基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量方法和裝置，包括晶體諧振器、起振電路和頻率測量單元，起振電路的輸入端與晶體諧振器的電極相連，起振電路的輸出端與頻率測量單元電連接，待測量光束入射在晶體諧振器的工作面；本發(fā)明的測量方法和裝置在應用中將入射激光高反射，降低了對測量系統(tǒng)承受激光輻照能力的要求，可用于長時間出光條件下高能激光參數(shù)測量，在實施中將激光的功率轉換為頻率測量，利用現(xiàn)代頻率測量技術具有的測量精度和分辨率高等特點，使其可滿足不同功率條件下激光參數(shù)的測量，適用性強、動態(tài)范圍大同時具有結構緊湊、工程化簡單等特點。
【專利說明】基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量方法和裝置

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光功率參數(shù)的測量方法和裝置，尤其涉及一種基于晶體諧振器的 高能激光功率參數(shù)測量方法和裝置。

【背景技術】
[0002] 高能激光器是指平均功率大于萬瓦，持續(xù)時間達到數(shù)秒以上，輸出能量在數(shù)萬焦 耳以上的激光器，具有重要的工業(yè)和軍事應用前景。目前高能激光功率的測量方法主要是 光電探測法，將激光入射在積分球、光衰減片等衰減單元進行大倍數(shù)光強衰減后入射至光 電探測器表面，通過測量輸出信號及衰減系數(shù)值，得到激光的功率值。這種方法存在的問題 是，對于高能和高功率激光需要進行大倍數(shù)光強衰減，因此需要對衰減器的衰減系數(shù)進行 精確標定，導致產生了較大的測量不確定度。
[0003] 2011年8月公開的基于光壓原理測量高能激光能量參數(shù)的方法和裝置（申請?zhí)枮?201110233271. 8)，公開了一種利用光壓測量激光功率的方法，將激光入射至被變形桿固定 的反射鏡上，通過反射鏡在光壓下的多個測量點位移，計算得到激光的功率和能量參數(shù)。該 方法在是在應用中存在光壓引起的位移信號弱，故對位移傳感器的精度和分辨率提出了較 高的要求，限制了該方法的應用。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明克服了光電法激光參數(shù)測量中需要對激光功率進行大倍數(shù)衰減，以及光壓 法激光參數(shù)測量中對位移傳感器高精度的要求，提供一種基于晶體諧振器的光功率參數(shù)的 測量方法和裝置。
[0005] 本發(fā)明的解決技術方案為：
[0006] -種基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量方法，包括以下步驟：
[0007] [1]晶體諧振器起振，測量諧振頻率本底值f0 ;
[0008] [2]將功率為pi的穩(wěn)定輸出的標定光束入射至晶體諧振器工作面，測量得到諧振 頻率的峰值fl ;
[0009] [3]待測量光束入射至晶體諧振器的工作面，測量得到諧振頻率值的峰值f ;
[0010] [4]待測量光束的光功率為： ' _1] p=pl(f-f〇V(fl-f〇)，其中p為待測量光束的光功率。
[00^2] 一一種基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量裝置，包括晶體諧振器、起振電路和頻率 測量單元，起振電路的輸入端與晶體諧振器的電極相連，起振電路的輸出端與頻率測量單 元電連接，待測量光束入射在晶體諧振器的工作面。
[0013]上述基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量裝置中，晶體諧振器的工作面鍍有對待測 量光束高反射的介質高反射膜。 ' _4] ±述基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量裝置中，介質飯麵的反射率大于99%。 _5]上述基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量裝置中，晶體諧振器為石英晶振。
