CN102322951A - 基于光压原理测量高能激光能量参数的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于基于光压法的高能激光能量参数测量方法和装置，在高能激入射光路上设置一只反射镜和变形杆，在反射镜激光入射方向的背面布置多只位移传感器，实时测量激光出光过程中光压引起的反射镜的微位移，解算得到激光产生的光压值，最后计算得到激光的平均功率、能量、P-t曲线和光斑质心变化等参数。该测量方法和装置在使用中不遮断光束、实现了高能激光无扰动传输的在线测量，提高了实验的效费比，同时测量系统本身不需要承受强激光辐照，可用于很高功率的激光参数测量。

Description

基于光压原理测量高能激光能量参数的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种激光能量参数的测量方法和装置，尤其涉及一种基于光压原理的高能激光参数测量方法和装置。

背景技术

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。高能激光的输出能量是表征激光效力的重要参数，通常采用热吸收法对高能激光的输出能量进行绝对测量。其原理是激光入射能量被吸收体吸收后，光能转换为热能，通过测量吸收体外壁温度探头的温升计算出入射激光的绝对能量。为实现高能激光的绝对测量，测量系统需要吸收全部的激光辐照，并采取有效的抗表面损伤措施及采用水循环散热以缩短热平衡时间。此外基于吸收原理的测量装置在使用中将激光能量全部吸收，无法满足激光实验中对光束在线监测的需求。

为实现激光能量参数的在线测量，1991年4月公开的中国专利88105433号，公开了一种基于光压原理的测量脉冲激光能量的测量装置，其核心部件是一只类似于扭秤工作原理的框架，框架的两侧安装两只反射镜，框架下部设置一个在磁场中的线圈，激光入射到反射镜上，在光压的作用下，框架转动，带动线圈在磁场中转动，产生感生电动势，从而测量得到光压值，再推算得到激光能量。该装置在应用中不遮断光束，可以实现激光能量参数在线监测，但是存在的问题是由于扭转结构的原因，只能用于脉冲激光的测量，难以用于连续波高能激光参数的测量。

发明内容

本发明目的是提供一种连续波高能激光能量参数测量方法和装置，在使用中不遮断光束，可实现对激光束在线监测。

本发明的技术解决方案为：

一种基于光压原理测量高能激光能量参数的方法，包括以下步骤：

1】在高能激光入射光路上设置光反射镜，该反射镜被变形杆固定，且变形杆可在光压作用下产生足够的扭曲变形和弯曲变形；

2】用至少3只位移传感器实时测量激光出光过程中光压引起的反射镜的微位移；

3】对上述多个位移传感器产生的微位移进行解算，得到激光产生的光压值；

4】按照光压和激光功率的关系，计算得到激光的功率值；

5】对出光时间内的激光功率积分得到入射激光的能量值。

上述对多个位移传感器产生的微位移进行解算得到激光光压值的具体步骤如下：

1】建立位移传感器位移δ与光压值F、施力点坐标(x，y)的关系：

$\mathrm{\δ}=F\·y_0^2(y_0-3y)/6\mathrm{EI}+F\·x\·x_0/{\mathrm{GI}}_t$

其中：

EI表示反射镜及变形杆的弯曲刚度，

GI_t表示反射镜及变形杆的扭转刚度，

变形杆上端的中部为坐标原点，

变形杆的长度方向为y轴，

宽度方向为x轴，

位移测点的坐标为(x₀，y₀)；

2】重复步骤1】建立多个位移传感器位移δ与光压值F、施力点坐标(x，y)的关系；

3】联立步骤2】得到的方程组，计算得到光压值F、施力点坐标(x，y)。

上述激光功率和光压的对应关系为：

F＝2·I·cosθ/c，

其中：

I为光功率，

F为光压，

c为光速，

θ为光入射方向与反射镜法线夹角。

一种基于光压原理测量高能激光能量参数的装置，其特殊之处是：包括反射镜、变形杆、机壳、至少3只设置在反射镜背光面的位移传感器；所述反射镜和变形杆设置在机壳内；所述变形杆的下端部与反射镜固连，变形杆的上端部与机壳固连；所述反射镜设置在激光入射光路上，激光入射方向与反射镜法线的夹角为45°～85°；所述多个位移传感器用于监测反射镜的微位移。

