CN102620815B - 基于光纤光栅的高能激光光束参数诊断方法及诊断仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅的高能激光光束参数诊断方法和诊断仪装置，根据光纤布拉格光栅中心波长随温度线性漂移的原理，利用光纤对高能激光吸收系数小、吸收面积小、表面积体积比高的特点，结合光纤光栅波长解调方法，实现了对大面积高功率密度激光光斑的长时间实时测量。另外本装置还可以根据实际测量需要灵活的更换纤光栅阵列，如阵列的大小、所使用光纤光栅栅区长度以及光纤半径等，实现对不同光斑大小、不同分辨率以及不同灵敏度的测量。另外，本发明能够实现高功率激光能量分布和总能量等光束参数测量并具有结构简单，抗激光损伤能力强等特点。

Description

基于光纤光栅的高能激光光束参数诊断方法及诊断仪

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纤光测温原理的高能激光光束参数诊断方法和装置。

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。高能激光的能量及能量密度分布是表征激光效力的重要参数，通常采用阵列单元热吸收法对高能激光的输出能量参数进行绝对测量，其原理是将量热石墨等单元布成面阵结构，激光入射能量被吸收体单元吸收后，光能转换为热能，通过测量吸收体温度探头的温升计算出入射到热吸收体的高能激光的能量，对整个面阵处理，得到高能激光的能量密度分布和高能激光的总能量。

在测量系统实际测量中，热吸收单元在应用中存在着容易被激光烧蚀的缺点，而且因热平衡时间较长，给测量带来不便，现有的采用水循环散热或空气对流散热的方法，只能在一定程度上有所改善，随着高能激光输出功率的提高，该测量方法的使用必然会受到限制。此外基于热吸收原理的测量装置在使用中将激光能量全部吸收或者阻挡，无法满足实验中对激光光束在线监测的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种针对大面积高能激光能量和能量密度分布参数测量方法和装置，在使用中不遮挡光束，可实现对激光束在线监测。透过测量系统后的光束可以用作高能激光效应实验，可大大提高实验效费比。

本发明的技术解决方案为：

基于光纤光栅的高能激光光束参数诊断方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1】在高能激光束传播路径上设置多只在空间上排布成面阵结构的光纤光栅，其中光纤光栅通过光纤与远离高能激光束的波长解调设备联接；

2】标定每只光纤光栅波长漂移值与辐照至光纤光栅激光功率的对应关系；

3】高能激光辐照下光纤光栅吸热产生温升，引起光纤光栅的波长漂移；

4】波长解调设备测量得到每只光纤光栅的波长漂移值；

5】根据波长漂移值与辐照至光纤光栅激光功率的对应关系，计算得到辐照到每只光纤光栅的激功率密度；

6】对所有光纤光栅探测点进行空间积分，得到激光总功率。

上述步骤2】中每只光纤光栅波长漂移值与辐照至光纤光栅激光功率对应关系的标定方法是：将功率密度已知且可调的标定光源依次入射到每只光纤光栅栅区，测量光纤光栅的波长漂移值，得到功率密度与波长漂移值的对应关系；所述标定光源的光束覆盖光纤光栅的栅区，所述被测高能激光的功率密度包含在标定光源的功率密度可调范围内。

基于光纤光栅的高能激光光束参数诊断仪，其特殊之处在于：包括波长解调设备、对高能激光束空间传播不遮挡的机壳和多只在空间上排布成面阵结构的光纤光栅；所述光纤光栅设置在光纤上并固定在机壳上；所述光纤光栅通过光纤与远端的波长解调设备连接。

上述的多只光纤光栅设置在同一根光纤上，该光纤采用弯曲盘绕在机壳上，或者采用纤轴横向和纤轴纵向相互交错的排布方式盘绕在机壳上；所述的多只光纤光栅还可设置在不同的光纤上，采用沿光束方向前后各布置两个面阵取样，其中一个面阵为纤轴横向排布，另一个面阵为纤轴纵向排布的方式。

