本發(fā)明提供一種基于石英音叉光聲效應(yīng)的渦旋光干涉的超大激光功率檢測系統(tǒng)及方法，屬于光學(xué)精密測試。

背景技術(shù)：

1、高功率激光通常指高功率激光器發(fā)出的輸出功率在數(shù)百瓦以上的激光。近年來，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，高功率激光被廣泛應(yīng)用于切割、焊接、增材制造、表面處理等加工領(lǐng)域。功率的準(zhǔn)確測量是高功率激光研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)，對于保障激光加工產(chǎn)品的質(zhì)量十分重要。激光加工過程中需要精確控制激光器的輸出功率，因此在激光器和激光加工裝備出廠前都要對其輸出功率進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定，在之后的使用過程中也需要定期對其輸出功率進(jìn)行測量。如何快速并精確測量高功率激光的輸出功率是一個亟待解決的難題。

2、目前國內(nèi)外開展了許多高功率激光功率測量方法的研究，比較主流的測量方法是量熱法和取樣法。量熱法需要依賴大體積的測量裝置來吸收高功率激光，無法對高功率激光進(jìn)行實時功率測量，取樣法測量準(zhǔn)確度低且穩(wěn)定性差，不能滿足工業(yè)制造高功率激光功率測量的需要。所以大功率激光器的研制、生產(chǎn)、裝備單位，對操作簡單使用方便的激光功率測量設(shè)備具有迫切需求。

3、光聲法是用于測量大功率激光測量的理想方法，具有精度高、重量輕、響應(yīng)時間快等優(yōu)點(diǎn)。用光照射某種媒質(zhì)時，由于媒質(zhì)對光的吸收會使其內(nèi)部的溫度改變從而引起媒質(zhì)內(nèi)某些區(qū)域結(jié)構(gòu)和體積變化；當(dāng)采用脈沖光源或調(diào)制光源時，媒質(zhì)溫度的升降會引起媒質(zhì)的體積漲縮，因而可以向外輻射機(jī)械波。這種現(xiàn)象稱為光聲效應(yīng)(photoacoustic?effect)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、在超大激光功率測量領(lǐng)域中，激光的功率越高，產(chǎn)生的熱量越大，對測量結(jié)果的準(zhǔn)確性影響也就越大。針對目前對于超大激光功率檢測的需求及目前方法的不足，本發(fā)明提供一種基于石英音叉光聲效應(yīng)的渦旋光干涉的超大激光功率檢測系統(tǒng)及方法，針對石英音叉因光聲效應(yīng)產(chǎn)生的微位移，采用渦旋光干涉進(jìn)行測量，具備實時監(jiān)測出射光束質(zhì)量、功率檢測精度高、量程大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，為測量高功率激光功率提供了一種新途徑、新方法和新理念。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案為：

3、一種基于石英音叉光聲效應(yīng)的渦旋光干涉的超大激光功率檢測系統(tǒng)，包括待測激光器、氣室、音叉和渦旋光干涉模塊；

4、所述渦旋光干涉模塊包括平行平板玻璃標(biāo)準(zhǔn)面、探測激光器、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、1/4波片、分束器、渦旋波片和光電探測器；

5、待測激光器的激光光束出射后進(jìn)入氣室，穿過音叉的下臂和下臂之間離開氣室；渦旋光干涉模塊中，探測激光器出射的光束依次經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、1/4波片、渦旋波片，生產(chǎn)渦旋光，經(jīng)過分束器分束成測試光和參考光，參考光平行平板玻璃標(biāo)準(zhǔn)面反射后經(jīng)分束器到達(dá)光電探測器，測試光透過平行平板玻璃標(biāo)準(zhǔn)面后被音叉的下臂反射后再經(jīng)平行平板玻璃標(biāo)準(zhǔn)面與分束器后與參考光在光電探測器處干涉，形成斐索干涉結(jié)構(gòu)，得到花瓣狀干涉圖。

