脉冲激光能量数据，根据整个系统的设计，在处理装置对接受到的数据进行统计分析，也可以根据具体需求进行存储与显示，处理装置可以直观的观测到入射的激光能量的变化与大小。
附图说明
图1系统原理图；
图2具体实施方式流程—硬件；
图3具体实施方式流程—软件；
图1中：1—光阑(以大口径会聚透镜处的外壳开口处作为光阑)，2—大口径会聚透镜，3—分光镜，4—热量垃圾桶，5—光学斩波器，6—红外ccd(微型)，7—高速热释电探头，8—热沉装置，9—处理装置，10—智能信号转换器，11—步进电机，12—电源。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述，本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
以下结合附图1～图3对本发明做进一步的介绍，但不作为对本发明及其应用的限定。
实施例1
一种便携式大口径实时激光能量测量系统，包括
电源12，提供工作电源；
大口径会聚透镜2，用于将远程激光测距机射出的脉冲激光/连续激光会聚，并入射到分光镜；
分光镜3，用于反射和透射脉冲激光/连续激光，并将反射后的脉冲激光入射到高速热释电探头；
光学斩波器5，由步进电机11控制，用于控制通光孔位置，让由分光镜反射的脉冲激光完整通过；将分光镜入射到光学斩波器的连续激光调制为矩形脉冲激光，并控制矩形脉冲激光的调制频率；
高速热释电探头7，用于测量经分光镜入射来的矩形脉冲激光/脉冲激光的能量数据，并将测得的能量数据传递到智能信号转换器；
智能信号转换器10，采用usb接口，用于将接收到的能量数据转换为软件处理信号(即处理装置中软件能够处理的信号)，并传递到处理装置；
处理装置9，优选平板电脑，用于接收和处理软件处理信号，得到矩形脉冲激光/脉冲激光能量的测量结果，或根据调制频率和矩形脉冲激光能量计算得到连续激光的功率(若远程激光测距机射出的是脉冲激光，则不计算功率)，对于接收的由连续激光调制来的激光脉冲(矩形脉冲)，软件内部将一秒钟得到的脉冲能量累加起来所得能量值，即是连续激光的功率值。
远程激光测距机的激光脉冲：波长1064nm、脉宽10ns左右、出射激光束直径约100mm。
大口径会聚透镜2，采用f#3会聚透镜，直径120mm，使用优质石英作材料，透镜前后都要镀1064nm高能量密度损伤阈值增透膜，这样能量密度损伤阈值在1064nm波长下约为5j/cm2，透射准确率为99.9％，这样既保证了精度，也使会聚透镜有着较高的能量密度损伤阈值。
电源12为锂离子电池，锂离子电池(12v锂电池)能够实现对整个系统的正常供电，从而使系统便于携带。
分光镜3采用的是反射率为10％的分光镜，减小入射到高速热释电探头上的激光能量，降低高速热释电探头的损伤几率。
实施例2
本实施例与实施例1的主要区别在于，相比于反射率为10％的分光镜，本实施例采用的是反射率为5％的分光镜3，不仅减小了入射到高速热释电探头7上的激光能量，降低高速热释电探头的损伤几率，而且能够在保证高速热释电探头7能够准确检测激光能量的前提下，扩大能量测量范围。
另外需要注意的是，在选择不同发射率的分光镜3时，应该根据所要测量的能量大小而定。本发明仅仅是提供了两个不同分光比的常用分光镜，即反射率为5％或10％的分光镜，因此，也会有选择反射率低于5％或反射率高于10％的分光镜。
实施例3
本实施例与实施例1的主要区别在于，还包括一个外壳，用于将大口径会聚透镜2、分光镜3、光学斩波器5、高速热释电探头7和处理装置9等安装于其内，且其(即外壳)与大口径会聚透镜2相对的位置留有开口，该开口用于充当光阑1。光阑1限制接收光束的孔径、光斑大小。
实施例4
本实施例与实施例1的主要区别在于，还包括热沉装置8，用于吸收高速热释电探头7产生的热量。
实施例5
