CN102419214B - 一种光热/光电复合式高能激光参数测量装置 - Google Patents

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Abstract

一种光热/光电复合式高能激光参数测量装置，由若干个布成面阵结构激光参数探测单元和后续信号采集处理单元组成。激光参数探测单元包括量热单元和光电探测单元，量热单元由激光吸收单元和在激光吸收单元内部安装的温度传感器组成；光电探测单元由光衰减单元和光电探测器组成；激光吸收单元上有光束取样孔，使得经过光束取样孔的入射激光再经过衰减单元后耦合进光电探测器光敏面。本发明采用的分立结构的量热单元与光电探测器阵列复合测量，可以实现激光总能量、激光光能量空间分布、光斑功率密度时空分布的准确测量，并具有单元通道独立标定方便、单元通道损坏后容易更换等优点。

Description

一种光热/光电复合式高能激光参数测量装置
技术领域
本发明涉及一种用于高能激光参数的探测系统，尤其是一种基于光电/光热复合原理的高能激光参数测量装置。
背景技术
在高能激光参数测量中，激光总能量和光斑功率密度时空分布信息是两个非常重要的参数。激光能量和光斑功率密度时空分布的测量目前较为常用的方法主要有基于光热原理和光电原理两种。
光热原理的测量方法如2000年第12卷《强激光与粒子束》公开的“一种新型高能激光束能量分布探测器”，采用石墨作为能量吸收体，将吸收的激光能量并转化成石墨的温升，从而推算得到高能激光的总能量；光电原理通常将探测器布成面阵结构，利用光电探测器阵列对衰减后的激光光束取样测量，从而得到激光功率密度时空分布参数，并积分得到激光总能量值。
光热法只能得到激光的能量及能量分布，难以得到激光功率密度分布随时间变化结果，光电法可以得到激光功率密度时空分布，但是由于取样的原因，难以得到真实的激光总能量值及能量的空间分布参数。
发明内容
本发明目的是提供一种基于光电/光热复合原理的高能激光参数测量装置，可准确测量激光总能量、激光能量空间分布和光斑功率密度时空分布参数等。
本发明的技术解决方案是：
一种光电/光热复合式高能激光参数测量装置，包括激光参数探测系统和后续信号采集处理系统；所述激光参数探测系统包括若干个布成面阵结构的激光参数探测单元，其特殊之处是：所述的激光参数探测单元包括量热单元和光电探测单元，所述的量热单元由激光吸收单元和在激光吸收单元内部安装的温度传感器组成；所述相邻激光吸收单元的前端迎光面无缝拼接为面阵；所述光电探测单元由设置在激光吸收单元中心的圆锥状光束取样孔、设置在光束取样孔后方的光衰减单元和光电探测器组成，所述圆锥状光束取样孔沿激光入射方向锥孔的截面面积均匀减小；所述光电探测器的输出端接后续信号采集处理系统。
上述测量装置还包括陶瓷隔热板；所述激光吸收单元与光衰减单元分别固定安装在一整块陶瓷隔热板的两侧。
上述的激光吸收单元由锥台状的前端和圆柱状的后端两部分组成。
上述的激光吸收单元后端加工有定位槽，所述陶瓷隔热板与激光吸收单元安装位置加工有与定位槽匹配的定位凸圈。
上述的陶瓷隔热板、激光吸收单元与衰减单元采用陶瓷螺栓固定。
上述的温度传感器为热电偶或热电堆；所述的抗激光辐照膜材料为碳化硅；所述的光衰减单元为积分球衰减器或光吸收衰减片；所述的光吸收衰减片为灰片或中性衰减片。
上述的激光吸收单元采用石墨材料加工而成。
上述的激光吸收单元采用铝或铜制成，在吸收单元的迎光面喷涂有抗激光辐照膜。
本发明具有的有益效果有：
1、本发明采用的分立结构的量热单元与光电探测器阵列复合测量，可以实现激光总能量、激光光能量空间分布、光斑功率密度时空分布的准确测量，
2、本发明采用的激光吸收单元无缝拼接面阵结构，确保了测量系统对于全部激光辐照的吸收，提高了能量测量的准确性。
3、本发明采用分立结构的量热单元，量热单元中的激光吸收单元的前端为锥台状，相邻激光吸收单元的前端成线接触、激光吸收单元与衰减单元之间安装有陶瓷隔热片，最大限度减小了各个量热单元之间的热串扰，同时结合量热单元模块间传热理论模拟修正的方法，采用确保了能量分布测量的准确性。
4、本发明采用的分立结构的探测阵列测量方法，具有单元通道独立标定方便、单元通道损坏后容易更换等优点。
5、通过更换不同类型的探测器和衰减方式，可实现多种功率、多种波长激光参数测量，具有广泛的适用性。
附图说明
图1为本发明激光吸收单元结构示意图；
图2为本发明激光吸收单元圆锥孔结构示意图；
图3为本发明激光吸收单元与陶瓷隔热板、衰减单元、光电探测器阵列安装示意图；
图4为本发明光电/光热复合式高能激光参数测量装置(即复合式高能激光探测阵列靶斑仪)正视图；
