激光能量計(jì)的原理及使用_1ppt課件

1、激光能量計(jì)的原理與使用制作人：韋錦 學(xué)號：0913137專業(yè)： 光電子技術(shù)科學(xué)指導(dǎo)老師：梁明.雙擊添加標(biāo)題文字1234激光能量計(jì)激光能量計(jì)探頭分類激光能量計(jì)工作原理激光能量計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置及性能雙擊添加標(biāo)題文字567 8光電探測模塊光電能量計(jì)的使用方法及運(yùn)用本課題研究的意義先進(jìn)的激光切割目錄.一激光能量計(jì) 激光能量計(jì)，是在一管狀金屬外殼中依次設(shè)有探測器、與該探測器電連接的放大器以及信號輸出單元，并且在外殼的激光入射口和探測器之間，設(shè)有一陶瓷空心腔，該陶瓷空心腔為封閉的空心柱體，柱體的軸向與激光進(jìn)入殼體方向平行。本發(fā)明由于在探測器前設(shè)計(jì)了漫射式空心柱面陶瓷腔作為衰減器，使激光經(jīng)過陶瓷衰減腔后出射的是均

2、勻場，因而可以在該均勻場中的任一位置使用小尺寸探測器探測，同時(shí)可有效避免探測器的局部損傷問題，使本發(fā)明的激光能量計(jì)可用于高能量密度激光的測量。.1.光電管材料2.熱釋電材料3.熱電堆材料二激光能量計(jì)探頭分類.三激光能量計(jì)工作原理激光能量計(jì)的探頭根據(jù)原理不同可以分為熱電堆式探測器、熱釋電式探測器、光電式探測器及半導(dǎo)體光電二極管式探測器幾種。常用的能量檢測法分為光熱法及光電法。光熱法以熱電堆或熱釋電材料為傳感器件的吸收型探測器,即讓激光與吸收體充分作用,再用熱電傳感器測試吸收體的溫升,從而得到吸收體的熱量值,即激光能量值。光電法以光電式探測器或半導(dǎo)體光電二極管為傳感器件的光電式探測器,光信號轉(zhuǎn)換為

3、電信號后,電信號經(jīng)電荷積分器得到與輸入光脈沖能量成正比的電壓信號,從而完成能量的測量。由于光電二極管測量的動態(tài)范圍大，測量速度快，能反映信號的包絡(luò)變化，價(jià)格便宜，因此被廣泛應(yīng)用于光信號檢測中。因此，系統(tǒng)中的光電探測器選取PIN光電二極管。.四激光能量計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置及性能 典 型的 激 光能量測量裝置主要包括激光器、分光及監(jiān)視系統(tǒng)、激光能量計(jì)、激光功率計(jì)、數(shù)據(jù)處理及控制計(jì)算機(jī)等鬧。圖1所示為所采用的激光能量測量裝置示意圖。由激光器輸出的光束經(jīng)分光系統(tǒng)后，一束作為被測光束人射到激光能量計(jì)，另一束進(jìn)人監(jiān)視系統(tǒng)用來觀察本射激光的波形，并通過波形來計(jì)算照射時(shí)間。能量計(jì)置人經(jīng)過處理過的殼體內(nèi)，以便減小外界對其

4、的干擾。數(shù)字多用表將能量計(jì)測溫單元的讀數(shù)實(shí)時(shí)地存儲并輸入至計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值處理。功率計(jì)在測量一個積分時(shí)間后，讀取激光器功率。采用的能量計(jì)為自行研制的，用熱電堆進(jìn)行測溫，石墨面做吸收體的量熱式能量計(jì)，尺寸小，響應(yīng)大，有較好的測量性能。.激光能量計(jì)光電探測模塊由聚光透鏡、光電二極管及調(diào)理模塊組成。待測光經(jīng)過聚光透鏡后，光束會聚到光電探測器上，光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號后經(jīng)調(diào)理電路傳送至數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與顯示。常用的能量檢測法分為光熱法及光電法。光熱法以熱電堆或熱釋電材料為傳感器件的吸收型探測器,即讓激光與吸收體充分作用,再用熱電傳感器測試吸收體的溫升,從而得到吸收體的熱量值,即激光能量值

5、。光電法以光電式探測器或半導(dǎo)體光電二極管為傳感器件的光電式探測器,光信號轉(zhuǎn)換為電信號后,電信號經(jīng)電荷積分器得到與輸入光脈沖能量成正比的電壓信號,從而完成能量的測量. 光敏二極管光電轉(zhuǎn)換原理 根據(jù)PN結(jié)反向特性可知，在一定反向電壓范圍內(nèi)，反向電流很小且處于飽和狀態(tài)。此時(shí)，如果無光照射PN結(jié)，則因本征激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量有限，反向飽和電流保持不變，在光敏二極管中稱為暗電流。當(dāng)有光照射PN結(jié)時(shí)，結(jié)內(nèi)將產(chǎn)生附加的大量電子空穴對（稱之為光生載流子），使流過PN結(jié)的電流隨著光照強(qiáng)度的增加而劇增，此時(shí)的反向電流稱為光電流。（1）光敏二極管特性光照特性圖2-1畫出了光敏二極管的光電流I與照度L的特性曲線