[0016]上述基于體諧振器的光功率參數(shù)測量裝置中，石英晶振的諧振頻率為1? 20MHz〇
[0017]上述基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量裝置中，石英晶振工作面的尺度為5? 50mm〇
[0018]上述基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量裝置中，石英晶振為AT切型。
[0019]上述基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量裝置中，晶體諧振器的電極為錨型電極， 所述電極與起振電路的連接點設置在工作面的背面。
[0020]上述基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量裝置中，光束為功率大于l〇mW的激光束。
[0021] 本發(fā)明具有的有益效果如下：
[0022] _ u本發(fā)明的測量方法和裝置在應用中將入射激光高反射，降低了對測量系統(tǒng)承受 激光輻照能力的要求，可用于長時間出光條件下高能激光參數(shù)測量；
[0023] 2、本發(fā)明的測量方法和裝置可實現(xiàn)對激光光束在線監(jiān)測同時，對原光束擾動較 小，后續(xù)光束可繼續(xù)用于其他激光參數(shù)測量及效應實驗，提高了實驗效費比；
[0024] 3、本發(fā)明的測量方法和裝置將激光的功率轉換為頻率測量，利用現(xiàn)代頻率測量技 術具有的測量精度和分辨率高等特點，使其可滿足不同功率條件下激光參數(shù)的測量，適用 性強、動態(tài)范圍大同時具有結構緊湊、工程化簡單等特點；
[0025] 4、本發(fā)明在傳統(tǒng)晶體諧振器的工作面鍍有對測量光束高反射的介質高反射膜，進 一步提筒了系統(tǒng)的提聞了承受激光福照能力；
[0026] 5、除了測量光功率外，本發(fā)明測量系統(tǒng)還可以測量得到出光時間，從而計算得到 光束的能量值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量裝置示意圖；
[0028]圖2為石英晶體諧振器背面的錨型電極布局示意圖；
[0029]圖3為不同功率激光加載下晶體諧振器的頻率變化幅值(鍍膜晶振）；
[0030]圖4為根據(jù)圖3結果得到的激光功率與晶振頻率對應關系(鍍膜晶振）；
[0031] 圖5為激光加載時長與晶振頻率脈沖波形的對應關系(鍍膜晶振）；
[0032] 圖6為激光加載下得到的晶振頻率變化波形(未鍍膜晶振)。
[0033]其中1-光源；2-光束；3-晶體諧振器；4-起振電路；5-頻率測量單元；21-工作 面；22-石英晶體薄片；23-工作面的電極連接點；24-背面的電極連接點；25-背面電極的 圓形中心區(qū)域。

【具體實施方式】
[0034] 下面以常見的石英晶體諧振器為例，介紹本發(fā)明的測量原理。
[0035]石英晶體諧振器簡稱晶振，由石英晶片和在晶片正面、背面鍍制的電極組成，電極 采用金、銀、銅等材料，通常情況下其直徑厚度比大于40,這樣可以大大抑制了非基態(tài)模式 的顆合，提尚系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，例如常見晶振的直徑25. 4mm，厚度僅僅為0. 3mm。
[0036]當對晶片施加壓縮力或拉伸力，由于壓電效應，晶體發(fā)生形變極化而在電極上產 生等量的正、負電荷；如果將晶體接入穩(wěn)定的自激振蕩電路中，使其構成選頻元件，電路的 振蕩頻率等于晶體的諧振頻率，通過測量諧振頻率的變化，則可以反映出晶體上所施加外 力的幅值。
[0037]石英晶體按照晶體結構包括X軸、Y軸和Z軸，其中X軸受力時，壓電效應最明顯， 故X軸稱電軸；當X軸向受外電場作用時，γ軸向的變形即其逆壓電效應最為明顯，故γ軸 稱為機械軸；Z軸則為光軸。石英晶體諧振器的工作方式主要有厚度方向剪切振動、彎曲剪 切振動和沿長度方向縱向振動等，并將所測量的物理參量轉換為晶體的頻率，廣泛地用在 應力、應變、加速度、微質量等參數(shù)測量中。
