专利名称：脉冲激光能量测量装置和脉冲激光能量测量方法
技术领域：
本发明涉及激光能量测量技术，特别涉及一种脉冲激光能量测量装置和脉冲激光能量测量方法。
背景技术：
脉冲激光包括一系列离散的激光能量脉冲，对于KHz重复频率、纳秒级的脉冲激光很难直接测出单个脉冲的激光能量。现有的脉冲激光能量测量装置，采用测量装置分别测量激光输出平均功率和脉冲频率，然后通过公式E = P平均XT(其中，E为脉冲能量、P平均为平均功率、T为脉冲周期)计算得出单脉冲能量测量装置和测量方法。现有的测量装置需要多台测试仪器组成测量装置，测量装置繁杂，误差因素多，在测量高重复频率、窄脉冲的脉冲激光时，难以保证测 量精度。另外也有采用运算放大器组成的积分电路进行积分来测量脉冲激光能量的方法，这种方法对运算放大器要求高，电路峰值保持和清零状态之间切换时难以平衡静态工作点，导致测量误差大，也很难精确测量出高重复频率、窄脉冲激光的单脉冲激光能量。
发明内容
本发明提供了一种脉冲激光能量测量装置和脉冲激光能量测量方法，以提高测量单脉冲激光能量的精度。本发明提供的脉冲激光能量测量装置，包括光探测器，用于将脉冲激光信号转换成电流信号；积分电容，与所述光探测器串联，用于积累光探测器输出的电流信号中的电荷并输出脉冲电压信号；峰值保持电阻，与所述积分电容并联，用于将所述脉冲电压信号的峰值保持设定时间；运算放大器，所述运算放大器的第一输入端与所述积分电容的输出端相连，用于根据所述脉冲电压信号的峰值保持时间和设定的放大倍数输出相应宽度和幅值的脉冲电压信号；平衡电阻，与所述运算放大器的第二输入端相连，用于使所述运算放大器的第一端输入端的电压和第二输入端的电压保持静态平衡。本发明还提供了一种脉冲激光能量测量方法，包括步骤I、采用光探测器将脉冲激光信号转换成电流信号步骤2、采用积分电容积累输出的脉冲激光的电流信号中的电荷，并输出脉冲电压信号，且通过峰值保持电阻将所述脉冲电压信号的峰值保持设定时间；步骤3、运算放大器根据所述脉冲电压信号的峰值保持时间和设定的放大倍数输出相应宽度和幅值的脉冲电压信号。
本发明提供的脉冲激光能量测量装置和脉冲激光能量测量方法通过积分电容对脉冲激光电流信号中的电荷进行积累实现对电流的直接积分，实现脉冲激光信号向宽脉冲电压信号的转换，该积分过程不需要设置复杂的电路，设计巧妙，转换环节少，因此可靠性高，使采集到的脉冲电压峰值更加精确，通过换算后即可得到更加精确的单脉冲激光能量。
图I为本发明实施例所提供的脉冲激光能量测量装置部分电路原理图；图2为本发明另一实施例所提供的脉冲激光能量测量装置部分电路原理图；图3为本发明又一实施例所提供的脉冲激光能量测量装置的方框图；
图4为本发明实施例所提供的脉冲激光能量测量方法的流程图。附图标记G-光探测器；Cl-光探测器中电容； C2-积分电容；Rl-峰值保持电阻； R2-平衡电阻；A-运算放大器；R3-第一电阻；R4-第二电阻；Ql-第一开关；Q2-第二开关；11-模数转换模块；12-运算控制模块；13-显示模块。
具体实施例方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明实施例提供了一种脉冲激光能量测量装置，用于将脉冲激光信号转换成脉冲电压信号，以利用该脉冲电压信号得到脉冲激光能量。图I为本发明实施例所提供的脉冲激光能量测量装置的部分电路原理图，如图I所示，该脉冲激光能量测量装置包括光探测器G、积分电容C2、峰值保持电阻R1、运算放大器A和平衡电阻R2。通过光探测器将脉冲激光信号转换成电流信号，光电探测器用于接收被测激光光源发出的脉冲激光信号，并转换成电流信号。积分电容与光探测器串联，以将光探测器输出的脉冲激光的电流信号进行积分并输出脉冲电压信号。对于积分电容的电容值的大小根据峰值保持时间和将积分电容放电所需的时间综合考量进行选择，由于峰值保持时间越长所需的电容值越大，而电容值越大放电时间越长，因此应综合上述的两个因素进行选择，即保证使峰值平顶下掉在允许范围之内，并使积分电容的放电时间在合理范围之内，不影响下一脉冲的采集。