CN109802293B - 一种激光器外置指示光安全引入***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光器外置指示光的安全引入***及方法。该***包括指示光光源、第一反射镜、透镜组、第二反射镜、光路切换组件以及光路切换告警器；指示光光源发射出的指示光依次经过第一反射镜、透镜组、第二反射镜；经第二反射镜反射的指示光与激光器的主激光同轴、同发散角；第二反射镜可在光路切换组件的作用下切入或切出主激光光路；光路切换告警器设置在经第一反射镜反射后的指示光光路中，且位于第二反射镜之后。通过透镜组和全反镜将指示光引入主激光光路中、并配置指示光切换告警器，指示光输出功率可调且与主激光同轴、同发散角，不仅提高了指示光的定位效果、降低了维修难度与成本，同时还消除了由于***故障带来的安全隐患。

Description

一种激光器外置指示光安全引入***及方法

技术领域

本发明属于激光安全防护领域，涉及一种激光器外置指示光的安全引入***及方法。

背景技术

激光由于其高定向性、高亮度等优点在工业加工和高新技术领域得到了广泛应用，然而激光的热效应、生物危害以及二次辐射危害等不容忽视。国际电工委员会(I EC60825-1)按激光波长、输出功率/能量、脉宽等，将激光器划分为若干安全等级，以区分其危害程度及用户需注意的事项等。

激光对人体以及工作环境构成的直接危害主要包括直射光、反射光、漫散射光等，对于不可见激光特别是中高功率的不可见激光，指示光的作用显得尤为重要。

通常做法是在激光器研制过程中，在激光器内集成与主激光同轴输出的可见波段的指示(或信标、准直)光源。指示光一般采用合束方式耦合至主激光光路中，受激光器内部空间等的限制，指示光光源输出功率通常不会太高，遇到复杂光路，经过大量光学元件反射、透射后指示光可视效果变差，不利于辅助定位和安全防护。另外，由于激光器封装集成度较高，指示光光源出现故障后，常常需要返厂检修，增加了维修难度与成本。

现有的外置指示光光源主要通过合束方式引入，合束镜或耦合器处于主激光光路中，对合束器件的波长透射/反射特性、抗激光破坏性能等均提出了要求，在一定程度上不利于激光实验尤其是强激光实验的安全实施。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种激光器外置指示光安全引入***及方法，通过透镜组和全反镜将外部可见激光作为指示光引入主激光光路中、并配置指示光切换告警器，指示光输出功率可调且与主激光同轴、同发散角，***简单、易操作，提高了指示光的定位效果、降低了维修难度与成本，同时还消除了由于***故障带来的安全隐患。

本发明的基本设计思路是：

指示光光源用于提供指示光的光源为可见光波段、功率可调的连续波激光器；指示光依次经过第一反射镜、透镜组、第二反射镜与激光器的主激光重合，通过调节第一反射镜、二反射镜实现指示光与主激光同轴，通过调节透镜组使指示光与主激光同发散角。其中，第二反射镜安装于光路切换组件上可方便地进行主激光与指示光光路的切换操作、复位精度高；切换后，第二反射镜及其镜架不遮挡主激光，同时指示光入射至光路切换告警器探测器光敏面上。操作人员可根据告警器指示灯状态判断指示光与主激光光路的切换情况，消除因指示光引入***由于故障引起的误操作，提高了安全性。

