一种同时测量激光器输出单脉冲能量和波形的方法

摘要

本发明公开了一种同时测量激光器输出单脉冲能量和波形的方法，该方法包括以下步骤：设计检测光路、光电探测器标定和实际检测；由光电探测器采集多组对应于不同能量的脉冲波形，由标定光路能量检测系统测量相应能量；计算机首先对实测波形进行预处理，剔除背景噪声，然后对处理后波形进行积分，获得波形曲线与时间横轴之间的面积积分值，最后拟合面积积分值和实测能量值之间的关系曲线，作为光电探测器的标定曲线。在实际检测过程中，计算机对实测脉冲剔除背景噪声并积分，得到面积积分值，然后通过在标定曲线中插值，可得脉冲能量。该发明用一个传感器测量多个激光器参数，简化了测量系统，节约了成本，适用于需要实时监测激光器输出能量和波形的场合。

说明书

技术领域

本发明属于激光器输出参数检测领域，尤其涉及一种能够同时测量激光器输出单脉冲能量和波形的方法。

背景技术

在实际应用过程中，脉冲激光的输出能量和脉冲波形是我们主要关注的参数，目前，激光能量的检测主要依靠专门的光能量计，激光脉冲波形的检测，主要依靠光电探测器和示波器组合使用。能量检测和波形的检测多数为分开进行，检测过程相对复杂。实际上，测量脉冲波形使用的光电探测器经过标定之后可同时作为激光能量计使用。本专利基于此原理，提出了一种基于光电探测器的可以同时测量脉冲激光器输出单脉冲能量和脉冲波形的方法。根据该方法，使用光电探测器和计算机组合，可以实现激光器输出脉冲能量和波形的同时检测。

与本专利比较接近的为2011.4.6授权的专利（授权公告号：CN 101782435B，专利名称：激光参数综合测试系统），该专利公开了一种能够测量激光器多个参数的仪器，该仪器可以同时测量单脉冲能量、脉冲宽度、波长、重复频率、M2因子以及光束指向稳定性。其本质原理为，激光器输出光束经过分光镜或者毛玻璃等采样后，分别输入能量探头、CCD、光电二极管、光电探测器、光谱仪等，这些仪器采集到的信号，由数据采集卡采集输入计算机，经过计算机的分析处理，最后得到所需测量的参数，由此可见，该专利叙述的方法中，各激光参数的测量仍旧依靠单独的专门仪器，如，用能量探头测量输出激光能量，用光电二极管测量输出激光脉冲宽度等，因此，该专利只是提供了一种结构更紧凑的激光器多参数测量仪器，但是需用的探头或者传感器种类和数量并未减少，因此结构并未被简化。另外，《中国激光》上的一篇文献（2007，Vol.12 NO.34:P1732-1735），其中叙述了一种基于激光感生热电电压效应制成了激光功率/能量计，它能测量激光脉冲的能量值，也能记录脉冲的波形，其本质原理基于激光作用于LCMO薄膜后，在薄膜中能够感生热电电压，热电电压的峰值与脉冲激光能量之间存在线性关系，该方法虽然从原理上也可实现同时测量激光脉冲能量值和脉冲波形的方法，但是用LCMO薄膜测量激光器输出参数仍旧出于研究阶段，相当不成熟，在当前科技水平下，尚不能用于生产实践。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种基于光电探测器的能够同时测量激光器输出单脉冲能量和波形的方法。根据该方法，将光电探测器和计算机相组合，即可实现同时检测激光器输出的单脉冲能量和波形。

本发明所采用的技术方案为：一种能同时测量激光器输出单脉冲能量和波形的方法，其特征在于包括以下步骤：设计检测光路、光电探测器标定和实际检测。

进一步，所述检测光路是将激光器的输出光经过采样系统后，一路能量辐照于标定光路能量检测系统，另一路能量另一路能量经衰减片后，辐照于光电探测器；计算机与所述标定光路能量检测系统和所述光电探测器连接。

进一步，所述光电探测器标定是光电探测器采集的多组激光器输出脉冲波形，标定光路能量检测系统采集所述脉冲波形对应的能量值；所述计算机对所述脉冲波形预处理后，进行积分处理，获得波形曲线与时间横轴之间的面积积分值，并拟合面积积分值和与对应的能量值之间的标定曲线。

进一步，所述实际检测是将所述标定光路能量检测系统换成实际应用系统；计算机对光电探测器实时采集激光器输出脉冲波形预处理后，进行积分处理，获得波形曲线与时间横轴之间的面积积分值，并通过所述标定曲线插值得到能量值。

