專利名稱：對全固態(tài)激光器熱分布進行實時在線檢測的系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種激光器熱分布檢測系統(tǒng)，特別是涉及一種應用于全固態(tài)激光器的對熱分布進行實時在線檢測的系統(tǒng)。
背景技術：
近年來，基于激光二極管泵浦技術的全固態(tài)激光器(Diode Pumped SolidState Laser，以下簡稱DPSSL)發(fā)展迅猛，因其結構緊湊、廢熱少、重量輕、壽命長、穩(wěn)定性好等特點在工業(yè)加工、航空航天、國防工業(yè)及醫(yī)療等領域逐步取代傳統(tǒng)的燈泵浦固體激光器。隨著其在各個領域應用的深入，如何提高全固態(tài)激光器的穩(wěn)定性、如何完善產(chǎn)品設計水平、裝校和調(diào)試技術，成為DPSSL產(chǎn)品研制和生產(chǎn)廠商共同關注的問題。
在影響激光器輸出穩(wěn)定性的因素中，熱效應帶來的有害影響最為顯著。尤其隨著激光器功率的不斷提高以及體積的縮小，熱管理系統(tǒng)的設計顯得尤為重要。該系統(tǒng)的設計目標為維持激光器各光學組件的溫度在安全許可范圍內(nèi)，以保證激光器安全運行。在全固態(tài)激光器中，熱管理系統(tǒng)主要涉及三大方面泵浦源激光二極管(Laser Diode，以下簡稱LD)、激光介質(zhì)/倍頻晶體、其它光學元件，它們對溫度波動范圍的要求以及散熱功耗不盡相同。其中，前兩者是設計熱管理系統(tǒng)時需要重點考慮的對象。
LD作為DPSSL系統(tǒng)中最主要的熱源，由于其發(fā)射波長會隨溫度漂移(溫漂系數(shù)為0.3nm/℃)，從而會影響到泵浦效率的高低，因此LD的溫控技術一直是相關領域研究的熱點。同時，泵浦光被激光介質(zhì)/倍頻晶體吸收時，只有一部分能量轉化為輸出激光的光能，其余大部分能量成為廢熱沉積在激光介質(zhì)/倍頻晶體中。為了維持激光器的正常運轉，必須采取必要的冷卻手段。由此帶來的熱致效應會導致激光光束質(zhì)量和輸出功率下降，嚴重時造成激光介質(zhì)/倍頻晶體破壞。此外，在高平均功率DPSSL中，各種光學元件受熱擾動而對輸出光束產(chǎn)生的不良影響也是造成整個激光系統(tǒng)失穩(wěn)的一個原因。
在現(xiàn)有技術中，LD的溫控技術比較成熟，例如在CN101174155中，公開了一種半導體激光器的溫度控制系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)半導體激光器溫度的自動控制。而涉及到激光介質(zhì)的溫度分析一般則以經(jīng)驗設計為主導，模擬計算為輔(參見中國激光34卷第2期pp.176-180，光子學報33卷第4期pp.400-404等)，通常只能給出趨勢判斷，無法定量和實際情況一致?？傊?，這些方法只是實現(xiàn)了單一研究對象的熱管理或熱分析，并不能將DPSSL各光學組件的熱分布情況對激光輸出的影響有機的聯(lián)系在一起。而在實際應用中，用戶需要一種能夠同時實現(xiàn)DPSSL系統(tǒng)中不同部位熱分布狀態(tài)檢測或控制的手段，并實時掌握各個被測對象溫度的動態(tài)變化，從而在冷卻系統(tǒng)可靠性和激光器輸出穩(wěn)定性之間建立系統(tǒng)級的聯(lián)系。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是克服上述現(xiàn)有技術中存在的缺陷，為了同時滿足科研用大型復雜激光器的裝校和工業(yè)激光器在線調(diào)試的需求，從而提供一種適用于全固態(tài)激光器的對熱分布進行實時在線檢測的系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)可以在線實時檢測激光器各被測對象的溫度，并能夠提供多個被測對象的溫度-時間特性曲線，用戶根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果判斷各被測對象熱平衡的一致性，進而調(diào)整相應的冷卻參數(shù)，由此在全固態(tài)激光器多個光學元件熱效應之間建立關聯(lián)，便于用戶直觀掌握全固態(tài)激光器系統(tǒng)的熱特性。