激光聚焦光斑面积测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种激光聚焦光斑面积测量装置，包括：激光器、聚焦器件、光敏靶材料和图像采集处理模块，激光器与聚焦器件光路连接；聚焦器件与光敏靶材料光路连接，激光聚焦在光敏靶材料上形成光斑轮廓；图像采集处理模块采集光斑轮廓的图像，并测量光斑轮廓图像后得到光斑尺寸。该装置可直接测量激光聚焦光斑尺寸，测量面积分辨率为0.01μm

【技术实现步骤摘要】
激光聚焦光斑面积测量装置
本专利技术涉及一种激光聚焦光斑面积测量装置，属于激光微推进领域。
技术介绍
激光微推进技术是目前激光推进领域最有前景的发展方向。激光微推进技术的工作原理是将激光聚焦于工质表面，通过激光与物质的相互作用，形成微小的物质喷射流，实现宏观的冲量效应，进而推进装置运动。激光聚焦光斑面积的大小是影响激光微推进性能的重要指标，为了产生等离子体膨胀作用通常要求聚焦光斑直径小于100微米，这就需要对聚焦光斑面积进行精确的测量。通常，对于激光光斑面积的测量方法采用CCD法，但是激光微推进聚焦光斑的直径在十微米至百微米量级，当前CCD法测量精度不满足十微米尺寸的测量要求；而且光斑的功率密度高于106W/cm2，会造成CCD器件的饱和失效。
技术实现思路
根据本申请的一个方面，提供了一种便捷、有效、高精度的激光聚焦光斑面积测量装置，该装置可用于测量十微米至百微米量级激光聚焦光斑面积。所述激光聚焦光斑面积测量装置，包括：激光器、聚焦器件、光敏靶材料和图像采集处理模块，所述激光器与所述聚焦器件光路连接；所述聚焦器件与所述光敏靶材料光路连接，所述激光聚焦在所述光敏靶材料上形成光斑轮廓；所述图像采集处理模块采集所述光斑轮廓的图像，并测量所述光斑轮廓图像后得到光斑尺寸。优选地，所述光斑轮廓通过烧蚀所述光敏靶材料形成。优选地，所述激光聚焦后功率密度低于所述光敏靶材料的烧蚀阈值。优选地，所述激光聚焦光斑面积测量装置还包括衰减透镜组，所述衰减透镜组设置于所述聚焦器件与所述光敏靶材料相连接的光路上，并分别与所述聚焦器件与所述光敏靶材料光路连接。优选地，所述衰减透镜组的透过率α满足下式：ψ≤α·I≤1.5ψ其中，I为所述激光能量，ψ为所述光敏靶材料的烧蚀阈值。优选地，所述激光聚焦光斑面积测量装置还包括固定靶支架，所述固定靶支架夹紧所述光敏靶材料至少两相对端，所述光敏靶材料平铺于所述固定靶支架上。优选地，所述激光聚焦光斑面积测量装置还包括机械调节部件，所述激光器和所述聚集部件固定于所述机械调节部上，并随所述机械调节部沿所述机械调节部的轴线运动和/或随所述机械调节部沿所述机械调节部的横向运动。优选地，机械调节部件为垂直调节机构和/或水平调节机构；所述光敏靶材料为调光相纸。优选地，所述图像采集处理模块包括图像采集装置和图像处理装置，所述图像采集装置面向所述光敏靶材料获取所述图像，所述图像采集装置与所述图像处理装置数据连接。优选地，所述图像采集装置为光学显微镜，所述光学显微镜的倍率为50～1000倍。本专利技术的有益效果包括但不限于：(1)本专利技术所提供的激光聚焦光斑面积测量装置，具有较好的通用性，可适用于任何波长、脉冲或连续工作模式，光斑功率密度大于调光相纸烧蚀能量阈值的激光；(2)本专利技术所提供的激光聚焦光斑面积测量装置，具有高效的优点。利用机械调节部分可高效的实现相同条件下，不同光斑面积的重复测量，保证测量的可重复性；图像采集处理部分也可实现多组光斑图像的同时采集和数据处理，提高了测量效率；(3)本专利技术所提供的激光聚焦光斑面积测量装置，具有0.01平方微米的面积测量精度，该装置测量结果的面积测量分辨率可达0.01μm2；直径测量范围为10μm≤光斑直径d≤1mm，面积测量范围为78.5μm2≤光斑面积S≤7.85×105μm2；光斑面积测量下限Smin＝78.5μm2，测量的相对误差0.127％；光斑面积上限Smax＝7.85×105μm2，测量的相对误差为0.127×10-7。附图说明图1是本专利技术优选实施例中激光聚焦光斑面积测量装置的结构示意图。部件和附图标记列表：部件名称附图标记激光器100聚焦器件201衰减透镜组202调光相纸301固定靶架302光斑轮廓303垂直调节机构401水平调节机构402图像采集装置501图像处理装置502具体实施方式下面结合实施例详述本专利技术，但本专利技术并不局限于这些实施例。参见图1，本专利技术提供的激光聚焦光斑面积测量装置，包括：激光器100、聚焦器件201、光敏靶材料和图像采集处理模块，激光器100与聚焦器件201光路连接，聚焦器件201的出射端与光敏靶材料光路连接，激光聚焦在光敏靶材料上形成光斑轮廓303；图像采集处理模块采集光斑轮廓303的图像，并测量光斑轮廓303图像后得到光斑尺寸。激光器100出射激光经聚焦器件201后聚焦于光敏靶上烧蚀光敏靶后形成光斑轮廓303；图像采集处理模块采集含光斑轮廓303的图像后，测量得到光斑尺寸。该装置尤其适用于对微推力器的输出激光光斑进行测量。通过将激光聚焦于光敏靶材料表面，激光对光敏靶材料进行适度地烧蚀，仅在光敏靶材料表面形成能准确反映激光光斑尺寸的光斑轮廓303，通过对形成光斑轮廓303的尺寸进行测量，从而测量得到所需激光聚焦光斑尺寸。本文中光斑尺寸包括光斑的直径、面积等参数。本文中光斑轮廓303是指聚光聚焦后所形成的光斑的外周形状。通过对激光光斑尺寸的转换，能有效提高测量准确性，同时避免过于复杂的操作测算步骤，即可得到较准确的光斑测量结果。光敏靶材料可以为各类能与激光发生烧蚀作用形成所需光斑轮廓303的材料。聚焦器件201包括所需的各类聚焦光学器件。图像采集处理模块包括各类现有的图像采集装置501和图像处理装置502，例如光学显微镜等部件，图像处理装置502可以为电脑等能运行所需软件的装置。优选的，光斑轮廓303通过烧蚀光敏靶材料形成。优选的，光敏靶材料为调光相纸301。优选的，聚焦光斑的功率密度低于光敏靶材料的烧蚀阈值。采用各类现有方法调节均可。将聚焦光斑的功率密度调节至光敏靶材料的烧蚀阈值后，能提高检测准确性。优选的，还包括衰减透镜组202，衰减透镜组202设置于聚焦器件201与光敏靶材料相连接的光路上，并分别与聚焦器件201与光敏靶材料光路连接。聚焦激光仅在光敏靶材料上进行最低限度的烧蚀，避免了过度烧蚀导致的测量误差。以激光微推进器所输出单束激光的能量为例，所形成聚焦光斑的功率密度在105W/cm2至109W/cm2量级，所形成聚焦光束经过衰减透镜组202后功率密度可下降到调光相纸301的烧蚀阈值，保证了光斑面积测试结果的准确性。在一具体实施例中，衰减透镜组202为一组滤光片。本专利技术中，衰减透镜组202透过率α的选择主要由所测激光波长λ、激光能量I和光敏靶材料的烧蚀阈值ψ决定。衰减透镜组202透过率α满足下式：ψ≤α·I≤1.5ψ已知激光能量I和烧蚀阈值ψ时，即可确定衰减透镜组202的透过率α。按上式选择衰减透镜组202，测量准确度较高。激光束经过聚焦器件201成为十微米至百微米直径的聚焦光斑，经过衰减镜组后能量下降到调光相纸301的烧蚀阈值。优选的，还包括固定靶支架，固定靶支架夹紧光敏靶材料至少两相对端，光敏靶材料平铺于固定靶支架上。通过该支架能使光敏靶材料平铺，便于聚焦光斑在其上形成清洗的光斑轮廓303图像，提高测量结果准确性。光敏靶部分包括调光相纸301和固定靶架302，调光相纸301固定在靶架上，经过激光烧蚀后在表面产生光斑轮廓303。优选的，还包括机械调节部件，激光器100和聚集部件固定于机械调节部上，并随机械调节部沿机械调节部的轴线、横向或纵向中至少一个方向运动。通过设置机械调节部，激光器100和聚集部件能在轴向上上、下运动，即可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光聚焦光斑面积测量装置，其特征在于，包括：激光器、聚焦器件、光敏靶材料和图像采集处理模块，所述激光器与所述聚焦器件光路连接；所述聚焦器件与所述光敏靶材料光路连接，所述激光聚焦在所述光敏靶材料上形成光斑轮廓；所述图像采集处理模块采集所述光斑轮廓的图像，并测量所述光斑轮廓图像后得到光斑尺寸。

