CN113740032A - 一种大尺寸激光光斑检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大尺寸激光光斑检测装置，属于激光器技术领域，包括M×N个测量单元，基座，M×N个热电阻，数据采集与处理单元；测量单元包括导热体和隔热基质；所述基座用于安装固定各个测量单元，各个导热体远离测量靶面的一端与对应的热电阻一一相连，各个热电阻与数据采集与处理单元电性连接。本发明还提供一种大尺寸激光光斑检测方法。本发明的大尺寸激光光斑检测装置及方法，将待测激光离散化后，采集各个测量单元对应的温度数据，得到温度分布，然后通过数学方法，将温度分布与测量单元的位置、尺寸等耦合，进而可获得激光的光斑尺寸与能量分布。

Description

一种大尺寸激光光斑检测装置及方法

技术领域

本发明属于激光器技术领域，特别涉及一种大尺寸激光光斑检测装置及方法。

背景技术

激光光斑是衡量激光器性能的一个重要指标。精确测量激光光斑是测定激光发散角、功率密度、光束质量的前提条件。现有测试激光光斑方法主要有光斑烧蚀法、探测器成像法和热成像法。光斑烧蚀法利用高功率激光照射有机玻璃等靶材，利用激光与材料的热效应在靶材表面形成烧蚀凹坑，通过测量凹坑尺寸表征激光光斑尺寸。探测器法主要用探测器接收激光光斑，通过光电变换将光信号转换为电信号，通过电信号分布显示光斑尺寸。热成像法利用激光照射导热系数较小的靶板，通过红外相机观测激光在靶板形成的热红外图像，通过热红外图像表征激光尺寸。光斑烧蚀法和探测器法在激光光斑测量中应用较多，并且有相应的探测器产品，比如Pyrocam光束质量分析仪等；热成像法也有相关专利报道，但是涉及技术和设备更为复杂，暂时还未见相关商业产品报道。

由于激光具有良好的方向性，激光光束发散角非常小，大部分实验室应用条件下，激光光斑尺寸很小，使用探测器成像方法可以测量获得激光光斑。但是，随着高功率激光技术发展、高功率、大尺寸的激光光斑测量需求显著增加，以下两种应用对大尺寸激光光斑测试提出了需求：1.在激光通信等远距离传输应用时，激光光斑会随着传输距离的增加而变大，此时需要测量大尺寸光斑，进而测量远场功率密度等关键指标；2.在某些对聚焦尺寸有显著要求的应用时，比如极紫外光刻光源***中对驱动激光聚焦时，首先需要将激光光斑扩束至一定尺寸，然后通过设置合适的聚焦***使激光光斑压缩至一定尺寸，扩束后的激光光斑测量是衡量驱动激光聚焦性能的重要指标之一。

但是，采用光斑烧蚀法测量时，需要较大功率才能形成烧蚀，而激光功率较大时会由于热扩散导致激光光斑的测量尺寸偏大，测量精度低，并且测量过程中还存在不能准确确定激光照射时间的问题。采用热成像法测量时，需要对靶板和相机进行严格的图像标定，导致其使用受到限制。采用探测器成像法测量时，当激光光斑较大超过探测器的接收孔径，不能完全接收光斑，或者当激光功率较大超过激光的损伤阈值时，探测器不能使用。

因此，急需研究一种大尺寸激光光斑检测装置及方法，解决现有激光光斑测量技术在测试大尺寸激光光斑时存在的缺点。

发明内容

有鉴如此，本发明的目的是提供一种大尺寸激光光斑检测装置及方法，将待测激光离散化后，采集各个测量单元对应的温度数据，得到温度分布，然后通过数学方法，将温度分布与测量单元的位置、尺寸等耦合，进而可获得激光的光斑尺寸与能量分布。

为实现上述目的，本发明提供一种大尺寸激光光斑检测装置，包括M×N个测量单元，基座，M×N个热电阻，数据采集与处理单元；其中，M≥2，N≥2，均为自然数；

测量单元包括导热体和隔热基质，所述隔热基质的中心开有嵌入孔，所述导热体通过所述嵌入孔嵌入到所述隔热基质中，且所述导热体与所述隔热基质的激光照射面对齐安装，所述导热体的长度大于所述隔热基质的长度，同时保证每个测量单元接收激光的端面均对齐形成测量靶面；

所述基座用于安装固定各个测量单元，对应开设有M×N个安装孔，各个测量单元于通过对应的安装孔安装固定在所述基座上；

各个导热体远离测量靶面的一端与对应的热电阻一一相连，各个热电阻与所述数据采集与处理单元电性连接，所述导热体将探测的激光能量通过热电阻转化为电信号，被所述数据采集与处理单元接收，进而转化成温度信号，并根据各个温度信号与对应的测量单元的位置数据，经数据处理得到激光光斑尺寸和光斑能量分布。

