一种红外激光光束质量测量装置及方法与流程

1.本发明涉及一种红外激光光束质量测量装置及方法，属于红外激光光束质量测量技术领域。


背景技术：

2.图1为常用的cmos相机的光响应谱显示，其在长波方向的截止波长略大于1000nm(光响应的截止位置设定在20％)；常用的ccd相机的光响应波长，在长波方向上略长于cmos，但也只是延伸到了略小于1100nm；对于波长大于1000nm(针对cmos相机)或1080nm(针对ccd相机)的激光，常用的硅基数码相机就无法检测。
3.如图2所示，常见的m:yag(m表示各类掺杂的金属)类激光的波长均大于1064nm、近年来非常活跃的中红外激光器、甚至处于长波10.6um的红外co2激光，绝大部分都超出了硅基cmos/ccd相机的光响应波段，无法获得数字化的图像。无法获得激光束的数字化图像，就无法对激光束的质量进行定量化的测量，这就是一个需要解决的技术问题。
4.针对上述技术问题，目前获取短波红外激光光斑图像，可以采用ingaas基近红外相机，它的本征光谱响应可以覆盖到1.7um波段，延伸性的甚至可以覆盖到2.5um；中红外波段激光光斑的图像获取，可以利用insb基、mct基的中红外相机(3um-5um)，获得激光光斑的图像；像co2这样10.6um的长波激光的光斑检测，可以采用硅基微测辐射热计(microbolometer)长波相机来获取激光束的图像。但是，以上所述的短波红外、中波红外、长波红外相机的价格都非常的高，且面阵的规模和分辨率也远不如硅基的cmos相机，难于在工业应用中广泛推广。


技术实现要素：

5.本发明提供一种红外激光光束质量测量装置及方法，实现了低成本、可靠的激光光斑成像，易于在工业应用中广泛推广。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
7.一种红外激光光束质量测量方法，将红外激光直接或聚焦打到红外上转换厚膜材料上，将cmos/ccd相机无法探测的红外激光的光斑转换成cmos/ccd相机可以探测的光斑，利用cmos/ccd相机采集红外上转换厚膜材料上的光斑，定量分析光斑的各项参数，实现对红外激光光束质量的定量化测量和评价。
8.上述方法采用相对便宜的cmos/ccd相机实现对红外激光光斑图像的采集，成本低，可靠性高。
9.上述光斑的参数与激光光束参数是一一对应的，通过分析光斑即可得到激光光束质量。对光斑的各项参数的定量分析，直接参照现有技术即可。
10.上述cmos/ccd相机无法探测的红外激光，包括不可见的红外激光。
11.本技术红外上转换厚膜材料的厚度不小于0.01mm。本技术红外上转换厚膜材料直接采用现有材料，本技术对材料本身的组成等并没特别改进，因此不再赘述。
12.在一般的低激光功率密度下，可忽略非线性效应。红外上转换厚膜材料上光斑任意一点的亮度可以认为与红外激光的光强成正比，红外上转换厚膜材料上的光斑可以无失真地反映红外激光的光强分布。也即可通过研究光斑的亮度分布来分析激光的质量。
13.一种红外激光光束质量测量装置，包括cmos/ccd相机、成像镜头、分光镜和红外上转换厚膜材料；cmos/ccd相机、成像镜头、分光镜和红外上转换厚膜材料依次设置；
14.或者，红外激光光束质量测量装置，包括聚焦镜、cmos/ccd相机、成像镜头、分光镜和红外上转换厚膜材料；cmos/ccd相机、成像镜头、分光镜和红外上转换厚膜材料依次设置；聚焦镜设在分光镜的一侧。
15.利用上述红外激光光束质量测量装置，进行红外激光光束质量测量的方法，包括如下步骤：
16.1)红外激光器打出的红外激光束，直接或经过聚焦镜聚焦后，经过分光镜，使光折反至红外上转换厚膜材料上、形成光斑；
17.2)红外上转换厚膜材料上的光斑，反射，依次经过分光镜和成像镜头，成像到cmos/ccd相机的感光传感器面上，获得数字图像(光斑的图像)，定量分析所得图像各项参数，实现对红外激光光束质量的定量化测量和评价。
