大功率激光强度分布测量系统

电

子

测

量

技

术

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大功率激光强度分布测量系统7 f/ 一摘要柬光斑的检攫。 I

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左钏艨工大铁业学

文中针对激光加工大功率激光光束光斑功率密度分布测量的要求，设计了测量系统，现了对大功率光实大功率激光 - 率——度分布测■系统功—密———一

关键词

M e s r ng S s e o i h Po e a u i y t m f rH g w r La e a v r e I e s t s r b i n s r Tr ns e s nt n iy Di t i utoLiQin L i n Zu e h a ag e Ho g o Tic u nAb t a t Ac o d n o t e r q ie n fme s r g e e g r n v r e l t l i it iu i n。 i h p we s rb a s s r c c ri g t h e u r me to a u i n r y t a s e s te￣ t d s rb t n i sy o f g o rl e e m/ h a f c sf r ls r p o e s g.a n w e s r g s se i d s n d o u o e r c sJ a n e m a u n y t m s e i e .Th a u i g o i h p we a e e ms b h s s se L i g e me s rn f h g o r l s r b a y t i y t m s r a ie el d z Ke￣o d hg o r l s r t amv r e i tr i i rb to m e￣ rn y t m y rs 1h p wo a e r r e s n et t d s i u i n sy t& u ig sse

一叠

1引言用于激光加工的大功率激光光束是指功率在几百瓦到上万瓦 .斑的功率密度高达 l/ m光 O w c 2的激光光束

球，计了采用空心探针方法对激光光束、斑的光信号设光进行检袒的系统，现了对大功率激光光束光斑的攫量。『实 I

2测量的原理对大功率激光光束、焦光斑在线攫量的有效手段聚 I

由于激光功率、束的模结构与聚焦光斑形态等参数对光加工质量都起着决定性的作用，求对激光加工过程中要

是采用空心探针的方法。其工作原理如图 1以固定，在平动台上的高速旋

转空心操针高速扫过光束横截面 . 部分光束通过探针传到探测器，光束、对光斑进行扫描， 测得扫描线的强度分布，时，同使平动台垂直于光束方向平动 .I多条扫描线的强度分布，图 2经平滑、算攫得如，计处理，蓟整个光斑的功率密度分布实现这一测量过 得程，要的是在短时间内完成对激光信号的采集，便根重以据所得数据获得光束、斑的分布。光

大功率激光束的传糍与聚焦质量进行监测。“获得大功率激光光束的尺寸、结构、腰位置、模柬焦点大小、聚焦光斑形态、度截面分布等测量参数，强为激光加工质量的提高提供最基本的数据。且为制造大功率的激光器及聚光镜、射镜等光学元件提供基本的检测数据。反 本文根据激光加工用大功率激光光束诊断系统的要瀚光撂删持

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瞧警、 I习图 1空心探针扫描采样测量法原理图t

一

图 2攫得强度分布扫描线示意图 I

国防科工委重点予研支助项目

大功率激光强度分布测量系统

大功率激光强度分布测量系统率应达到 I MHz这就要求 A/, D转换时问小于 1 因此

3刮量系统总体设计 J测量系统整体框图如图 3系统由光电转换器、 可编程放大器、 D转换器、制 C U及其它部件构成。 A/控 P 测量系境的工作过程是：心探针扫过光束时，分光束空部通过探针传到探测器，电转换器将光信号转换为电信光号。可编程放大器根据测量的具体情况对信号进行增益

本系统采用转换时间为 6 0 s的 8位高速 A D转换芯 6n/片。其工作过程如下当 A/芯片被选中时，果 W R D如/

R DY脚收到一个下跳脉冲就开始 A D转换，换结束/转后.如果 R脚被置 0则将转换的数据送上总线。读数 D,结束后将 RD脚置 1在每一个数据采集的循环中， 由单片机发出一个 A/ D启动信号，由逻辑延时电路产生 A/ D转换的时序控制信号 W R和 RD同时 RD触发 R M 。 A

调整， D转换器在规定的时间内将信号转化为数字 A/量，并存^ R AM,整个过程由 C U控制。测量结束后， P将采

集来的数据块由标准 R 2 2接口进给 P机进行分 S3 C析

存储数据，此期间内，/的数据有效。重要的是在 ADRAM在数据有教的时间内读取数据。时序关系如图 4。c PU

A/启莉 DA/D

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日 4数据采集系统时序 44控制 C U . P

圃磊图 3

测量系统中 .为完成可编程放大、 D转换、 A/存储及其他单元的控制，必须采用高速的 C U考虑到性能价 P格比，用高速微控制器 DS ( 2 _j利用其主要优点采 8} 0]。 3有：