6、，從圖上可以看出它的光照特性線形較好，適合于檢測方面的應(yīng)用8。 五光電探測模塊. (2)光譜特性光譜特性決定于所用的材料，圖2-2為硅和鍺的光譜響應(yīng)曲線，鍺材料的最靈敏響應(yīng)波長在1400015000埃之間，硅材料的最靈敏響應(yīng)波長在80009000埃之間。對于激光器所發(fā)射激光波長的不同，可采用不同的材料8。 （3）伏安特性圖2-3畫出了光敏二極管的實(shí)際伏安特性曲線，由光照控制的光敏二極管，與基極控制的晶體三極管的工作情況相似，因而光敏二極管在不同光照下的伏安特性，與晶體三極管在不同基極電流下的輸出特性相似。由此可知，光敏二極管對光信號的作用，正像一般晶體管在基極加上電信號時(shí)的放大作用一樣。光敏二

7、極管在外加電壓為零時(shí)仍有電流，這是因?yàn)楣馍匦?yīng)所產(chǎn)生的短路電流。.（4）頻率特性光敏二極管的頻率特性較好，是半導(dǎo)體光電器件中最好的一種。其頻率響應(yīng)與下述因素有關(guān)：(a)結(jié)電容和雜散電容，因?yàn)樗c負(fù)載電阻并聯(lián)，負(fù)載電阻越大，它的高頻旁路作用越明顯，高頻響應(yīng)越差。負(fù)載電阻小，能使高頻響應(yīng)改善，但輸出電壓要減小，兩者應(yīng)同時(shí)考慮，以選擇合適的電阻。(b)光生載流子在薄層中的擴(kuò)散時(shí)間及PN結(jié)（耗盡層或阻擋層）中的漂移時(shí)間8。（5）溫度特性光敏二極管在電壓不變和照度不變的情況下，其光電流隨溫度而變化，如圖2-4。在精密光電測量中要注意溫度對測量精度的影響8。（6）暗電流圖2-5為光敏二極管的暗電流隨溫

8、度而變化的曲線。溫度升高，半導(dǎo)體受熱激發(fā)，少數(shù)載流子增加，使暗電流增加。. 量 熱式 激 光能量計(jì)具有高損傷闌值、高激光輻射吸收率和高熱傳導(dǎo)率等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代高功率激光能量的測量。 由于激光的能量大，強(qiáng)度高，在進(jìn)行強(qiáng)激光能量測量比較困難的情況下，通過市場調(diào)查對比，吸取了其他激光能量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了這個方便實(shí)用的激光能量計(jì)。本設(shè)計(jì)采用光電二極管探頭，并且應(yīng)用了大家都熟悉的A/D轉(zhuǎn)換和AVR單片機(jī)等器件。實(shí)現(xiàn)方法是以光電二極管探頭作為傳感器,將光信號轉(zhuǎn)換為電信號后,電流信號經(jīng)電荷積分器得到與輸入光脈沖能量成正比的電壓信號,通過能量量值校準(zhǔn)完成能量的測量，并由虛擬儀器編寫上位機(jī)進(jìn)行顯示。要研究

9、激光和應(yīng)用激光就必須能夠?qū)す獾奶匦詤?shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量。對激光器主要參數(shù)的計(jì)量測試是激光技術(shù)發(fā)展的一個重要方面。對一臺激光器來說，人們最關(guān)心的是有沒有激光能量，有多少激光能量。比如在激光治療中，就有激光有效劑量、無效劑量及危害(破壞)劑量的闌值問題;在激光育種試驗(yàn)中，就有選擇增產(chǎn)效果好和抗病蟲害能力強(qiáng)的最佳激光劑量間題;在激光防護(hù)工作中，為了確保人身安全，特別要搞清損傷人眼的激光闌值問題;在激光核聚變中，需要多少能量才能打出中子、才能實(shí)現(xiàn)熱核反應(yīng)等等。這些都需要精確測量激光能量，沒有精確測量激光能量就達(dá)不到研究的預(yù)期目的。因此，對激光能量的準(zhǔn)確測量顯得愈發(fā)重要2。當(dāng)激光能量通過AVR單片機(jī)控制之

