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专利名称：一种用于材料激光性能的测量设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量设备，尤其是一种用于材料激光性能的测量设备，具体地说 是能够对材料激光反射能量的角度分布特性、光谱特性和偏振特性进行自动化室内测量设 备，属于激光测量的技术领域。
背景技术：
激光具有极好的单色性、方向性和相干性，在军用测距、武器制导、目标识别和侦 察探测等领域得到广泛应用。植被、岩石、水体等自然背景地物，以及金属表面、织物、油漆 涂层等人工材料对入射激光的反射、偏振等传输特性的测量，对于目标特性研究和相关材 料技术研究具有重要意义。目前，国内外对材料激光性能的测量，基本上以野外实验方法为主，例如激光反射 测量的消光试验法[国军标GJB2241A-2008，及ANSI C136. 20-2008]、偏振计或偏振成像测 试[国标GB/T 14077-1993，及MIL-13830A、ANSI/TIA455-201-2001]；室内测量主要是人工 搭建测量光路台，在激光(或线偏振激光)垂直入射的条件下，测量材料表面法射方向的反 射功率、光谱波长，或者反射能量的偏振态，装置的集成化程度低、调试较为复杂、测量精度 不高、自动化程度较低。目前，能够完成激光反射能量随角度分布变化特性测量功能的仪器 设备尚未见报道；集材料激光反射角度分布特性、光谱特性和偏振特性测量功能于一体的 自动化室内测量装置，在国内外尚属空白。

发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种用于材料激光性能的测量 设备，其结构简单紧凑，自动化程度高，测量精度高，使用方便，适应范围广，安全可靠。按照本发明提供的技术方案，所述用于材料激光性能的测量设备，包括至少一个 激光光源，所述激光光源的主光轴上设有比例分光镜，所述比例分光镜的主传输光路上设 有第二激光能量探测器与可旋转的样品台形成的主测量光路或能绕样品台转动的第二激 光能量探测器与样品台形成的主测量光路；副传输光路上设有能对激光光源发射功率稳定 性监控的第一激光能量探测器；所述样品台的反射光路上设有反射镜，样品台上材料反射 的激光通过反射镜反射到第二激光能量探测器内，第一激光能量探测器和第二激光能量探 测器的输出端与数据处理器相连；数据处理器根据第一激光能量探测器探测的激光光源的 激光能量信号，调整并控制激光光源的输出功率，使激光光源的输出功率保持稳定；数据处 理器对第二激光能量探测器探测的激光能量信号处理后，存储并输出相应的材料激光反射 能量角度分布特性。所述比例分光镜与样品台间设有起偏器；样品台与反射镜间设有与起偏器相匹配 设置的检偏器；激光光源的主光轴的光束通过比例分光镜、起偏器后输入样品台上的材料 上，样品台上材料反射的激光通过检偏器、反射镜后反射到第二激光能量探测器内；数据处 理器对第二激光能量探测器探测的激光能量信号进行处理，存储并输出相应的材料激光偏振特性。在反射镜与第二激光能量探测器传输光路上设有用于检测反射激光光谱特性的 光谱仪，所述光谱仪的输出端与数据处理器相连，所述数据处理器处理光谱仪输入的光谱 特性信号，存储并输出相应的材料反射激光的光谱特性。所述数据处理器包括单片机及工控机，所述工控机通过单片机与第一激光能量探 测器和第二激光能量探测器相连。所述激光光源包括为四个平行布置的半导体泵浦激光发射器，所述激光发射器安 装于导轨上。所述激光光源输出的激光波长为532nm、650nm、980nm或1064nm。所述样品台为插 片式样品台。所述起偏器与检偏器为格兰-泰勒棱镜。所述比例分光镜的材料包括石英，比例分光镜将激光光源发出能量的5%分光后 输入到激光能量探测器内，激光能量探测器将比例分光镜分光后探测的能量输入到数据处 理器内，数据处理器根据激光能量探测器探测分光能量信号控制激光光源的输出，使激光 光源的输出功率保持稳定。所述样品台及第二激光能量探测器的旋转均通过步进电机驱动。本发明的优点在壳体内同时设置激光光源、比例分光镜、起偏器、检偏器、样品 台、反射镜、激光能量探测器、光谱仪及探测器电控台，能够同时测量材料激光偏振特性、材 料激光能量反射角度分布特性及材料光谱特性，集成化程度高，安装调试简单；激光光源的 激光波长可以进行选择，样品台能旋转，激光能量探测器能围绕样品台旋转，提高了材料激 光能量反射角度分布特性测量的可靠性，自动化程度高，整个装置由数据处理器及步进电 机相对应配合控制，测量精度高，提高了适用范围，安全可靠。


