CN103308481A - 强激光条件下材料光学性能测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种强激光条件下材料光学性能测量装置，能够对材料在强激光条件下的透射性、反射性进行测试，还能对材料进行高能激光毁伤机理的研究及抗激光能力测试。测量装置包括测评部分和冷却装置，测评部分包括红外发生装置，密封分度盘和光功率探测装置，红外发生装置采用输出功率大于40W的CO2激光管；密封分度盘中设置有可以转动的样品支撑盘和支撑转盘，光功率探测装置的探测头固定在支撑转盘上，待测材料的样品固定在样品支撑盘上，通过刻度盘对样品支撑盘和支撑转盘的相对转角进行精确测量。同时采用半导体制冷片对CO2激光管进行制冷，并通过温度传感器、温控仪及电磁继电器使冷却装置制冷量可控，保证激光器维持在最佳工作状态。
Description
技术领域
发明涉及一种测量装置，具体涉及一种强激光条件下材料光学性能测量装置。
背景技术
目前国内测试材料对激光透过率、反射率、吸收率等性能均采用激光光谱分析仪、激光分光光度计等，功率仅为毫瓦级别，尚没有直接测量材料在强功率激光条件下透过及吸收性能的设备。所述的强功率激光指功率大于40W的激光。
同时由于传统的材料光学性能测量装置均在小功率激光条件下进行测量，只能测试材料的透过率、吸收率等性能，不能进行高能激光毁伤机理的研究及材料抗激光能力的测试。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种强激光条件下材料光学性能测量装置，不仅能够对材料在强激光条件下的透过性能、反射能力进行测试，还能对材料进行高能激光毁伤机理的研究及抗激光能力测试。
本发明的强激光条件下材料光学性能测量装置包括：测评装置和冷却装置。其中测评装置包括激光发生装置、密封分度盘和光功率探测装置；所述激光发生装置通过其支撑架与密封分度盘固连，光功率探测装置的探测头位于密封分度盘内部。
所述激光发生装置采用最大输出功率为40W以上的CO2激光管。
所述密封分度盘包括：接合器、刻度盘、支撑环、样品支撑盘、支撑转盘和密封盖；其中接合器为两端开口的筒形结构，在其圆周面上加工有开口，所述开口的左右两侧分别向外延伸有连接结构；所述连接结构和CO2激光管支撑台匹配连接并固定，使CO2激光管的激光发射线与样品支撑盘的轴线垂直相交；在所述接合器内圆周面的下端同轴固接支撑环；所述刻度盘为具有中心孔的圆盘形结构，刻度盘同轴固接在支撑环的上表面；在所述刻度盘的上表面加工有环形凸起，该环形凸起的上表面刻有内外两组360度度数，且两组度数一一对应，所述两组度数分别用于指示支撑转盘和样品支撑盘的相对转角；所述支撑转盘为具有中心孔的圆盘形结构，其同轴放置在刻度盘上表面的环形凸起与接合器之间，所述支撑转盘的厚度与刻度盘上环形凸起的厚度一致，支撑转盘能够绕其轴线转动；所述光功率探测装置的探测头固定在支撑转盘上；所述样品支撑盘为下表面带有环形凸起的圆盘形结构，样品支撑盘同轴放置在刻度盘上表面，其下表面环形凸起处形成的轴肩与刻度盘内环处的轴肩相匹配；所述样品支撑盘的厚度与刻度盘上环形凸起的厚度一致；样品支撑盘能够绕其轴线转动；所述密封盖安装在接合器顶部，与接合器的上表面固接并密封。
所述光功率探测装置采用CO2激光功率计。
所述冷却装置用于对CO2激光管的冷却。
所述冷却装置包括：激光器循环水箱、散热器循环水箱、热交换器、半导体制冷片、水冷头A和水冷头B；所述半导体制冷片的制冷端与水冷头A贴合，发热端与水冷头B贴合；CO2激光管的进水端与水冷头A相连，出水端通过激光器循环水箱与水冷头A相连；所述热交换器的进水端与水冷头B相连，出水端通过散热器循环水箱与水冷头B相连。