上述机壳为密封结构，机壳上设置有供入射光束和出射光束通过的光窗；上述入射光束窗口和出射光束窗口采用对被测激光波长高透的介质材料。

上述机壳底部安装有吸震元件。

上述变形杆与反射镜为同一种材料一体化加工而得。

上述反射镜为硅、石英或碳化硅制成，其迎光面镀有高反射膜。

上述位移传感器为光纤位移传感器或电容位移传感器。

上述位移传感器的位移测量分辨力为纳米级。

本发明具有以下的有益效果：

1、本发明实现了连续波高能激光能量参数的绝对测量，且测量方法与被测激光的波长不相关，具有广泛的适用性。

2、本发明的测量方法和装置在使用中不遮断光束、实现了高能激光无扰动传输的在线测量，提高了实验的效费比。

3、本发明的测量方法和装置将激光全发射，测量系统本身不需要承受强激光辐照，可用于很高功率的激光参数测量。

4、本发明的测量方法和装置在使用中除了测量激光能量值外，还可以测量功率随时间变化(P-t)曲线、光斑质心随时间变化等多种参数。

附图说明

图1是本发明光压法激光能量测量系统原理示意图；

图2是本发明反射镜和变形杆结构及理论模拟施力点、测点位置示意图；

图3是本发明反射镜在静力作用下位移数值模拟结果图；

图4是本发明反射镜模拟加载光压和对应的反射镜动态位移数值模拟结果图；其中，图4(a)为模拟的交变加载力随时间变化特性，图4(b)则为数值模拟得到的对应的反射镜5动态位移结果；

附图标记：1-出射光束；2-入射光束；3-光窗；4-机壳；5-反射镜；6-变形杆；7-位移测量仪；8-位移传感探头。

具体实施方式

本发明提出了一种基于测量动态光压的高能激光能量参数测量方法，将高能激光入射到带有变形杆6的反射镜5上，通过精确测量反射镜5在激光光压下的多点动态位移，计算得到激光能量等参数。

根据经典的电磁场方程，可以计算得出，当光入射到一个全反射面时，反射面承受的光压F与光功率I可表示为

F＝2·I·cosθ/c        (1)

其中：c为光速；θ为光入射方向与反射面法线夹角。对于200kW的高能激光而言，当垂直入射至镜面反射后带来的压力约为136mg力，以测量系统动态范围100倍估算，则测量系统压力的最小分辨率需要达到1.36mg以上。

对于mg级力的测量是一项技术难题，但随着近年来衡器技术的发展，出现了基于电磁感应、电容参数变化测量原理的精密天平，其基本原理多采用变形部件将mg级力转换为微位移，通过位移的精确测量得到物体的重量。现有精密天平分辨力可达到μg级，但是却难以直接应用到高能激光光压的测量，主要原因是精密天平测量微质量的方式为静态测量，而要满足现有高能激光参数测量的方式必须为动态测量，即测量系统需要满足一定的动态响应特性。这是因为现有的高能激光输出功率和光斑形状并不稳定，其功率随时间的变化(P-t)曲线类似于在高电平基础上叠加了部分缓变的小幅值电平，光斑的形状也随时间有一个缓慢变化过程，因而为了准确描述高能激光特性，需要对激光的平均功率、P-t曲线、能量值、入射光斑质心、质心随时间的变化等参数进行测量。

如图1所示，本发明的构思是：在高能激光光路上设置一只反射镜5，反射镜5与入射光束2方向基本垂直，反射镜5是通过一根变形杆6固定在仪器的机壳4上方。为了收集全部激光，反射镜5的尺度大于或等于光束尺度，反射镜5表面经过精加工后镀有针对该激光波长的高反射膜，高反射膜可以为多层介质反射膜，根据现有的镀膜工艺，反射率可达99.9％以上，可满足高能激光测量且不受损。

变形杆6和反射镜5选用硅、石英或碳化硅等介质材料制成，变形杆6与反射镜5一体化加工，也可以分体加工后固定。变形杆6的尺寸和结构设计是本发明的关键，既要满足激光光压测量的动态响应，又要在光压作用下产生足够的变形。在反射镜5与激光入射方向的背面，尽可能靠近边缘位置，安装有多只位移传感探头8，其中优选的方式为2只或4只非接触位移传感探头8，位移传感器可选用基于光纤原理非接触微位移传感器或电容原理的非接触位移传感器，其测量分辨率可达1nm，测量量程可达数μm。在采用不同工作原理的位移传感器时，根据需要可对反射镜5背光面进行漫反射或镀反射膜等工艺处理，以满足微位移参数的测量。