图l为本发明的结构框图。
图2为本发明的测量流程图。
图3为实施例l的直角坐标曲线图。
图4为实施例l的光探测反射能量分布的极坐标曲线图。
图5为实施例l的激光光源监测能量的极坐标曲线图。
图6为图4与图5的差示极坐标曲线图。
图7为实施例2的直角坐标曲线图。
图8为实施例2的光探测反射能量分布的极坐标曲线图。
图9为实施例2的激光光源监测能量的极坐标曲线图。
图lo为图8与图9的差示极坐标曲线图。
图11为实施例3的直角坐标曲线图。
图12为实施例3的光探测反射能量分布的极坐标曲线图。
图13为实施例3的激光光源监测能量的极坐标曲线图。
图14为图12与图13的差示极坐标曲线图。
具体实施例方式下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。如图1所示本发明包括激光光源1、导轨2、比例分光镜3、起偏器4、检偏器5、样 品台6、反射镜7、第一激光能量探测器8、第二激光能量探测器9、光谱仪10、探测器电控台 11及数据处理器12。如图1所示为了能够在室内同时对材料的激光反射能量角度分布特性、光谱特 性及偏振特性进行测量，在壳体内安装有激光光源1，所述激光光源1安装于导轨2上，激光 光源1能够跟随导轨2移动，导轨2的移动通过步进电机进行控制。所述激光光源1包括 至少一个半导体泵浦激光发射器，激光光源1发射激光的波长包括532nm、650nm、980nm或 1064nm ；四个半导体泵浦激光发射器可以分别输出相应波长的激光。激光光源1的主光轴 上设有比例分光镜3，激光光源1发出的激光通过比例分光镜3后输出。当需要不同波长的 激光时，导轨2在步进电机作用下移动，使导轨2上相应激光器的主轴与比例分光镜3相对 应；所述比例分光镜3能够将激光光源1发出能量的5%传输到第一激光能量探测器8内， 由第一激光能量探测器8探测激光光源1的能量，第一激光能量探测器8将探测激光光源 1的能量信号输入到数据处理器12内，数据处理器12控制激光光源1的输出，确保激光光 源1输出功率的稳定性；比例分光镜3将激光光源1的其余能量透射到样品台6上的材料 上，所述样品台6为插片式样品台，样品台6能够进行0度 180度的旋转，样品台6的转 动通过步进电机进行控制。样品台6上的材料将比例分光镜3输出的激光通过反射镜7反 射到第二激光能量探测器9上，第二激光能量探测器9将样品台6上材料反射的激光能量 信号输入到数据处理器12内，数据处理器12对数据处理器后，能够存储并输出相应的材料 激光反射能量角度分布特性，所述材料激光反射能量角度分布特性以曲线的形式表示。第 二激光能量探测器9安装于探测器电控台11上，第二激光能量探测器9能跟随探测器电控 台11转动；第二激光能量探测器9跟随探测器电控台11能绕样品台6转动0度 180度， 从而实现了对样品台6上激光反射能量多角度多方位的测量。具体实施时，比例分光镜3 的主传输光路上通过样品台6的旋转与第二激光能量探测器9形成主测量光路或者是通过 第二激光能量探测器9绕样品台6旋转并与样品台6对应配合后形成的主测量光路。为了能够对材料偏振特性进行测量，在比例分光镜3与样品台6间设有起偏器4， 在样品台6与反射镜7间设有检偏器5，所述检偏器5与起偏器4由零位调整到一定的夹 角；当激光光源1发出激光后，经过起偏器4起偏后入射在样品台6上的材料上，材料反射 后通过检偏器5及反射镜7反射到第二激光能量探测器9内，第二激光能量探测器9能够 检测偏振后的激光能量信号，并将偏振后的激光能量信号输入到数据处理器12内，数据处 理器12对信号处理后，能存储并输出相应的材料激光偏振特性，所述材料激光偏振特性也 以曲线的形式表示。起偏器4与检偏器5均为格兰-泰勒棱镜。