峰值保持电阻Rl与积分电容C2并联，用于将脉冲电压信号的峰值保持设定时间。由于脉冲电压的脉冲宽度通常很窄，因此，脉冲电压的峰值很难采集，需要通过峰值保持电阻将脉冲电压的峰值保持设定时间，使脉冲电压的脉冲宽度展宽到一定宽度，以输出脉冲宽度较宽的电压信号，此后可通过采集装置采集脉冲电压的峰值，因此该设定时间为自输出该脉冲电压信号至完成脉冲电压峰值采集的间隔时间，与采集装置的处理速度相关，通常为几个毫秒。可通过反复试验及计算设置合适的峰值保持电阻阻值的大小以将脉冲电压的峰值保持设定时间，使脉冲电压的脉冲宽度展宽到一定宽度。运算放大器A的第一输入端I与积分电容C2的输出端相连,用于根据脉冲电压信号的峰值保持时间和设定的放大倍数输出相应宽度和幅值的脉冲电压信号。可通过运算放大器A的输出端3输出脉冲电压信号。经过峰值保持电阻将脉冲电压信号的峰值保持一定时间后，运算放大器根据峰值保持的时间输出相应宽度的脉冲电压信号，峰值保持时间越长，脉冲电压信号的脉冲宽度越宽。并且设置合适的放大倍数，以对脉冲电压信号的幅值进行放大，便于后续对电压峰值进行米集。可根据需要选择合适型号的运算放大器，并设定放大倍数，该设定的放大倍数可 以是十倍、一百倍等，通常为整数倍，该放大倍数的设定是经过反复试验得到的，与脉冲激光的强度相关，通常脉冲激光的强度越大，脉冲电压信号的峰值越大，此时可设定较小的放大倍数，不限于本实施的限定，可根据实际需要进行设定。该运算放大器优选的是采用仪用放大器，仪用放大器具有高输入阻抗，由于仪用放大器与峰值保持电阻相连后构成与峰值保持电阻的并联电阻，因此为防止积分电容上电荷的泄放，采用高输入阻抗的仪用放大器，同时，由于仪用放大器具有高输入阻抗，可实现输入侧与输出侧电路的隔尚，避免输入侧与输出侧电路互相干扰。平衡电阻R2与运算放大器A的第二输入端2相连，用于使运算放大器A的第一输入端I的电压和第二输入端2的电压保持静态平衡，也就是保证在运算放大电路没有输入的情况下，静态输出电压保持在零点。可采用如图I所示的方式，将峰值保持电阻Rl与积分电容C2并联后接地，平衡电阻R2的一端与运算放大器的第二输入端2相连，另一端接地，因此，运算放大器A的第一输入端I的电压即为峰值保持电阻Rl相对于地的电压，运算放大器A的第二输入端2的电压即为平衡电阻R2相对于地的电压，可将平衡电阻R2的阻值设置成与峰值保持电阻Rl的电阻值接近的电阻值，即可使运算放大器两输入端的电压保持静态平衡。也可设置一电压参考点，将峰值保持电阻的一端和平衡电阻的一端分别与该电压参考点相连，并使峰值保持电阻的阻值与平衡电阻的阻值接近，也可使运算放大器第一输入端电压和第二输入端电压保持静态平衡，并不限于本实施例图示提供的连接方式。下面介绍该脉冲激光能量测量装置的工作过程。光电探测器位于最前端用于接收被测激光光源发出的脉冲激光信号，并转换成电流信号，输出的电流信号传送于积分电容，由于该电流信号中包含大量电荷，通过积分电容将该电荷进行积累，也就是对电流进行积分，将电荷积累后输出脉冲电压信号，通过峰值保持电阻对积分电容输出的脉冲电压信号中的峰值保持设定时间，使脉冲电压的峰值展宽到一定宽度，进而通过运算放大器输出宽脉冲的脉冲电压信号。输出该脉冲电压信号后可通过采集装置采集该脉冲电压的峰值，进而通过换算得到脉冲激光能量值。脉冲激光能量值与脉冲电压峰值成正比关系，其推导的过程如下
激光照射到光探测器上产生脉冲激光信号，通过光电探测器将脉冲激光信号转换为电流信号。电流与激光功率的关系为I = K1*P，其中P为激光功率，Kl为将脉冲激光信号转换为电流信号的转换系数，也就是光探测中光电管的转换系数，I为电流。对电流的积分为/ Idt = Kl · / Pdt,又由于电荷为Q :Q = / Idt,激光能量为E :E = / Pdt,由此，得出Q = Kl. E。由于积分电容与光电探测器串联，积分电容与光探测器中的电容构成串联关系，