本实施例与实施例1的主要区别在于，红外ccd6，采用usb接口，用于监测矩形脉冲激光/脉冲激光照射在高速热释电探头7上的激光光斑图像的位置(高速热释电探头上的激光光斑图像依次沿光学斩波器5、分光镜3向红外ccd6反射)，并将监测到的激光光斑图像传递到处理装置9。
实施例6
本实施例与实施例1的主要区别在于，还包括热量垃圾桶4，用于排出分光镜透射后的脉冲激光/连续激光能量和空间内的冗余能量。
实施例7
本实施例为实施例1～6的技术方案的组合，同时，也是本申请最优选的一个实施例。本实施主要针对窄脉冲激光，一种便携式大口径实时激光能量测量方法，包括如下步骤：
(1).远程激光测距机射出脉冲激光，入射的脉冲激光经过光阑限制入射到大口径会聚透镜2；
(2).从大口径会聚透镜2出射的脉冲激光会聚到分光镜3上；
(3).透射过分光镜3的脉冲激光进入热量垃圾桶4；分光镜反射的脉冲激光入射到高速热释电探头7；
(4).热沉装置8吸收高速热释电探头产生的多余的热量，高速热释电探头7测得的能量数据经由智能信号转换器10传输到处理装置9，而后处理装置9处理相应数据；系统运行中入射到高速热释电探头7的激光光斑图像的位置由红外ccd6进行监控。
在实施时，采用如下方式：
各光学器件(即大口径会聚透镜2和分光镜3等)放置在适当的距离上，且将各器件调整于同一光路上，且系统外壳内表面要采用黑色粗糙表面，同时按照上述方案安装智能信号转换器和处理装置等。
打开系统的电源，然后将入射光(窄脉冲激光)沿光轴入射到大口径会聚透镜上，光斑都在光阑1内，确保光斑全部入射到直径为120mm的大口径会聚透镜2上，大口径会聚透镜透射率误差小于0.1％。
调整分光镜3与光轴固定为45°，确保只有约5％的入射脉冲激光最终入射到高速热释电探头7上，分光镜反射率的误差也是小于0.1％的。
将微型风扇作为热量垃圾桶4的一部分放在分光镜后面，排出所有透射光所产生的热量，并且也排出部分系统运行过程中自身产生的热量。确保微型风扇能够排出系统中可能对pe-50c的测量产生影响的热量。
调整光学斩波器5，由于入射的是窄脉冲激光，所以，光学斩波器5可以通过与其电连接的步进电机调整通光孔位置，确保脉冲激光可以完全通过光学斩波器5。
此时通过红外ccd6(微型)可以监测激光光斑是否完全打在高速热释电探头7上，如果激光光斑没有全部打在高速热释电探头7上，那么可以调整分光镜3，从而确保激光光斑全部在高速热释电探头7的工作面内。
高速热释电探头7的型号为pe-50c，其测量误差约为±3％，由于大口径会聚透镜与分光镜误差远远小于自身误差，所以其整体均方根误差约±3％，高速热释电探头的能量测量范围0.2mj—10j，系统实际测量范围是4mj—200j工作频率可以达到2khz，口径φ46，能量密度阈值0.1j/cm2。高速热释电探头7实际接收的激光光斑应当小于φ40，这样即使入射光有稍微角度的偏差，也不影响实际能量的测量。pe-50c的参数完全符合实际激光测距机的要求。并且将高热导率的铜片作为热沉装置8放置在高速热释电探头7下面，来吸收高速热释电探头7由于长时间运行或入射能量过大而溢出的能量。
处理装置(软件部分)的处理步骤如下：
1.打开电源、软件；
2.检测设备(即智能信号处理模块10和高速热释电探头7)；
3.当检测到设备后，将设备打开并检测设备是否能正常工作；
4.设置设备参数；
5.检测是否有脉冲激光；
6.当检测到脉冲激光时，接收高速热释电探头激光能量的数据；
7.统计被测数据；
8.显示数据(图像)，并确认是否存储能量及参数数据；当确认存储后，将能量及参数数据进行存储；
9.确认是否关闭；
10当确认关闭时，存储软件设置；
11.关闭电源、软件。