为了能够对材料的反射激光光谱特性进行测量，在反射镜7与第二激光能量探测 器9问设有光谱仪10，所述光谱仪10能够检测反射激光的光谱特性；光谱仪10的输出端与 数据处理器12相连。光谱仪10能够将检测的光谱特性输入到数据处理器12内，数据处理 器12根据光谱仪10输入的光谱信号，能存储并输出相应的材料激光光谱特性。数据处理 器12包括单片机及工控机，光谱仪10及第一激光能量探测器8、第二激光能量探测器9通 过单片机与工控机相连，数据处理器12输出的曲线通过工控机的显示器进行显示输出。激光光源1、导轨2、比例分光镜3、起偏器4、检偏器5、样品台6、反射镜7、第一激光能量探测 器8、第二激光能量探测器9、光谱仪10及探测器电控台11均位于同一壳体内，实现了测量 设备的集成设置；壳体的前面设有操作舱盖，掀开后可进行样品放置与更换、光谱仪10探 头安装与拆卸等操作。起偏器4的起偏方向可以根据需要进行设定，检偏器5的透光轴可360°旋转。当 不需要测量偏振特性时，起偏器4和检偏器5的透光轴归为零位；需要测量偏振特性时，起 偏器4和检偏器5的透光轴调整到一定的夹角。样品台6采用插片式结构，对于片状样品 可以直接插入到压片下进行测量，对于块状样品，将插片架取下，直接放置在转台平面上进 行测量。其中，反射镜7与入射激光光轴的夹角45°，入射激光从反射镜7上沿紧贴穿过， 样品的反射激光由反射镜7反射到其下部的THORLABS PM100型第二激光能量探测器9或 OCEAN OPTICS SPECTRUM HR4000型光谱仪10。当第二激光能量探测器9光轴与样品台6上 的样品表面垂直时，为防止激光探测器9与激光光源1的主光轴重合而遮挡入射激光，采用 样品表面法线方向小角度近似测量原理，控制激光光源1主光轴与激光能量探测器主光轴 的夹角为3°，测量样品表面法线方向的反射激光能量，测量误差不大于0.1%。当数据处 理器12包括单片机及工控机时，工控机中安装PCI 6221多功能控制卡，通过串口与SClOl 步进电机控制器进行通信，驱动和壳体内导轨2、起偏器4、检偏器5、样品台6和探测器电控 转台11相应的步进电机运动；工控机中安装了测量控制与数据分析处理程序，通过VGA接 口与显示器相联，进行测量自动操作、参数设定和数据处理分析。本发明的所依据的测量原理如下一、激光反射场空间能量分布测量经过样品表面反射后的激光，依据其在空间的分布分为镜面反射和漫反射。漫反 射时，根据光强的空间分布，可以分为米氏反射和瑞利反射，米氏反射是指当微粒线度大于 10倍波长时，反射光强与波长和角度无关。瑞利反射是指当微粒线度小于波长十分之一时， 其反射光强和波长的四次方成反比，即
I(m)cc04 cc^(1)和入射方向的夹角Φ的余旋平方成正比，即Ι(Φ) = I0(l+cos2<ji)(2)实际材料的反射光强是米氏反射和瑞利反射的叠加，没有镜面反射的情况。所以， 可以将反射的激光反射场空间能量分布表述为Ι3(φ) = ΚΦ)+^ = I0(l+cos>)+Im = (Φ) (3)其中^是米氏反射场分布，是常量。利用激光能量探测器，测量出空间各点的能量分布，从而能够判断其反射规律，得 出其材料表面特性。二、激光偏振特性测量偏振通常表述有线偏振、圆偏振或椭圆偏振，地物目标所产生偏振效应基本上是 线偏振，圆偏振完全可以忽略。偏振光的数学描述通常有两种方法一种是Jones矢量法， 一种是斯托克斯(Stokes)参量法，在目标识别过程中一般使用Mokes体系解释光在光路中传播以及在目标表面反射时发生的偏振态变化。Stokes参量法使用四个相互独立的参量 I、Q、U、V来完全描述一束光线的偏振态。I表示光波的总强度，因而总是正的；Q表示X方向 与Y方向上的线偏振光的强度差，根据X方向占优势、Y方向占优势或是一样，Q取值正、负 或零；U表示+45°方向与-45°方向上的线偏振光的强度差，根据+45°方向占优势、-45°
量占优势，根据右旋方向占优势或是一样，U取值正、负或零；V表示右旋还是左旋圆偏振另 方向占优势、左旋方向占优势或是一样，V取值正、负或零。

I、Q、U、V参量定义为
权利要求
