CN104048755A - 一种全吸收高能激光能量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全吸收高能激光能量计，包括反射锥、吸收腔，其中反射锥的母线为圆弧形，吸收腔由底板、内侧板、吸收筒和盖板密封联接构成，吸收腔的整体结构呈凹陷结构，吸收筒的筒壁设置在高能激光束经反射锥反射后光路上，且在前后方向上吸收筒处于比反射锥靠后的位置。本发明将入射的准直光束以轴向和周向二维扩束的方式反射至吸收筒壁上，大大降低了入射至吸收筒壁的激光功率密度，同时增加了反射锥的受光面积，提高了反射锥自身的承受激光辐照能力。此外该腔体结构还有效地减少了粉尘污染反射锥的可能性，同时降低了激光的出口逃逸率，提高了能量计测量的准确性。

Description

一种全吸收高能激光能量计

技术领域

本发明属于高能激光参数测量领域，涉及一种用于高能激光能量测量的全吸收能量计。

背景技术

高能激光器是指平均功率大于万瓦、持续时间数秒、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。高能激光器的输出能量是表征激光效力的重要参数，通常采用量热法对高能激光器输出的总能量进行绝对测量。其原理是入射激光能量被吸收体吸收后，光能转换为热能，通过测量吸收体温升计算入射激光的总能量。

高能激光光斑面积大、出光能量和功率密度高，对测量装置有一定破坏性，给能量绝对测量带来很大困难。为实现高能激光输出总能量的绝对测量，国内多家单位研制了全吸收式激光能量测量装置。

2013申请的高能激光扩束吸收装置发明专利中公开了一种全吸收高能激光能量计，其基本原理是高能激光经镀有高反射膜的反射扩束锥扩束后，入射至能量吸收腔，其中扩束锥为多级的空心结构，空心腔体内通有冷却水，通过测量循环水的温升曲线，拟合得到激光的能量值。其在应用中存在主要问题有：

(1)能量逃逸率较高：部分高能激光经扩束锥反射至吸收腔的圆周壁后直接由入口射出，因此激光的逃逸率较高，对测量结果产生影响；如果要减小光线逃逸率，则需要增加吸收腔的吸收系数，会导致吸收腔温度过高，引起破坏和表面氧化。

(2)吸收腔采用金属或石墨制成，在高能激光出射中，吸收腔吸热导致表面氧化，会产生粉尘状的颗粒，掉落在距离吸收腔较近的反射扩束锥上，对下一次的测量带来影响，甚至导致扩束锥污染而损坏。

(3)扩束锥采用多级的空心结构，中间通有冷却水，但是实验表明，扩束锥是测量系统的薄弱环节，流动的冷却水理论上可以带走较多的热量，但是却存在导热系数较差的问题，使得入射至金属反射锥的热不能尽快导出，从而导致反射锥损坏。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种全吸收高能激光能量计，采用全固态的吸热和散热结构，避免了水循环时的不便，并通过合理的结构设计减小入射激光的逃逸率，提高测量不确定度，同时尽可能避免吸收腔在激光加载中粉尘对测量结果的影响。

本发明的技术解决方案为：

一种全吸收高能激光能量计，包括反射锥、吸收腔和设置在吸收腔外壁的热探测器，吸收腔前端开有激光入射孔，高能激光束沿与反射锥轴线平行的方向入射后，经反射锥锥面反射至吸收腔内被吸收，热探测器测量吸收腔温度进而计算得到能量值；

吸收腔由底板、内侧板、吸收筒和盖板密封联接构成，吸收腔的整体结构在底板所在的底部呈凹陷结构；底板与反射锥的底部联接；吸收筒的轴线平行于高能激光入射方向，吸收筒的筒壁设置在高能激光束经反射锥反射后光路上，且在前后方向上吸收筒处于比反射锥靠后的位置；内侧板联接在吸收筒与底板之间；盖板扣接在吸收筒上，盖板正对反射锥的前部开有激光入射孔；反射锥的母线为圆弧形，反射锥的锥尖正对激光入射孔，并设置在吸收腔内。