厂10厂90O因此总电容为C C = 二二 ,总电压为U =吴。
C10 + C20C积分电容上电压U2为奶=^^·"7=盖’通过以上公式可得出:172 = ·^·ΚΙ·Ε ,其中，ClO为光电探测器中电容的电容值，C20为积分电容的电容值，Ul为光电探测器中的电容上的电压，U2为积分电容上的电压。运算放大器的放大倍数为Κ2，所以最后输出电压Utl为U0 =Ul = Κ\· Κ2· E ,
0C20
Tj 厂 20脉冲激光的能量为EA = -3——。
KI. Κ2对于脉冲激光而言，由于脉冲信号的脉宽很窄，通常为微秒级甚至纳秒级，因此脉冲的峰值电压可以视为输出电压Utl，而脉冲能量值与脉冲电压峰值成正比。综上所述，只要得到输出脉冲电压的峰值经过简单换算即可得到脉冲激光能量值Ε，由于该脉冲电压峰值为单脉冲激光的电压峰值，得到的该能量值即为单脉冲激光能量。由上述技术方案可知，本发明提供的脉冲激光能量测量装置，通过积分电容对脉冲激光电流信号中的电荷进行积累实现对电流的直接积分，实现脉冲激光信号向宽脉冲电压信号的转换，该积分过程不需要设置复杂的电路，设计巧妙，转换环节少，因此可靠性高，使采集到的脉冲电压峰值更加精确，通过换算后即可得到更加精确的单脉冲激光能量。并且该测量装置所采用的光电传感器不受响应速度的限制，特别适用于将纳秒级窄脉冲、kHz高重复频率脉冲激光的脉冲信号转换成宽脉冲电压信号，并进而获得单脉冲激光能量。在上述实施例的基础上，进一步的，该脉冲激光能量测量装置，还包括第一清零控制模块和第二清零控制模块。第一清零控制模块与积分电容并联，用于在接收到清零控制信号的状态下对积分电容进行放电以清除积分电容中的全部电荷。第二清零控制模块与平衡电阻并联，用于在接收到清零控制信号的状态下接地。通过积分电容对一个脉冲电流中的电荷进行积累后积分电容中积累了大量电荷，为积累下一个脉冲激光信号的电荷，需将积分电容进行放电，以将积分电容中的电荷全部清除，此时可通过第一清零控制模块实现，将清零控制模块设置成清零状态，使积分电容的电荷全部泄放，以进入下一个脉冲激光测量的准备状态。当第一清零控制模块接收到清零控制信号后对积分电容进行放电，放电完成后，峰值保持电阻两端的电压为零，此时运算放大器的第一输入端电压为零，为使运算放大器第二输入端的电压与第一输入端电压保持平衡，设置第二清零模块当接收到清零控制信号后接地，运算放大器第二输入端的电压也为零，使运算放大器两输入端的电压保持静态平衡。在上述技术方案的基础上，下面将通过优选方案对本发明实施例提供的技术方案进行详细介绍。图2为本发明另一实施例所提供的脉冲激光能量测量装置部分电路原理图，如图2所示，该测量装置中积分电容C2与光探测器中电容Cl串联，运算放大器至少包括第一输 入端I、第二输入端2和输出端3。峰值保持电阻Rl与积分电容C2并联后其中一端与运算放大器A的第一输入端I相连，另一端接地；平衡电阻R2的一端与运算放大器A的第二输入端2相连，另一端接地；通过运算放大器A的输出端3输出脉冲电压信号。第一清零控制模块包括第一电阻R3和第一开关Ql,第一电阻R3和第一开关Ql串联接地；第二清零控制模块包括第二电阻和第二开关Q2，第二电阻R4和第二开关串联接地。平衡电阻R2与峰值保持电阻Rl的阻值相等，第一电阻R3和第二电阻R4的阻值相等，且第一开关和第二开关均为电子开关。第一电子开关和第二电子开关根据接收到的清零控制信号同时动作，该两个电子开光接收到清零控制信号后同时动作，实现快速关断，接收到清零控制信号后第一电子开关和第二电子开关同时闭合，导通与地的连接，并经过一定时间后自动断开与地的连接。在实际应用中，第一电阻R3和第二电阻R4的阻值远远小于峰值保持电阻Rl和平衡电阻R2的阻值，因此，当第一电阻R3中的第一开关Ql闭合后，第一电阻R3接地，积分电容C2中的电荷也通过第一电阻R3接地，对积分电容C2进行放电，将电荷全部泄放。