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術解決方案如下 本發(fā)明提供的對全固態(tài)激光器的熱分布實時在線檢測系統(tǒng)，包括 安裝于DPSSL中各被測部位的n路溫度傳感器，用于采集被測部位的溫度信號，其中n為整數(shù)，1≤n≤16； 溫度采集模塊所述的溫度采集模塊由數(shù)據(jù)采集模塊和接口轉換模塊組成，通過標準RS485連接線實現(xiàn)二者之間的通訊；該數(shù)據(jù)采集模塊具有和n路溫度傳感器匹配的n個數(shù)據(jù)傳輸通道；接口轉換模塊利用內(nèi)置的微處理器控制A/D轉換器，將溫度傳感器采集到的模擬信號轉換為RS485數(shù)字信號，并實現(xiàn)信號同步后，通過接口轉換模塊轉換為中央控制單元可識別的RS232信號，并實現(xiàn)多路信號的時間同步及與上位機的中央控制單元進行通訊； 穩(wěn)壓電源模塊向溫度采集模塊提供所需直流電壓； 中央控制單元用于接收、儲存溫度采集模塊的溫度輸出值，并對數(shù)據(jù)進行處理和分析，將數(shù)據(jù)分析結果以圖形或數(shù)據(jù)列表形式提供給用戶； 其中，所述的溫度傳感器所采集到的信號，經(jīng)溫度采集模塊放大，由其實現(xiàn)n個溫度信號的時間同步后，轉換為中央控制單元可識別的數(shù)據(jù)；所輸出的數(shù)字量數(shù)據(jù)被中央控制單元接收存儲，由其實現(xiàn)n組溫度數(shù)據(jù)與時間的關系分析后通過輸出界面提供給用戶；用戶根據(jù)測試結果，能夠實時掌握DPSSL各被測部位的溫度變化。
在上述的技術方案中，還包括一用于維持泵浦源LD溫度或疏散全固態(tài)激光器系統(tǒng)中熱量的冷卻系統(tǒng)；所述的冷卻系統(tǒng)與中央控制單元電連接，中央控制單元還能夠實現(xiàn)對冷卻系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)節(jié)。
在上述的技術方案中，所述的冷卻系統(tǒng)可以為液體冷卻系統(tǒng)，也可以為氣體冷卻系統(tǒng)或傳導散熱裝置。
在上述的技術方案中，所述的數(shù)據(jù)采集模塊為商用數(shù)據(jù)采集模塊ADAM4013。
在上述的技術方案中，所述的接口轉換模塊為商用ADAM4521轉換模塊。
在上述的技術方案中，所述的溫度傳感器為接觸式溫度傳感器，可以是熱電偶傳感器、數(shù)字溫度傳感器、模擬集成溫度傳感器，或者是其它任何一種可以實現(xiàn)溫度動態(tài)測試的溫度傳感器。
在上述的技術方案中，被測對象可以是激光介質(zhì)、非線性晶體、用于冷卻激光介質(zhì)的冷卻介質(zhì)、泵浦源LD、用于冷卻泵浦源LD的冷卻介質(zhì)，也可以是全固態(tài)激光器系統(tǒng)中其它任何會產(chǎn)生熱效應的光學元件及散熱器件。
在上述的技術方案中，所述的中央控制單元包括數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和參數(shù)控制模塊；其中， 所述的數(shù)據(jù)顯示模塊，提供數(shù)據(jù)輸出和圖形顯示功能；能夠將中央控制單元獲取的溫度數(shù)據(jù)以列表形式輸出到顯示設備，并可將數(shù)據(jù)保存為后綴為txt或excel格式的文件； 所述的數(shù)據(jù)分析模塊，能夠按用戶設定的采樣周期和采樣頻率做出溫度-時間曲線，并將n個被測對象的溫度-時間曲線繪制在同一顯示區(qū)域內(nèi)；曲線結果保存為BMP格式； 所述的參數(shù)控制模塊，提供用戶設置冷卻系統(tǒng)的各項冷卻參數(shù)和所述的采樣指令；所述的冷卻參數(shù)為冷卻液體的溫度、流量、壓力，或是冷卻氣體的流量和壓力。
與已有技術相比，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點 1.本發(fā)明提供的對全固態(tài)激光器熱分布進行實時在線檢測的系統(tǒng)，使用戶能夠全面掌握全固態(tài)激光器系統(tǒng)中各光學組件及散熱器件的溫度變化情況，改變了現(xiàn)有技術只能單獨檢測少數(shù)被測點的現(xiàn)狀。