18.由于红外上转换厚膜材料是不透明的材料，需要将红外激光器和相机安排在上转换厚膜材料的同一侧来采集激光光斑的图像。
19.为了方便检测布置，优选，cmos/ccd相机、成像镜头、分光镜和红外上转换厚膜材料从上到下依次设置。此时，上述步骤1)中，红外激光器打出的红外激光束，直接或经过聚焦镜聚焦后，经过分光镜，使光折反向下，将红外激光光斑成像在水平放置的红外上转换厚膜材料上；步骤2)中，红外上转换厚膜材料上的光斑，向上反射，依次经过分光镜和成像镜头，成像到cmos/ccd相机的感光传感器面上，获得数字图像，定量分析所得图像各项参数，实现对红外激光光束质量的定量化测量和评价。
20.为了确保相机能够垂直地拍摄到激光光斑的图案，从而无失真地记录激光光斑的形状和强度分布，分光镜为45度分光镜。
21.45度分光镜，也即水平放置时，分光面与水平面夹角为45度，可以是两块45
°
直角三棱镜拼合而成的立方体型分束镜，也可以是单片式的45度的分光镜。
22.为了确保光斑记录的保真，聚焦镜的光轴与成像镜头的光轴相互垂直，聚焦镜的光轴和成像镜头的光轴与分光镜的分光面之间的夹角均呈45度。
23.上述步骤1)中，由于红外上转换材料的能级结构的复杂性，特别是受到能级寿命比较长的影响，发明人在实验中发现：a、从红外激光打到红外上转换厚膜材料的瞬间算起到红外上转换材料上出现稳定的可见光光斑，根据红外上转换厚膜材料的不同，需要大概1-2秒的时间；b、在持续的红外激光照射下，约5秒左右，红外上转换材料的光学转换效率出现严重衰减，直至红外上转换材料上的可见光斑逐渐消退，这中动态的变化，将严重影响测量结果的准确性；c、在前一次红外激光照射后，如果立刻进行第二次红外激光的照射，红外上转换厚膜材料上并不能立刻重复出前一次实验的相同光斑，即在两次实验之间，红外上转换材料需要足够的时间恢复到初始的状态，通常需要5分钟左右恢复。
24.因此，在工程实践中，需要采取措施，使得获得的光斑图像在所有可能的变量方面都具有一致性。为此，本技术在激光光路上安装电控快门，用于控制光束打到红外上转换厚
膜材料的起始时间、关闭时间、间隙时间。电控快门的结构及原理，直接参照现有技术即可，本技术对此没有特别改进，因此不再赘述。
25.上述电控快门安装在红外激光光束质量测量装置的进光端(测量时，激光首先进入的一端)。
26.若装置中还设置了电控快门，红外激光光束质量测量的方法，则包括如下步骤：
27.1)打开电控快门、关闭cmos/ccd相机，红外激光器打出的红外激光束，直接或经过聚焦镜聚焦后，经过分光镜，使光折反至红外上转换厚膜材料上、形成光斑，经时间td，建立起一个相对稳定和完整的可见激光光斑，此光斑可维持tso的时间；
28.2)在电控快门打开后的td时刻，打开cmos/ccd相机，待cmos/ccd相机经过tc时间的曝光后，关闭cmos/ccd相机，保存图像；
29.3)待时间tsc后，重复步骤1-2)继续测量。
30.上述步骤2)td为1～2s，td+tc不超过5s；步骤3)中tsc为4～7分钟。
31.上述步骤2)中，在照相完成图像采集后，激光快门就可以关闭，停止红外激光对红外上转换厚膜的照射，让红外上转换厚膜有一段tsc的时间恢复得到原始状态。待红外上转换厚膜恢复到原始状态后，就可以重复上述的图像采集过程。
32.由于红外上转换厚膜材料在经历前一次测量之后，需要等待tsc时间，待红外上转换厚膜恢复到原始状态才能开始第二次测量，设备使用的效率比较低。因此，发明人进一步，把红外上转换厚膜材料安装到一个移动平台，在上述步骤2)结束后，移动平台带动红外上转换厚膜材料移动、使得再次(下一次)成像的光斑位置离开上次(才结束的本次)成像的光斑位置，步骤3)中，无需等待时间tsc，直接重复步骤1-2)继续测量。也即在进行了前一次测量后，只要移动平台，将红外上转换厚膜材料移动一段距离到达新的位置，那么就随时可以第二次测量，大大提高了设备的可行性。
