基于晶体谐振器的光功率参数测量方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于晶体谐振器的光功率参数测量方法和装置，包括晶体谐振器、起振电路和频率测量单元，起振电路的输入端与晶体谐振器的电极相连，起振电路的输出端与频率测量单元电连接，待测量光束入射在晶体谐振器的工作面；本发明的测量方法和装置在应用中将入射激光高反射，降低了对测量系统承受激光辐照能力的要求，可用于长时间出光条件下高能激光参数测量，在实施中将激光的功率转换为频率测量，利用现代频率测量技术具有的测量精度和分辨率高等特点，使其可满足不同功率条件下激光参数的测量，适用性强、动态范围大同时具有结构紧凑、工程化简单等特点。
【专利说明】基于晶体谐振器的光功率参数测量方法和装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光功率参数的测量方法和装置，尤其涉及一种基于晶体谐振器的 高能激光功率参数测量方法和装置。
【背景技术】
[0002] 高能激光器是指平均功率大于万瓦，持续时间达到数秒以上，输出能量在数万焦 耳以上的激光器，具有重要的工业和军事应用前景。目前高能激光功率的测量方法主要是 光电探测法，将激光入射在积分球、光衰减片等衰减单元进行大倍数光强衰减后入射至光 电探测器表面，通过测量输出信号及衰减系数值，得到激光的功率值。这种方法存在的问题 是，对于高能和高功率激光需要进行大倍数光强衰减，因此需要对衰减器的衰减系数进行 精确标定，导致产生了较大的测量不确定度。
[0003] 2011年8月公开的基于光压原理测量高能激光能量参数的方法和装置（申请号为 201110233271. 8)，公开了一种利用光压测量激光功率的方法，将激光入射至被变形杆固定 的反射镜上，通过反射镜在光压下的多个测量点位移，计算得到激光的功率和能量参数。该 方法在是在应用中存在光压引起的位移信号弱，故对位移传感器的精度和分辨率提出了较 高的要求，限制了该方法的应用。
【发明内容】
[0004]本发明克服了光电法激光参数测量中需要对激光功率进行大倍数衰减，以及光压 法激光参数测量中对位移传感器高精度的要求，提供一种基于晶体谐振器的光功率参数的 测量方法和装置。
[0005] 本发明的解决技术方案为：
[0006] -种基于晶体谐振器的光功率参数测量方法，包括以下步骤：
[0007] [1]晶体谐振器起振，测量谐振频率本底值f0 ;
[0008] [2]将功率为pi的稳定输出的标定光束入射至晶体谐振器工作面，测量得到谐振 频率的峰值fl ;
[0009] [3]待测量光束入射至晶体谐振器的工作面，测量得到谐振频率值的峰值f ;
[0010] [4]待测量光束的光功率为： ' _1] p=pl(f-f〇V(fl-f〇)，其中p为待测量光束的光功率。
[00^2] 一一种基于晶体谐振器的光功率参数测量装置，包括晶体谐振器、起振电路和频率 测量单元，起振电路的输入端与晶体谐振器的电极相连，起振电路的输出端与频率测量单 元电连接，待测量光束入射在晶体谐振器的工作面。
[0013]上述基于晶体谐振器的光功率参数测量装置中，晶体谐振器的工作面镀有对待测 量光束高反射的介质高反射膜。 ' _4] ±述基于晶体谐振器的光功率参数测量装置中，介质飯麵的反射率大于99%。 _5]上述基于晶体谐振器的光功率参数测量装置中，晶体谐振器为石英晶振。
[0016]上述基于体谐振器的光功率参数测量装置中，石英晶振的谐振频率为1? 20MHz〇
[0017]上述基于晶体谐振器的光功率参数测量装置中，石英晶振工作面的尺度为5? 50mm〇
[0018]上述基于晶体谐振器的光功率参数测量装置中，石英晶振为AT切型。
[0019]上述基于晶体谐振器的光功率参数测量装置中，晶体谐振器的电极为锚型电极， 所述电极与起振电路的连接点设置在工作面的背面。
[0020]上述基于晶体谐振器的光功率参数测量装置中，光束为功率大于l〇mW的激光束。
[0021] 本发明具有的有益效果如下：
[0022] _ u本发明的测量方法和装置在应用中将入射激光高反射，降低了对测量系统承受 激光辐照能力的要求，可用于长时间出光条件下高能激光参数测量；
[0023] 2、本发明的测量方法和装置可实现对激光光束在线监测同时，对原光束扰动较 小，后续光束可继续用于其他激光参数测量及效应实验，提高了实验效费比；
[0024] 3、本发明的测量方法和装置将激光的功率转换为频率测量，利用现代频率测量技 术具有的测量精度和分辨率高等特点，使其可满足不同功率条件下激光参数的测量，适用 性强、动态范围大同时具有结构紧凑、工程化简单等特点；
[0025] 4、本发明在传统晶体谐振器的工作面镀有对测量光束高反射的介质高反射膜，进 一步提筒了系统的提闻了承受激光福照能力；
