專利名稱：激光高速探測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種激光探測裝置，尤其涉及一種用于測量發(fā)光面 積大、光斑模式復(fù)雜的激光的實(shí)時(shí)功率的激光高速探測裝置 背景技術(shù)隨著工業(yè)、軍事及民用場合對(duì)脈沖激光的廣泛需求，激光短脈沖的 實(shí)時(shí)測量對(duì)于激光器的評(píng)估以及使用具有了更重要的意義。目前廣泛使用的硅、砷化銦鎵等探測器，由于結(jié)電容的影響，其響應(yīng)速度受到接收窗口面積的限制；窗口面積越大，探測器響應(yīng)速度越慢。 對(duì)于響應(yīng)帶寬為10GHZ的探測器件，其典型的窗口 口徑為40-60微米。 而目前常用的短脈沖激光器(除光纖激光器外)，其口徑一般在毫米到 厘米量級(jí)。如果想直接測量脈沖功率，選用探測器窗口口徑必須小于1 毫米，這樣采樣區(qū)只是脈沖橫場分布的一部分。由于脈沖橫向模場能量 分布不均勻，加之在重復(fù)測量時(shí)探測器采樣位置可能出現(xiàn)偏差，很難保 證測量的準(zhǔn)確性和一致性。現(xiàn)有技術(shù)中，高速大面積探測器使用透鏡進(jìn)行光斑壓縮，雖然可以 使測量重復(fù)性有所提高，但透鏡壓縮的方法無法將復(fù)雜模式激光匯聚于 一個(gè)很小的面積，并且其探測仍然不可避免地受到入射角度的影響。隨 著響應(yīng)速度提高，縮小接收窗口這一方法仍然受到一定的限制。此外， 由于能量過于集中，此方法還容易引起探測器件的損壞。鑒于以上原因，目前對(duì)于大口徑復(fù)雜模式激光功率測量裝置， 一般 只能測量連續(xù)激光或測量短脈沖激光的平均功率，不能反應(yīng)其實(shí)時(shí)特性。 由于光電探測器本身的限制，目前對(duì)于激光短脈沖實(shí)時(shí)功率測量一般使用間接測量的方法，測量結(jié)果不直觀，測量裝置復(fù)雜、成本昂貴、使用也不方便。實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型通過一些實(shí)施例提供了一種激光高速探測裝置，用于大 口徑短脈沖激光器的實(shí)時(shí)功率測量，特別適合于發(fā)光面積大、光斑模式 復(fù)雜的釔鋁石榴石等紅外脈沖激光器測量。本實(shí)用新型通過一些實(shí)施例提供了如下技術(shù)方案 一種激光高速探 測裝置，包括依次連接的用于對(duì)輸入信號(hào)橫場能量分布進(jìn)行勻化的光束 勻化單元、用于對(duì)勻化后的光信號(hào)進(jìn)行采樣的光學(xué)采樣單元、用于對(duì)經(jīng) 過采樣壓縮的光信號(hào)進(jìn)行光電接收轉(zhuǎn)化的光電探測器及放大電路、用于 對(duì)經(jīng)過光電接收轉(zhuǎn)化的光信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)功率轉(zhuǎn)化信號(hào)處理解調(diào)單元。所 述光束勻化單元以積分球?yàn)橹髂K，于所述積分球下方設(shè)一底座。所述 光電探測器為探測口徑50-IOO納米的高速探測器，其封裝形式與光學(xué)采 樣單元的封裝形式相匹配。所述光學(xué)采樣單元還包括一光斑壓縮單元。由上述技術(shù)方案可知，本實(shí)用新型提供的一種激光高速探測裝置具 有以下有益效果1、 本實(shí)用新型提供的激光高速探測裝置采用光束勻化單元克服了激 光橫場模式不均勻給測量帶來的不準(zhǔn)確性；使用接收面較小的高速探測 器進(jìn)行光信號(hào)測量，大大提高了測量的響應(yīng)帶寬；通過兩者的結(jié)合解決 了激光短脈沖測量時(shí)探測器接收面積和響應(yīng)時(shí)間的矛盾。2、 本實(shí)用新型提供的激光高速探測裝置通過信號(hào)處理解調(diào)單元將測 量結(jié)果還原成輸入信號(hào)功率的高速實(shí)時(shí)變化。3、 本實(shí)用新型提供的激光高速探測裝置結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便。4 、本實(shí)用新型提供的激光高速探測裝置可使用的材料和元器件成 熟，成本相對(duì)較低，具有良好的性價(jià)比，有利于推廣應(yīng)用。下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì) 描述。

圖1為本實(shí)用新型的的實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)圖； 圖2為本實(shí)用新型的的實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)圖； 圖3為本實(shí)用新型的輸入信號(hào)波形圖；圖4為基于圖3的輸入信號(hào)的本實(shí)用新型的探測器輸出信號(hào)波形圖； 圖5為本實(shí)用新型的的實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)圖； 圖6為本實(shí)用新型的的實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)圖； 附圖標(biāo)記說明1 光束勻化單元 12積分球2 光斑壓縮單元 31接收面5 待測激光光源11采樣孔 13底座3 光電探測器及放大電路 4信號(hào)處理解調(diào)單元具體實(shí)施方式