本发明采用大口径会聚透镜2，可以会聚入射光，同时由于大口径会聚透镜2焦距较短，大口径会聚透镜2将入射光会聚，再结合分光镜3、高速热释电探头7，能够使系统的整个光路控制在合理的尺寸之下，减小系统的体积，从而更加便于携带。从pe-50c传输而来的信号，经过智能信号转换器10，转换为处理装置9(软件部分)可以处理的信号。处理装置9获取了从高速热释电探头7传输过来的数据，根据本系统实际的衰减，计算出入射脉冲激光的实际能量。本系统需要对数据进行存储、也要在处理装置9的界面上直观的看到其数据/图像的位置变化，所以处理装置9也会对数据进行相应的存储与显示。所有的软件模块是在处理装置9上运行的，同时红外ccd6(小型)的实时显示也是可以在处理装置9上显示的，因此，整个系统是便于携带的，解决了现有技术中存在的激光能量测量设备体积较大，不利于携带的技术问题；加之，由于分光镜3和高速热释电探头7的作用，不仅能够减小高速热释电探头7的损伤几率，也能确保高速热释电探头7检测到激光，并利用高速热释电探头7进行快速的数据处理，使得本发明除了具备便携性之外，还能够达到快速测量激光能量的目的。
实施例8
与实施例6的主要区别在于，待测激光器射出的是连续激光。
(1).待测激光器射出连续激光，经过光阑1限制后的连续激光入射到大口径会聚透镜2：
(2).从大口径会聚透镜2出射的连续激光会聚到分光镜3上：
(3).透射过分光镜3的连续激光进入热量垃圾桶4；分光镜3反射的连续激光经光学斩波器5进行调制(光学斩波器5由步进电机控制，以调制入射来的激光，控制调制频率)，并入射到高速热释电探头7；
(4).热沉装置8吸收高速热释电探头产生的多余的热量，高速热释电探头测得的能量信号经由智能信号转换器10传输到处理装置9，而后处理装置9根据调制频率和矩形脉冲激光能量计算得到连续激光的功率；系统运行中入射到高速热释电探头7的激光光斑图像的位置由红外ccd6进行监控。
当入射激光为连续激光时，处理装置根据调制频率计算得到连续激光功率的方法如下：
当接收的激光能量是由连续激光调制来的激光脉冲时，本实例中步进电机11控制光学斩波器转速为每秒25转，其调制频率为100hz(仅是举例，还可以是其他频率)，高速热释电探头每秒测得100次脉冲能量wn，处理装置(软件内部)设置脉冲累加个数为100，处理装置9接收到从智能信号转换器10传输过来待处理数据时，处理装置9内将100次脉冲能量wn(n＝1,2,3…,100)累加起来，功率定义为：
实施例9
本实施例提供的是单独的一种激光功率测量系统，针对连续激光进行功率的检测，系统包括
会聚透镜，用于将激光测距机射出的连续激光会聚，并入射到分光镜；
分光镜，用于反射和透射连续激光，并将反射后的连续激光入射到光学斩波器；
光学斩波器，由步进电机控制，用于将分光镜入射到光学斩波器的连续激光调制为矩形脉冲激光，并控制矩形脉冲激光的调制频率；
热释电探头，用于测量经光学斩波器入射来的连续激光的能量数据，并将测得的能量数据传递到智能信号转换器；
智能信号转换器，用于将接收到的能量数据转换为软件处理信号，并传递到处理装置；
处理装置，用于接收软件处理信号，并根据调制频率和矩形脉冲激光能量计算得到连续激光的功率。
功率的计算方式如实施例8所述。
虽然以上所述对本发明做了详细的阐述，但应当理解，并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的阐述是为了易于理解本发明，对本领域技术人员而言，在不偏离权利要求书限定范围的情况下，本领域技术人员可以对所述实例进行适当的改变。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术，本领域技术人员根据已有的描述已能够在不付出创造性劳动的前提下进行实施，因此，不再赘述。
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