[0026] 5、除了测量光功率外，本发明测量系统还可以测量得到出光时间，从而计算得到 光束的能量值。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是本发明基于晶体谐振器的光功率参数测量装置示意图；
[0028]图2为石英晶体谐振器背面的锚型电极布局示意图；
[0029]图3为不同功率激光加载下晶体谐振器的频率变化幅值(镀膜晶振）；
[0030]图4为根据图3结果得到的激光功率与晶振频率对应关系(镀膜晶振）；
[0031] 图5为激光加载时长与晶振频率脉冲波形的对应关系(镀膜晶振）；
[0032] 图6为激光加载下得到的晶振频率变化波形(未镀膜晶振)。
[0033]其中1-光源；2-光束；3-晶体谐振器；4-起振电路；5-频率测量单元；21-工作 面；22-石英晶体薄片；23-工作面的电极连接点；24-背面的电极连接点；25-背面电极的 圆形中心区域。
【具体实施方式】
[0034] 下面以常见的石英晶体谐振器为例，介绍本发明的测量原理。
[0035]石英晶体谐振器简称晶振，由石英晶片和在晶片正面、背面镀制的电极组成，电极 采用金、银、铜等材料，通常情况下其直径厚度比大于40,这样可以大大抑制了非基态模式 的顆合，提尚系统的工作稳定性，例如常见晶振的直径25. 4mm，厚度仅仅为0. 3mm。
[0036]当对晶片施加压缩力或拉伸力，由于压电效应，晶体发生形变极化而在电极上产 生等量的正、负电荷；如果将晶体接入稳定的自激振荡电路中，使其构成选频元件，电路的 振荡频率等于晶体的谐振频率，通过测量谐振频率的变化，则可以反映出晶体上所施加外 力的幅值。
[0037]石英晶体按照晶体结构包括X轴、Y轴和Z轴，其中X轴受力时，压电效应最明显， 故X轴称电轴；当X轴向受外电场作用时，γ轴向的变形即其逆压电效应最为明显，故γ轴 称为机械轴；Z轴则为光轴。石英晶体谐振器的工作方式主要有厚度方向剪切振动、弯曲剪 切振动和沿长度方向纵向振动等，并将所测量的物理参量转换为晶体的频率，广泛地用在 应力、应变、加速度、微质量等参数测量中。
[0038] 在石英晶体逆压电效应测量物理参量中，晶体的切型和温度对振荡器的谐振频率 有较大的影响，故在应用中需要选择合适的切型，将石英晶体切割成所需要的具有确定方 位的晶片，常见的石英切型有AT切、BT切、FC切和SC切。目前应用较广的微质量天平QCM (Quartz crystal microbalance)就是基于厚度剪切振动模式，常采用AT切型，使其在较宽 的温度范围内、振荡频率随温度的偏移最小。理论计算表明AT切型的石英晶振在室温范围 内，环境温度每变化1°C，晶体的谐振频率变化为基频的〇. 41X 10_9倍，基本可忽略。
[0039] 在大功率光束加载至晶振表面时，尽管晶体表面的电极将大部分光束反射，但是 仍然有少量光被吸收转化为热，由于晶片很薄，热容很小，即在晶片的内部产生瞬态热效 应，引起晶体的密度、介电常数、弹性系数等参数的变化，导致晶体内部应力场的动态变化， 故类似于在晶体上施加了外力，从而引起晶体谐振频率的变化。而且通过我们的实验，发现 这种频率变化与加载的光功率和时间保持良好的线性关系，故通过测量晶振谐振频率的变 化，可以实现光功率参数的测量和表征。
[0040] 本发明提出了一种基于晶体谐振器的光功率参数测量方法，包括以下步骤：
[0041] [1]晶体谐振器起振，测量谐振频率本底值f0。
[0042] [2]将稳定输出功率为pi的标定光束入射至晶体谐振器工作面，测量得到谐振频 率的峰值fl。
[0043] [3]待测量光束入射至晶体谐振器的工作面，测量得到谐振频率峰值f。
[0044] [4]根据公式计算待测量光束的光功率p=pl (f-fO) / (f W0)。
[0045] 这样利用光功率和晶振谐振频率的变化的线性关系，即可通过标定好的测量系 统，测量得到未知参数的光束功率值。
[0046] 如图1所示，本发明的基于晶体谐振器的光功率参数测量装置包括晶体谐振器3、 起振电路4和频率测量单元5,起振电路4的输入端与晶体谐振器3的电极相连，起振电路 4的输出端与频率测量单元5电连接，待测量光束2入射在晶体谐振器3的工作面21，通过 测量晶体谐振器3在光束加载前后频率的变化，计算得到光功率的值。被测量的光束优选 功率大于10mW的激光束。其中优选晶体谐振器3为AT切型的石英晶振，谐振频率为1? 20MHz〇