實(shí)施例1如圖1所示，本實(shí)施例的激光高速探測裝置包括待測激光光源5、 光束勻化單元1、光斑壓縮單元2、光電探測器及放大電路3和信號(hào)處理 解調(diào)單元4。所述光束勻化單元1以積分球12為主模塊，于所述積分球 下方設(shè)有一底座13。所述積分球12上有一個(gè)位于激光光路所在直線上 的小孔作為采樣孔ll;所述采樣孔11構(gòu)成光學(xué)采樣單元。所述光束勻 化單元1對(duì)輸入信號(hào)橫場能量分布進(jìn)行勻化；光學(xué)采樣單元采樣經(jīng)過光束勻化單元1勻化后的光信號(hào)，再通過光斑壓縮單元2進(jìn)行壓縮，送入 光電探測器及放大電路3;光電探測器及放大電路3進(jìn)行光電接收轉(zhuǎn)化； 信號(hào)處理解調(diào)單元4對(duì)從測量探測器輸出結(jié)果中恢復(fù)的輸入信號(hào)進(jìn)行實(shí) 時(shí)功率轉(zhuǎn)化。本實(shí)施例采用光束勻化單元克服了激光橫場模式不均勻給測量帶來 的不準(zhǔn)確性；通過積分球模式勻化和光學(xué)采樣，提高了測量的準(zhǔn)確性。 實(shí)施例2圖2為本實(shí)用新型的實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)圖。本實(shí)施例中，待測激光光 源5發(fā)出脈沖信號(hào)，輸入積分球12;在所述積分球12上有一個(gè)位于激 光光路所在的直線上的小孔作為采樣孔11,光信號(hào)在積分球12中經(jīng)過 多次無規(guī)則反射后，經(jīng)采樣孔ll輸出，采樣輸出的大小只與輸入脈沖能 量有關(guān)，與其相對(duì)于輸入孔中心的微小位移和角度變差無關(guān)；信號(hào)由采 樣孔11輸出后匯聚于光電探測器及放大電路3的接收面31上，由于采 樣孔11和光電探測器及放大電路3相對(duì)位置固定，因此探測器輸出大小 只與輸入脈沖能量有關(guān)；將光電探測器及放大電路3的輸出結(jié)果送入信 號(hào)處理解調(diào)單元4進(jìn)行解調(diào)，其解調(diào)原理為假設(shè)輸入激光信號(hào)脈沖形狀如圖3,表示為/(0， ^代表時(shí)間；經(jīng)過 積分球后輸出信號(hào)由/她(f)表示。C + Cr ,式中/,。,。,(f)表示f 時(shí)刻中積分球中的總能量，r表示積分球12的釆樣輸出系數(shù)r《1,= K,)x^^。根據(jù)以上模型，當(dāng)假設(shè)7" = 1/1000時(shí)，積分球12輸出如圖4。通過相反的思路即可根據(jù)光電探測器及放大電路3的輸出結(jié) 果對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為根據(jù)上述公式進(jìn)行計(jì)算，即可得到實(shí)時(shí)的測量結(jié)果。本實(shí)施例通過信號(hào)處理解調(diào)單元將測量結(jié)果還原成輸入信號(hào)功率的 高速實(shí)時(shí)變化，實(shí)現(xiàn)了激光功率的實(shí)時(shí)測量。 實(shí)施例3圖5為本實(shí)用新型的實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)圖。在本實(shí)施例中，積分球12直徑采用IO厘米，其采樣孔11直徑為5 毫米；使用透鏡作為光斑壓縮單元2;使用T0金屬封裝砷化銦鎵光電探 測器及放大電路3，接收面直徑100毫微米。待測激光光源5發(fā)出的脈 沖信號(hào)輸入積分球12;在積分球12中經(jīng)過多次無規(guī)則反射經(jīng)采樣孔11 輸出；信號(hào)由采樣孔11輸出后經(jīng)光斑壓縮單元2中的透鏡壓縮后匯聚于 砷化銦鎵光電探測器的接收面31上；信號(hào)處理解調(diào)單元4將光電探測器 及放大電路3的輸出結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)解調(diào)。本實(shí)施例通過透鏡進(jìn)行光斑壓縮，使激光光束更集中，提高了探測 靈敏度；由于砷化銦鎵光電探測器的接收面很小，大大提高了測量的響 應(yīng)帶寬；通過積分球和接受面很小的砷化銦鎵光電探測器的結(jié)合，解決 了激光短脈沖測量時(shí)探測器接收面積和響應(yīng)時(shí)間的矛盾。實(shí)施例4圖6為本實(shí)用新型的實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)圖。由于目前超高速光電探測 器件主要應(yīng)用于光纖通信領(lǐng)域，采用倒裝芯片(Flip-Chip，以下簡稱FC) 封裝比較普遍，使用帶FC接口的空間光纖準(zhǔn)直器可與其直接配合，使系 統(tǒng)的組成更為方便。