上述的光纤光栅的纤轴方向与入射高能激光入射方向夹角为45至90度；所述光纤光栅栅区在高能激光束方向上的投影长度与相邻光纤光栅之间的间距一致。

上述的光纤光栅直接刻蚀在光纤上或融接在光纤上。

上述机壳上设置有对高能激光高透射的入射窗口和出射窗口，所述入射窗口和出射窗口位于高能激光束入射和出射方向并与机壳构成密封结构。

上述的波长解调设备由光纤环路器、宽谱光源以及光纤光栅解调仪组成。

上述光纤光栅的栅区长度为2至10mm。

上述入射窗口和出射窗口的材料为石英、硅或碳化硅。

本发明具有以下的有益效果：

1、本发明实现了大面积高能激光能量和能量密度分布参数的绝对测量，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、本发明利用光纤对激光的吸收系数和吸收面积小，而且拥有极大的表面积体积比，因此它能够很快的散失吸收的热量，从而迅速达到热平衡，可实现对激功率密度参数瞬态变化的测量。

3、本发明的测量方法和装置在使用中石英光纤本身对激光吸收较少，对光束遮断较少，实现了高能激光基本无扰动传输的在线测量，提高了实验的效费比。

4、本发明的测量方法和装置利用光纤光栅测温原理实现，由于石英光纤承受激光辐照能力较强，故可用于很高功率的激光参数测量。

5、本发明的测量方法和装置采用栅区很短的光纤光栅结合紧密排布的光纤结构，实现了较高空间分辨率的测量。

6、本发明采用光纤光栅构成的面阵对激光光斑进行测量，可以获得激光光斑功率密度分布及总能量等参数

7、本发明中光纤光栅与激光入射方向呈一定的角度设置，使得长栅区的光纤光栅可以实现较高的空间分辨率测量。

8、本发明采用光斑较小的低功率光源对光纤光栅参数进行标定，得到每只光纤光栅波长漂移值与辐照功率密度的对应关系，并将标定结果应用到多只光纤光栅中，实现了大面积高能激光光束参数的测量。

附图说明

图1是本发明基于光纤光栅的高能激光光束参数诊断仪组成原理示意图；

图2是本发明光纤光栅与激光束入射方向布局的一种优选方式示意图；

图3是本发明基于光纤光栅的高能激光光束参数诊断仪的一种优选实施方式组成原理示意图；

图4是本发明标定实验得到的光纤光栅波长与激功率密度的对应结果；

其中：1-机壳；2-光纤光栅；3-光纤；4-波长解调设备；5-高能激光束；6-光纤环路器；7-宽谱光源；8-光纤光栅解调仪。

具体实施方式

本发明的基本思路是采用布拉格光栅(FBG)阵列对高能激光光束进行测量。由于光纤对激光的吸收系数和吸收面积小，而且拥有极大的表面积体积比，因此它能够很快的散失吸收的热量，从而迅速达到热平衡。这样一来，光纤能够承受很长时间的激光辐照，从而实现对激光光斑的长时间测量。将FBG刻写在光纤纤芯中，由于FBG中心波长随着温度发生线性变化(约为10pm/℃)，所以激光辐照过程中FBG的中心波长会随光纤温度发生变化。由于本发明使用FBG阵列对激光光斑进行测量，所以可以获得激光光斑功率密度分布情况，进而获得激光功率以及能量信息。在达到热平衡后，FBG的波长变化还能够实时反映激光光斑分布的变化。

如图1所示，本发明基于光纤光栅2的高能激光光束参数诊断仪由光纤3、设置在光纤3上的光纤光栅2、机壳1和波长解调设备4组成。光纤光栅2可以采用直接刻蚀在光纤3上，也可以采用光纤融接的方法融接在光纤3上，多只光纤光栅2在空间上布成面阵结构，实现高能激光束5的空间取样，光纤3固定在机壳1上，并与远端的波长解调设备4连接。机壳1为空心结构，可使高能激光束5沿原方向传播而不遮挡，波长解调设备4远离高能激光束5，避免受激光辐照损伤；由于石英光纤本身对激光吸收较少，对光束遮断较少，实现了对高能激光基本无扰动传输的在线测量，提高了实验的效费比。