所述冷却装置包括：本激光器循环水箱、散热器循环水箱、热交换器、三个水冷头、四个半导体制冷片、三个温度传感器、温控仪及和两个电磁继电器；所述三个水冷头分别为水冷头A、水冷头B和水冷头C；所述四个半导体制冷片中两两并联，形成两个半导体制冷片组；其中一个半导体制冷片组安装在水冷头A和水冷头B之间，所述水冷头A与该半导体制冷片组的发热端贴合，水冷头B与该半导体制冷片组的制冷端贴合；另一个半导体制冷片组安装在水冷头B和水冷头C之间，所述水冷头B与该半导体制冷片组的制冷端贴合，水冷头C与该半导体制冷片组的发热端贴合；CO2激光管的进水端与水冷头B相连，出水端通过激光器循环水箱与水冷头B相连；热交换器的进水端与水冷头A相连，出水端通过散热器循环水箱与水冷头C相连；同时在每个水冷头上安装一个温度传感器；所述三个温度传感器分别与温控仪相连，每个半导体制冷片组通过一个电磁继电器与电源相连，所述温控仪分别与两个电磁继电器的控制端相连。
在所述刻度盘上或接合器的内表面固接一个激光功率计探测头。
所述密封分度盘采用铝合金材料制成。
所述刻度盘的上两组度数的0刻度线平行于CO2激光管的激光发射线。
所述刻度盘的上两组度数的精度均为0.5度。
有益效果：
（1）该装置不仅能够对材料在强激光条件下的透过性能、反射能力进行测试，还能对材料进行高能激光毁伤机理的研究及抗激光能力测试。
（2）密封分度盘的密封性能最大程度的保证了激光光路在可控范围内，减少了光束外泄、散射带来的不良影响，无激光反射伤害。
（3）冷却装置采用半导体制冷、水冷循环技术，能够最大幅度的减小制冷设备体积、重量，并且几乎完全消除噪音、振动等不良干扰因素，大幅度减少激光光路受到机械振动的影响。
（4）该装置扩展性强：由于密封分度盘的密封性能及冷却装置温度可控，可依据试验需要改变密封分度盘内的测试环境（真空度、填充气体、温度），以测试材料在不同环境下的激光辐射性能；例如虚拟太空真空环境测试材料性能等。
（5）通过温控仪的自动控制，安全保护制冷片，并精确控制激光管冷却液的温度，保证半导体制冷片的工作温度维持在其正常工作温度的同时最大程度提供降温能力。
附图说明
图1为密封分度盘的结构示意图；
图2为密封分度盘的立体图；
图3为冷却装置实施例1的结构示意图；
图4为冷却装置实施例2的结构示意图；
图5为冷却装置实施例2中温控仪的连接示意图。
其中：1-接合器、2-刻度盘、3-支撑环、4-样品支撑盘、5-支撑转盘，6-密封盖，7-CO2激光管、8-半导体制冷片、9-激光器循环水箱、10-散热器循环水箱、11-热交换器、12-温度传感器
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供一种强激光条件下材料光学性能测量装置，不仅能够对材料在强激光条件下的透过性能、反射能力进行测试，还能对材料进行高能激光毁伤机理的研究及抗激光能力测试。
所述测量装置包括测评部分和冷却装置。其中测评部分包括激光发生装置，密封分度盘和光功率探测装置。所述激光发生装置通过其支撑台与密封分度盘相连，并保证两者之间的相对位置固定；光功率探测装置的探测头位于密封分度盘内部。
激光发生装置用于输出功率稳定的激光脉冲。本实施例中激光发生装置采用长1000mm、40W的大功率CO2激光管7，该CO2激光管输出功率稳定，发散角小，具有脉冲输出和持续输出两种输出模式，且能够模拟真实战场上激光武器的光功率密度。
所述密封分度盘形成测试材料性能的密闭空间，从而放置并测试待测材料样品的性能。密封分度盘包括接合器1、刻度盘2、支撑环3、样品支撑盘4、支撑转盘5和密封盖6，其具体结构如图1和图2所示。其中接合器1为两端开口的筒形结构，在其圆周面上加工有矩形开口，所述矩形开口的左右两侧分别向外延伸有垂直于接合器圆周面的方形凸起。所述两个方形凸起和CO2激光管7支撑台匹配连接并固定，使CO2激光管7与密封分度盘的相对位置固定，使激光发射线与样品支撑盘4的轴线垂直相交，进而保证CO2激光管7的激光输出轨迹准直且正中靶心（本实施例中在位于样品支撑盘4中心的样品支撑架的中心处设置靶心）。为提高整个密封分度盘的稳定性和抗震性，减少周围环境因素对光学精密测量造成的干扰，在接合器1内圆周面的下端同轴固接支撑环3，所述支撑环3为两端均开口的筒形结构，支撑环3的外圆周面与接合器1的内圆周面固接，本实施例中支撑环3采用双层加厚结构。