【技术特征摘要】
1.一种激光聚焦光斑面积测量装置，其特征在于，包括：激光器、聚焦器件、光敏靶材料和图像采集处理模块，所述激光器与所述聚焦器件光路连接；所述聚焦器件与所述光敏靶材料光路连接，所述激光聚焦在所述光敏靶材料上形成光斑轮廓；所述图像采集处理模块采集所述光斑轮廓的图像，并测量所述光斑轮廓图像后得到光斑尺寸。2.根据权利要求1所述的激光聚焦光斑面积测量装置，其特征在于，所述光斑轮廓通过烧蚀所述光敏靶材料形成。3.根据权利要求1所述的激光聚焦光斑面积测量装置，其特征在于，所述激光聚焦后功率密度低于所述光敏靶材料的烧蚀阈值。4.根据权利要求1所述的激光聚焦光斑面积测量装置，其特征在于，所述激光聚焦光斑面积测量装置还包括衰减透镜组，所述衰减透镜组设置于所述聚焦器件与所述光敏靶材料相连接的光路上，并分别与所述聚焦器件与所述光敏靶材料光路连接。5.根据权利要求4所述的激光聚焦光斑面积测量装置，其特征在于，所述衰减透镜组的透过率α满足下式：ψ≤α·I≤1.5ψ其中，I为所述激光能量，ψ为所述光敏靶材料的烧蚀阈值...

【专利技术属性】
技术研发人员：李南雷，叶继飞，金星，常浩，周伟静，邢宝玉，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：北京,11