專利名稱：漫反射積分式激光功率能量測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于激光功率能量測量領(lǐng)域，涉及一種激光功率能量的測量裝置。
背景技術(shù)：
激光功率能量的測量裝置有多種形式，如，中國專利“鋯鈦酸鉛熱釋電型激光功率能量計”(審定公告號2071334)介紹了一種采用將吸收體附于熱敏傳感器上進行激光功率能量測量的裝置；中國專利“全波段快響應(yīng)激光功率計”(申請?zhí)?5200370)介紹了一種石墨吸收體-熱電偶形式的激光功率計；中國專利“陶瓷衰減型激光功率計”(審定公告號2290040)介紹了一種在探測組件前放置陶瓷衰減片的激光功率能量測量裝置；中國專利“無源袖珍激光功率計”(審定公告號2225670)介紹了一種采用光電傳感器直接測量激光功率能量的裝置。上述裝置的測量原理主要采用吸收體將激光能量轉(zhuǎn)換成其它能量形式再進行測量或采用光電傳感器直接進行測量。由于采用吸收體將激光能量轉(zhuǎn)化為其它形式的能量或直接測量，存在以下不足其一吸收體及裝置有被高能量密度激光損壞的危險，特別是超大功率能量激光；其二吸收或衰減與所用材料以及激光波長有關(guān)，影響測量的準確性，其三當激光照射到裝置不同部位或以不同角度照射時，相同功率能量激光對傳感器產(chǎn)生的作用是有差異的，因此也存在測量精度也不高的問題，其四這些測量裝置對半導體等大發(fā)散角度的激光測量存在困難。
實用新型內(nèi)容本實用新型提出一種由漫反射積分球所構(gòu)成的光學系統(tǒng)的激光功率能量測量裝置，克服了上述激光功率能量測量裝置所存在種種不足。
本實用新型的技術(shù)方案是一種漫反射積分式激光功率能量測量裝置，包括視場光闌、傳感器、顯示器，其特征在于至少有一個積分球，其積分球反射層為高反射率的漫射層，設(shè)有一個激光入射口和激光漫反射探測口，探測口處安裝視場光闌、傳感器、顯示器。
所述積分球的入射口徑向?qū)γ嫣幜碛幸粋€測試靶開口，測試靶開口相鄰一個旋轉(zhuǎn)測試靶，旋轉(zhuǎn)測試靶為盤狀，其上有旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)測試靶的靶面為高反射率的漫射層，積分球激光入射口和測試靶開口截面面積為入射光束截面的1～5倍，測試靶的面積大于測試靶開口的面積，測試靶與測試靶開口之間的距離不大于積分球直徑的1％，測試靶旋轉(zhuǎn)速度不低于1周/秒。
本實用新型激光功率能量測量裝置由積分球、視場光闌、傳感器、顯示器等器件組成。入射激光由積分球上的激光入射口入射至積分球，積分球內(nèi)壁為高反射率的漫射層，入射激光在積分球內(nèi)多次漫反射后在漫反射探測口形成近朗伯體光源，經(jīng)漫反射探測口至視場光闌，由傳感器接收，再由顯示器顯示入射激光的功率能量測量值。
積分球至少有一個入射口和一個探測口，通常選擇二者相互垂直。激光漫反射探測口的面積與積分球內(nèi)表面積比不大于0.02；各開口面積之和與總表面積比不大于0.06。漫射層的反射率在紫外波段不小于95％，可見-近紅外波段不小于98％，短波紅外波段不低于94％，熱紅外波段不低于92％。在傳感器與激光漫反射出射口處放置的視場光闌可以屏蔽入射激光一次反射至傳感器。視場光闌的孔徑與出射口的孔徑相等。
傳感器所接收的激光功率能量按下式計算Φ=Φ0πA×ρ1-ρ(1-f)×a×Ω]]>其中Φ為傳感器接收的光功率能量；Φ0為入射激光的功率能量；ρ為積分球壁的平均反射率；A為積分球表面積；a為漫反射出射口面積；f為積分球上各開口面積之和與表面積之比；Ω為傳感器接收立體角。
由于積分球反射率、表面積、開口均為常數(shù)，上式可以寫為Φ＝KΦ0即，傳感器所接收激光功率能量與入射激光功率能量成正比。
本實用新型激光功率能量測量裝置可以有進一步改進，以提高測量裝置的抗激光損壞能力(1)、在積分球的入射口徑向?qū)γ嬖鲈O(shè)一測試靶開口，測試靶開口處安裝可旋轉(zhuǎn)運動的測試靶。測試靶表面為高反射率的漫射材料，積分球的入射口和測試靶開口截面面積為入射光束截面的1-5倍。入射激光由積分球入射口入射穿過積分球照射至測試靶上，經(jīng)測試靶漫反射進入積分球，在積分球內(nèi)多次漫反射后經(jīng)激光漫反射探測口和視場光闌，由傳感器接收，并由顯示器顯示入射激光的功率能量測量值。測試靶表面反射率范圍與積分球漫射層相同或接近。測試靶的面積大于測試靶開口的面積，測試靶與測試靶開口之間的距離不大于積分球直徑的1％，測試靶旋轉(zhuǎn)速度不低于1周/秒。