在应用中高能激光束5可以与光纤光栅2纤轴方向垂直，也可以与纤轴方向呈一定的夹角。通常光纤光栅的纤轴方向与入射高能激光入射方向夹角在45至90度为佳；如图2所示，当纤轴方向与高能激光束5呈一定的斜角时，只是在计算时需要考虑光纤光栅2吸收的热量与栅区长度在高能激光束5上的投影长度相关，这种布局可以满足现有的长栅区光纤光栅2实现高空间分辨率的取样测量。

光纤光栅2可以刻蚀在多根光纤3上，通过波长解调设备4进行解调后，计算得到所需要的参数。图3作为一种优选的实施方式，光纤光栅2沿光纤3长度方向均匀设置在一根光纤3上，光纤3弯曲盘绕在机壳1上且在高能激光辐照区域内为平行排列。为了在整个取样平面内得到一致的空间分辨率，可以使得平行排列光纤3组中相邻光纤3的间距与光纤光栅2栅区长度在高能激光束5方向上的投影长度大致相等。每只光纤光栅2反射光谱的中心波长与其他光纤光栅2反射的中心波长均有差别，在测量装置中应用的光纤光栅2数量取决于宽谱光源7的谱宽和光纤光栅解调仪8的波长分辨率。

光纤光栅解调设备可选用多种原理制成，现有的波长解调技术有CCD解调法、扫波长解调法等。本发明的波长解调设备4选用最普通的CCD解调方法即可，如图3所示，光纤解调设备4由光纤环路器6、宽谱光源7和光纤光栅解调仪8组成；宽谱光源7发出的激光被光纤光栅2反射进入光纤光栅解调仪8，当光纤光栅2温度发生变化时，其反射谱中心波长也会发生相应的变化。这样通过解调其反射谱中心波长的变化就能反映其温度变化，结合标定数据得到激功率密度值。

为了防尘以及为光纤光栅2吸热和散热提供一个相对稳定的密闭空间，诊断仪的机壳1在高能激光入射和出射方向分别设置有对高能激光高透射的入射窗口和出射窗口，两个窗口和机壳1构成密封体，窗口材料可根据高能激光的特性选择石英、硅或碳化硅，通常情况下其对该波长高能激光的透过率大于95％；光纤3则选用石英光纤3，石英承受激光辐照能力强，且由于芯径较细，对高能激光束5遮挡率较低，此外石英光纤3上容易刻蚀光纤光栅2。本发明的光纤光栅2可采用长度为10mm的长栅区光纤光栅2，也可以采用长度为2mm的短栅区光纤光栅2，可实现空间分辨率2mm的高能激光光束参数测量。

本发明基于光纤光栅的高能激光光束参数诊断方法的具体步骤为：

1】将高能激光光束参数诊断仪放置在被测量高能激光光路上；

2】高能激光辐照下光纤光栅吸热产生温升，引起光纤光栅的波长漂移；

3】采用波长解调设备测量得到光纤光栅的波长漂移值；

4】根据事先标定得到的每只光纤光栅的波长漂移值与激光功率的对应关系，计算得到辐照到每只光纤光栅的激功率密度；

5】对所有光纤光栅探测结果进行空间积分，得到激光总功率。

本发明的基于光纤光栅的高能激光光束参数诊断仪在使用前需要对每只光纤光栅的特性参数进行标定，具体的标定步骤是：将功率密度已知且可调的小面积光源依次入射到每只光纤光栅栅区，采用波长解调设备测量光纤光栅的波长漂移值，得到功率密度与波长漂移值的对应关系；标定中光源可以经过光束空间匀化后的光纤激光或其他稳定光源，光束覆盖光纤光栅的栅区，被测高能激光的功率密度包含在标定光源的功率密度可调范围内，这样可以确保测量的可靠性。