所述刻度盘2为具有中心孔的圆盘形结构，刻度盘2同轴固接在支撑环3的上表面。在刻度盘2的上表面加工有环形凸起，该环形凸起的上表面刻有两组精度为0.5度的360度度数（本实施例中所述两组度数分别在环形凸起的内缘和外缘处），且两组度数一一对应，两组度数分别用于指示支撑转盘5和样品支撑盘4的相对转角，以精确调节样品支撑盘4和支撑转盘5的相对角度，为方便支撑盘4和支撑转盘5角度的调节，所述两组环形度数的0刻线平行于激光发射线。所述支撑转盘5用于放置光功率探测装置的探测头，支撑转盘5为具有中心孔的圆盘形结构，其同轴放置在刻度盘2上表面的环形凸起与接合器1之间，所述支撑转盘5的厚度与刻度盘2上环形凸起的厚度一致。支撑转盘5可拆卸，也可360度自由旋转，在支撑转盘5的上表面加工有两个用于固定光功率探测装置探测头的螺纹孔。所述样品支撑盘4为下表面带有环形凸起的圆盘形结构，样品支撑盘4同轴放置在刻度盘2上表面，其下表面环形凸起处形成的轴肩与刻度盘2内环处的轴肩相匹配。所述样品支撑盘4的厚度与刻度盘2上环形凸起的厚度一致。样品支撑盘4可拆卸、可360度自由旋转，以保证可以更多角度范围测量材料对在强激光条件在的光学性能。所述密封盖6安装在接合器1顶部，密封盖6采用加厚铝板精制而成，其下表面通过轴肩与接合器1的上表面良好结合、密封，使密封分度盘的内腔封闭。密封盖6能够保证密封分度盘内腔空气可控，在需要模拟天空环境进行真空试验时，只需通过真空泵将内腔抽成真空，以达到宇宙空间内的高真空环境即可。本实施例中的密封分度盘全部采用军品级别铝合金制作，强度高，抗压能力强，散热性能优越，表面磨砂氧化，具有很强的抗腐蚀能力，最大程度增加器件的使用寿命。
光功率探测装置用于测量材料对激光的反射率和透射率。本实施例中光功率探测装置采用多量程高精确度的CO2激光功率计。使用时，激光功率计通过内六角不锈钢螺栓固定在支撑转盘5上，以增加夹持激光功率计的稳定性。
本实施例中对该测量装置的CO2激光管采用半导体制冷片制冷，半导体制冷片的优点是没有滑动部件，能够应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。半导体制冷片结构简单，其利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，以实现制冷的目的。
冷却装置的实施例1：
所述冷却装置包括激光器循环水箱9、散热器循环水箱10、热交换器11、半导体制冷片和两个水冷头（分别为水冷头A和水冷头B）。所述半导体制冷片的制冷端与水冷头A贴合，发热端与水冷头B贴合。CO2激光管7的进水端与水冷头A相连，出水端通过激光器循环水箱9与水冷头A相连。所述热交换器11的进水端与水冷头B相连，出水端通过散热器循环水箱10与水冷头B相连。本实施例中热交换器采用风冷换热器，实现水与空气的热交换，风冷换热器中设置有风扇，且风扇功率可调，控制热换热器风扇功率，可间接调控CO2激光管7内循环制冷液体的温度。同时，在测量时，将风扇功率调到相对较低的位置时，可以减少设备的振动，以得到最精确的光学测量结果。
该冷却装置的工作原理为：激光器循环水箱9中的水通过水冷头A流向半导体制冷片的制冷端，将水温降低并送入CO2激光管7，冷却激光管的镜头及其腔室内气体，从CO2激光管7出水端流出的热水再进入激光器循环水箱9。散热器循环水箱10中的水流向半导体制冷片的发热端，把热量吸收后将热水导入热交换器11，进行风冷；冷却后的水再进入散热器循环水箱10，如图3所示。
冷却装置的实施例2：