本发明技术解决方案是：

一种激光器外置指示光安全引入***，包括指示光光源、第一反射镜、透镜组、第二反射镜、光路切换组件以及光路切换告警器；

指示光光源发射出的指示光依次经过第一反射镜、透镜组、第二反射镜，经第二反射镜反射的指示光与激光器的主激光同轴、同发散角；

第二反射镜安装在光路切换组件上，且第二反射镜可在光路切换组件的作用下切入或切出主激光光路；

光路切换告警器设置在经第一反射镜反射后的指示光光路中，且位于第二反射镜之后。

进一步地，上述指示光光源采用可见光波段且功率可调的连续波激光器。

进一步地，上述光路切换组件为一维电控位移台或光路切换器。

进一步地，上述光路切换告警器包括滤光片、光探测器、比较器、继电器、告警灯和电源；

滤光片安装于光探测器前，用于过滤除了指示光以外的其它入射光；

电源分别与继电器以及告警灯连接；

光探测器接收指示光后通过光探测器输出电压信号至比较器，比较器输出TTL电平至继电器，通过触发继电器从而点亮告警灯。

基于上述激光器外置指示光安全引入***，现对采用该***进行指示光安全引入的方法进行描述，具体包括以下步骤：

1)同光轴调节

1.1)在激光器出射的主激光光路的近场、远场各放置一个可调光阑，调节可调光阑的位置与直径，使激光器的主激光光路同时通过两个可调光阑中心；

1.2)依次摆放指示光光源、第一反射镜、第二反射镜；

1.3)开启指示光光源，通过调节第一反射镜、第二反射镜的位置，使指示光同时通过两个可调光阑中心，从而使得指示光与主激光同轴；

2)同发散角调节

2.1)在经第二反射镜反射的指示光光路上放置分束镜(10)，分束镜的透射光路上放置第三反射镜、第四反射镜以及第五反射镜，分束镜的反射光路上放置漫反射屏；其中，第五反射镜的反射光和分束镜的反射光路相互平行；

2.2)分束镜的反射光入射至漫反射屏A处，透射光经过第三反射镜、第四反射镜以及第五反射镜反射后入射至漫反射屏B处；

2.3)利用红外相机同时测量A处近场光斑和B处远场光斑，结合A、B两处的光程差计算得到光束发散角；

2.4)通过光束发散角估算透镜组的参数及其相对位置，在指示光路中引入透镜组；

2.5)通过调节透镜组中各镜片之间的距离从而改变指示光发散角，使其与激光器的主激光发散角相同；

3)***检查

3.1)放置光路切换告警器；

3.2)利用光路切换组件将第二反射镜切出，指示光光源发出的指示光经第一反射镜、透镜组后被光路切换告警器接收；

3.3)光路切换告警器中的光探测器输出电压信号至比较器，若输出电压信号超出比较器设定值，则输出TTL电平，触发打开继电器开关，点亮告警灯，提示***正常，可执行步骤4)；

若输出电压信号未超过比较器设定值，比较器输出为零，不触发继电器开关、告警灯无反应，则认为***可能存在问题，需对***进行检查；4)将光路切换组件重新切入，同时开启指示光光源，

实现指示光的引入。本发明的优点：

1、本发明在不影响激光器主激光传输的情况下，外置指示光可与主激光同轴同发散角的引入，***简单，亮度可调，提高了定位效果、降低了维修难度与成本。

2、本发明在引入过程中加入了光路切换告警器，对整个指示光引入过程进行检测，可消除指示光引入时带来的安全隐患。

3、本发明提出指示光同轴、同发散角调节过程可扩展至其它需要调节同轴、同发散角的光路中，方法简单易行，通用性强。

附图说明

图1为本发明引入***的布局图；

图2为同光轴调节时的光路布局示意图；

图3为同发散角调节时的光路布局示意图；

图4为光切换告警器工作原理图。

附图标记为：

1-激光器，2-指示光光源，3-第一反射镜，4-透镜组，5-第二反射镜，6-光路切换组件，7-光路切换告警器，8-近场可调光阑，9-远场可调光阑，10-分束镜，11-漫反射屏，12-第三反射镜，13-第四反射镜，14-第五反射镜，15-红外相机，16-滤光片，17-光探测器，18-比较器,19-继电器,20-告警灯，21-电源。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行具体说明。

为了克服现有指示光引入方式所存在的缺陷，本发明提供了一种激光器外置指示光安全引入***：

参见图1，该***包括指示光光源2、第一反射镜3，透镜组4，第二反射镜5，光路切换组件6以及光路切换告警器7；

指示光光源2出射的指示光依次经过第一反射镜3、透镜组4、第二反射镜5；经第二反射镜5反射的指示光与激光器1发射的主激光重合，指示光与主激光的光轴和发散角均相同；

第二反射镜5安装在光路切换组件6上，且第二反射镜5可在光路切换组件6的作用下切入或切出激光器1发射的主激光光路；

光路切换告警器7设置在经第一反射镜3反射后的指示光光路中，且位于第二反射镜5之后。

需要说明的是：本例中采用的指示光光源1为可见光波段且功率可调的连续波激光器。光路切换组件6可采用一维电控位移台或光路切换器或其他能够起到支撑和移动第二反射镜的器件。