其中：1-激光吸收单元前端；2-激光吸收单元后端；3-螺钉固定孔；4-定位槽；5-温度传感器安装孔；6-光束取样孔；7-线接触部位；8-陶瓷隔热板；9-光衰减单元；10-光电探测器；11-外框；12-激光吸收单元。
具体实施方式
本发明的光电/光热复合式高能激光参数测量装置由若干个布成面阵结构激光参数探测单元、多路信号调理及放大电路和多通道数据采集及处理系统组成，激光参数探测单元输出信号经过信号调理和放大后，由数据采集系统采集处理后得到激光参数。激光参数探测单元包括量热单元和光电探测单元，量热单元由激光吸收单元和在激光吸收单元内部安装的温度传感器组成，量热单元用于测量激光的总能量和能量分布值。光电探测单元由光衰减单元9和光电探测器10组成，用于测量激光的功率密度时空分布。由于测量的激光功率密度较高，而常用光电探测器的线性饱和阈值较低，故需要在光电探测器前设置光衰减单元9，以对激光的功率密度进行衰减。
在图1和图2所示的激光吸收单元中，激光吸收单元12由锥台状的前端1和圆柱状的后端2两部分组成，前端1沿激光入射方向的横截面成正方形，并对每个面在轴线方向上进行了斜切处理，使得沿激光入射方向正方形的尺寸均匀减小，以便后续多只激光吸收单元12无缝拼接成面阵结构时，相邻的激光吸收单元12之间在前端最大截面处形成线接触；光束取样孔6为设置在激光吸收单元12中心的圆锥孔，圆锥孔的大端为激光入射的方向，沿激光入射方向锥孔的截面面积均匀减小，圆椎孔的锥角要根据激光吸收单元12的长度确定，通常情况下锥角尽可能大，这样在应用中即使激光非垂直入射时，光线也能通过锥孔耦合进探测器光敏面。激光吸收单元12的后端2端面开有三只孔，一只孔用于安装温度传感器5，另外两只孔为螺钉固定孔3，同时后端2的端面刻有定位槽4，用于激光吸收单元的安装限位，确保其安装精度。
激光吸收单元12可以采用石墨加工而成，具有抗激光破坏阈值高的特点，也可以采用铝或铜等金属材料制成，并在其表面喷涂有碳化硅等抗激光辐照膜；温度传感器可选用热电偶或热电堆；光衰减器为积分球衰减器，也可以选取合适波长的灰片或跟波长无关的中性衰减片等。其中积分球衰减器包括一个激光入射孔和一个激光出射孔和一个漫反射内表面的球形空腔，激光经入射孔入射进球形空腔后经过多次均匀漫反射后大部分能量被吸收后由激光出射孔出射，实现对激光功率密度的衰减。
如图3和图4所示，靶斑仪的热吸收部分由若干个激光探测单元无缝拼接成面阵，这样几乎可以吸收全部能量的激光，避免对激光能量取样测量中带来的不确定度，确保激光总能量测量准确性；同时为确保能量空间分布测量的准确度，就要尽可能减少激光吸收单元之间的热串扰，采取的措施有：一、激光吸收单元12的前端1在轴线方向上进行了斜切处理，使得相邻激光吸收单元12的前端1最大截面处成线接触7，其余地方不互相接触；二、激光吸收单元12与光衰减单元9分别安装在一整块陶瓷隔热板8的两侧，并利用陶瓷螺栓将激光吸收单元12、光衰减单元9与陶瓷隔热板8固定为一体；陶瓷隔热板8与激光吸收单元安装位置加工有与定位槽4对应的定位凸圈，所谓定位凸圈为一只外凸的圆筒状结构，其内径、外径和高度均与定位槽4尺寸相匹配，可保证激光吸收单元的安装精度。
此外在激光能量密度分布计算处理中，根据每个量热单元的尺寸及材料特性、空间位置和边界条件等参数，采用ANSYS软件进行了数值模拟，得到了每只量热单元的交叉传导系数，这样可以根据实测的总能量值，计算得到准确的激光能量空间分布值。
采用本发明的装置测量高能激光参数的步骤如下：
首先，对所述的测量装置中每只温度传感器所测量的温度信号进行处理，得到每一只激光吸收单元吸收的能量Ei，进行求和后得到入射激光总能量E；
其次，根据每一只激光吸收单元占据的空间面积Ai、所测激光能量Ei，并结合热传导理论模拟得到的每只激光吸收单元的交叉传导系数ki，求出每一量热单元处的激光能量空间分布值E′i＝ki·Ei/Ai；其中交叉传导系数是采用ANSYS软件进行数值模拟后所得，其值取决于每个量热单元的尺寸及材料特性、空间位置和边界条件等参数。
最后，对记录的光电探测器输出信号进行处理，得到每一个光电探测器测量处的实时激光功率密度相对值，利用所测的激光总能量E进行校准后，再进行空间插值处理，得到激光功率密度时空分布值Pi，t。
上述光电/光热复合式高能激光参数测量装置在高能激光参数测量试验中得到成功应用，准确测量得到了入射激光的总能量、激光光能量空间分布和光斑功率密度时空分布参数，试验结果表明总能量测量不确定度优于5％。经过多次的试验测量考核，结果表明该种光热与光电复合型阵列靶斑仪具有抗激光破坏阈值高、测量准确等优点。

