同步测量高功率光纤激光器功率、光谱和光束质量的装置

摘要

本发明公开了一种同步测量高功率光纤激光器功率、光谱和光束质量的装置，共光轴依次设置准直器、高反镜组、第一楔板玻璃、第一多槽可插拔衰减器、凸透镜和光纤探头，上述元件构成光谱测量光路，准直器设置在待测光纤激光器输出端，光纤探头与光纤光谱仪连接；平凹镜和功率计靶面依次设置在高反镜组的反射光路上，功率计靶面与功率计连接；第二楔板玻璃设置在第一楔板玻璃的反射光路，第二多槽可插拔衰减器和光束质量分析仪依次设置在第二楔板玻璃的反射光路上；上述元件设置在光学平台上。本发明实现了高功率光纤激光器功率、光谱和光束质量的同步测量，提高了测量效率；同时有效减少了光学像差和泵浦光等干扰因素对测量结果的影响，提高了测量精度。

说明书

技术领域

本发明涉及高功率激光器测量领域，具体涉及一种同步测量高功率光纤激光器功率、光谱和光束质量的装置。

背景技术

激光自问世以来因其具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的特性，已广泛应用于科技、军事、医疗、工业加工和通信等领域。近年来随着激光技术的进步与发展，激光器的峰值输出功率不断取得突破，高功率激光器取得了迅速的发展，并且迅速的应用于工业和军事等领域。在制造工业中，它可以作为高强度光源，用于切割、打孔、焊接等。在军事领域可用于车载、舰载激光武器，也可作为激光武器的信标光源，并且在光电对抗、激光制导和激光诱导核聚变等领域也有广泛应用。在众多种类的高功率激光器中，光纤激光器以其光束质量好、体积小、转换效率高和散热效果好等优点发展尤为迅速，并且已经开始大规模应用于工业和军事领域。

功率、光谱带宽和光束质量因子是高功率激光器的核心参数。功率代表了激光器的亮度，光谱带宽代表了激光器的单色性与相干性，光束质量因子则代表了激光器的准直性与方向性。任何高功率激光器出厂前都需对这些参数进行测量与分析。

高功率激光器功率的测量一般采用热传感器，而用于制作热传感器的材料却有一定的激光损伤阈值，当光密度大于热传感器材料的激光损伤阈值时，热传感器就会被损伤，功率测量也会出现较大误差。高功率激光器由于能量高，准直的光斑很容易将热传感器打坏，而光束质量因子的测量需要准直光，因此现有测量技术很难将二者同时测量。

高功率激光器光谱的测量一般采用光纤光谱仪，而光纤光谱仪由于采用光栅分光，光电探测器探测各谱线波段光强度，其所承受光功率一般在mw级。而在高功率激光器光谱测量过程中，如何保证强激光在衰减到光纤光谱仪所承受功率的同时，也能保证各波段光谱相对比例恒定是现有光谱测量中的一个难题。现有光谱测量方式也有很多种，散射光测量、局部光斑取样测量是两种最常用的方式，而这两种方式都是从激光中取部分光斑进行测量，对于光斑上激光谱线均匀的激光所述方式可以较准确测量出激光光谱数据，而对于光纤激光器这类光斑上不同位置处光谱并不完全一样的激光器，现有方法很难实现准确测量。

高功率激光器光束质量的测量一般采用光束质量分析仪，而光束质量分析仪由于采用光强CCD探测器，其所承受的光功率一般在mw级。而在高功率激光器光束质量测量过程中，如何保证强激光在衰减到光束质量分析仪所承受功率的同时，也能保证在激光传输横截面上不同位置处光强大小的相对恒定是现有光束质量测量中的一个难题。

高功率光纤激光器由于采用了双包层光纤，且包层光剥离器并不能完全剥离，因此其输出的光既包括纤芯中的激光，又包括包层以及纤芯中残留的一部分泵浦光，且二者并不在同一波段。在对其进行测量时，为了测量准确，不管是功率、光谱还是光束质量都需要保证测量光束与原始光束的一致性，而高功率激光器的测量又需要衰减、调节像差等，现有方法很难对其功率、光谱和光束质量实现同时准确的测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同步测量高功率光纤激光器功率、光谱和光束质量的装置，适用功率为10W～10KW，可同时对功率、光谱和光束质量进行测量，提高了测量效率。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种同步测量高功率光纤激光器功率、光谱和光束质量的装置，包括准直器、高反镜组、平凹镜、功率计靶面、功率计、第一楔板玻璃、第二楔板玻璃、第一多槽可插拔衰减器、第二多槽可插拔衰减器、凸透镜、光纤探头、光纤光谱仪和光束质量分析仪，共光轴依次设置准直器、高反镜组、第一楔板玻璃、第一多槽可插拔衰减器、凸透镜和光纤探头，上述元件构成光谱测量光路，准直器设置在待测光纤激光器输出端，光纤探头与光纤光谱仪连接；平凹镜和功率计靶面依次设置在高反镜组的反射光路上，功率计靶面与功率计连接；第二楔板玻璃设置在第一楔板玻璃的反射光路，第二多槽可插拔衰减器和光束质量分析仪依次设置在第二楔板玻璃的反射光路上；上述元件设置在光学平台上。