(2)、在現(xiàn)有積分球的基礎(chǔ)上，在漫反射探測口處連通另一個積分球，該積分球上面再設(shè)置激光漫反射探測口，依此類推，可以有多個積分球相互連通，激光入射到第一個積分球后，經(jīng)過多個積分球的漫反射，在最后一個積分球的激光探測口安裝視場光闌、傳感器、顯示器等，此裝置可用于大功率激光功率能量的測量。
本實用新型各部件采用常規(guī)機械結(jié)構(gòu)安裝。
本實用新型激光功率能量測量裝置所用傳感器為光電式、量熱式、電容式等線性傳感器。測量裝置經(jīng)標定后可用于微瓦至上百萬瓦激光功率能量的測量。
本發(fā)明的優(yōu)越效果1、本實用新型采用高反射漫反射材料制作積分球與測試靶的表面，因此與被測激光的波長無關(guān)。與其它吸收體表面相比較，減少了由于不同波長能量吸收而影響測量精度，同時大大提高了基底材料的抗激光損壞能力，如，表面反射率高于90％，僅有10％不到的入射激光能量被照射部位吸收，相同基底材料情況下其激光承受力提高1個量級以上。同時，測量的重復穩(wěn)定性得到提高，也延長了測量裝置的使用壽命，拓寬了基底材料的選擇范圍，進而降低制作成本。
2、采用積分球?qū)θ肷浼す膺M行勻光，并以視場光闌遮擋被入射激光照射部位的一次反射，激光在積分球激光反射出射口形成朗伯體光源，傳感器所接收的激光功率能量與激光入射的角度、方向、位置以及激光束的能量分布和光束直徑無關(guān)，而僅與入射激光的功率能量成線性關(guān)系，進而提高了測量的精度。與此同時，本測量裝置可以測量各種束散角激光的功率能量，特別是可以測量大束散角激光的功率能量。
3、采用可運動的高反射漫射測試靶和積分球，裝置表面所接收的功率能量密度得到降低，經(jīng)適當?shù)睦鋮s，本裝置可用于大功率能量激光的功率能量測量，特別是上百萬瓦級的超大功率能量激光的高精度功率能量測量。


圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實用新型增加了測試靶的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
例1本實用新型激光功率能量測量裝置用于可見-短波紅外波段微瓦至毫瓦功率能量激光的測量。測量裝置由積分球(8)、傳感器(1)、顯示器(2)和視場光闌(3)組成(如圖1所示)。積分球(8)直徑10mm，積分球(8)有2個相互垂直的開口，激光入射口(4)的直徑為2.5mm，激光反射探測口(5)、視場光闌(3)的直徑均為2mm，積分球反射率為98％，傳感器接收視場為±30°，傳感器(1)為光電傳感器，光敏面直徑2mm，響應(yīng)度為1微安/微瓦，暗電流為20納安。
計算得出，本例K≈0.054在10微瓦激光入射時，傳感器上的信號為540納安，信噪比為27∶1。
例2本實用新型激光功率能量測量裝置用于可見-短波紅外波段大束散角激光的功率能量測量。測量裝置由積分球(8)、傳感器(1)、顯示器(2)和視場光闌(3)組成(如圖1所示)。積分球(8)直徑75mm，積分球(8)水平位置有2個相互垂直的開口，激光入射口(4)直徑為20mm，激光反射探測口(5)、視場光闌(3)的直徑均為2mm，積分球反射率為98％，傳感器接收視場為±18°，傳感器(1)為光電傳感器，光敏面直徑2mm，響應(yīng)度為1微安/微瓦，暗電流為20納安。
入射激光束發(fā)散角在水平方向上為±20°，垂直方向上為±55°，入射激光由積分球入射口(4)入射至積分球形成垂直的長條光斑，在積分球內(nèi)經(jīng)多次漫反射后在長條光斑外的積分球水平位置激光反射探測口(5)形成近朗伯體光源，視場光闌(3)限制了長條光斑發(fā)出的光不能直接進入傳感器(1)，傳感器(1)接收視場為±18°的光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后由顯示器(2)顯示入射激光的功率能量。
計算得出，本例K≈0.00044在10瓦大束散角激光入射時，傳感器上的信號為4.4毫安，信噪比為2.2×105∶1。