33.为了方便控制和组装，上述移动平台为xy移动平台、或旋转平台、或xy移动平台和旋转平台的结合。
34.当移动平台为xy移动平台时，上述在步骤2)结束后，xy移动平台带动红外上转换厚膜材料向x或y方向移动、使得再次成像的光斑位置离开上次成像的光斑位置。
35.当移动平台为旋转平台时，上述在步骤2)结束后，旋转平台带动红外上转换厚膜材料旋转、使得再次成像的光斑位置离开上次成像的光斑位置。
36.为了更均匀地利用红外上转换厚膜，移动平台为xy移动平台和旋转平台的结合，先将红外上转换厚膜材料安装在旋转平台上，然后再把旋转平台安装到xy移动平台上。这样，红外上转换厚膜上的工作点既可以沿着径向移动，也可以沿着圆弧移动，实现更高效的测量工作。
37.本技术cmos/ccd相机为cmos相机或ccd相机。
38.本发明未提及的技术均参照现有技术。
39.本发明红外激光光束质量测量方法，可将cmos/ccd相机无法探测的红外激光的光斑转换成cmos/ccd相机可以探测的光斑，利用cmos/ccd相机采集光斑，实现了低成本、可靠的激光光斑成像，实现了cmos/ccd相机无法探测的红外激光的光束质量的测量，易于在工业应用中广泛推广；进一步，更好地提高了测量的可靠性，提高了测量效率。
附图说明
40.图1为常见的cmos/ccd相机的光谱响应谱；
41.图2为常见的激光光源的波长分布图；
42.图3为本发明实施例1中1550nm的激光束打到红外上转换厚膜材料上的效果图；
43.图4为本发明实施例2中红外激光光束质量测量装置结构示意图；
44.图5为本发明实施例3中红外激光光束质量测量装置结构示意图；
45.图6为本发明实施例3中快门与图像采集的时序逻辑；
46.图7为本发明实施例4中红外激光光束质量测量装置结构示意图；
47.图8为本发明实施例5中红外激光光束质量测量装置结构示意图；
48.图中，1为聚焦镜，2为cmos/ccd相机，3为成像镜头，4为分光镜，5为红外上转换厚膜材料，6为红外激光器，7为电控快门，8为xy移动平台，9为旋转平台，10为光斑。
具体实施方式
49.为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
50.本技术“上”、“下”“顶”、“底”、等方位词为基于附图所示的相对方位或位置关系，不能理解为对本技术的限制。
51.实施例1
52.一种红外激光光束质量测量方法，将红外激光直接或聚焦打到红外上转换厚膜材料上，将cmos/ccd相机无法探测的红外激光的光斑转换成cmos/ccd相机可以探测的光斑，利用cmos/ccd相机采集红外上转换厚膜材料上的光斑，定量分析光斑的各项参数，实现对红外激光光束质量的定量化测量和评价。
53.上述红外上转换厚膜材料上光斑任意一点的亮度均与激光的光强成正比，红外上转换厚膜材料上的光斑可以无失真地反映红外激光的光强分布。
54.上述方法采用相对便宜的cmos/ccd相机实现对红外激光光斑图像的采集，成本低，可靠性高。
55.如，硅基cmos/ccd相机是无法直接获取1550nm的红外激光光束的数字化图像的，如图3所示，将1550nm的激光束打到红外上转换厚膜材料上，红外上转换厚膜材料可以将cmos/ccd相机无法探测的1550nm激光光斑转变成可以探测的可见光斑，然后利用cmos/ccd相机采集红外上转换厚膜材料上的光斑，定量分析光斑的各项参数，实现对红外激光光束质量的定量化测量和评价。
56.实施例2