由于第二开关Q2与第一开关Ql同时闭合，第二电阻R4接地，此时，运算放大器A的第一输入端I和第二输入端2同时接地，两端电压差为零，运算放大器的两输入端电压保持静态平衡。本实施例中，通过对称设置峰值保持电阻和平衡电阻，并对称设置第一电阻和第二电阻，使运算放大器的输入端电压保持静态平衡。图3为本发明又一实施例所提供的脉冲激光能量测量装置的方框图，如图3所示，在上述实施例的基础上，进一步的，该测量装置还包括模数转换模块11、运算控制模块12和显不t吴块13。模数转换模块11用于将运算放大器输出的设定宽度的脉冲电压信号转换成数字信号。运算控制模块12用于根据数字信号采集脉冲电压峰值并根据设定方案得到脉冲激光能量值，且采集完成后发送清零控制信号以控制清零模块清除积分电容中的全部电荷。运算控制模块根据数字信号采集脉冲电压的峰值，通过设定方案的计算公式Tj 厂 20
ε = ;； 进行运算，■翻m中歡會糧it。雜热亥嫌7中極白勺山条膝，atm青 KI. K2
零控制信号，通过清零控制信号控制清零模块清除积分电容中的全部电荷，该清零控制信号通常为脉冲信号，清零模块在脉冲信号的控制下清除积分电容中的全部电荷，当然也可以是其他形式的控制信号，不限于本实施例的方式。显示模块13用于显示脉冲激光能量值。上述实施例中的模数转换模块可采用各种模数转换电路实现，运算控制模块可通过单片机实现，或者通过包含相关指令程序的处理器实现，显示模块可通过各种显示终端实现，例如，通过液晶或数码管等进行显示。本实施例提供的脉冲激光能量测量装置的工作过程为
通过光电探测器接收被测激光光源发出的脉冲激光信号，并转换成电流信号，输出的电流信号传送于积分电容，通过积分电容将该电流中的电荷进行积累后输出脉冲电压信号，通过峰值保持电阻对积分电容输出的脉冲电压信号中的峰值保持设定时间，使脉冲电压的峰值展宽到一定宽度，并通过平衡电阻使运算放大器的两输入端电压平衡，进而通过运算放大器输出宽脉冲的脉冲电压信号。通过运算放大器输出的脉冲电压信号为模拟信号，需通过模数转换模块将该模拟信号转换成数字信号，以通过运算控制模块对输出的该脉冲电压信号进行采样，采集脉冲电压峰值，并通过运算控制模块得到单脉冲激光能量值，运算控制模块将得到的单脉冲激光能量值传送给显示模块进行显示。运算控制模块完成对脉冲电压信号的采集后，输出清零控制信号控制清零控制模块对积分电容进行放电，清除积分电容中的全部电荷，已进入下一个脉冲激光的测量。本实施例提供的脉冲激光能量测量装置，通过将输出的脉冲电压信号转换成数字信号，并采集脉冲电压的峰值，经运算后得到单脉冲激光能量值并进行显示，可以清楚的观察到单脉冲激光能量。本发明实施例还提供了一种脉冲激光能量测量方法，该测量方法是本发明实施例提供的脉冲激光能量测量装置的执行方法，与该脉冲激光能量测量装置工作过程相配合以输出宽脉冲电压信号。该脉冲激光能量测量方法包括步骤I、采用光探测器将脉冲激光信号转换成电流信号。步骤2、采用积分电容积累输出的脉冲激光的电流信号中的电荷，并输出脉冲电压信号，且通过峰值保持电阻将脉冲电压信号的峰值保持设定时间。步骤3、运算放大器根据脉冲电压信号的峰值保持时间和设定的放大倍数输出相应宽度和幅值的脉冲电压信号。图4为本发明实施例所提供的脉冲激光能量测量方法的流程图，如图4所示，在上述实施例的基础上，进一步的，脉冲激光能量测量装置还包括第一清零控制模块和第二清零控制模块，在步骤3之后还包括步骤4、采用模数转换模块将相应宽度和幅值的脉冲电压信号转换成数字信号。步骤5、运算控制模块根据数字信号采集脉冲电压峰值并根据设定方案得到脉冲激光能量值，且采集完成后发送清零控制信号。
该设定方案为
权利要求