进一步地，所述导热体的形状与所述嵌入孔的形状相匹配，所述隔热基质的形状与所述安装孔的形状相匹配，所述导热体、所述隔热基质和所述安装孔的中轴线共线。

进一步地，所述导热体为细长圆柱体形状，所述嵌入孔为圆形通孔，所述隔热基质为中空的正方体形状，所述安装孔为正方形通孔。

进一步地，所述导热体的材质为铜、银、碳纤维中的任意一种。

进一步地，所述隔热基质的材质为聚四氟乙烯或毛玻璃。

进一步地，所述数据采集与处理单元包括采集卡，所述采集卡与各个热电阻电性连接，将电热阻的电信号转化为温度信号；所述采集卡还用于存储各个测量单元的位置数据，将获得的各个温度信号与各个测量单元一一对应，形成与测量单元位置有关的温度矩阵数据。

进一步地，各个测量单元的位置数据采用将每个测量单元按位置进行编号的方式，形成位置矩阵数据。

进一步地，所述测量靶面的尺寸大于待测激光光斑的尺寸。

本发明还提供一种采用如上所述的装置进行大尺寸激光光斑检测的方法，包括以下步骤：

S1：根据测量精度要求，先确定所述隔热基质的尺寸和选择所述热电阻的精度，再预测待测激光光斑的尺寸，然后设计M×N的具体数量，确保所述测量靶面的尺寸大于待测激光光斑的尺寸；

S2：完成设备安装工作，通电并完成调试工作，往所述数据采集与处理单元导入各个测量单元的位置数据；

S3：引入待测激光，所述导热体将探测的激光能量通过热电阻转化为电信号，被所述数据采集与处理单元接收，进而转化成温度信号，并根据各个温度信号与对应的测量单元的位置数据，经数据处理得到激光光斑尺寸和光斑能量分布。

本发明采用上述技术方案的优点是：

本发明的大尺寸激光光斑检测装置及方法，可根据待测激光的预测尺寸设计检测装置的尺寸，解决了激光光斑尺寸太大无法适用测量的问题；检测精度可控制，通过对检测单元的尺寸进行设计，检测单元的尺寸越小，检测精度越大；通过对热电阻的精度进行设计，电热阻的精度越大，检测精度越大；可应用于极紫外光源扩束后光斑测量等领域，可实现大功率、大尺寸、多波段激光光斑尺寸的测量，适应性广泛。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明的大尺寸激光光斑检测装置的结构示意图；

图2是本发明的大尺寸激光光斑检测装置中测量单元按位置编号的计测量原理示意图；

附图标记说明：1-导热体；2-隔热基质；3-基座；4-热电阻。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明的大尺寸激光光斑检测装置的结构示意图，包括M×N个测量单元，基座3，M×N个热电阻4，数据采集与处理单元(图中未示出)；其中，M≥2，N≥2，均为自然数；

测量单元包括导热体1和隔热基质2，所述隔热基质2的中心开有嵌入孔，所述导热体1通过所述嵌入孔嵌入到所述隔热基质3中，且所述导热体1与所述隔热基质2的激光照射面对齐安装，所述导热体1的长度大于所述隔热基质2的长度，同时保证每个测量单元接收激光的端面均对齐形成测量靶面；所述测量靶面的尺寸大于待测激光光斑的尺寸；

所述基座3用于安装固定各个测量单元，对应开设有M×N个安装孔，各个测量单元于通过对应的安装孔安装固定在所述基座3上；

各个导热体1远离测量靶面的一端与对应的热电阻4一一相连，各个热电阻4与所述数据采集与处理单元电性连接，所述导热体1将探测的激光能量通过热电阻4转化为电信号，被所述数据采集与处理单元接收，进而转化成温度信号，并根据各个温度信号与对应的测量单元的位置数据，经数据处理得到激光光斑尺寸和光斑能量分布。

所述导热体1的形状与所述嵌入孔的形状相匹配，所述隔热基质2的形状与所述安装孔的形状相匹配，所述导热体1、所述隔热基质2和所述安装孔的中轴线共线。例如，所述导热体1为细长圆柱体形状，所述嵌入孔为圆形通孔，所述隔热基质2为中空的正方体形状，所述安装孔为正方形通孔。

其中，所述导热体1要求，具有良好的热传导能力，采用具有高导热系数的材料，例如铜、银、碳纤维等。所述隔热基质2包裹导热体1，要求其阻隔激光热量的传递，采用热容较高、导热系数较低的材料，例如聚四氟乙烯、毛玻璃。

所述数据采集与处理单元可以为计算机，还设置有与计算机配置的采集卡，所述采集卡与各个热电阻4电性连接，将电热阻4的电信号转化为温度信号；所述采集卡还用于存储各个测量单元的位置数据，将获得的各个温度信号与各个测量单元一一对应，形成与测量单元位置有关的温度矩阵数据。其中，各个测量单元的位置数据采用将每个测量单元按位置进行编号的方式，形成位置矩阵数据如图2所示，(M,N)代表第M行第N列的测量单位的位置编号。