本实施例中通过三个水冷头、四个半导体制冷片、三个温度传感器12、温控仪及两个电磁继电器使冷却装置制冷量可控，达到人为控制制冷量的目的。其结构示意图如图4所示，所述三个水冷头分别为水冷头A、水冷头B和水冷头C；所述四个半导体制冷片中两两并联，形成两个半导体制冷片组，一个半导体制冷片组安装在水冷头A和水冷头B之间，其中水冷头A与该半导体制冷片组的发热端贴合，水冷头B与该半导体制冷片组的制冷端贴合；另一个半导体制冷片组安装在水冷头B和水冷头C之间，其中水冷头B与该半导体制冷片组的制冷端贴合，水冷头C与该半导体制冷片组的发热端贴合。CO2激光管7的进水端与水冷头B相连，出水端通过激光器循环水箱9与水冷头B相连；热交换器11的进水端与水冷头A相连，出水端通过散热器循环水箱10与水冷头C相连。同时在每个水冷头上安装一个温度传感器12，实现对每个水冷头温度的独立测量；所述三个温度传感器分别与温控仪相连，每个半导体制冷片组通过一个电磁继电器与电源相连，所述温控仪分别与两个电磁继电器的控制端相连，自动控制两个电磁继电器的开闭，如图5所示。
为保证半导体制冷片的工作温度维持在其正常工作温度的同时最大程度提供降温能力，本实施例中通过温控仪对其的控制具体为：当与水冷头A或水冷头C相连的温度传感器的温度大于65度时，温控仪控制相应线路的电磁继电器断开，以保证半导体制冷片不会烧坏；当与水冷头B相连的温度传感器的温度小于0度时，会影响激光管中制冷液的流动性，此时温控仪控制两个电磁继电器均断开。同时还可根据环境温度及测试需要设置两组半导体制冷片组均工作或只工作一组。通过上述冷却装置使该测量装置无论是在炎热的夏季，还是寒冷的冬季，都能很好的调控激光器制冷液体的温度，使激光器维持最稳定的工作状态。
所述整个测试装置的工作原理为：
将待测材料的样品通过样品支撑架固定于样品支撑盘上，初始位置时保证待测点所在平面垂直于激光发射线，待测点与样品支撑架上的靶心位置对应；且使激光功率计探测头与CO2激光管7在同一直线上。CO2激光管7工作前，首先打开冷却装置，使激光管内水流稳定，以便排出气泡。根据环境温度设置半导体制冷片工作段（只开一组或者全开），调节风扇风速。
当需要测量待测材料样品对激光在设定角度下的反射率时，按照分度盘上的刻度转动样品支撑盘，使样品的待测点所在平面的法线与激光发射线之间的夹角为该设定角度；然后转动支撑转盘，按照分度盘上的角度调整激光功率计探测头的位置，使激光功率计探测头所在直线与激光发射线之间的夹角为该设定角度的两倍，盖上密封盖。然后依据需要选择CO2激光管的输出功率及输出模式，使其照射待测点，激光功率计探测头接收待测材料样品的反射光线（功率值），从而得到待测材料对激光在设定角度下的反射率（所测得的功率值/激光发射功率）。
当需要测量对待测材料样品对激光的透射率时，只保证激光发射线、待测点和激光功率计探测头在同一直线上即可，然后依据需要选择CO2激光管的输出功率及输出模式，使其照射待测点，激光功率计探测头接收待测材料样品的透射光线（功率值），从而得到待测材料对激光的透射率（所测得的功率值/激光发射功率）。
如果在刻度盘或接合器的内表面再固接一个激光功率计探测头，安装上述方法调整角度后可同时测量透射率和反射率，进一步计算后便可得到材料在对应激光条件下的吸收率（吸收等于激光总功率-反射功率-透射功率）。
当需要进行高能激光毁伤机理的研究时，在CO2激光管的输出端连接透镜，调整照射在待测材料样品表面光斑的大小，从而调整材料单位面积的照射功率，依据设定时间和设定功率采用持续输出模式对材料进行照射，之后取出材料对其毁伤情况进行研究。
当需要进行材料抗激光能力测试时，采用设定功率下的脉冲输出模式，同时测量材料的反射率和透射率，当反射率或透射率发生突变时，表明材料已经损伤，停止脉冲照射，统计脉冲照射次数，计算材料在损伤前的吸收能量，得到材料损伤阈值。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种强激光条件下材料光学性能测量装置，其特征在于，包括：测评装置和冷却装置；
其中测评装置包括激光发生装置、密封分度盘和光功率探测装置；所述激光发生装置通过其支撑架与密封分度盘固连，光功率探测装置的探测头位于密封分度盘内部；
所述激光发生装置采用最大输出功率为40W以上的CO2激光管；