例3本實用新型激光功率能量測量裝置用于百萬瓦級熱紅外激光的功率能量測量。測量裝置由積分球(8)、傳感器(1)、顯示器(2)、視場光闌(3)和可旋轉(zhuǎn)運動的測試靶(7)組成(如圖2所示)。積分球(8)直徑300cm，積分球有三個開口，其中激光反射探測口(5)與入射口(4)、測試靶開口(6)垂直，入射開口(4)與測試靶開口(6)互為180°，入射開口(4)、測試靶開口(6)直徑均為40cm，激光反射探測口(5)、視場光闌(3)的直徑均為8mm，積分球、測試靶(7)的反射率均為95％，測試靶(7)的直徑為500cm，傳感器接收視場為±5°，傳感器(1)為帶有濾波器的熱釋電傳感器，光敏面直徑8mm，測試靶(7)與測試靶開口(6)之間的距離不大于0.5cm，測試靶(7)旋轉(zhuǎn)速度不低于1周/秒，積分球與測試靶(7)均采用了風冷措施。
光束直徑約20cm的入射激光由積分球入射開口(4)入射穿過積分球照射至測試靶開口(6)上的測試靶(7)，經(jīng)測試靶(7)漫反射進入積分球，在積分球內(nèi)多次漫反射后在激光反射探測口(5)形成近朗伯體光源，視場光闌(3)限制了測試靶(7)漫反射發(fā)出的光不能直接進入傳感器(1)，帶有濾波器的熱釋電傳感器(1)接收視場為±5°的光并將熱輻射隔離，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后由顯示器(2)顯示入射激光的功率能量值。
計算得出，本例K≈0.000000237在100萬瓦激光入射時，傳感器上所接收到的光輻射約為0.24瓦。
入射激光由測試靶(7)單位面積吸收的光功率約為1000000×(1-0.95)/[2×3.14×(250-10)×20]≈1.6w/cm2積分球上承受的平均光輻射照度約為1000000×0.95/{4×3.14×1502×[1-0.95×(1-0.0044)]}≈62w/cm2積分球上單位面積吸收的光功率約為62×(1-0.95)≈3.1w/cm2。
權(quán)利要求1.一種漫反射積分式激光功率能量測量裝置，包括視場光闌、傳感器、顯示器，其特征在于至少有一個積分球，其積分球反射層為高反射率的漫射層，設(shè)有一個激光入射口和激光漫反射探測口，探測口處安裝視場光闌、傳感器、顯示器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漫反射積分式激光功率能量測量裝置，其特征在于所述積分球的入射口徑向?qū)γ嫣幜碛幸粋€測試靶開口，測試靶開口相鄰一個旋轉(zhuǎn)測試靶，旋轉(zhuǎn)測試靶為盤狀，其上有旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)測試靶的靶面為高反射率的漫射層，積分球激光入射口和測試靶開口截面面積為入射光束截面的1～5倍，測試靶的面積大于測試靶開口的面積，測試靶與測試靶開口之間的距離不大于積分球直徑的1％，測試靶旋轉(zhuǎn)速度不低于1周/秒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漫反射積分式激光功率能量測量裝置，其特征在于激光入射口與激光漫反射探測口之間相互垂直，積分球的內(nèi)直徑范圍是1cm～300cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漫反射積分式激光功率能量測量裝置，其特征在于積分球各開口的面積與積分球內(nèi)表面積比不大于0.02，各開口面積之和與總表面積比不大于0.06。
專利摘要本實用新型是一種漫反射積分式激光功率能量測量裝置，包括視場光闌、傳感器、顯示器，其特征在于有一個積分球，其積分球反射層為高反射率的漫射層，設(shè)有一個激光入射口和激光漫反射探測口，探測口處安裝視場光闌、傳感器。本裝置特別適用于大功率、超大功率和各種束散角，特別是大束散角的激光功率能量測量。由于本實用新型采用高反射漫反射材料制作積分球與測試靶的表面，而非吸收體式，從而大大提高了基底材料的抗激光損壞能力，同時，測量的重復性、穩(wěn)定性得以提高。
文檔編號G01J1/00GK2665682SQ200320120179
公開日2004年12月22日 申請日期2003年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月1日
發(fā)明者張黎明, 喬延利, 劉南英, 許仁林, 沈政國 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所