[0047] 石英晶振通常由圆形的石英晶体薄片22和电极构成，电极布置在石英晶体薄片 22的两个面，并通过与电极相联的起振电路4实现晶体的谐振。本发明石英晶振中承受激 光辐照的工作面21的尺寸为Φ5?50mm，整个工作面上全部镀有金属电极，工作面的背面 布置有锚型电极，如图2所示。图中圆形中心区域25为谐振工作区，与工作面21的电极一 起产生谐振。起振电路的连接点23、24均设置在晶振的背面，其中工作面21的电极通过晶 片的侧面也引入至背面的电极连接点23,并与起振电路4连接，这样当激光束加载在工作 面21时，电路连线不影响测量。
[0048]为了进一步提高可测量功率的范围，晶体谐振器的工作面21镀有对待测量光束 高反射的介质高反射膜，介质高反射膜的反射率一般大于99%。
[0049]下面给出本发明装置用于激光功率参数测量的实验结果，将己知功率的波长为 1064nm的大功率激光入射至如图1所示的测量装置，记录晶振的频率变化值，并与功率值 进行比较分析。
[0050] 其中日日振为AT切型石央晶体，谐振频率为5MHz，晶振直径25. 4mm，厚度为0. 3mm, 晶片的正面上镀有对l〇64nm反射率为99. 5%的介质高反射膜。
[0051] 图3给出了相同出光时长下，不同功率激光加载下晶振的频率的幅值，图4对图3 的结果进行处理，得到不同激光功率所对应的晶振频率变化峰值，可以看出，激光功率和晶 振频率变化保持良好的线性关系，说明通过测量频率变化可以间接得到激光的功率值；图 5给出了相同功率条件下，激光加载时长与晶振频率脉冲波形的对应关系，可以看出之间所 对应的时刻与激光加载时长对应一致，说明通过测量频率变化峰值和对应的上升沿起点和 下降沿起点，还可以计算得到激光的能量值。
[0052]为了进一步验证实验结果，采用常规没有镀反射膜的晶片开展了测量实验，激光 直接加载在晶片的金电极上，得到了如图6所示的结果，说明对于常规的晶片，也可以产生 晶振频率的变化，进一步的实验表明，对于10mW级的光功率，也会产生可分辨的频率变化。 [0053]由于现代的频率测量具有技术成熟、测量分辨率和精度高等特点，本发明的测量 装置可满足不同功率条件下激光参数的测量，动态范围宽、适用性强，同时具有结构紧凑、 工程化简单等特点，为光束参数测量提供了一种新的技术手段。本发明并不局限于石英晶 体谐振器，对于其他材料制成的谐振器也同样适用，同样在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种基于晶体谐振器的光功率参数测量方法，其特征在于，包括以下步骤： [1] 晶体谐振器起振，测量谐振频率本底值《); [2] 将功率为pi的稳定输出的标定光束入射至晶体谐振器工作面，测量得到谐振频率 的峰值Π ; [3] 待测量光束入射至晶体谐振器的工作面，测量得到谐振频率值的峰值f ; [4] 待测量光束的光功率为： p=pl (f-fO) / (fl-f〇)，其中p为待测量光束的光功率。
2· -种基于晶体谐振器的光功率参数测量装置，其特征在于：包括晶体谐振器（3)、起 振电路（4)和频率测量单元（5)，所述的起振电路（4)的输入端与晶体谐振器（5)的电极相 连，所述的起振电路（4)的输出端与频率测量单元（5)电连接，所述待测量光束（2)入射在 晶体谐振器（3)的工作面（21)。
3·根据权利要求2所述的基于晶体谐振器的光功率参数测量装置，其特征在于：所述 晶体谐振器（3)的工作面（21)镀有对待测量光束高反射的介质高反射膜7 '
4.根据权利要求3所述的基于晶体谐振器的光功率参数测量装置，其特征在于：所述 的介质高反射膜的反射率大于99%。
5·根据权利要求2所述的基于晶体谐振器的光功率参数测量装置，其特征在于：所述 的晶体谐振器（3)为石英晶振。 '、 '
6·根据权利要求5所述的基于晶体谐振器的光功率参数测量装置，其特征在于：所述 的石英晶振的谐振频率为1?20MHz。
7·根据权利要求5或6所述的基于晶体谐振器的光功率参数测量装置，其特征在于： 所述的石英晶振工作面的尺度为5?50mm。 ' ' ^ ' '
8·根据权利要求5或6所述的基于晶体谐振器的光功率参数测量装置，|特征在于： 所述的石英晶振为AT切型。 夕 '
9·根据权利要求2所述的基于晶体谐振器的光功率参数测量装置，其特征在于·所述 晶体谐振器（3)的电极为锚型电极，所述电极与起振电路的连接点（23、24)'设置在工作面 的背面。 1〇_根据权利要求2所述的基于晶体谐振器的光功率参数测量装置，其特征在于：所述 的光束为功率大于10mW的激光束。 八 '
【文档编号】G01J1/42GK104215326SQ201310217262
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年6月3日 优先权日:2013年6月3日
【发明者】陈绍武, 丁彬, 刘福华, 斯阳, 杨鹏翎, 黄伟, 吴勇, 王平, 冯刚, 陶蒙蒙 申请人:西北核技术研究所, 东华大学