图4为标定得到的光纤光栅2波长漂移值与对应激功率密度的实验结果。根据每只光纤光栅的上述对应关系和实际测量高能激光光束时得到的波长漂移值，可以很容易计算得到被测量的高能激功率密度。这样以来，采用光斑较小的低功率光源就可以对每只光纤光栅参数进行标定，并实现大面积的高能激光光束参数的测量。

本发明不局限于上述具体实施方式，比如波长解调设备4可选用透射式的解调仪，光纤光栅2在取样空间的排布可以多种多样，比如光纤光栅2可以采用纤轴横向和纤轴纵向相互交错的排布方式，也可以选用沿光束方向前后各布置两个面阵取样，其中一个面阵为纤轴横向排布，另一个面阵为纤轴纵向排布等方式。以上变化均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.基于光纤光栅的高能激光光束参数诊断仪，其特征在于：包括波长解调设备、对高能激光束空间传播不遮挡的机壳和多只在空间上排布成面阵结构的光纤光栅；所述光纤光栅设置在光纤上并固定在机壳上；所述光纤光栅通过光纤与远端的波长解调设备连接；所述的光纤光栅的纤轴方向与入射高能激光入射方向夹角为45至90度；所述光纤光栅栅区在高能激光束方向上的投影长度与相邻光纤光栅之间的间距一致。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的高能激光光束参数诊断仪，其特征在于：所述的多只光纤光栅设置在同一根光纤上，该光纤采用弯曲盘绕在机壳上，或者采用纤轴横向和纤轴纵向相互交错的排布方式盘绕在机壳上；所述的多只光纤光栅还设置在不同的光纤上，采用沿光束方向前后各布置两个面阵取样，其中一个面阵为纤轴横向排布，另一个面阵为纤轴纵向排布的方式。

3.根据权利要求2所述的基于光纤光栅的高能激光光束参数诊断仪，其特征在于：所述的光纤光栅直接刻蚀在光纤上或融接在光纤上。

4.根据权利要求3所述的基于光纤光栅的高能激光光束参数诊断仪，其特征在于：所述机壳上设置有对高能激光高透射的入射窗口和出射窗口，所述入射窗口和出射窗口位于高能激光束入射和出射方向并与机壳构成密封结构。

5.根据权利要求4所述的基于光纤光栅的高能激光光束参数诊断仪，其特征在于：所述的波长解调设备由光纤环路器、宽谱光源以及光纤光栅解调仪组成。

6.根据权利要求5所述的基于光纤光栅的高能激光光束参数诊断仪，其特征在于：所述光纤光栅的栅区长度为2至10mm。

7.根据权利要求6所述的基于光纤光栅的高能激光光束参数诊断仪，其特征在于：所述入射窗口和出射窗口的材料为石英、硅或碳化硅。

8.利用权利要求1所述的基于光纤光栅的高能激光光束参数诊断仪进行高能激光光束参数的诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

1】在高能激光束传播路径上设置多只在空间上排布成面阵结构的光纤光栅，其中光纤光栅通过光纤与远离高能激光束的波长解调设备联接；

2】标定每只光纤光栅波长漂移值与辐照至光纤光栅激光功率的对应关系；

3】高能激光辐照下光纤光栅吸热产生温升，引起光纤光栅的波长漂移；

4】波长解调设备测量得到每只光纤光栅的波长漂移值；

5】根据波长漂移值与辐照至光纤光栅激光功率的对应关系，计算得到辐照到每只光纤光栅的激光功率密度；

6】对所有光纤光栅探测点进行空间积分，得到激光总功率。

9.根据权利要求8所述的基于光纤光栅的高能激光光束参数诊断仪进行高能激光光束参数的诊断方法，其特征在于：所述步骤2】中每只光纤光栅波长漂移值与辐照至光纤光栅激光功率对应关系的标定方法是：将功率密度已知且可调的标定光源依次入射到每只光纤光栅栅区，测量光纤光栅的波长漂移值，得到功率密度与波长漂移值的对应关系；所述标定光源的光束覆盖光纤光栅的栅区，被测高能激光的功率密度包含在标定光源的功率密度可调范围内。