上述全吸收高能激光能量计中，吸收筒和内侧板的材料为铜，且吸收筒的厚度大于内侧板的厚度。

上述全吸收高能激光能量计中，底板和盖板的材料为铝。

上述全吸收高能激光能量计中，吸收筒内壁上设置有锯齿形的能量吸收槽，能量吸收槽表面经过化学处理以提高激光能量吸收率。

上述全吸收高能激光能量计中，盖板朝向吸收腔的内表面镀有高反射膜。

上述全吸收高能激光能量计中，反射锥的材料为铜或铝。

上述全吸收高能激光能量计中，反射锥的表面精加工后镀有银膜或金膜。

本发明具有以下的有益效果：

1、本发明采用母线为圆弧的反射锥对高能激光束进行反射，将入射的准直光束以轴向和周向二维扩束的方式反射至吸收筒壁，大大降低了入射至吸收筒壁的激光功率密度；同时增加了反射锥的受光面积，间接减小了入射至反射锥的激光功率密度，提高了反射锥自身的承受激光辐照能力。

2、本发明的吸收腔采用底部凹陷的结构，且在前后方向上吸收筒处于比反射锥靠后的位置，使得入射至吸收筒的激光在吸收腔内经过多次反射后被吸收，大大降低了激光的出口逃逸率，提高了能量计测量的准确性；

3、为提高承受激光辐照能力，本发明反射锥采用金属基底精加工后镀反射膜的方式，大大提高了承受辐照能力，由于在强激光长时间照射至吸收腔时，可能会产生粉尘等杂物污染反射锥，而本发明的腔体结构使得最容易产生粉尘的吸收筒远离反射锥，有效地减少了粉尘污染反射锥的可能性。

4、本发明反射锥采用圆弧形整体结构，便于金刚石车床一次加工，保证弧度精度，并避免了分段拼接中存在的接缝耐辐照问题。

5、本发明的能量计中，反射锥承受功率密度最强的激光辐照，其次是内侧板和盖板，在制作中分别对应不同的材料及厚度，既减轻了重量，又确保了系统对激光的承受能力。

6、本发明盖板的内表面镀有高反射膜，可对能量吸收腔内杂散光重新反射至能量吸收腔和固定板吸收，提高了激光吸收率，减小了逃逸率，从而增强了能量测量精度。

7、本发明的吸收筒和内侧板的表面加工有能量吸收槽，且能量吸收槽表面经过化学处理进一步提高了激光能量吸收率。

附图说明

附图1为现有技术中激光扩束吸收装置的结构示意图；

附图2为本发明全吸收能量计的结构示意图；

附图3为本发明全吸收能量计逃逸率光线追迹结果示意图。

附图标记如下：1—反射锥；2—吸收腔；3—吸收筒；4—盖板；5—激光入射孔；6—内侧板；7—底板；8—高能激光束。

具体实施方式

高能激光能量计是基于全吸收测量原理，当入射高能激光到达吸收腔等光热测量单元时，光热测量单元吸收入射激光能量并转化自身温升，利用温度传感器阵列对光热测量单元温度变化进行实时测量，最后由数据采集处理单元对温度传感器阵列测量得到的温度信号进行记录和数据处理，最终得到入射高能激光的总能量。

在能量计应用于高功率、长时间出光的高能激光测量时，耐受激光辐照能力和能量测量不确定度是最重要的两个指标，本发明从以下几个方面对现有的全吸收能量计进行了改进设计。

一、整体结构：

如图2所示，本发明的能量计包括反射锥1、吸收腔2和热探测器，其中热探测器设置在吸收腔外壁。吸收腔2前端开有激光入射孔5，高能激光束8沿与反射锥轴线平行的方向入射后，经反射锥1锥面反射至吸收腔2内被吸收，热探测器测量吸收腔温度进而计算得到能量值；

吸收腔2由底板7、内侧板6、吸收筒3和盖板4密封联接构成，吸收腔2的整体结构在底板7所在的底部呈凹陷结构；底板7与反射锥1的底部联接；吸收筒3的筒壁设置在高能激光束经反射锥1反射后光路上，且在前后方向上吸收筒3处于比反射锥1靠后的位置；内侧板6联接在吸收筒3与底板7之间；盖板4扣接在吸收筒3上，盖板4正对反射锥1的前部开有激光入射孔5，盖板的内表面镀有高反射膜。