采集系统整悻框图

4测量系统各部分设计4 1光信号转化为电信号 .被测的激光为 1 .f 1的 c 0 6r o a激光和 1 0“的 .6m Y G激光，要求在常温下工作。对 1 0 f的 C 2激 A且 6ml o .光，于波长较长，电效应已不明显，能采用热电探由光只

( )型的高速结构，大晶振额率为 3 MHz机器 1新最 3,周期为 4个时钟周期 (通 5普 1系列单片机为 1 2个时钟周期 )从而使每条 8 5, 0 1的执行速度在相同晶振速率下比原来快 15 3倍。使其能够在 1内完成对 A/转 ~∞ D换的触发及 A/ D转换数据的存储。 ( )通过改变 MOVX指令的执行时间来访问速度 2可不同的 R M及外围器件：这样可极大的简化数据转 A换和存储时序的控制。双数据指针 ( P S加快模块 D TR )数据存储嚣的传送，于将存储于片内 R便 AM的 A/转 D换数据快速传送片外 R AM。 ()七个附加中断诼，方便地对数据采集 .置 3有可位的多外部触发信号进行控制。 同时， S 0 3 0与 8 C 2兼容，用标准的 8 5 D 8C 2 03采 0 1指令集，用普通的 5开发系统，大降低开发成本。可 1大

测器为使测量系统简单， . 6c的"A 10￣ m f G激光也采用热电探测器=4 2可编程放大 .

由于被测激光功率范围较大，从几百瓦到上万瓦 .为了使得

采样的数据在 8位 A D转换器的范围内 .具有/并较高的精度，要对采集来的数据进行可编程放大 (小需对功率进行放大，大功率进行衰减 )由计算机根据测量对，

的具体情况输^放大增益数值，便对数据进行准确分 析。可编程放大采用一高速 8位 D/转换芯片 . 0~ A DB

DB 7作为增益输^ .由计算机控制。 v E作为信号输^ RF端 .面接两极放大。增益变化范围可由 0 B~3 d 后 d 0 B。 4 3 A D转换 ./根据探针的转速和采集的点数，/转换的重复频 AD

5测量结果测试条件：

【 1光器： AS公司 2 0 W射频激励横流 1融 HA 50激光器。测量时的输出功率为 2 0 W。 00

大功率激光强度分布测量系统

电( )光束进行测量 2对( )量探针小 L L为 2 0 m 3测孑径 0F ()量窗口6 4测 0×6 m 0。测量过程：

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二;l l _卜 _ =圈 5测量结果的三维空间分布图

一

攫量开始前 .片机首先上电作韧始化准备，行自 I单进 检，将自柱结果传送蛤 P机， P机接收到正确的并 C当 C

自检参数，系统韧始化完成，可进行测量，否则结束程序 .等待接收正确测量参数后再次运行。 确认系统当前正常后，统处于待襁状态当接系统系 I收到 P C机开始测量的命令，始进行测量，过程按照开此图 6测量结果的平面分布三视图

平动复位；动到韧始测量点；发韧始延时、量、集平触测采间隔延时、测量、栗集间隔延时 .此循环到攫量完再再如 I弧线上的设定点平动采集移动步数；襁量完弧线上再再 I的设定点；动复位；将测量数据传送培 P平并 C机， P 供 C机处理。

6结论采用上述系统 .实现了对大功率激光光束光斑的测量，性能价格比较好。其

攫量结果三维空间分布图如图 5平面分布三视图 I,如图 6。

参考文越1 J V Gi e Ko z r ndD e y l .S s c eaa Grb Di c a e e m Jg e l s r tlsrb a da o￣ i e sc~

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2 L w—p we o o rA/ oⅡ町T r M AXI r d t￣{ c D。 e s M po t c i￣.1 9 n 95

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Fu e公司出版中文版计量学专著 lk不少计量技术人员熟知的美国 F u e公司的英文版著作“ airt n P i sp v i P ar e f lk C l ai: hl o h rci” 2 b o o n c E i o,9 4最近已出中文版。中文版的书名是《准一理论与实践》由中国计量测试学会王铝 dt n 1 9 ) i校，理事长作序。

该书是美国福禄克公司集近 5 O年在电学计量领域和仪器制造方面之经验，近 9由 O位计量学专家，中不乏世界著名学者共同撰写的一本有关直流和低频测量的计量学专著。全书共分 7篇 3 其 4章，内容不仅包括了计量学导论和直流、其低频电学计量，且反映了直流、频电学计量和仪器制造而低

的当代水平，含了诸如接地、蔽、护、电势、触电阻、验室环境控制等计量中许多实际问题包屏保热接实的解决思路和诀窍，别是还论述了计量学统计，量过程控制 .确定度分析，验室认可和实验室特测不实质量管理等当今的计量热点。

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