57.如图4所示，一种红外激光光束质量测量装置，包括聚焦镜、cmos/ccd相机、成像镜头、分光镜和红外上转换厚膜材料；cmos/ccd相机、成像镜头、分光镜和红外上转换厚膜材料从上到下依次设置；聚焦镜设在分光镜的一侧。为了确保相机能够垂直地拍摄到激光光斑的图案，从而无失真地记录激光光斑的形状和强度分布，分光镜为45度分光镜，图中所示分光镜为由两块45
°
直角三棱镜拼合而成的立方体型分束镜。为了确保光斑记录的保真，聚焦镜的光轴与成像镜头的光轴相互垂直，聚焦镜的光轴和成像镜头的光轴与分光镜的分光面之间的夹角均呈45度。
58.利用上述红外激光光束质量测量装置，对红外激光光束质量测量的方法，包括如下步骤：
59.1)如图4所示，红外激光器打出的红外激光束，直接或经过聚焦镜聚焦后，经过45度分光镜，使光折反向下，将红外激光光斑成像在水平放置的红外上转换厚膜材料上；
60.2)红外上转换厚膜材料上的光斑，反射，依次经过分光镜和成像镜头，成像到cmos/ccd相机的感光传感器面上，获得数字图像，定量分析所得图像各项参数，实现对红外激光光束质量的定量化测量和评价。
61.实施例3
62.在实施例2的基础上，进一步作了如下改进：在激光光路上安装电控快门，用于控制光束打到红外上转换厚膜材料的起始时间、关闭时间、间隙时间。如图5所示，电控快门安装在红外激光光束质量测量装置的进光端。
63.利用上述红外激光光束质量测量装置，对红外激光光束质量测量的方法，包括如下步骤：
64.1)打开电控快门、关闭cmos/ccd相机，红外激光器打出的红外激光束，直接或经过聚焦镜聚焦后，经过分光镜，使光折反至红外上转换厚膜材料上、形成光斑，如图6所示，经时间td，建立起一个相对稳定和完整的可见激光光斑，此光斑可维持tso的时间；
65.2)如图6所示，在电控快门打开后的td时刻，打开cmos/ccd相机，待cmos/ccd相机经过tc时间的曝光后，关闭cmos/ccd相机，保存图像；td为1～2s，td+tc不超过5s；
66.3)待时间tsc后，重复步骤1-2)继续测量，tsc为5分钟左右。
67.实施例4
68.在实施例3的基础上，进一步作了如下改进：如图7所示，红外激光光束质量测量装置还包括xy移动平台，红外上转换厚膜材料安装在xy移动平台上。
69.利用上述红外激光光束质量测量装置，对红外激光光束质量测量的方法，与实施例3存在如下不同：实施例3中，由于红外上转换厚膜在经历前一次测量之后，需要等待tsc时间，待红外上转换厚膜恢复到原始状态才能开始第二次测量，设备使用的效率比较低。本例中，把红外上转换厚膜材料安装到一个移动平台，在步骤2)结束后，xy移动平台带动红外上转换厚膜材料向x或y方向移动、使得再次成像的光斑位置离开上次成像的光斑位置，在步骤3)中，无需等待时间tsc，直接重复步骤1-2)继续测量。
70.实施例5
71.在实施例3的基础上，进一步作了如下改进：如图8所示，红外激光光束质量测量装置还包括旋转平台，红外上转换厚膜材料安装在旋转平台上。
72.利用上述红外激光光束质量测量装置，对红外激光光束质量测量的方法，与实施例3存在如下不同：在步骤2)结束后，旋转平台带动红外上转换厚膜材料旋转、使得再次成像的光斑位置离开上次成像的光斑位置，在步骤3)中，无需等待时间tsc，直接重复步骤1-2)继续测量。
73.实施例6
74.在实施例3的基础上，进一步作了如下改：红外激光光束质量测量装置还包括xy移动平台和旋转平台，先将红外上转换厚膜材料安装在旋转平台上，然后再把旋转平台安装到xy移动平台上。这样，红外上转换厚膜上的工作点既可以沿着径向移动，也可以沿着圆弧
移动，实现更高效的测量工作。
75.利用上述红外激光光束质量测量装置，对红外激光光束质量测量的方法，与实施例3存在如下不同：在步骤2)结束后，xy移动平台和旋转平台带动红外上转换厚膜材料运动、使得再次成像的光斑位置离开上次成像的光斑位置，在步骤3)中，无需等待时间tsc，直接重复步骤1-2)继续测量。