所述密封分度盘包括：接合器（1）、刻度盘（2）、支撑环（3）、样品支撑盘（4）、支撑转盘（5）和密封盖（6）；其中接合器（1）为两端开口的筒形结构，在其圆周面上加工有开口，所述开口的左右两侧分别向外延伸有连接结构；所述连接结构和CO2激光管（7）支撑台匹配连接并固定，使CO2激光管（7）的激光发射线与样品支撑盘（4）的轴线垂直相交；在所述接合器（1）内圆周面的下端同轴固接支撑环（3）；所述刻度盘（2）为具有中心孔的圆盘形结构，刻度盘（2）同轴固接在支撑环（3）的上表面；在所述刻度盘（2）的上表面加工有环形凸起，该环形凸起的上表面刻有内外两组360度度数，且两组度数一一对应，所述两组度数分别用于指示支撑转盘（5）和样品支撑盘（4）的相对转角；所述支撑转盘（5）为具有中心孔的圆盘形结构，其同轴放置在刻度盘（2）上表面的环形凸起与接合器（1）之间，所述支撑转盘（5）的厚度与刻度盘（2）上环形凸起的厚度一致，支撑转盘（5）能够绕其轴线转动；所述光功率探测装置的探测头固定在支撑转盘（5）上；所述样品支撑盘（4）为下表面带有环形凸起的圆盘形结构，样品支撑盘（4）同轴放置在刻度盘（2）上表面，其下表面环形凸起处形成的轴肩与刻度盘（2）内环处的轴肩相匹配；所述样品支撑盘（4）的厚度与刻度盘（2）上环形凸起的厚度一致；样品支撑盘（4）能够绕其轴线转动；所述密封盖（6）安装在接合器（1）顶部，与接合器（1）的上表面固接并密封；
所述光功率探测装置采用CO2激光功率计；
所述冷却装置用于对CO2激光管（7）的冷却。
2.如权利要求1所述的一种强激光条件下材料光学性能测量装置，其特征在于，
所述冷却装置包括：激光器循环水箱（9）、散热器循环水箱（10）、热交换器（11）、半导体制冷片、水冷头A和水冷头B；所述半导体制冷片的制冷端与水冷头A贴合，发热端与水冷头B贴合；CO2激光管（7）的进水端与水冷头A相连，出水端通过激光器循环水箱（9）与水冷头A相连；所述热交换器（11）的进水端与水冷头B相连，出水端通过散热器循环水箱（10）与水冷头B相连。
3.如权利要求1所述的一种强激光条件下材料光学性能测量装置，其特征在于，
所述冷却装置包括：本激光器循环水箱（9）、散热器循环水箱（10）、热交换器（11）、三个水冷头、四个半导体制冷片、三个温度传感器、温控仪及和两个电磁继电器；所述三个水冷头分别为水冷头A、水冷头B和水冷头C；所述四个半导体制冷片中两两并联，形成两个半导体制冷片组；其中一个半导体制冷片组安装在水冷头A和水冷头B之间，所述水冷头A与该半导体制冷片组的发热端贴合，水冷头B与该半导体制冷片组的制冷端贴合；另一个半导体制冷片组安装在水冷头B和水冷头C之间，所述水冷头B与该半导体制冷片组的制冷端贴合，水冷头C与该半导体制冷片组的发热端贴合；CO2激光管（7）的进水端与水冷头B相连，出水端通过激光器循环水箱（9）与水冷头B相连；热交换器（11）的进水端与水冷头A相连，出水端通过散热器循环水箱（10）与水冷头C相连；同时在每个水冷头上安装一个温度传感器（12）；所述三个温度传感器分别与温控仪相连，每个半导体制冷片组通过一个电磁继电器与电源相连，所述温控仪分别与两个电磁继电器的控制端相连。
4.如权利要求1、2或3所述的一种强激光条件下材料光学性能测量装置，其特征在于，在所述刻度盘（2）上或接合器（1）的内表面固接一个激光功率计探测头。
5.如权利要求1、2或3所述的一种强激光条件下材料光学性能测量装置，其特征在于，所述密封分度盘采用铝合金材料制成。
6.如权利要求1、2或3所述的一种强激光条件下材料光学性能测量装置，其特征在于，所述刻度盘（2）的上两组度数的0刻度线平行于CO2激光管（7）的激光发射线。
7.如权利要求1、2或3所述的一种强激光条件下材料光学性能测量装置，其特征在于，所述刻度盘（2）上两组度数的精度均为0.5度。
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