6、本發(fā)明中，待測激光源激光束出射后，通過功率-位移轉(zhuǎn)換模塊后出射進(jìn)行后續(xù)應(yīng)用，如切割、焊接、增材制造等；同時功率-位移轉(zhuǎn)換模塊將對激光功率的測量轉(zhuǎn)換為對于音叉叉臂位移量的測量；位移大小的測量經(jīng)過渦旋光干涉模塊實現(xiàn)；參考光束與探測光束在光電探測器處發(fā)生干涉；

7、所述功率-位移轉(zhuǎn)換模塊由氣室和音叉組成。待測激光器所發(fā)射的光經(jīng)過由高透材料制成的氣室，從音叉叉臂之間穿過后，再經(jīng)高透材料出射。氣室內(nèi)存在一定濃度對待測激光具有大吸收率的氣體，氣體吸收激光能量產(chǎn)生光聲效應(yīng)，導(dǎo)致物質(zhì)產(chǎn)生熱膨脹現(xiàn)象，從而產(chǎn)生聲波，也就是光聲信號，該聲波會使得石英音叉發(fā)生形變。

8、優(yōu)選的，氣室內(nèi)存在對待測激光器的光束具有大吸收率的氣體，包括二氧化碳、氮?dú)狻⒊粞醯取?/p>

9、優(yōu)選的，探測激光器選擇波長為633nm的hene激光器。

10、本發(fā)明針對石英音叉因光聲效應(yīng)產(chǎn)生的微位移，可以采用渦旋光干涉進(jìn)行測量，在干涉系統(tǒng)中的參考光與測量光，由于微小位移的存在，兩束光的光程差產(chǎn)生相應(yīng)變化，從而導(dǎo)致干涉條紋的變化，根據(jù)條紋的變化情況推算出微位移的大小。石英音叉大多作為用于檢測痕量氣體濃度裝置的傳感器，利用石英晶體的壓電效應(yīng)，氣體吸收激光能量后膨脹產(chǎn)生聲波，聲壓作用在石英音叉上使其產(chǎn)生形變，進(jìn)而產(chǎn)生電信號，通過電信號的大小可以表示出氣體的濃度，其中電信號或者說石英音叉形變量也包含著激光本身的功率信息，利用渦旋光干涉可以高精度測量石英音叉產(chǎn)生的形變，根據(jù)形變量可以直接推算出激光功率的大小。

11、一種上述基于扭秤測量的渦旋光干涉的超大激光功率檢測系統(tǒng)的檢測方法，包括如下步驟：

12、待測激光器的激光光束出射后，經(jīng)由高透材料制成的氣室，從音叉的下臂和下臂之間穿過后，再經(jīng)高透材料出射，氣體吸收激光能量產(chǎn)生光聲效應(yīng)，導(dǎo)致物質(zhì)產(chǎn)生熱膨脹現(xiàn)象，從而產(chǎn)生聲波，也就是光聲信號，該聲波使得音叉發(fā)生形變，待測激光的功率轉(zhuǎn)化為音叉上臂和下臂的形變位移；

13、渦旋光干涉模塊的探測激光器出射的光束依次經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、1/4波片(qwp)、渦旋波片(vr)，生產(chǎn)拓?fù)浜蔀閘的渦旋光，經(jīng)過分束器分束成測試光和參考光，參考光平行平板玻璃標(biāo)準(zhǔn)面反射后經(jīng)分束器到達(dá)光電探測器，測試光透過平行平板玻璃標(biāo)準(zhǔn)面后被音叉的下臂反射后再經(jīng)平行平板玻璃標(biāo)準(zhǔn)面與分束器后與參考光在光電探測器處干涉，得到花瓣狀干涉圖；測試光攜帶有音叉振動所產(chǎn)生的光程變化信息與參考光在光電探測器處發(fā)生干涉，通過花瓣狀干涉圖旋轉(zhuǎn)的角度，倒推得到待測激光的功率大小，實現(xiàn)對待測激光器功率的測量。