2.本發(fā)明的系統(tǒng)能夠將多個被測對象的動態(tài)熱特性關聯(lián)在一起，將溫度-時間的處理結果直觀的提供給用戶，使其能夠實時掌握各被測對象熱平衡情況；根據(jù)該處理結果對冷卻參數(shù)進行調(diào)節(jié)控制，從而使各被測對象的熱平衡點趨于一致，從而提高了系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性。
3.本發(fā)明的系統(tǒng)測試精度高、反饋時間短和操作界面友好，結合現(xiàn)代化測試技術和控制技術，整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性較好。
4.本發(fā)明的系統(tǒng)中用于檢測溫度的溫度傳感器可選種類較多，便于用戶根據(jù)自身的測試需要選擇。
5.本發(fā)明的系統(tǒng)應用范圍廣，除了用于科研單位全固態(tài)激光器的研制之外，還可推廣到激光器制造企業(yè)全固態(tài)激光器產(chǎn)品的生產(chǎn)線中，在提高在線裝校和調(diào)試速度的同時，還可以提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率。
6.將本發(fā)明的系統(tǒng)納入全固態(tài)激光器的調(diào)試系統(tǒng)中，提高了全固態(tài)激光器的設計水平。
圖1是本發(fā)明對全固態(tài)激光器熱分布進行實時在線檢測的系統(tǒng)結構示意圖。
圖2是本發(fā)明的一種具有6個溫度傳感器的對全固態(tài)激光器進行熱分布在線實時檢測的系統(tǒng)結構示意圖。
圖3是本發(fā)明的一種具有4個DS18B20數(shù)字溫度傳感器的對全固態(tài)激光器進行熱分布在線實時檢測的系統(tǒng)結構示意圖。
具體實施例方式 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖和實施例將對本發(fā)明進一步詳細說明。
實施例1 參考圖2，制作一個本發(fā)明的對一臺三級激光放大器進行熱分布在線檢測的系統(tǒng)，在線檢測系統(tǒng)具有6個模擬溫度傳感器，分別對三級激光放大器的激光放大介質(zhì)1-1、泵浦源2-1、激光放大介質(zhì)1-2、泵浦源2-2、激光放大介質(zhì)1-3、泵浦源2-3進行熱分布在線檢測。溫度傳感器采用6個PT100鉑電阻，它是一種性能穩(wěn)定的中低溫模擬傳感器，測量精度為0.1℃。
溫度采集模塊由商用數(shù)據(jù)采集模塊ADAM4013和接口轉換模塊ADAM4521組成，由市售的標準RS485連接線實現(xiàn)二者之間的通訊；ADAM4013具有和6個鉑電阻PT100匹配的6個數(shù)據(jù)傳輸通道，接口轉換模塊ADAM4521利用內(nèi)置的微處理器控制A/D轉換器，將PT100鉑電阻采集到的模擬信號轉換為RS485數(shù)字信號，并實現(xiàn)信號同步后，通過接口轉換模塊ADAM4521轉換為中央控制單元可識別的RS232信號并傳送至中央控制單元儲存。
穩(wěn)壓電源模塊向溫度采集模塊提供所需的+15V直流電壓。
在本實施例采用的冷卻系統(tǒng)，例如常規(guī)的水冷裝置，置于激光器系統(tǒng)之外，與被冷卻對象之間通過管路連接；還可以是氣體冷卻系統(tǒng)或傳導散熱裝置，這些方式都是本領域技術人員可以實施的。本實施例的水冷裝置的冷卻水通過管路傳輸至被冷卻對象，由其將各激光放大介質(zhì)及泵浦源中產(chǎn)生的熱量帶走。與中央控制單元之間通過標準RS485連接線進行通訊，冷卻水的溫度、水壓等冷卻參數(shù)能夠通過中央控制單元的參數(shù)控制模塊設置。
中央控制單元具有用于接收、儲存溫度采集模塊的溫度輸出值，并對數(shù)據(jù)進行處理和分析的功能；該中央控制單元由數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和參數(shù)控制模塊組成；其中， 所述的數(shù)據(jù)顯示模塊是具有提供數(shù)據(jù)輸出和圖形顯示功能的常規(guī)模塊；能夠將中央控制單元獲取的溫度數(shù)據(jù)以列表形式輸出到顯示設備，并可將數(shù)據(jù)保存為后綴為txt或excel格式的文件； 所述的數(shù)據(jù)分析模塊，是能夠按用戶設定的采樣周期和采樣頻率做出溫度-時間曲線，并將6個被測對象的溫度-時間曲線繪制在同一顯示區(qū)域內(nèi)；曲線結果保存為BMP格式的常規(guī)模塊； 所述的參數(shù)控制模塊，是提供用戶設置冷卻系統(tǒng)的各項冷卻參數(shù)和所述的采樣指令的常規(guī)模塊；所述的冷卻參數(shù)為冷卻水的溫度、水壓。
