高功率激光功率测量系统的制作方法

本发明涉及激光测量技术领域，尤其涉及高功率激光功率测量系统。

背景技术：

高功率激光，通常是指高功率激光器发出的激光，其输出功率通常在1千瓦以上，高功率激光在工业加工、军事国防和科学研究等领域具有重要的应用。近年来随着激光技术的发展，激光器输出功率水平不断提升。功率的准确测量是高功率激光研究和应用的基础，而高功率激光的功率快速准确测量一直以来是个难题。

目前，现有的高功率激光测量方法主要有两类：量热方法和取样方法。

量热方法通过吸收材料将高功率激光全部吸收并转化成热量，通过测量装置中热沉或水的温度升高量得到激光功率。然而，量热方法使用的装置体积较大、重量较重且响应速度较慢，需要配备水冷机或储水箱，且测量的功率越高装置的体积越大，测量装置的吸收材料表面极易被激光损伤。

取样方法通过取样器件将高功率激光取出一小部分进行测量，然后通过器件的取样比计算出激光的功率。取样方法测量装置体积较小，但取样器在高功率激光照射下温度升高并产生非线性效益，取样比易发生变化，导致测量结果产生偏差，相比量热方法测量误差大、稳定性差。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供高功率激光功率测量系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种高功率激光功率测量系统，包括：测量反射镜、测量模块和反射镜组，其中，所述测量反射镜的非反光面与所述测量模块的测量端连接，且所述测量模块的测量方向与所述测量反射镜的反光面垂直，所述反射镜组用于改变入射的高功率激光的光路，使所述高功率激光经过所述测量反射镜的反射后沿入射光路的方向射出。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种高功率激光功率测量系统，包括：测量反射镜、测量模块和反射镜，其中，所述测量反射镜的非反光面与所述测量模块的测量端连接，且所述测量模块的测量方向与所述测量反射镜的反光面呈预设角度，所述反射镜用于改变经所述测量反射镜反射的高功率激光的光路，使所述高功率激光沿入射光路的方向射出。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种高功率激光功率测量系统，包括：测量反射镜组、测量模块和反射镜组，所述测量反射镜组包括：第一测量反射镜和第二测量反射镜，所述反射镜组包括：第一反射镜和第二反射镜，其中：

所述第一测量反射镜的非反光面与所述测量模块的测量端连接，且所述测量模块的测量方向与所述第一测量反射镜的反光面呈预设角度；所述第二测量反射镜的非反光面与所述测量模块的测量端连接，且所述测量模块的测量方向与所述第二测量反射镜的反光面呈所述预设角度；

所述第一反射镜用于改变经所述第一测量反射镜反射的高功率激光的出射光路的方向，使所述高功率激光射向所述第二反射镜，所述第二反射镜用于改变经所述第一反射镜反射的所述高功率激光的出射光路的方向，使所述高功率激光射向所述第二测量反射镜，所述第二测量反射镜用于改变经所述第二反射镜反射的所述高功率激光的出射光路的方向，使所述高功率激光沿射向所述第一测量反射镜的入射光路的方向射出。

由于光子虽然没有静止质量但是有动量，当激光照射到物体表面时会产生压力，因此发明提供的高功率激光功率测量系统，通过测量模块采集测量反射镜上由高功率激光产生的光压，根据测量模块与激光功率之间的比例关系，即可测得高功率激光的功率，相比于量热方法，测量系统的体积小、重量轻、响应速度快、无需水冷且可在线测量，相比于取样方法，测量准确度高且稳定性好，还具有响应速度快、测量准确度高和可在线测量等优点。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为本发明高功率激光功率测量系统的实施例提供的一种结构示意图；

图2为本发明高功率激光功率测量系统的实施例提供的另一种结构示意图；

图3为本发明高功率激光功率测量系统的实施例提供的又一种结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，为本发明高功率激光功率测量系统的实施例提供的一种结构示意图，该高功率激光功率测量系统包括：测量反射镜10、测量模块20和反射镜组30，其中，测量反射镜10的非反光面与测量模块20的测量端连接，且测量模块20的测量方向与测量反射镜10的反光面垂直，反射镜组30用于改变入射的高功率激光的光路，使高功率激光经过测量反射镜10的反射后沿入射光路的方向射出。