14、優(yōu)選的，光聲測量檢測原理如下：

15、氣體分子吸收了光子能量后，以熱能的形式釋放能量并躍遷回到基態(tài)，釋放的熱能使得氣體膨脹，使得音叉叉臂發(fā)生位移，并且倆叉臂對稱形變，由于壓電效應(yīng)，石英音叉的形變將產(chǎn)生電信號。

16、石英音叉有兩種振動方式，只有當(dāng)兩個叉臂反向振動時，才會產(chǎn)生有效的電信號。而日常生活中的聲波波長較大，僅會引起石英音叉叉臂的同向振動，兩臂產(chǎn)生的電勢差會相互抵消，無法形成有效的電信號，這也是石英音叉抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)的原因。

17、激光作用后，音叉產(chǎn)生的電信號s可以表示為：

18、

19、其中，c為氣室中氣體濃度，α為氣體的吸收系數(shù)，τ為氣室高透材料的透過率，p為待測激光器的功率，q為音叉的品質(zhì)因數(shù)，f是石英音叉的共振頻率；

20、同時，僅從石英晶體的角度來說，壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的電信號還可以表示為：

21、s＝βz?(2)

22、其中，β為石英晶體的壓電系數(shù)，z為形變量；

23、所以，待測激光器的功率與音叉形變量，即z之間存在關(guān)系：

24、

25、其中α、β、τ、c、f、q均可根據(jù)需要選取或者通過提前測量獲得，故只需測量上臂和下臂的形變量z即可求出待測激光器的功率。

26、優(yōu)選的，石英音叉重要的參數(shù)，包括共振頻率f0、品質(zhì)因數(shù)q。常見的商用石英音叉被封裝在一個直徑為3mm，高8mm的圓柱型真空金屬殼內(nèi)，在真空封裝中其標(biāo)準(zhǔn)共振頻率是32.768khz，具有很高的品質(zhì)因數(shù)q(真空中為100000左右)，石英音叉品質(zhì)因數(shù)q等于石英音叉共振頻率與響應(yīng)帶寬的比值。在本發(fā)明中，需要將石英音叉的外殼去掉，石英音叉暴露在大氣中后，其共振頻率往往會漂移幾hz甚至幾十hz，因此在使用前需要對石英音叉的實際共振頻率進(jìn)行測量，可將石英音叉連接信號發(fā)生器，測量音叉振幅隨信號頻率的變化，得到頻率響應(yīng)曲線。

27、對于音叉的品質(zhì)因數(shù)q，可以表示為：

28、

29、其中，δf為音叉頻率響應(yīng)曲線的半高全寬。

30、本發(fā)明中，石英音叉叉臂根部與音叉底座固定，石英音叉尖頭的偏轉(zhuǎn)可能在納米量級，遠(yuǎn)小于石英音叉叉臂的長度(3.6mm)。因此，標(biāo)準(zhǔn)面和音叉下臂底面組成的結(jié)構(gòu)可以視為平面平行腔，可認(rèn)為測試光束不會偏離干涉光路。

31、優(yōu)選的，渦旋光干涉模塊利用渦旋光的自共軛干涉測量音叉下臂的微小位移量，其中一路光攜帶上臂和下臂的位移，兩路光的光程差反映在花瓣狀干涉圖的轉(zhuǎn)角上，激光功率測量前后，干涉條紋具有不同的角度，作為數(shù)據(jù)處理的輸入，得到位移信息；在渦旋光自共軛干涉中，渦旋光束最顯著的特征為其螺旋形的方位相位結(jié)構(gòu)，為了便于后續(xù)位移測量方法的分析，參考渦旋光束在極坐標(biāo)(r,θ)下的電場分布表示為：

32、er(r,θ)＝a·exp[i(lθ+kd1)]????????????????(5)

33、其中，a為振幅，l為拓?fù)潆姾蓴?shù)，θ為方位角、d1為參考臂初始臂長、i為虛數(shù)單位，k為波矢，可表示為：

34、

35、其中λ為波長；

36、測試光與參考光共軛，共軛渦旋光束的電場分布可以表示為：

37、econ1(r,θ)＝a·exp[-i(lθ-kd2)]?(7)