位移传感器实时测量在激光发射中反射镜5不同点光压产生的位移，结合反射镜5的数值模拟及整体标校结果，解算得到激光产生的光压值，再根据光压和能量的关系，得到激光的平均功率、能量、P-t曲线和光斑质心变化等参数。

为减小外界温度、震动、空气扰动等对测量系统的影响，测量系统安装在一个密封的机壳4中(图1只给出部分机壳结构)，被测激光经过入射窗口入射至反射镜后再经出射窗口出射，窗口材料可选择对该波长激光高透的材料。同时整个测量系统外壳内置恒温装置，并在机壳4的底部设计吸震部件，吸震部件可以为弹簧、海绵或其他组合部件。

为了提高光压值，希望激光入射方向镜面法线夹角尽可能小，但考虑到激光沿原路返回可能会对光学器件的破坏，故设置激光入射方向与反射镜法线的夹角为45°～85°。

为了验证本发明可行性，下面结合附图和具体实施例，对本发明的关键——反射镜5和变形杆6在微压作用下特性进行模拟计算。在图2中的实施例中，反射镜5和变形杆6设计为简单的悬臂梁结构，反射镜5的参数为40mm×40mm，厚度为3mm；变形杆6横截面为4mm×1mm长方形结构，高度为25mm，两者的材料均选用石英，变形杆6固定在反射镜5上部的中心部位，并与反射镜5一体化加工。在反射镜5上分别取1#、2#、3#、4#、5#为施力点，6#、7#则为位移测点，施力的方向和位移的方向均垂直于反射镜5的工作面。

下面给出具体的由位移到压力及加力位置坐标的解算方法：

在图2所示的直角坐标系中，以变形杆6上端的中部为坐标原点，变形杆6的长度方向为y轴，宽度方向为x轴，设压力的大小为F，加力点坐标为(x，y)，位移测点的坐标为(x₀，y₀)。

压力F在位移测点引起的位移δ包括压力F引起的变形杆在y轴上弯曲引起的位移δ′和压力F引起的变形杆6绕y轴的扭曲引起的位移δ″。

根据材料力学悬臂梁相关原理，则有：

${\mathrm{\δ}}^{\′}=F\·y_0^2(y_0-3y)/6\mathrm{EI}---\left(2\right)$

δ″＝F·x·x₀/GI_t             (3)

则在(x₀，y₀)点坐标布置的位移传感器得到的位移

$\mathrm{\δ}={\mathrm{\δ}}^{\′}+{\mathrm{\δ}}^{\′\′}=F\·y_0^2(y_0-3y)/6\mathrm{EI}+F\·x\·x_0/{\mathrm{GI}}_t---\left(4\right)$

其中：EI表示弯曲刚度，GI_t表示扭转刚度，均取决于反射镜5和变形杆6材料和结构。

公式(4)中包含3个未知量F、x、y，故需要在反射镜的至少3个不同位置处布放位移传感器，解算得到上述3个变量，再结合公式(1)，计算得到入射激光功率及光斑质心的位置，最后对出光时间内的激光功率积分还可以得到入射激光的总能量。

表1为采用ANSYS软件模拟计算的在1#、2#、3#、4#、5#点分别加1mg静力时，6#和7#位置测点垂直纸面方向反射镜5的位移变化值，图3为1mg静力加载在1#点时，反射镜5的位移模拟图，图中阴影部分是受力后变形杆6和反射镜5的所在位置，非阴影部分是受力前的变形杆6和反射镜5的所在位置。

表1：1mg静力加载在不同施力点时两个测点的位移变化值

模拟结果表明：同样1mg的力施加在不同位置时，引起的两个测点的位移不同，远离变形杆6的6#测点位移变化较大；当施力点偏离反射镜5和变形杆6的轴线时(如2#、3#点时)，会引起变形杆的局部扭转，导致出现表1所示的位移不一致性变化。这同时也表明，通过测量反射镜5不同点的位移变化，可以反推得到光压的施力点位置，即光斑的质心，而位移随时间的变化即可得到光斑质心随时间变化，对于高能激光系统的性能分析具有重要的意义。