[0038] 在石英晶體逆壓電效應測量物理參量中，晶體的切型和溫度對振蕩器的諧振頻率 有較大的影響，故在應用中需要選擇合適的切型，將石英晶體切割成所需要的具有確定方 位的晶片，常見的石英切型有AT切、BT切、FC切和SC切。目前應用較廣的微質量天平QCM (Quartz crystal microbalance)就是基于厚度剪切振動模式，常采用AT切型，使其在較寬 的溫度范圍內、振蕩頻率隨溫度的偏移最小。理論計算表明AT切型的石英晶振在室溫范圍 內，環(huán)境溫度每變化1°C，晶體的諧振頻率變化為基頻的〇. 41X 10_9倍，基本可忽略。
[0039] 在大功率光束加載至晶振表面時，盡管晶體表面的電極將大部分光束反射，但是 仍然有少量光被吸收轉化為熱，由于晶片很薄，熱容很小，即在晶片的內部產生瞬態(tài)熱效 應，引起晶體的密度、介電常數(shù)、彈性系數(shù)等參數(shù)的變化，導致晶體內部應力場的動態(tài)變化， 故類似于在晶體上施加了外力，從而引起晶體諧振頻率的變化。而且通過我們的實驗，發(fā)現(xiàn) 這種頻率變化與加載的光功率和時間保持良好的線性關系，故通過測量晶振諧振頻率的變 化，可以實現(xiàn)光功率參數(shù)的測量和表征。
[0040] 本發(fā)明提出了一種基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量方法，包括以下步驟：
[0041] [1]晶體諧振器起振，測量諧振頻率本底值f0。
[0042] [2]將穩(wěn)定輸出功率為pi的標定光束入射至晶體諧振器工作面，測量得到諧振頻 率的峰值fl。
[0043] [3]待測量光束入射至晶體諧振器的工作面，測量得到諧振頻率峰值f。
[0044] [4]根據(jù)公式計算待測量光束的光功率p=pl (f-fO) / (f W0)。
[0045] 這樣利用光功率和晶振諧振頻率的變化的線性關系，即可通過標定好的測量系 統(tǒng)，測量得到未知參數(shù)的光束功率值。
[0046] 如圖1所示，本發(fā)明的基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量裝置包括晶體諧振器3、 起振電路4和頻率測量單元5,起振電路4的輸入端與晶體諧振器3的電極相連，起振電路 4的輸出端與頻率測量單元5電連接，待測量光束2入射在晶體諧振器3的工作面21，通過 測量晶體諧振器3在光束加載前后頻率的變化，計算得到光功率的值。被測量的光束優(yōu)選 功率大于10mW的激光束。其中優(yōu)選晶體諧振器3為AT切型的石英晶振，諧振頻率為1? 20MHz〇
[0047] 石英晶振通常由圓形的石英晶體薄片22和電極構成，電極布置在石英晶體薄片 22的兩個面，并通過與電極相聯(lián)的起振電路4實現(xiàn)晶體的諧振。本發(fā)明石英晶振中承受激 光輻照的工作面21的尺寸為Φ5?50mm，整個工作面上全部鍍有金屬電極，工作面的背面 布置有錨型電極，如圖2所示。圖中圓形中心區(qū)域25為諧振工作區(qū)，與工作面21的電極一 起產生諧振。起振電路的連接點23、24均設置在晶振的背面，其中工作面21的電極通過晶 片的側面也引入至背面的電極連接點23,并與起振電路4連接，這樣當激光束加載在工作 面21時，電路連線不影響測量。
[0048]為了進一步提高可測量功率的范圍，晶體諧振器的工作面21鍍有對待測量光束 高反射的介質高反射膜，介質高反射膜的反射率一般大于99%。
[0049]下面給出本發(fā)明裝置用于激光功率參數(shù)測量的實驗結果，將己知功率的波長為 1064nm的大功率激光入射至如圖1所示的測量裝置，記錄晶振的頻率變化值，并與功率值 進行比較分析。
[0050] 其中日日振為AT切型石央晶體，諧振頻率為5MHz，晶振直徑25. 4mm，厚度為0. 3mm, 晶片的正面上鍍有對l〇64nm反射率為99. 5%的介質高反射膜。
[0051] 圖3給出了相同出光時長下，不同功率激光加載下晶振的頻率的幅值，圖4對圖3 的結果進行處理，得到不同激光功率所對應的晶振頻率變化峰值，可以看出，激光功率和晶 振頻率變化保持良好的線性關系，說明通過測量頻率變化可以間接得到激光的功率值；圖 5給出了相同功率條件下，激光加載時長與晶振頻率脈沖波形的對應關系，可以看出之間所 對應的時刻與激光加載時長對應一致，說明通過測量頻率變化峰值和對應的上升沿起點和 下降沿起點，還可以計算得到激光的能量值。