38、式中d2為測試臂初始臂長；

39、渦旋光自共軛干涉光場的強(qiáng)度分布可以表示為：

40、i＝|er+econ1|2＝2a2·{1+cos[2lθ+k(d1-d2)]}?(8)

41、渦旋光自共軛干涉將形成對稱的花瓣狀干涉光強(qiáng)分布，且花瓣數(shù)量為拓?fù)浜蓴?shù)絕對值的兩倍；

42、將音叉置于測試光路中，當(dāng)叉臂產(chǎn)生位移z時，干涉光路中測試臂的光程發(fā)生了2z的變化，此時，測試光的電場強(qiáng)度隨之發(fā)生變化，可以表示為：

43、econ2(r,θ)＝a·exp[-i(lθ-kd2)]·exp(ik·2z)?(9)

44、此時渦旋光共軛干涉光強(qiáng)分布可以表示為：

45、iend＝|er+econ2|2＝2a2·{1+cos[2lθ+k(d1-d2)-2kz]}?(10)

46、在待測物體產(chǎn)生位移變化的過程中，形成的干涉圖會隨之旋轉(zhuǎn)，將旋轉(zhuǎn)角弧度設(shè)為δθ，則位移過程中存在等量關(guān)系：

47、2l·δθ＝2kz?(11)

48、位移z可以表示為：

49、

50、其中λ、l均為已知量，故對位移z的測量可轉(zhuǎn)換為對δθ的精確提取，對δθ的精確提取可采用本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)，此處不再贅述。

51、本發(fā)明的光源選擇波長為633nm的hene激光器，激光器輸出的穩(wěn)定線偏振平面波通過擴(kuò)束和準(zhǔn)直后，被1/4波片調(diào)制后變?yōu)閳A偏振光，該光束通過渦旋波片后可得到穩(wěn)定的渦旋光。該光束經(jīng)過分束器后被分為兩路：測試臂光束透過標(biāo)準(zhǔn)面后打在石英音叉下臂底面上，發(fā)生反射后沿原方向返回，并再透過標(biāo)準(zhǔn)面和分束器進(jìn)入光電探測器；參考臂光束經(jīng)過分束器后，與測試臂光束一同照射到光電探測器中產(chǎn)生干涉。由于反射次數(shù)奇偶不同，故兩光束共軛，記錄下渦旋光共軛干涉圖樣的變化情況。利用數(shù)據(jù)處理軟件對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得旋轉(zhuǎn)角弧度δθ，進(jìn)而得到精密位移數(shù)據(jù)。

52、本發(fā)明未詳盡之處，均可參見現(xiàn)有技術(shù)。

53、本發(fā)明的有益效果為：

54、1、本發(fā)明基于音叉光聲效應(yīng)和渦旋光自共軛干涉測量微小位移的原理獲得待測激光的功率信息。待測激光的功率轉(zhuǎn)化為音叉叉臂的形變位移，然后在渦旋光花瓣狀干涉圖樣中出現(xiàn)角度旋轉(zhuǎn)，倒推得到待測激光的功率大小，想法新穎，將激光功率測量與渦旋光干涉測量微小位移相結(jié)合，為萬瓦級超大激光功率能量毫瓦級分辨率測量提供了一種新思路。

55、2、本發(fā)明應(yīng)用共軸光路系統(tǒng)，具有穩(wěn)定性高、抗噪能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，并且使用的光學(xué)元件較少，降低了使用成本和操作難度，在一定程度上減少了由光學(xué)器件引入的誤差，如材料誤差、面形誤差、裝配誤差等。

56、3、本發(fā)明結(jié)合石英增強(qiáng)光聲光譜技術(shù)，是以石英音叉作為傳感器核心的一種痕量氣體探測技術(shù)，有著更低的成本、更快的響應(yīng)、更緊湊的結(jié)果與更高的靈敏度。