为了进一步验证反射镜5在类似于高能激光时间特性的交变加载下的动态响应特性，在如图2所示的反射镜5的1#位置，模拟加载了一个交变力，力的平均幅值为10mg，在平均幅值基础上叠加了一个幅值为1mg的正弦交变力，交变力的频率为20Hz。根据多年从事高能激光参数测量的经验和对高能激光频谱特性的分析，高能激光输出P-t曲线类似于在平均功率基础上叠加了部分缓变的小幅值功率变化，该变化频率通常在20Hz以内，对于其他极少量的高频变化成份则在测量中可以忽略不计，故上述的加载模型能反映高能激光的时间特性。图4(a)为模拟的交变加载力随时间变化特性，图4(b)则为数值模拟得到的对应的反射镜5动态位移结果。从动态响应的幅值和频率参数比较来看，在20Hz的响应频带范围内，反射镜5的动态特性可以满足现有高能激光参数的测量。如果采用动态响应补偿技术，则可以进一步增大反射镜5和变形杆6的频带范围，更好地满足测量要求。

本发明不局限于上述具体实施方式，比如变形杆6的数量可以不止一根，其与反射镜5的固定部位也不仅限于反射镜5上部的中心部位，比如可以固定在反射镜5的背部，变形杆5除了固定在机壳4上部外，也可以固定在机壳4的侧面部位；位移传感探头8的数量不仅仅限于2只或4只，其在反射镜5背光面安装的位置也不仅限于边缘部位。以上变化均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于光压原理测量高能激光能量参数的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】在高能激光入射光路上设置光反射镜，该反射镜被变形杆固定，且变形杆可在光压作用下产生足够的扭曲变形和弯曲变形；

2】用至少3只位移传感器实时测量激光出光过程中光压引起的反射镜的微位移；

3】对上述多个位移传感器产生的微位移进行解算，得到激光产生的光压值；

4】按照光压和激光功率的关系，计算得到激光的功率值；

5】对出光时间内的激光功率积分得到入射激光的能量值。

2.根据权利要求1所述的基于光压原理测量高能激光能量参数的方法，其特征在于：所述对多个位移传感器产生的微位移进行解算得到激光光压值的具体步骤如下：

1】建立位移传感器位移δ与光压值F、施力点坐标(x，y)的关系：

$\mathrm{\δ}=F\·y_0^2(y_0-3y)/6\mathrm{EI}+F\·x\·x_0/{\mathrm{GI}}_t$

其中：

EI表示反射镜及变形杆的弯曲刚度，

GI_t表示反射镜及变形杆的扭转刚度，

变形杆上端的中部为坐标原点，

变形杆的长度方向为y轴，

宽度方向为x轴，

位移测点的坐标为(x₀，y₀)；

2】重复步骤1】建立多个位移传感器位移δ与光压值F、施力点坐标(x，y)的关系；

3】联立步骤2】得到的方程组，计算得到光压值F、施力点坐标(x，y)。

3.根据权利要求1或2所述的基于光压原理测量高能激光能量参数的方法，其特征在于：所述激光功率和光压的对应关系为：

F＝2·I·cosθ/c，

其中：

I为光功率，

F为光压，

c为光速，

θ为光入射方向与反射镜法线夹角。

4.一种基于光压原理测量高能激光能量参数的装置，其特征在于：包括反射镜、变形杆、机壳、至少3只设置在反射镜背光面的位移传感器；所述反射镜和变形杆设置在机壳内；所述变形杆的下端部与反射镜固连，变形杆的上端部与机壳固连；所述反射镜设置在激光入射光路上，激光入射方向与反射镜法线的夹角为45°～85°；所述多个位移传感器用于监测反射镜的微位移。

5.根据权利要求4所述的基于光压原理测量高能激光能量参数的装置，其特征在于：所述机壳为密封结构，机壳上设置有供入射光束和出射光束通过的光窗；所述入射光束窗口和出射光束窗口采用对被测激光波长高透的介质材料。

6.根据权利要求4或5所述的基于光压原理测量高能激光能量参数的装置，其特征在于：所述机壳底部安装有吸震元件。

7.根据权利要求4或5所述的基于光压原理测量高能激光能量参数的装置，其特征在于：所述变形杆与反射镜为同一种材料一体化加工而得。

8.根据权利要求7所述的基于光压原理测量高能激光能量参数的装置，其特征在于：所述反射镜为硅、石英或碳化硅制成，其迎光面镀有高反射膜。

9.根据权利要求4或5所述的基于光压原理测量高能激光能量参数的装置，其特征在于：所述位移传感器为光纤位移传感器或电容位移传感器。

10.根据权利要求9所述的基于光压原理测量高能激光能量参数的装置，其特征在于：所述位移传感器的位移测量分辨力为纳米级。

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