10、后，需要通過虛擬模擬的上位機(jī)進(jìn)行顯示，虛擬儀器是以裝有測量應(yīng)用軟件的個人電腦為核心，具有虛擬的儀器操作面板，足夠的硬件支持，有一定通信能力的測量裝置。它和傳統(tǒng)儀器相比具有以下的特點(diǎn)： 六激光能量計(jì)的使用方法及其運(yùn)用.(1) 虛擬儀器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是軟件。虛擬儀器系統(tǒng)中除PC機(jī)外的硬件主要用于數(shù)據(jù)的采集、輸入，至于系統(tǒng)怎樣處理數(shù)據(jù)，具有怎樣的面板和數(shù)據(jù)輸出的形式等都是由軟件決定的。虛擬儀器的好壞，很大程度上取決于軟件水平的高低。(2) 開發(fā)與維護(hù)的費(fèi)用低，系統(tǒng)組建時(shí)間短。當(dāng)需要增加新的測量功能，只需要增加軟件模塊或通用的硬件模塊，縮短了系統(tǒng)的更新時(shí)間，而且有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。應(yīng)用軟件不像傳統(tǒng)儀器的硬件

11、那樣存在元器件老化的問題，大大節(jié)省了維護(hù)的費(fèi)用，延長設(shè)備的使用壽命。(3) 測量更準(zhǔn)確。傳統(tǒng)儀器測量個體之間差異大，而虛擬儀器的應(yīng)用軟件在不同的PC機(jī)上具有相同的運(yùn)行效果，在軟件運(yùn)行這方面不存在個體的差異。(4) 測量更方便。因?yàn)閭鹘y(tǒng)儀器功能單一，所以對一個信號完成多個參數(shù)的測量需要多臺儀器，使測量受連接方式、電纜長度等因素的影響。虛擬儀器只需對信號進(jìn)行一次采樣，多個軟件模塊對同一組數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的處理就能實(shí)現(xiàn)多個參數(shù)的同時(shí)測量。(5) 具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能。計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的大大提高和數(shù)字信號處理理論的豐富和完善，使虛擬儀器能夠快速準(zhǔn)確的處理數(shù)據(jù)。功率計(jì)及能量計(jì)的種類繁多, 熱效應(yīng)的功率計(jì)穩(wěn)定

12、性良好, 誤差) 多至 多, 在激光功率與能量測量中已滿足需要。計(jì)量單位用來定標(biāo)的量熱計(jì)誤差可以小到 界以下。至于有特殊用途的功率計(jì)與能量計(jì)種類很多, 不宜贅述。當(dāng)然, 隨著激光事業(yè)的發(fā)展激光能量和功率的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的建立是非常需要的. 七 本課題研究的意義 對于激光能量的測量，針對不同的測量目的，可分為直接測量與間接測量法。直接測量法選用全吸收型探測器，激光全部照射進(jìn)探測器中，由于激光能量很高，常規(guī)的光電法難以直接應(yīng)用，因此通常采用量熱法進(jìn)行直接測量。如美國白沙靶場在連續(xù)高能激光器光束診斷系統(tǒng)中，配套了分別用于測量功率和能量的2種量熱計(jì)系統(tǒng)，法國LNE國家實(shí)驗(yàn)室建立了測量25kW的二氧化碳工業(yè)激

13、光器功率的熱交換式量熱計(jì)系統(tǒng)，我國的神光II裝置中，為測量其基頻、二倍頻和三倍頻激光輸出功率，研制了一種大口徑全吸收激光能量計(jì)。這幾種能量計(jì)讓激光與吸收體充分作用,再用熱電傳感器測試吸收體的溫升,從而得到吸收體的熱量值,即激光能量值。以上幾種量熱計(jì)將激光束全部接收，測量精度較高，但不能作實(shí)時(shí)監(jiān)測用。如果在高能激光使用的同時(shí)進(jìn)行能量測量，則需要采用光束取樣技術(shù)取樣部分激光用作間接測量。間接測量中，能量計(jì)通常以光電式探測器或半導(dǎo)體光電二極管為傳感器件的光電式探測器,光信號轉(zhuǎn)換為電信號后,電流信號經(jīng)電荷積分器得到與輸入光脈沖能量成正比的電壓信號,從而完成能量的測量。目前市場上出售的能量計(jì)大多是這種能量計(jì)，因功能多樣化、智能化程度高，被廣泛地應(yīng)用在激光通信、激光加工、激光測試等領(lǐng)域。 目前，在激光通信系統(tǒng)研制過程中，針對遇到的實(shí)際問題激光性能參數(shù)測試時(shí)所需要的測試儀器大量依靠進(jìn)口，價(jià)格昂貴、功能單一、接口不方便，因此，研究開發(fā)智能化的激光能量測量儀對于提高激光產(chǎn)品研制、通信系統(tǒng)性能有著重要意義。.八先進(jìn)的激光切割 該技