待测光纤激光器发出高功率激光，经准直器准直后射入高反镜组分为第一反射光和第一透射光，第一反射光经平凹镜发散后，被功率计靶面接收后，转化为电压信号，送入功率计，得到待测光纤激光器的输出功率；第一透射光射入第一楔板玻璃分为第二反射光和第二透射光，第二透射光进入第一多槽可插拔衰减器，经第一多槽可插拔衰减器衰减后经凸透镜会聚，被光纤探头接收，光纤探头将衰减后的第二透射光送入光纤光谱仪，光纤光谱仪获得待测光纤激光器的光谱信息；第二反射光射入第二楔板玻璃分为第三反射光和第三透射光，第三反射光射入第二多槽可插拔衰减器，经第二多槽可插拔衰减器衰减后射入光束质量分析仪，经光束质量分析仪分析得到待测光纤激光器的光束质量。

上述高反镜组包括至少一个高反镜，当高反镜大于等于两个时，所述高反镜依次设置在光谱测量光路上，平凹镜和功率计靶面设置在靠近准直器的高反镜的反射光路上。

当高反镜组中的高反镜大于等于两个时，还包括第二收光器，第二收光器设置在未设有平凹镜和功率计靶面的高反镜的反射光路上，接收所述高反镜的反射光。

所述高反镜组中的高反镜具有高反射率和高抗激光损伤阈值，并且对激光波段与泵浦光波段反射率一致。

还包括第一收光器，第一收光器设置在第二楔板玻璃的透射光路上，接收第二楔板玻璃的透射光。

楔板玻璃的角度α与楔板玻璃到下个光学元件的临界距离d的关系如下：d＝l/tan(2α)

其中l为楔板玻璃前后表面的反射光斑在下个元件前表面所在平面上的距离。

所述多槽可插拔衰减器包括底座和若干个不同透射率的中性密度滤光片，若干个不同透射率的中性密度滤光片共光轴依次设置在底座上，相邻的两个中性密度滤光片不平行，且相邻的两个中性密度滤光片的表面反射的光不相干涉。

所述平凹镜两面均镀制增透膜，所述平凹镜具有高透射率和高抗激光损伤阈值，并且对激光波段与泵浦光波段透射率一致。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)同时对功率、光谱和光束质量进行测量，提高了测量效率。

(2)实现了对同一光斑上不同位置光谱不一致的光纤激光器的光谱测量。

(3)通过平凹镜，实现了对高功率准直激光束的功率测量。

(4)通过高反镜组、楔板玻璃和多槽可插拔衰减器，实现了对大范围光功率的衰减，并有效避免了干涉效应等干扰因素，同时有效避免了光束质量测量中的干扰因素，提高了测量效率与精度。

附图说明

图1为本发明同步测量高功率光纤激光器功率、光谱和光束质量的装置的整体结构示意图。

图2为本发明同步测量高功率光纤激光器功率、光谱和光束质量的装置的楔板玻璃前后表面反射光示意图。

图3为本发明同步测量高功率光纤激光器功率、光谱和光束质量的装置的多槽可插拔衰减器俯视图。

图4为本发明同步测量高功率光纤激光器功率、光谱和光束质量的装置的实施例1的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图3，一种同步测量高功率光纤激光器功率、光谱和光束质量的装置，包括准直器1、高反镜组2、平凹镜3、功率计靶面4、功率计5、第一楔板玻璃6-1、第二楔板玻璃6-2、第一多槽可插拔衰减器7-1、第二多槽可插拔衰减器7-2、凸透镜8、光纤探头9、光纤光谱仪10和光束质量分析仪12。共光轴依次设置准直器1、高反镜组2、第一楔板玻璃6-1、第一多槽可插拔衰减器7-1、凸透镜8和光纤探头9，上述元件构成光谱测量光路。准直器1设置在待测光纤激光器输出端，光纤探头9与光纤光谱仪10连接。平凹镜3和功率计靶面4依次设置在高反镜组2的反射光路上，功率计靶面4与功率计5连接。第二楔板玻璃6-2设置在第一楔板玻璃6-1的反射光路，第二多槽可插拔衰减器7-2和光束质量分析仪12依次设置在第二楔板玻璃6-2的反射光路上。上述元件设置在光学平台上。