本實(shí)施例中，光電探測器使用ETX100FC探測器；光 斑壓縮單元2使用帶FC接口的空間光纖準(zhǔn)直器，光纖準(zhǔn)直器能有效地抑 制激光束的方向漂移和平行漂移，并且光纖準(zhǔn)直器已經(jīng)是非常成熟的產(chǎn) 品，無需進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。本實(shí)施例采用空間光纖準(zhǔn)直器，提高了探測靈敏度；結(jié)構(gòu)緊湊，使 用方便；材料和元器件成熟，成本相對(duì)較低，具有良好的性價(jià)比，有利于推廣應(yīng)用。上述技術(shù)方案中，信號(hào)處理解調(diào)單元4可以為模擬電路、邏輯器件、 單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理芯片或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。最后所應(yīng)說明的是以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案， 而非對(duì)其進(jìn)行限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明， 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解可以對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修 改，或者對(duì)其技術(shù)特征進(jìn)行等同替換，而不脫離上述實(shí)施例的技術(shù)方案 的精神和范圍。
權(quán)利要求1. 一種激光高速探測裝置，其特征在于，包括依次連接的用于對(duì)輸入信號(hào)橫場能量分布進(jìn)行勻化的光束勻化單元、用于對(duì)勻化后的光信號(hào)進(jìn)行采樣的光學(xué)采樣單元、用于對(duì)經(jīng)過采樣的光信號(hào)進(jìn)行光電接收轉(zhuǎn)化的光電探測器及放大電路、用于對(duì)經(jīng)過光電接收轉(zhuǎn)化的光信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)功率轉(zhuǎn)化信號(hào)處理解調(diào)單元。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測裝置，其特征在于，所述光束勻化單 元以積分球?yàn)橹髂K，于所述積分球下方設(shè)一底座。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測裝置，其特征在于，所述光電探測器 為探測口徑50-100納米的高速探測器，其封裝形式與光學(xué)采樣單元的封 裝形式相匹配。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測裝置，其特征在于，所述光學(xué)采樣單 元為積分球上的小孔，該小孔位于激光光路所在的直線上。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測裝置，其特征在于，所述光學(xué)采樣單 元還包括一 光斑壓縮單元。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的探測裝置，其特征在于，所述光斑壓縮單 元為一自由空間光纖耦合裝置。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的探測裝置，其特征在于，所述光斑壓縮單 元為一中心和焦點(diǎn)與激光光路在同一直線上的聚焦透鏡。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種激光高速探測裝置，包括用于對(duì)輸入信號(hào)橫場能量分布進(jìn)行勻化的光束勻化單元；用于采樣經(jīng)過光束勻化單元?jiǎng)蚧蟮墓庑盘?hào)的光學(xué)采樣壓縮單元；用于對(duì)經(jīng)過采樣壓縮的光信號(hào)進(jìn)行光電接收轉(zhuǎn)化的光電探測器及放大電路；用于對(duì)經(jīng)過光電接收轉(zhuǎn)化的光信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)功率轉(zhuǎn)化的信號(hào)處理解調(diào)單元。本實(shí)用新型可以用于大口徑短脈沖激光器的實(shí)時(shí)功率測量，特別適合于發(fā)光面積大、光斑模式復(fù)雜的釔鋁石榴石等紅外脈沖激光器測量。
文檔編號(hào)H01S5/0683GK201096517SQ20072016961
公開日2008年8月6日 申請日期2007年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月9日
發(fā)明者峰 劉, 陸耀東 申請人:北京光電技術(shù)研究所