进一步，所述辐照于光电探测器上的能量低于光电探测器的损坏阈值。

进一步，所述预处理为分析各脉冲波形的纵坐标最小值，以该最小值作为背景噪声的近似值，脉冲波形的所有纵坐标值减去纵坐标最小值，得到剔除了背景噪声的脉冲波形。

进一步，所述多组脉冲波形对应的能量值，覆盖整个激光器输出能量范围。

本发明的有益效果是：通过光电传感器和计算机组合，可以方便地实现激光器输出的单脉冲能量和波形的同时测量，真正实现了用一个传感器测量多个激光器参数，简化了测量系统，节约了成本。同时，光电传感器技术成熟、易得、性能可靠，这就使得本文所述方法，非常容易实现。该方法尤其适合于：实际工程应用中，需要在线监测脉冲激光器输出能量和波形的场合，可节省空间，节约成本。

 

附图说明

图1是检测光路系统构成示意图；

图2是实际检测光路系统构成示意图；

图3对实测脉冲波形的预处理示意图；

图4 计算机数据处理程序的功能示意图；

图5 光电探测器标定曲线插值示意图；

1：激光器；2：采样系统；3：标定光路能量检测系统；4：衰减片；5：光电探测器；6：计算机；7：实际应用系统；8：背景噪声；9：实测波形；10：预处理后波形；11：光电探测器标定曲线。

具体实施方式

假设已知待测激光器输出波长、输出单脉冲能量范围以及脉冲宽度。根据激光器波长和脉冲宽度，选择合适的光电探测器。根据商家提供的光电探测器破坏阈值，选择检测光路中采样系统的采样比例，以及衰减片的衰减比例，以确保辐照在光电探测器上的能量小于其破坏阈值。按图1所示，布置好检测光路后调整激光器参数，获得激光脉冲。输出激光脉冲经过检测光路采样系统2，一部分能量经过衰减片后，辐照到光电探测器5，另一部分能量进入标定光路能量检测系统3。光电探测器将探测到激光脉冲波形输入计算机6，标定光路能量检测系统将检测到的激光能量输入计算机6。

如图3-4所示，计算机6首先分析出实测脉冲波形的纵坐标最小值，然后将实测脉冲波形的所有纵坐标减去该最小值，得到剔除了背景噪声的脉冲信号，对处理后的脉冲信号进行积分处理，获得此脉冲波形曲线与时间横轴之间的面积积分值。改变激光器1的参数，获得另一具有不同能量的激光脉冲，对此激光脉冲进行同样的数据处理，获得其面积积分值。如此重复，通过改变激光器1的参数，获得覆盖整个能量范围的一系列具有不同能量值的激光脉冲，计算机6对所有脉冲波形进行数据处理，得到一系列脉冲波形的面积积分值，同时标定光路能量检测系统3测量出所有波形的能量值。计算机6拟合面积积分值和对应能量值之间的关系曲线，所得拟合曲线的横坐标为面积积分值，纵坐标为能量值，该曲线作为对应于此种检测光路的光电探测器的标定曲线，如图5中所示，曲线11为所得的标定曲线。至此，光电探测器标定完毕。

如图2所示，实际应用过程中，去掉标定光路能量检测系统3，经过检测光路采样系统后的透射光进入实际应用系统7。当激光器开始工作，输出激光脉冲，该激光脉冲的能量未知。激光脉冲经过检测光路采样系统2，反射光经过衰减片后，辐照在光电探测器5上，光电探测器5将所采集的脉冲波形输入计算机6。计算机6对实测脉冲波形进行剔除背景噪声的预处理和积分处理后，获得脉冲波形和时间横轴之间的面积积分值。如图5所示，根据面积积分值A，从标定曲线11中插值找出对应的纵坐标E，该纵坐标值就是激光器输出脉冲的能量值。由此，可以实现激光器输出单脉冲能量和波形的同时检测。

经过一次光电探测器标定后，只要检测光路无任何变化，则当前检测系统可一直进行脉冲能量和脉冲波形的同时检测。如果，检测光路有调整，则需对光电探测器进行重新标定，以匹配调整后检测光路。

本方法尤其适用于需要实时监测激光器输出能量和输出波形的场合。只要根据实际情况选择合适的采样比例，实际应用前，进行一次光电探测器标定，标定完后，即可以进行实时检测。