需要说明的是，为了减少损耗和发热，测量反射镜10和反射镜组30的反射率高于99.9％，窗口透射率高于99.8％。

优选地，测量反射镜和反射镜的反射率为99.99％。

测量模块20可以为力传感器、质量传感器或位移传感器。

以质量传感器为例，当功率为p的激光照射到测量反射镜10上时，测量模块20测得的质量m为：

其中，c为真空光速，g为重力加速度，θ为激光入射角度，r和a分别为反射镜的反射率和吸收率。当激光照射到测量反光镜后，会在测量反光镜的反光面产生光压，根据测量模块20的质量读数即可得到入射激光的功率，应理解，测量模块20的质量读数与激光功率之间的关系可以预先测定。

例如，以图1为例，假设图1中激光射向第一块反射镜的入射角为55°，激光射向测量反射镜10的入射角为20°，激光射向第二块反射镜的入射角为55°，那么当测量模块20的分辨力为1μg时，等效的激光功率分辨力约为1.56w，即质量与激光功率的换算系数为1.56w/μg。测量系统的功率测量上限仅受限于测量反射镜10的损伤阈值，因此功率测量上限可达100kw甚至更高，同时还具有响应速度快、测量准确度高、可在线测量等优点。

可选地，质量传感器的型号可以为xse105。

需要说明的是，图1给出的仅仅是示例性的结构图，图中采用了两块反射镜，由于技术限制，激光通常是沿水平方向射入，因此需要改变光路传播方向，使其射向测量反射镜10，然后再通过第二块反射镜使激光沿原光路射出，两块反射镜的放置角度可以根据实际需求设置，例如，激光射向第一块反射镜的入射角优选地可以为55°，可选地可以为50°～60°之间，激光射向测量反射镜10的入射角优选地可以为20°，可选地可以为15°～30°之间，激光射向第二块反射镜的入射角优选地可以为55°，可选地可以为50°～60°之间。

应理解，还可以在图1的基础之上，设置更多的反射镜，使激光多次反射，然后射向测量反射镜10，再在测量反射镜10的反射光路上设置对称的结构，使光路沿原光路的方向射出，这是本领域技术人员能够根据反射镜的反射原理自行设置的，都可以实现使光路沿原光路的方向射出的功能，在此不再一一赘述。

可选地，如图1所示，还可以设置外壳40，将整个系统设置在外壳40内，在光路通过的位置处设置窗口。

由于光子虽然没有静止质量但是有动量，当激光照射到物体表面时会产生压力，因此发明提供的高功率激光功率测量系统，通过测量模块20采集测量反射镜10上由高功率激光产生的光压，根据测量模块20与激光功率之间的比例关系，即可测得高功率激光的功率，相比于量热方法，测量系统的体积小、重量轻、响应速度快、无需水冷且可在线测量，由于测量模块20的测量方向与测量反射镜10的反光面垂直，因此相比于取样方法，测量准确度高且稳定性好，还具有响应速度快、测量准确度高和可在线测量等优点。

可选地，在一些可能的实施方式中，测量模块20的测量方向与高功率激光的入射光路的方向垂直，且测量模块20的测量方向为重力方向。

通过将测量模块20的测量方向设置为重力方向，这样能够避免测量反光镜自重产生的扭矩对测量模块20的测量结果产生影响，消除了测量模块20校准姿态与测量姿态不一致引入的额外测量误差，测量反射镜10自重只要不超过测量模块20最大称量即可，不会产生扭矩对测量结果产生影响，从而提高测量的准确性。