待测光纤激光器发出高功率激光，经准直器1准直后射入高反镜组2分为第一反射光和第一透射光，第一反射光经平凹镜3发散后，被功率计靶面4接收后，转化为电压信号，送入功率计5，得到待测光纤激光器的输出功率。第一透射光射入第一楔板玻璃6-1分为第二反射光和第二透射光，第二透射光进入第一多槽可插拔衰减器7-1，经第一多槽可插拔衰减器7-1衰减后经凸透镜8会聚，被光纤探头9接收，光纤探头9将衰减后的第二透射光送入光纤光谱仪10，光纤光谱仪10获得待测光纤激光器的光谱信息。第二反射光射入第二楔板玻璃6-2分为第三反射光和第三透射光，第三反射光射入第二多槽可插拔衰减器7-2，经第二多槽可插拔衰减器7-2衰减后射入光束质量分析仪12，经光束质量分析仪12分析得到待测光纤激光器的光束质量。

上述高反镜组2包括至少一个高反镜，当高反镜大于等于两个时，所述高反镜依次设置在光谱测量光路上，平凹镜3和功率计靶面4设置在靠近准直器1的高反镜的反射光路上。所述功率计靶面4通过其上的热传感器将激光功率转化为电压信号，功率计5再将电压信号进行分析与处理转换为实际功率并予以显示。

当高反镜组2中的高反镜大于等于两个时，还包括第二收光器11-2，第二收光器11-2设置在未设有平凹镜3和功率计靶面4的高反镜的反射光路上，接收所述高反镜的反射光，防止透射光对实验人员造成损害。第二收光器11-2可采用黑色平板。

所述高反镜组2中的高反镜具有高反射率和高抗激光损伤阈值，并且对激光波段与泵浦光波段反射率一致。

还包括第一收光器11-1，第一收光器11-1设置在第二楔板玻璃6-2的透射光路上，接收第二楔板玻璃6-2的透射光，防止透射光对实验人员造成损害。第一收光器11可采用黑色平板。

楔板玻璃的角度α与楔板玻璃到下个光学元件的临界距离d的关系如下：

l＝d/tan(2α)

其中l为楔板玻璃前后表面的反射光斑在下个元件前表面所在平面上的距离。

结合图3，所述多槽可插拔衰减器包括底座7-3和若干个不同透射率的中性密度滤光片(以5个为例，分别为第一中性密度滤光片7-3、第二中性密度滤光片7-4、第三中性密度滤光片7-5、第四中性密度滤光片7-6、第五中性密度滤光片7-7、第六中性密度滤光片7-8)，若干个不同透射率的中性密度滤光片共光轴依次设置在底座上，相邻的两个中性密度滤光片不平行，夹角为β，且相邻的两个中性密度滤光片的表面反射的光不相干涉。

所述平凹镜3两面均镀制增透膜，所述平凹镜3具有高透射率和高抗激光损伤阈值，并且对激光波段与泵浦光波段透射率一致。

实施例1

图4描绘了同步测量高功率光纤激光器功率、光谱和光束质量的装置的一种光路图，高功率光纤激光器从QBH输出端输出的激光束经过准直器1准直后以平行光射出，射出的激光打到高反镜2上之后，分为第一反射光与第一透射光，第一反射光打到平凹镜3上，变为扩散光，扩散的光打到功率计靶面4上，功率计靶面4将所测得的热信号转化为电压信号传送给功率计5，获得输出功率。第一透射光打到第一楔板6-1上，分为第二反射光与第二透射光。第二透射光经第一多槽可插拔衰减器7-1衰减后入射到凸透镜8上，经凸透镜8聚焦后打到光纤探头9上，光纤探头9通过多模光纤与光纤光谱仪连接，从而对激光束光谱进行测试与分析。第二反射光打到第二楔板6-2上，分为第三反射光和第三透射光，第三透射光打到收光器11中，第三反射光打到第二多槽可插拔衰减器7-2中，经第二多槽可插拔衰减器衰减后进入光束质量分析仪12中，从而对激光束光束质量进行测试与分析。

高反镜2反射率为99.9％，反射带为900nm到1100nm；第一楔板6-1与第二楔板6-2均为未镀膜石英材质玻璃，前后表面反射率均在4％左右，第一多槽可插拔衰减器7-1与第二多槽可插拔衰减器7-2均采用5槽结构，中性密度滤光片透射率均为10％；凸透镜8采用未镀膜BK7玻璃；功率计5、光纤光谱仪10和光束质量分析仪12均采用商业化产品。

由以上参数可得，该系统光束质量分析仪处光强可以衰减到原始光强A倍，A由下式决定

A＝(1-99.9％)×4％×4％×(10％)^m

其中m为多槽可插拔衰减器中采用的中性密度滤光片的数目，取值在0到5之间。由上式可知该系统可将激光衰减为原激光束的1.6×10^-6到1.6×10^-11倍之间，由于光束质量分析仪本身还具有自动衰减功能，其可承受的功率在1uw到100mw之间，所以此套系统可承受的激光功率为10W到10KW之间。