1.一种用于材料激光性能的测量设备，其特征是包括至少一个激光光源(1)，所述激 光光源(1)的主光轴上设有比例分光镜(3)，所述比例分光镜(3)的主传输光路上设有第 二激光能量探测器(9)与可旋转的样品台(6)形成的主测量光路或能绕样品台(6)转动的 第二激光能量探测器(9)与样品台(6)形成的主测量光路；副传输光路上设有能对激光光 源(1)发射功率稳定性监控的第一激光能量探测器(8)；所述样品台(6)的反射光路上设 有反射镜(7)，样品台(6)上材料反射的激光通过反射镜(7)反射到第二激光能量探测器 (9)内，第一激光能量探测器⑶和第二激光能量探测器(9)的输出端与数据处理器(12) 相连；数据处理器(1 根据第一激光能量探测器(8)探测的激光光源(1)的激光能量信 号，调整并控制激光光源(1)的输出功率，使激光光源(1)的输出功率保持稳定；数据处理 器(1 对第二激光能量探测器(9)探测的激光能量信号处理后，存储并输出相应的材料激 光反射能量角度分布特性。
2.根据权利要求1所述的用于材料激光性能的测量设备，其特征是所述比例分光镜 ⑶与样品台(6)间设有起偏器⑷；样品台(6)与反射镜(7)间设有与起偏器⑷相匹配 设置的检偏器(5)；激光光源(1)的主光轴的光束通过比例分光镜(3)、起偏器(4)后输入 样品台(6)上的材料上，样品台(6)上材料反射的激光通过检偏器(5)、反射镜(7)后反射 到第二激光能量探测器(9)内；数据处理器(12)对第二激光能量探测器(9)探测的激光能 量信号进行处理，存储并输出相应的材料激光偏振特性。
3.根据权利要求1所述的用于材料激光性能的测量设备，其特征是在反射镜(7)与 第二激光能量探测器(9)传输光路上设有用于检测反射激光光谱特性的光谱仪(10)，所述 光谱仪(10)的输出端与数据处理器(1 相连，所述数据处理器(1 处理光谱仪(10)输 入的光谱特性信号，存储并输出相应的材料反射激光的光谱特性。
4.根据权利要求1所述的用于材料激光性能的测量设备，其特征是所述数据处理器 (12)包括单片机及工控机，所述工控机通过单片机与第一激光能量探测器(8)和第二激光 能量探测器(9)相连。
5.根据权利要求1所述的用于材料激光性能的测量设备，其特征是所述激光光源(1) 包括为四个平行布置的半导体泵浦激光发射器，所述激光发射器安装于导轨( 上。
6.根据权利要求1或5所述的用于材料激光性能的测量设备，其特征是所述激光光 源(1)输出的激光波长为532nm、650nm、980nm或1064nm。
7.根据权利要求1所述的用于材料激光性能的测量设备，其特征是所述样品台(6) 为插片式样品台。
8.根据权利要求2所述的用于材料激光性能的测量设备，其特征是所述起偏器(4) 与检偏器( 为格兰-泰勒棱镜。
9.根据权利要求1所述的用于材料激光性能的测量设备，其特征是所述比例分光镜 ⑶的材料包括石英，比例分光镜⑶将激光光源⑴发出能量的5%分光后输入到激光能 量探测器(8)内，激光能量探测器(8)将比例分光镜( 分光后探测的能量输入到数据处 理器(1 内，数据处理器(1 根据激光能量探测器(8)探测分光能量信号控制激光光源 (1)的输出，使激光光源(1)的输出功率保持稳定。
10.根据权利要求1所述的用于材料激光性能的测量设备，其特征是所述样品台(6) 及第二激光能量探测器(9)的旋转均通过步进电机驱动。
全文摘要
本发明涉及一种用于材料激光性能的测量设备，其包括至少一个激光光源，激光光源的主光轴上设有比例分光镜，比例分光镜的主传输光路上设有可旋转的样品台或能绕样品台转动的第二激光能量探测器，副传输光路上设有能第一激光能量探测器；样品台的反射光路上设有反射镜，样品台上材料反射的激光通过反射镜反射到第二激光能量探测器内；数据处理器根据第一激光能量探测器探测的激光光源的激光能量信号，调整并控制激光光源的输出功率；数据处理器对第二激光能量探测器探测的激光能量信号处理后，存储并输出相应的材料激光反射能量角度分布特性。本发明结构简单紧凑，自动化程度高，测量精度高，使用方便，适应范围广，安全可靠。
文档编号G01N21/17GK102095688SQ20111005467
公开日2011年6月15日 申请日期2011年3月8日 优先权日2011年3月8日
发明者凌军, 吴坚业, 李昌立, 王海燕, 蒋晓军, 蔡红星, 谢卫, 郑峰 申请人:中国人民解放军总装备部工程兵科研一所, 长春理工大学