参见图4，光路切换告警器7包括滤光片16、光探测器17、比较器18、继电器19、告警灯20和电源21；滤光片16安装于光探测器17前，用于过滤除了指示光以外的其它入射光；电源21分别与继电器19以及告警灯20连接；光探测器17接收指示光后通过光探测器17输出电压信号至比较器18，比较器18输出TTL电平至继电器19，通过触发继电器19从而点亮告警灯20，提示***无故障，可执行正常操作。若告警灯未能点亮，则认为***可能出现光路未成功切换、指示光光源故障或光路切换告警器故障等，这样可避免因指示光***故障引起的误操作，提高了实验的安全性。

基于上述***的描述，现对采用该***进行指示光引入的方法进行描述，该方法的具体步骤是：

其中，该引入方法的核心就是指示光与主激光同轴、同发散角的调节，要实现指示光与主激光同轴、同发散角，必须经过图2、图3所示过程对指示光的光轴和发散角进行调节；

参见图2，步骤1)指示光同光轴调节。

首先，确定主激光光轴：

激光器1的主激光光路的近场和远场分别放置一个近场可调光阑8和远场可调光阑9，调节两个可调光阑的位置与直径，使激光器1的主激光同时通过两个可调光阑中心；

然后，依次摆放指示光光源2、第一反射镜3、第二反射镜5，并将第二反射镜5安装在光路切换组件6上；

开启指示光光源，通过调节第一反射镜3、第二反射镜5的位置，使指示光同时通过两个可调光阑中心，必要时可改变可调光阑直径，此时，指示光与主激光同轴。

参见图3，步骤2)同发散角调节：

图3中光束起始位置为第二反射镜5之后，在经第二反射镜5反射的指示光光路上放置分束镜10，分束镜10的透射光路上放置第三反射镜12、第四反射镜13以及第五反射镜14，分束镜10的反射光路上放置漫反射屏11；其中，第五反射镜14的反射光和分束镜10的反射光路相互平行，且分束镜10的反射光路以及第五反射镜15的反射光均能入射至漫反射屏11；

分束镜10的反射光入射至漫反射屏11的A处，分束镜10的透射光经过第三反射镜12、第四反射镜13以及第五反射镜14反射(延长光程)后入射至漫反射屏11的B处；

利用红外相机15同时测量A处近场光斑和B处远场光斑，结合A、B两处的光程差计算得到光束发散角；

在此基础上，通过光束发散角估算透镜组4的参数及其相对位置，在指示光光路中引入透镜组4(即在第一反射镜3和第二反射镜5之间的位置上安装透镜组4)，引入时需确保不改变光轴位置；

最后，通过调节透镜组4中各镜片之间的距离从而改变指示光发散角，使其与主激光的相同。

步骤3)***检查

首先，在经第一反射镜3反射光路上，且位于第二反射镜5之后放置光路切换告警器7；

利用光路切换组件6将第二反射镜5切出，指示光光源发出的指示光经第一反射镜3、透镜组4后被光路切换告警器7接收；

光路切换告警器7中的光探测器17输出电压信号至比较器18，若输出电压信号超出比较器18设定值，则输出TTL电平，触发打开继电器19开关，点亮告警灯20，提示***正常，可执行步骤4)；

若输出电压信号未超过比较器设定值，比较器输出为零，不触发继电器开关、告警灯无反应，则认为***可能存在问题，需对***进行检查；

步骤4)利用光路切换组件6将第二反射镜5重新切入，同时开启指示光光源2，实现指示光的引入。

Claims (3)

1.一种激光器外置指示光安全引入***，其特征在于：

包括指示光光源(2)、第一反射镜(3)、透镜组(4)、第二反射镜(5)、光路切换组件(6)、光路切换告警器(7)、光路同轴调节组件以及发散角获取组件；

指示光光源(2)发射出的指示光依次经过第一反射镜(3)、透镜组(4)、第二反射镜(5)，经第二反射镜(5)反射的指示光与激光器的主激光同轴、同发散角；

第二反射镜(5)安装在光路切换组件(6)上，且第二反射镜(5)可在光路切换组件(6)的作用下切入或切出激光器发射的主激光光路；所述光路切换组件(6)为一维电控位移台；