[0052]為了進一步驗證實驗結果，采用常規(guī)沒有鍍反射膜的晶片開展了測量實驗，激光 直接加載在晶片的金電極上，得到了如圖6所示的結果，說明對于常規(guī)的晶片，也可以產生 晶振頻率的變化，進一步的實驗表明，對于10mW級的光功率，也會產生可分辨的頻率變化。 [0053]由于現(xiàn)代的頻率測量具有技術成熟、測量分辨率和精度高等特點，本發(fā)明的測量 裝置可滿足不同功率條件下激光參數(shù)的測量，動態(tài)范圍寬、適用性強，同時具有結構緊湊、 工程化簡單等特點，為光束參數(shù)測量提供了一種新的技術手段。本發(fā)明并不局限于石英晶 體諧振器，對于其他材料制成的諧振器也同樣適用，同樣在本發(fā)明的保護范圍內。
【權利要求】
1. 一種基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量方法，其特征在于，包括以下步驟： [1] 晶體諧振器起振，測量諧振頻率本底值《); [2] 將功率為pi的穩(wěn)定輸出的標定光束入射至晶體諧振器工作面，測量得到諧振頻率 的峰值Π ; [3] 待測量光束入射至晶體諧振器的工作面，測量得到諧振頻率值的峰值f ; [4] 待測量光束的光功率為： p=pl (f-fO) / (fl-f〇)，其中p為待測量光束的光功率。
2· -種基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量裝置，其特征在于：包括晶體諧振器（3)、起 振電路（4)和頻率測量單元（5)，所述的起振電路（4)的輸入端與晶體諧振器（5)的電極相 連，所述的起振電路（4)的輸出端與頻率測量單元（5)電連接，所述待測量光束（2)入射在 晶體諧振器（3)的工作面（21)。
3·根據(jù)權利要求2所述的基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量裝置，其特征在于：所述 晶體諧振器（3)的工作面（21)鍍有對待測量光束高反射的介質高反射膜7 '
4.根據(jù)權利要求3所述的基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量裝置，其特征在于：所述 的介質高反射膜的反射率大于99%。
5·根據(jù)權利要求2所述的基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量裝置，其特征在于：所述 的晶體諧振器（3)為石英晶振。 '、 '
6·根據(jù)權利要求5所述的基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量裝置，其特征在于：所述 的石英晶振的諧振頻率為1?20MHz。
7·根據(jù)權利要求5或6所述的基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量裝置，其特征在于： 所述的石英晶振工作面的尺度為5?50mm。 ' ' ^ ' '
8·根據(jù)權利要求5或6所述的基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量裝置，|特征在于： 所述的石英晶振為AT切型。 夕 '
9·根據(jù)權利要求2所述的基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量裝置，其特征在于·所述 晶體諧振器（3)的電極為錨型電極，所述電極與起振電路的連接點（23、24)'設置在工作面 的背面。 1〇_根據(jù)權利要求2所述的基于晶體諧振器的光功率參數(shù)測量裝置，其特征在于：所述 的光束為功率大于10mW的激光束。 八 '
【文檔編號】G01J1/42GK104215326SQ201310217262
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2013年6月3日 優(yōu)先權日:2013年6月3日
【發(fā)明者】陳紹武, 丁彬, 劉福華, 斯陽, 楊鵬翎, 黃偉, 吳勇, 王平, 馮剛, 陶蒙蒙 申請人:西北核技術研究所, 東華大學