CN103063616A - 一种表面气流作用下材料反射率测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种表面气流作用下材料反射率测试系统，包括使气流通过试样表面的表面流场装置，表面流场装置包括气体喷嘴、导流板、保护罩，导流板紧贴积分球装置的试样窗口，试样嵌在导流板上，试样的受光面与导流板受光面平齐，保护罩为U形结构，其设置在导流板外部且与导流板之间形成一个与气体喷嘴相通的气体流动空腔，保护罩的受光面采用透光材料制成。本发明提供一种可在表面气流加载条件下的材料激光反射率测试系统，防止测量中污染物对积分球装置的污染，测量得到气流加载和激光辐照下材料表面反射率的真实变化规律，为激光辐照效应机理研究提供参数。

Description

一种表面气流作用下材料反射率测试系统
技术领域
本发明属于激光辐照效应测试技术，具体为一种可在表面气流加载条件下，对强激光辐照条件下的材料进行反射率测量的系统。
背景技术
激光与材料的耦合特性是开展激光辐照效应机理研究的基础，也是研究激光与材料相互作用过程中首先要解决的问题，通常采用材料的反射率特性来表征耦合特性。
如图1所示，材料的反射率参数常采用积分球替代法测量。激光由积分球入射孔进入积分球，辐照积分球右侧开孔处放置反射率为Rref的标准反射板，由探测器测量经过积分球反射后的信号Lref，然后将待测试样取代标准反射板，再由积分球测量反射信号Lsam，则试样反射率Rsam=Rref·Lsam/Lref。
在激光与运动目标相互作用过程中，由于效应物材料表面存在气流，气流将吹走材料表面烧蚀产物，并改变材料的表面状态，而采用常规积分球装置不能加载表面气流，无法测量得到效应物在激光辐照和气流作用下的反射率变化特性，且激光辐照过程中材料表面产生的烟灰等污染物将会把积分球内壁污染，并对测量结果带来较大的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种可在表面气流加载条件下的材料激光反射率测试系统，防止测量中污染物对积分球装置的污染，测量得到气流加载和激光辐照下材料表面反射率的真实变化规律，为激光辐照效应机理研究提供参数。
本发明的技术解决方案是：
一种表面气流作用下材料反射率测试系统，包括积分球装置、试样，所述的积分球装置设置有激光入射孔、探测器和测量孔，探测器安装在测量孔处，激光束经激光入射孔进入积分球装置内，探测器记录积分球装置内壁的反射光信号，其特殊之处在于：还包括使气流通过试样表面的表面流场装置，所述的表面流场装置包括气体喷嘴、导流板、保护罩，所述导流板紧贴积分球装置的试样窗口，所述试样嵌在导流板上，所述试样的受光面与导流板受光面平齐，所述保护罩为U形结构，其设置在导流板外部且与导流板之间形成一个与气体喷嘴相通的气体流动空腔，所述保护罩的受光面采用透光材料制成。
上述积分球装置还包括设置在积分球内壁上的抗强光片，所述的抗强光片安装在入射激光束经试样一次反射到积分球装置内壁位置处的抗强光片安装孔上。
上述抗强光片的迎光面抛光为漫反射面后再镀金处理。
上述的抗强光片的迎光面为曲面，曲面的曲率半径与积分球装置内壁曲率半径相同。
上述的激光入射孔中心与抗强光片安装孔中心对称设置在试样窗口截面的垂线方向的两侧，两个孔中心与窗口中心连线与试样窗口截面的垂线的夹角均为8°。
上述的探测器为铟镓砷探测器或碲镉汞探测器。
上述的保护罩的受光面采用石英材料制成。
上述气体流动空腔中的气体流场为亚音速流场。
本发明具有以下的有益效果：
1、本发明可以监测强激光和表面气流同时作用过程中，材料反射率的实时变化过程。
2、本发明可以防止材料辐照过程中污染物对积分球装置的污染。
3、本发明的测试系统可提供亚音速表面流场，模拟测试目标的运动环境。
4、本发明测试系统中在积分球内壁处安装有抗强光片，强光片的迎光面采用抛光为漫反射面后再镀金处理，并设置在入射激光束经试样一次反射到积分球装置内壁的位置处，满足了积分球内壁漫反射的要求，并提高了系统的承受激光辐照能力。
附图说明
图1为现有技术中积分球替代法测量反射率原理示意图；
图2为本发明表面气流作用下材料反射率测试系统原理示意图；
图3为本发明表面流场装置示意图；
图4为本发明表面流场装置和积分球装置安装位置示意图一；
图5为本发明表面流场装置和积分球装置安装位置示意图二；
附图标记为：1-积分球；2-入射激光；3-激光入射孔；4-探测器；5-测量孔；6-试样窗口；7-试样；8-保护罩；9-抗强光片；10-喷嘴；11-导流板；12-压块；13-抗强光片安装孔。
具体实施方式
如图2所示，本发明的表面气流作用下材料反射率测试系统，包括试样7、积分球装置1和表面流场装置，其中积分球装置1设置有激光入射孔3、探测器4、测量孔5、试样窗口6、抗强光片9和抗强光片安装孔13。激光束经激光入射孔3进入积分球装置1内，探测器4记录积分球装置1内壁的反射光信号。
为满足在表面流场作用下测量材料强激光反射率的要求，采用在积分球1上开长条形试样窗口6的方式，将表面流场装置的喷嘴10出口处的导流板11嵌入到积分球1内部，试样窗口相对位置见附图2。流场模拟器导流板11上开方形孔，并将试样7嵌入到导流板11上，试样7正表面与导流板11表面平齐，使试样7表面反射的激光返回到积分球1内部。导流板前加装U形结构的保护罩8，保护积分球1内壁不受激光辐照过程中的烧蚀产物污染。U形保护罩8采用石英制作，另外，U形保护罩8与试样7背部的压块12一起固定试样。
由于在测量强激光辐照下的反射率中，入射光第一次镜面反射的光强较强，为防止该位置的聚四氟乙烯涂层被破坏，在该位置嵌入抗强光片9提高破坏阈值。抗强光片9安装在入射激光束经试样7一次反射到积分球装置1内壁的位置处，抗强光片9迎光面与积分球1内壁保形，即曲面的曲率半径与积分球装置1内壁曲率半径相同，迎光面表面抛光为漫反射面后再镀金处理，可大大提高激光破环阈值。入射孔3中心与抗强光片安装孔13中心对称于试样窗口6截面垂线方向的两侧，两个孔中心与试样窗口6中心连线与窗口垂线的夹角均为8°。
下面给出本发明的具体实例：
积分球球体材料为不锈钢，采用两个半球壳拼接的方式加工。积分球内部喷涂聚四氟乙烯涂层作为漫反射涂层。积分球外径为300mm，壁厚1mm，入射孔直径30mm，抗强光片安装孔直径35mm，探测器孔直径20mm。试样窗口上下宽60mm，窗口截面距离球心为135mm。
表面流场装置喷嘴出口尺寸为50×8mm，采用高压气瓶作为气源，通过喷嘴进入导流板与U形保护罩之间的通道，模拟气流速度范围为0~80m/s。流场模拟器导流板上开方形孔，孔尺寸为60mm×50mm。U形保护罩正面壁厚2mm，采用螺钉将保护罩固定在导流板正面。
积分球输出信号采用光电探测器测量。探测器包括铟镓砷探测器和碲镉汞探测器，响应波长分别为0.9～1.7μm、1.0~7.0μm。标准反射板尺寸为60mm×50mm×4mm。
利用本系统测量材料在表面流场作用下激光反射率实验步骤如下：
1、按照附图2所示组装测试系统，使入射激光的镜面反射光反射到抗强光片中心；
2、确定激光出光参数，如出光功率、出光时间、靶面光斑尺寸等；
3、设定表面流场模拟器出口流速，开始吹气；
4、激光器出光，监测材料表面反射信号；
5、停止出光，保存实验数据，计算材料反射率，实验结束。
该系统已经应用于材料激光辐照效应，实现了亚音速表面气流加载下材料反射率测试，对分析气流加载下材料激光辐照效应具有重要意义。