可选地，在一些可能的实施方式中，如图1所示，反射镜组30包括：第一反射镜31和第二反射镜32，第一反射镜31设置在高功率激光的入射光路中，用于改变高功率激光的入射光路的方向，将高功率激光以预设角度反射至测量反射镜10；第二反射镜32设置在高功率激光的出射光路中，用于改变经测量反射镜10反射后的高功率激光的出射光路的方向，使高功率激光沿入射光路的方向射出。

应理解，预设角度可以根据实际需求设置，在先实施方式已经说明，不再赘述。

通过采用两块反射镜，能够最大程度减少激光在传播过程中因反射导致的损耗，从而使测量结果更加准确。

可以理解，在一些实施方式中，可以包含以上各可选实施方式的全部或部分。

如图2所示，为本发明高功率激光功率测量系统的实施例提供的另一种结构示意图，该高功率激光功率测量系统包括：测量反射镜10、测量模块20和反射镜33，laser为激光源，其中，测量反射镜10的非反光面与测量模块20的测量端连接，且测量模块20的测量方向与测量反射镜10的反光面呈预设角度，反射镜33用于改变经测量反射镜10反射的高功率激光的光路，使高功率激光沿入射光路的方向射出。

应理解，预设角度可以根据实际需求设置，例如，图2中的角度为45度，反射镜33的设置成与测量反射镜10平行，就能够使激光沿原光路的方向射出，减少对激光传播的影响。

需要说明的是，为了减少损耗和发热，测量反射镜10和反射镜33的反射率高于99.9％，窗口透射率高于99.8％。

优选地，测量反射镜和反射镜的反射率为99.99％。

测量模块20可以为力传感器、质量传感器或位移传感器。

以质量传感器为例，当功率为p的激光照射到测量反射镜10上时，测量模块20测得的质量m为：

其中，c为真空光速，g为重力加速度，θ为激光入射角度，r和a分别为反射镜的反射率和吸收率。当激光照射到测量反光镜后，会在测量反光镜的反光面产生光压，根据测量模块20的质量读数即可得到入射激光的功率，应理解，测量模块20的质量读数与激光功率之间的关系可以预先测定。

测量模块质量与激光功率的换算系数受反射镜的放置角度影响，本领域技术人员可以通过有限次的实验测得，在此不再赘述。测量系统的功率测量上限仅受限于测量反射镜10的损伤阈值，因此功率测量上限可达100kw甚至更高，同时还具有响应速度快、测量准确度高、可在线测量等优点。

可选地，质量传感器的型号可以为xse105。

应理解，还可以在图2的基础之上，设置更多的反射镜，使激光多次反射，然后射向测量反射镜10，再在测量反射镜10的反射光路上设置对称的结构，使光路沿原光路的方向射出，这是本领域技术人员能够根据反射镜的反射原理自行设置的，都可以实现使光路沿原光路的方向射出的功能，在此不再一一赘述。

可选地，还可以设置外壳，将整个系统设置在外壳内，在光路通过的位置处设置窗口。

由于光子虽然没有静止质量但是有动量，当激光照射到物体表面时会产生压力，因此发明提供的高功率激光功率测量系统，通过测量模块20采集测量反射镜10上由高功率激光产生的光压，根据测量模块20与激光功率之间的比例关系，即可测得高功率激光的功率，相比于量热方法，测量系统的体积小、重量轻、响应速度快、无需水冷且可在线测量，相比于取样方法，测量准确度高且稳定性好，还具有响应速度快、测量准确度高和可在线测量等优点。

可选地，在一些可能的实施方式中，测量模块20的测量方向与高功率激光的入射光路的方向垂直，且测量模块20的测量方向为重力方向。

通过将测量模块20的测量方向设置为重力方向，这样能够避免测量反光镜自重产生的扭矩对测量模块20的测量结果产生影响，消除了测量模块20校准姿态与测量姿态不一致引入的额外测量误差，测量反射镜10自重只要不超过测量模块20最大称量即可，不会产生扭矩对测量结果产生影响，从而提高测量的准确性。