1.一种脉冲激光能量测量装置，其特征在于，包括 光探测器，用于将脉冲激光信号转换成电流信号； 积分电容，与所述光探测器串联，用于积累光探测器输出的电流信号中的电荷并输出脉冲电压信号； 峰值保持电阻，与所述积分电容并联，用于将所述脉冲电压信号的峰值保持设定时间； 运算放大器，所述运算放大器的第一输入端与所述积分电容的输出端相连，用于根据所述脉冲电压信号的峰值保持时间和设定的放大倍数输出相应宽度和幅值的脉冲电压信号; 平衡电阻，与所述运算放大器的第二输入端相连，用于使所述运算放大器的第一端输入端的电压和第二输入端的电压保持静态平衡。
2.根据权利要求I所述的脉冲激光能量测量装置，其特征在于 所述平衡电阻与峰值保持电阻的阻值相等。
3.根据权利要求I或2所述的脉冲激光能量测量装置，其特征在于 所述运算放大器为仪用放大器。
4.根据权利要求I或2所述的脉冲激光能量测量装置，其特征在于，还包括第一清零控制模块和第二清零控制模块， 所述第一清零控制模块与所述积分电容并联，用于在接收到清零控制信号的状态下对所述积分电容进行放电以清除积分电容中的全部电荷； 所述第二清零控制模块与所述第一平衡电阻并联，用于在接收到清零控制信号的状态下接地。
5.根据权利要求4所述的脉冲激光能量测量装置，其特征在于，所述第一清零控制模块包括第一电阻和第一开关，所述第一电阻和第一开关串联接地；第二清零控制模块包括第二电阻和第二开关，所述第二电阻和第二开关串联接地。
6.根据权利要求5所述的脉冲激光能量测量装置，其特征在于， 所述第一电阻和第二电阻的阻值相等，且所述第一开关和第二开关均为电子开关。
7.根据权利要求I或2所述的脉冲激光能量测量装置，其特征在于，还包括 模数转换模块，用于将运算放大器输出的所述相应宽度和幅值的脉冲电压信号转换成数字信号； 运算控制模块，用于根据所述数字信号采集脉冲电压峰值并根据设定方案得到脉冲激光能量值，且采集完成后发送清零控制信号； 显示模块，用于显示所述脉冲激光能量值。
8.—种脉冲激光能量测量方法，包括 步骤I、采用光探测器将脉冲激光信号转换成电流信号 步骤2、采用积分电容积累输出的脉冲激光的电流信号中的电荷，并输出脉冲电压信号，且通过峰值保持电阻将所述脉冲电压信号的峰值保持设定时间； 步骤3、运算放大器根据所述脉冲电压信号的峰值保持时间和设定的放大倍数输出相应宽度和幅值的脉冲电压信号。
9.根据权利要求8所述的脉冲激光能量测量方法，其特征在于，脉冲激光能量测量装置还包括第一清零控制模块和第二清零控制模块，所述步骤3之后还包括 步骤4、采用模数转换模块将所述相应宽度和幅值的脉冲电压信号转换成数字信号；步骤5、运算控制模块根据所述数字信号采集脉冲电压峰值并根据设定方案得到脉冲激光能量值，且采集完成后发送清零控制信号； 步骤6、通过显示模块显示所述脉冲激光能量值； 步骤7、第一清零控制模块在接收到清零控制信号后对所述积分电容进行放电以清除积分电容中的全部电荷；同时第二清零控制模块在接收到清零控制信号后接地。
10.根据权利要求9所述的脉冲激光能量测量方法，其特征在于，所述设定方案为
全文摘要
本发明公开了一种脉冲激光能量测量装置和脉冲激光能量测量方法，该测量装置包括光探测器、积分电容、峰值保持电阻、运算放大器和平衡电阻，积分电容与光探测器串联，用于积累光探测器输出的电流信号中的电荷并输出脉冲电压信号，峰值保持电阻与积分电容并联，运算放大器的第一输入端与积分电容的输出端相连，平衡电阻与运算放大器的第二输入端相连。该测量装置及方法通过积分电容对脉冲激光电流信号中的电荷进行积累实现对电流的直接积分，实现脉冲激光信号向宽脉冲电压信号的转换，该积分过程不需要设置复杂的电路，设计巧妙，转换环节少，因此可靠性高，使采集到的脉冲电压峰值更加精确，通过换算后即可得到更加精确的单脉冲激光能量。
文档编号G01J1/46GK102809425SQ20111014638
公开日2012年12月5日 申请日期2011年6月1日 优先权日2011年6月1日
发明者祝敏, 陆耀东, 江一平 申请人:北京光电技术研究所