光路切换告警器(7)设置在经第一反射镜(3)反射后的指示光光路中，且位于第二反射镜(5)之后；

所述光路切换告警器(7)包括滤光片(16)、光探测器(17)、比较器(18)、继电器(19)、告警灯(20)和电源(21)；

滤光片(16)安装于光探测器(17)前，用于过滤除了指示光以外的其它入射光；

电源(21)分别与继电器(19)以及告警灯(20)连接；

光探测器(17)接收指示光后通过光探测器输出电压信号至比较器(18)，比较器(18)输出TTL电平至继电器(19)，通过触发继电器(19)从而点亮告警灯；

光路同轴调节组件用于引入指示光前，将指示光和激光器发射的主激光光路调整为同轴，光路同轴调节组件包括近场可调光阑(8)和远场可调光阑(9)；近场可调光阑(8)和远场可调光阑(9)依次设置在沿第二反射镜(5)反射的指示光光路上；

发散角获取组件用于引入指示光前，获取指示光的发散角，并以该发散角调整透镜组的位置，使得指示光的发散角与激光器发射的主激光一致，发散角获取组件包括分束镜(10)、漫反射屏(11)、第三反射镜(12)、第四反射镜(13)以及第五反射镜(14)以及红外相机(15)；

分束镜(10)位于第二反射镜(5)反射光路之后，分束镜(10)的透射光路上放置第三反射镜(12)、第四反射镜(13)以及第五反射镜(14)，分束镜(10)的反射光路上放置漫反射屏(11)；其中，第五反射镜(14)的反射光和分束镜(10)的反射光路相互平行，且分束镜(10)的反射光路以及第五反射镜(14)的反射光均能入射至漫反射屏(11)；

红外相机(15)正对漫反射屏(11)放置，用于获取分束镜(10)的反射光路以及第五反射镜(14)的反射光在漫反射屏(11)所形成的光斑。

2.根据权利要求1所述的激光器外置指示光安全引入***，其特征在于:所述指示光光源(2)采用可见光波段且功率可调的连续波激光器。

3.一种激光器外置指示光安全引入方法，其特征在于：采用如权利要求2所述的激光器外置指示光安全引入***，通过以下步骤实现指示光的引入：

1)同光轴调节

1.1)在激光器(1)出射的主激光光路的近场、远场各放置一个可调光阑，调节可调光阑的位置与直径，使激光器(1)的主激光光路同时通过两个可调光阑中心；

1.2)依次摆放指示光光源(2)、第一反射镜(3)、第二反射镜(5)；

1.3)开启指示光光源(2)，通过调节第一反射镜(3)、第二反射镜(5)的位置，使指示光同时通过两个可调光阑中心，从而使得指示光与激光器的主激光同轴；

2)同发散角调节

2.1)在经第二反射镜(5)反射的指示光光路上放置分束镜(10)，分束镜(10)的透射光路上放置第三反射镜(12)、第四反射镜(13)以及第五反射镜(14)，分束镜(10)的反射光路上放置漫反射屏(11)；其中，第五反射镜(14)的反射光和分束镜(10)的反射光路相互平行；

2.2)分束镜(10)的反射光入射至漫反射屏(11)A处，透射光经过第三反射镜(12)、第四反射镜(13)以及第五反射镜(14)反射后入射至漫反射屏(11)B处；

2.3)利用红外相机(15)同时测量A处近场光斑和B处远场光斑，结合A、B两处的光程差计算得到光束发散角；

2.4)通过光束发散角估算透镜组的参数及其相对位置，在指示光路中引入透镜组(4)；

2.5)通过调节透镜组(4)中各镜片之间的距离从而改变指示光发散角，使其与激光器的主激光发散角相同；

3)***检查

3.1)放置光路切换告警器(7)；

3.2)利用光路切换组件(6)将第二反射镜(5)切出，指示光光源(2)发出的指示光经第一反射镜(3)、透镜组(4)后被光路切换告警器(7)接收；

3.3)光路切换告警器(7)中的光探测器(17)输出电压信号至比较器(18)，若输出电压信号超出比较器(18)设定值，则输出TTL电平，触发打开继电器(19)开关，点亮告警灯(20)，提示***正常，可执行步骤4)；

若输出电压信号未超过比较器(18)设定值，比较器(18)输出为零，无法触发继电器(19)开关、告警灯(20)无反应，则认为***可能存在问题，需对***进行检查；

4)将光路切换组件(6)重新切入，同时开启指示光光源(2)以及激光器(1)，实现指示光的引入。

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