本发明还提供一种采用如上所述的装置进行大尺寸激光光斑检测的方法，包括以下步骤：

S1：根据测量精度要求，先确定所述隔热基质2的尺寸和选择所述热电阻4的精度，再预测待测激光光斑的尺寸，然后设计M×N的具体数量，确保所述测量靶面的尺寸大于待测激光光斑的尺寸；

S2：完成设备安装工作，通电并完成调试工作，往所述数据采集与处理单元导入各个测量单元的位置数据；

S3：引入待测激光，所述导热体1将探测的激光能量通过热电阻4转化为电信号，被所述数据采集与处理单元接收，进而转化成温度信号，并根据各个温度信号与对应的测量单元的位置数据，经数据处理得到激光光斑尺寸和光斑能量分布。

如图2所示，测量时，由于隔热基质2对热量沿靶面方向的传递的阻隔作用，导致每个测量单元探测的热量沿导热体1传递至热电阻4，只有被激光光斑覆盖的测量单元才能对应产生温度信号被采集到，再结合被激光光斑覆盖的测量单元对应的位置数据和尺寸，可获得激光光斑覆盖范围内的温度矩阵，进行可表征出激光光斑尺寸，通过温度的差异，可以获得激光的能量分布状态。

本发明采用上述技术方案的优点是：

本发明的大尺寸激光光斑检测装置及方法，可根据待测激光的预测尺寸设计检测装置的尺寸，解决了激光光斑尺寸太大无法适用测量的问题；检测精度可控制，通过对检测单元的尺寸进行设计，检测单元的尺寸越小，检测精度越大；通过对热电阻的精度进行设计，电热阻的精度越大，检测精度越大；可应用于极紫外光源扩束后光斑测量等领域，可实现大功率、大尺寸、多波段激光光斑尺寸的测量，适应性广泛。

当然本发明还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (9)

1.一种大尺寸激光光斑检测装置，其特征在于，包括M×N个测量单元，基座，M×N个热电阻，数据采集与处理单元；其中，M≥2，N≥2，均为自然数；

测量单元包括导热体和隔热基质，所述隔热基质的中心开有嵌入孔，所述导热体通过所述嵌入孔嵌入到所述隔热基质中，且所述导热体与所述隔热基质的激光照射面对齐安装，所述导热体的长度大于所述隔热基质的长度，同时保证每个测量单元接收激光的端面均对齐形成测量靶面；

所述基座用于安装固定各个测量单元，对应开设有M×N个安装孔，各个测量单元于通过对应的安装孔安装固定在所述基座上；

各个导热体远离测量靶面的一端与对应的热电阻一一相连，各个热电阻与所述数据采集与处理单元电性连接，所述导热体将探测的激光能量通过热电阻转化为电信号，被所述数据采集与处理单元接收，进而转化成温度信号，并根据各个温度信号与对应的测量单元的位置数据，经数据处理得到激光光斑尺寸和光斑能量分布。

2.根据权利要求1所述的大尺寸激光光斑检测装置，其特征在于，所述导热体的形状与所述嵌入孔的形状相匹配，所述隔热基质的形状与所述安装孔的形状相匹配，所述导热体、所述隔热基质和所述安装孔的中轴线共线。

3.根据权利要求2所述的大尺寸激光光斑检测装置，其特征在于，所述导热体为细长圆柱体形状，所述嵌入孔为圆形通孔，所述隔热基质为中空的正方体形状，所述安装孔为正方形通孔。

4.根据权利要求1所述的大尺寸激光光斑检测装置，其特征在于，所述导热体的材质为铜、银、碳纤维中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的大尺寸激光光斑检测装置，其特征在于，所述隔热基质的材质为聚四氟乙烯或毛玻璃。

6.根据权利要求1所述的大尺寸激光光斑检测装置，其特征在于，所述数据采集与处理单元包括采集卡，所述采集卡与各个热电阻电性连接，将电热阻的电信号转化为温度信号；所述采集卡还用于存储各个测量单元的位置数据，将获得的各个温度信号与各个测量单元一一对应，形成与测量单元位置有关的温度矩阵数据。

7.根据权利要求6所述的大尺寸激光光斑检测装置，其特征在于，各个测量单元的位置数据采用将每个测量单元按位置进行编号的方式，形成位置矩阵数据。

8.根据权利要求1所述的大尺寸激光光斑检测装置，其特征在于，所述测量靶面的尺寸大于待测激光光斑的尺寸。

9.一种采用如权利要求1-8任意一项所述的装置进行大尺寸激光光斑检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据测量精度要求，先确定所述隔热基质的尺寸和选择所述热电阻的精度，再预测待测激光光斑的尺寸，然后设计M×N的具体数量，确保所述测量靶面的尺寸大于待测激光光斑的尺寸；

S2：完成设备安装工作，通电并完成调试工作，往所述数据采集与处理单元导入各个测量单元的位置数据；

S3：引入待测激光，所述导热体将探测的激光能量通过热电阻转化为电信号，被所述数据采集与处理单元接收，进而转化成温度信号，并根据各个温度信号与对应的测量单元的位置数据，经数据处理得到激光光斑尺寸和光斑能量分布。

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