Claims (8)

1.一种表面气流作用下材料反射率测试系统，包括积分球装置（1）、试样（7），所述的积分球装置（1）设置有激光入射孔（3）、探测器（4）和测量孔（5），探测器（4）安装在测量孔（5）处，激光束经激光入射孔（3）进入积分球装置（1）内，探测器（4）记录积分球装置（1）内壁的反射光信号，其特征在于：还包括使气流通过试样（7）表面的表面流场装置，所述的表面流场装置包括气体喷嘴（10）、导流板（11）、保护罩（8），所述导流板（11）紧贴积分球装置（1）的试样窗口（6），所述试样（7）嵌在导流板（11）上，所述试样（7）的受光面与导流板（11）受光面平齐，所述保护罩为U形结构，其设置在导流板（11）外部且与导流板（11）之间形成一个与气体喷嘴（10）相通的气体流动空腔，所述保护罩（8）的受光面采用透光材料制成。
2.根据权利要求1所述的表面气流作用下材料反射率测试系统，其特征在于：所述积分球装置（1）还包括设置在积分球内壁上的抗强光片（9），所述的抗强光片（9）安装在入射激光束（2）经试样（7）一次反射到积分球装置（1）内壁位置处的抗强光片安装孔（13）上。
3.根据权利要求2所述的表面气流作用下材料反射率测试系统，其特征在于：所述抗强光片（9）的迎光面抛光为漫反射面后再镀金处理。
4.根据权利要求3所述的表面气流作用下材料反射率测试系统，其特征在于：所述的抗强光片（9）的迎光面为曲面，曲面的曲率半径与积分球装置（1）内壁曲率半径相同。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的表面气流作用下材料反射率测试系统，其特征在于：所述的激光入射孔（3）中心与抗强光片安装孔（13）中心对称设置在试样窗口（6）截面的垂线方向的两侧，两个孔中心与窗口中心连线与试样窗口（6）截面的垂线的夹角均为8°。
6.根据权利要求5所述的表面气流作用下材料反射率测试系统，其特征在于：所述的探测器（4）为铟镓砷探测器或碲镉汞探测器。
7.根据权利要求6所述的表面气流作用下材料反射率测试系统，其特征在于：所述的保护罩（8）的受光面采用石英材料制成。
8.根据权利要求7所述的表面气流作用下材料反射率测试系统，其特征在于：所述气体流动空腔中的气体流场为亚音速流场。
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