用戶通過中央控制單元的數(shù)據(jù)顯示模塊得到所采集的溫度數(shù)據(jù)，將采集到的各組數(shù)據(jù)繪制出溫度-時間曲線，根據(jù)曲線的變化趨勢判斷某個被測元件的熱平衡特性是否與其它被測元件的熱平衡特性不一致。然后可通過中央控制單元的參數(shù)設置模塊改變該被測元件的冷卻參數(shù)，并由中央控制單元將指令下發(fā)至冷卻系統(tǒng)。
按照圖1，只將實施例1中冷卻系統(tǒng)拆除，做成沒有冷卻系統(tǒng)的、簡單的對全固態(tài)激光器熱分布進行實時在線檢測的系統(tǒng)的另一種實施例，這也是本技術領域人員可以實現(xiàn)的。
實施例2 參考圖3，制作一個本發(fā)明的具有四個數(shù)字溫度傳感器的全固態(tài)激光器熱分布在線檢測系統(tǒng)。被檢測的全固態(tài)激光器有四個被測點，分別是LD、激光晶體、熱沉及激光器殼體。溫度傳感器采用DALLAS公司的“一線總線式”數(shù)字溫度傳感器DS18B20，由總線向其供電，它集溫度測量、A/D轉換于一體，測溫范圍-55℃～+125℃，抗干擾性較好。由于無需A/D轉換模塊，所以溫度信號采集模塊可選擇市售的以太網(wǎng)數(shù)字溫度采集模塊，與上位機之間使用標準以太網(wǎng)通訊方式，不用另配通訊轉換模塊。
穩(wěn)壓電源模塊向數(shù)字溫度采集模塊提供所需的+24V直流電壓。
冷卻系統(tǒng)采用水冷方式，激光晶體產(chǎn)生的熱量以熱傳導方式疏散至熱沉，再由冷卻水將熱沉中傳導出的熱量帶走。冷卻系統(tǒng)與中央控制單元之間通過標準RS485連接線進行通訊，冷卻水的溫度、水壓能夠通過中央控制單元的參數(shù)控制模塊設置。
由DS18B20實現(xiàn)溫度檢測和A/D轉換，以太網(wǎng)數(shù)字溫度采集模塊能夠自動識別傳感器的數(shù)量并對齊排序，將所采集到的溫度數(shù)據(jù)傳輸至上位機的中央控制單元，由其實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的儲存和分析。中央控制單元的數(shù)據(jù)顯示模塊將數(shù)據(jù)分析結果輸出給用戶。同時，用戶可根據(jù)分析結果通過中央控制單元的參數(shù)設置模塊改變冷卻水的溫度、水壓，由中央控制單元實現(xiàn)指令下發(fā)。
本發(fā)明的對全固態(tài)激光器熱分布進行實時在線檢測的系統(tǒng)的其它部分與實施例1相同，這是本領域技術人員可以實現(xiàn)的。
以上所述的實施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實施方式
的一種，本領域的技術人員在本發(fā)明技術方案內(nèi)進行的通常變化和替換都應包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種對全固態(tài)激光器的熱分布進行實時在線檢測的系統(tǒng)，包括
安裝于全固態(tài)激光器中各被測部位的n路溫度傳感器，用于采集被測部位的溫度信號，其中n為整數(shù)，1≤n≤16；
溫度采集模塊所述的溫度采集模塊由數(shù)據(jù)采集模塊和接口轉換模塊組成，通過標準RS485連接線實現(xiàn)二者之間的通訊；該數(shù)據(jù)采集模塊具有和n路溫度傳感器匹配的n個數(shù)據(jù)傳輸通道；接口轉換模塊利用內(nèi)置的微處理器控制A/D轉換器，將溫度傳感器采集到的模擬信號轉換為RS485數(shù)字信號，并實現(xiàn)信號同步后，通過接口轉換模塊轉換為中央控制單元可識別的RS232信號，并實現(xiàn)多路信號的時間同步及與上位機的中央控制單元進行通訊；
穩(wěn)壓電源模塊向溫度采集模塊提供所需的直流電壓；
中央控制單元用于接收、儲存溫度采集模塊的溫度輸出值，并對數(shù)據(jù)進行處理和分析；