Claims (8)

1.一种光电/光热复合式高能激光参数测量装置，包括激光参数探测系统和后续信号采集处理系统；所述激光参数探测系统包括若干个布成面阵结构的激光参数探测单元，其特征在于：所述的激光参数探测单元包括量热单元和光电探测单元，所述的量热单元由激光吸收单元和在激光吸收单元内部安装的温度传感器组成；所述激光吸收单元的前端为锥台状，所述相邻激光吸收单元的前端迎光面无缝拼接为面阵，且相邻的激光吸收单元之间在前端最大截面处形成线接触；所述光电探测单元由设置在激光吸收单元中心的圆锥状光束取样孔、设置在光束取样孔后方的光衰减单元和光电探测器组成，所述圆锥状光束取样孔沿激光入射方向锥孔的截面面积均匀减小；所述光电探测器的输出端接后续信号采集处理系统。
2.根据权利要求1所述的光电/光热复合式高能激光参数测量装置，其特征在于：还包括陶瓷隔热板；所述激光吸收单元与光衰减单元分别固定安装在一整块陶瓷隔热板的两侧。
3.根据权利要求1或2所述的光电/光热复合式高能激光参数测量装置，其特征在于：所述的激光吸收单元由锥台状的前端和圆柱状的后端两部分组成。
4.根据权利要求3所述的光电/光热复合式高能激光参数测量装置，其特征在于：所述的激光吸收单元后端加工有定位槽，所述陶瓷隔热板与激光吸收单元安装位置加工有与定位槽匹配的定位凸圈。
5.根据权利要求4所述的光电/光热复合式高能激光参数测量装置，其特征在于：所述的陶瓷隔热板、激光吸收单元与衰减单元采用陶瓷螺栓固定。
6.根据权利要求5所述的光电/光热复合式高能激光参数测量装置，其特征在于：所述的温度传感器为热电偶或热电堆；所述的抗激光辐照膜材料位碳化硅；所述的光衰减单元为积分球衰减器或光吸收衰减片；所述的光吸收衰减片为灰片或中性衰减片。
7.如根据权利要求5所述的光电/光热复合式高能激光参数测量装置，其特征在于：所述的激光吸收单元采用石墨材料加工而成。
8.根据权利要求5所述的光电/光热复合式高能激光参数测量装置，其特征在于：所述的激光吸收单元采用铝或铜制成，在吸收单元的迎光面喷涂有抗激光辐照膜。
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