可以理解，在一些实施方式中，可以包含以上各可选实施方式的全部或部分。

如图3所示，为本发明高功率激光功率测量系统的实施例提供的又一种结构示意图，该高功率激光功率测量系统包括：测量反射镜组、测量模块20和反射镜组，测量反射镜组包括：第一测量反射镜11和第二测量反射镜12，反射镜组包括：第一反射镜31和第二反射镜32，laser为激光源，其中：

第一测量反射镜11的非反光面与测量模块20的测量端连接，且测量模块20的测量方向与第一测量反射镜11的反光面呈预设角度；第二测量反射镜12的非反光面与测量模块20的测量端连接，且测量模块20的测量方向与第二测量反射镜12的反光面呈预设角度；

第一反射镜31用于改变经第一测量反射镜11反射的高功率激光的出射光路的方向，使高功率激光射向第二反射镜32，第二反射镜32用于改变经第一反射镜31反射的高功率激光的出射光路的方向，使高功率激光射向第二测量反射镜12，第二测量反射镜12用于改变经第二反射镜32反射的高功率激光的出射光路的方向，使高功率激光沿射向第一测量反射镜11的入射光路的方向射出。

应理解，预设角度可以根据实际需求设置，例如，图3中的角度为45度，反射镜设置成与相应的测量反射镜平行，就能够使激光沿原光路的方向射出，减少对激光传播的影响。

需要说明的是，为了减少损耗和发热，测量反射镜和反射镜反射率高于99.9％，窗口透射率高于99.8％。

优选地，测量反射镜和反射镜的反射率为99.99％。

测量模块20可以为力传感器、质量传感器或位移传感器。

以质量传感器为例，当功率为p的激光照射到测量反射镜上时，测量模块20测得的质量m为：

其中，c为真空光速，g为重力加速度，θ为激光入射角度，r和a分别为反射镜的反射率和吸收率。当激光照射到测量反光镜后，会在测量反光镜的反光面产生光压，根据测量模块20的质量读数即可得到入射激光的功率，应理解，测量模块20的质量读数与激光功率之间的关系可以预先测定。

测量模块质量与激光功率的换算系数受反射镜的放置角度影响，本领域技术人员可以通过有限次的实验测得，在此不再赘述。测量系统的功率测量上限仅受限于测量反射镜的损伤阈值，因此功率测量上限可达100kw甚至更高，同时还具有响应速度快、测量准确度高、可在线测量等优点。

应理解，由于测量模块连接了两块测量反射镜，因此其实际功率为测得的功率的一半。

可选地，质量传感器的型号可以为xse105。

应理解，还可以在图3的基础之上，设置更多的反射镜，使激光多次反射，然后射向测量反射镜，再在测量反射镜的反射光路上设置对称的结构，使光路沿原光路的方向射出，这是本领域技术人员能够根据反射镜的反射原理自行设置的，都可以实现使光路沿原光路的方向射出的功能，在此不再一一赘述。

可选地，还可以设置外壳，将整个系统设置在外壳内，在光路通过的位置处设置窗口。

由于光子虽然没有静止质量但是有动量，当激光照射到物体表面时会产生压力，因此发明提供的高功率激光功率测量系统，通过测量模块20采集测量反射镜上由高功率激光产生的光压，根据测量模块20与激光功率之间的比例关系，即可测得高功率激光的功率，相比于量热方法，测量系统的体积小、重量轻、响应速度快、无需水冷且可在线测量，相比于取样方法，测量准确度高且稳定性好，还具有响应速度快、测量准确度高和可在线测量等优点。

可选地，在一些可能的实施方式中，测量模块20的测量方向与高功率激光的入射光路的方向垂直，且测量模块20的测量方向为重力方向。

通过将测量模块20的测量方向设置为重力方向，这样能够避免测量反光镜自重产生的扭矩对测量模块20的测量结果产生影响，消除了测量模块20校准姿态与测量姿态不一致引入的额外测量误差，测量反射镜自重只要不超过测量模块20最大称量即可，不会产生扭矩对测量结果产生影响，从而提高测量的准确性。

可以理解，在一些实施方式中，可以包含以上各可选实施方式的全部或部分。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。