其中，所述的溫度傳感器所采集到的信號，經(jīng)溫度采集模塊放大，由其實現(xiàn)n個溫度信號的時間同步后，轉換為中央控制單元可識別的數(shù)據(jù)；所輸出的數(shù)字量數(shù)據(jù)被中央控制單元接收存儲，由其實現(xiàn)n組溫度數(shù)據(jù)與時間的關系分析后，中央控制單元將數(shù)據(jù)儲存、處理后將結果進行顯示，用戶可根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果通過所述的中央控制單元調(diào)節(jié)冷卻參數(shù)，由此實現(xiàn)被測對象熱分布的在線實時檢測。
2.如權利要求1所述的對全固態(tài)激光器熱分布進行實時在線檢測的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一用于維持泵浦源LD溫度或疏散全固態(tài)激光器系統(tǒng)中熱量的冷卻系統(tǒng)，所述的冷卻系統(tǒng)與中央控制單元電連接。
3.如權利要求2所述的對全固態(tài)激光器熱分布進行實時在線檢測的系統(tǒng)，其特征在于，所述的該冷卻系統(tǒng)為液體冷卻系統(tǒng)、氣體冷卻系統(tǒng)或傳導散熱裝置。
4.如權利要求1所述的對全固態(tài)激光器熱分布進行實時在線檢測的系統(tǒng)，其特征在于，所述的溫度傳感器為接觸式溫度傳感器，或者是其它任何一種能實現(xiàn)溫度動態(tài)測試的溫度傳感器；所述的接觸式溫度傳感器包括熱電偶傳感器、數(shù)字溫度傳感器或模擬集成溫度傳感器。
5.如權利要求1所述的對全固態(tài)激光器熱分布進行實時在線檢測的系統(tǒng)，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采集模塊為商用數(shù)據(jù)采集模塊ADAM4013。
6.如權利要求1所述的對全固態(tài)激光器熱分布進行實時在線檢測的系統(tǒng)，其特征在于，所述的接口轉換模塊為商用ADAM4521轉換模塊。
7.如權利要求1所述的對全固態(tài)激光器熱分布進行實時在線檢測的系統(tǒng)，其特征在于，所述的被測對象包括激光介質(zhì)、非線性晶體、用于冷卻激光介質(zhì)的冷卻介質(zhì)、泵浦源LD、用于冷卻泵浦源LD的冷卻介質(zhì)，或是系統(tǒng)中其它任何會產(chǎn)生熱效應的光學元件及散熱器件。
8.如權利要求1所述的對全固態(tài)激光器熱分布進行實時在線檢測的系統(tǒng)，其特征在于，所述的中央控制單元包括數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和參數(shù)控制模塊；其中，
所述的數(shù)據(jù)顯示模塊，提供數(shù)據(jù)輸出和圖形顯示功能；能夠將中央控制單元獲取的溫度數(shù)據(jù)以列表形式輸出到顯示設備，并可將數(shù)據(jù)保存為后綴為txt或excel格式的文件；
所述的數(shù)據(jù)分析模塊，能夠按用戶設定的采樣周期和采樣頻率做出溫度-時間曲線，并將n個被測對象的溫度-時間曲線繪制在同一顯示區(qū)域內(nèi)；曲線結果保存為BMP格式；
所述的參數(shù)控制模塊，提供用戶設置冷卻系統(tǒng)的各項冷卻參數(shù)和所述的采樣指令；所述的冷卻參數(shù)為冷卻液體的溫度、流量、壓力，或是冷卻氣體的流量和壓力。
全文摘要
本發(fā)明涉及全固態(tài)激光器的熱分布在線檢測系統(tǒng)，包括安裝于DPSSL各被測部位的n路溫度傳感器，溫度采集模塊、穩(wěn)壓電源模塊和中央控制單元；其中，溫度傳感器所采集到的信號，經(jīng)溫度采集模塊放大，由其實現(xiàn)n個溫度信號的時間同步后，轉換為中央控制單元可識別的數(shù)據(jù)；所輸出的數(shù)字量數(shù)據(jù)被中央控制單元接收存儲，由其實現(xiàn)n組溫度數(shù)據(jù)與時間的關系分析后，中央控制單元將數(shù)據(jù)儲存、處理后將結果進行顯示，用戶可根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果通過所述的中央控制單元調(diào)節(jié)冷卻參數(shù)，由此實現(xiàn)被測對象熱分布的在線實時檢測。具有測試精度高、反饋時間短、操作界面友好等優(yōu)點。
文檔編號G01K7/02GK101571426SQ20091007892
公開日2009年11月4日 申請日期2009年2月27日 優(yōu)先權日2009年2月27日
發(fā)明者樊仲維, 侯立群, 張正祥, 晶 張, 亮 郝, 芳 郭, 季鴻鳴 申請人:北京國科世紀激光技術有限公司