相比图1的结构，采用这种底部凹陷的整体结构，且在前后方向上吸收筒3处于比反射锥1靠后的位置，同时盖板4的内表面镀有反射膜，可使得入射至吸收筒3的激光在吸收腔2内经过多次反射后被吸收，从而大大降低了激光的出口逃逸率。由于全吸收能量计采用绝热法测量，需尽可能将激光能量全部转化为热吸收体的温度变化，因此对出口的光线逃逸率参数有较高的要求。光线逃逸率越低，带来的测量不确定度越小，相反如果逃逸率过大，在能量计的测量中就会引入一个不确定较大的估计值。图3给出了本发明的能量计光线追迹示意图，结果表明，采用本发明这种结构的能量计，出口逃逸率小于1％，比传统的能量计小很多，提高了能量计测量的准确性。

此外，这种腔体结构还有一个特点就是防止反射锥1污染，由于在强激光长时间照射至吸收腔2时，吸收腔会产生粉尘等杂物污染反射锥1，而本发明的腔体结构使得最容易产生粉尘的吸收筒3远离反射锥1，有效地减少了粉尘污染反射锥1的可能性，确保了能量计多次使用的重复性和稳定性。

二、反射锥

如图2所示，反射锥1的母线为圆弧形，反射锥1的锥尖正对激光入射孔5，反射锥1将入射的准直激光束以轴向和周向二维扩束的方式反射至吸收筒3壁上，大大降低了入射至吸收筒3壁的激光功率密度；同时增加了反射锥1的受光面积，间接减小了入射至反射锥1的激光功率密度，提高了反射锥1自身的承受激光辐照能力。

反射锥1采用金属基底精加工后镀反射膜的方式，材料选择无氧铜或超硬铝，加工的步骤是，先加工成毛坯后，采用金刚石车床对锥面进行精加工处理，达到一定的光洁度要求，然后镀高反射的银膜和保护膜，实践证明这种工艺激光反射率可达98％以上，大大提高了锥体承受激光辐照能力。

相比图1中现有技术的能量计，由于反射锥1采用圆弧形整体结构，便于金刚石车床一次加工，保证弧度精度，并避免了分段拼接中存在的接缝耐辐照问题。同时全固态结构，没有水循环制冷，也省却了水密封和水槽等器件在使用中的不便。

三、吸收腔

吸收腔2采用金属板焊接而成，根据不同的功率密度值，采用热容较大的材料和厚度，其中吸收筒3和内侧板6采用铜，且吸收筒3的厚度大于内侧板6的厚度，二者的内表面设置有能量吸收槽，且经过氧化处理，在提高能量吸收率的同时，进一步增大激光辐照面积，提高耐受能力。其中能量吸收槽为锯齿形或其他形状。

盖板4采用铝制成，可有效减轻重量，同时盖板4的内表面镀有高反射膜，可对能量吸收腔内杂散光重新反射至能量吸收腔吸收，提高了激光吸收率，减小了逃逸率，从而提高了能量测量精度。

本发明不局限于上述具体实施方式，比如针对不同光斑，吸收腔2和反射锥1的形状可做适当的改变；表面高反射金属膜层可以采取蒸镀方法或化学方法镀制金膜或银膜；设计能量吸收槽的目的是增加能量吸收率，槽型可以有不同的变化；以上变化均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种全吸收高能激光能量计，包括反射锥(1)、吸收腔(2)和设置在吸收腔外壁的热探测器，高能激光束(8)沿与反射锥(1)轴线平行的方向入射后，经反射锥(1)锥面反射至吸收腔(2)内被吸收，热探测器测量吸收腔(2)的温度进而计算得到能量值，其特征在于：

所述的吸收腔(2)由底板(7)、内侧板(6)、吸收筒(3)和盖板(4)密封联接构成，吸收腔(2)的整体结构在底板(7)所在的底部呈凹陷结构；

所述的底板(7)与反射锥(1)的底部联接；

所述吸收筒(3)的轴线平行于高能激光入射方向，所述吸收筒(3)的筒壁设置在高能激光束(8)经反射锥(1)反射后的光路上，且在前后方向上吸收筒(3)处于比反射锥(1)靠后的位置；

所述的内侧板(6)联接在吸收筒(3)与底板(7)之间；

所述的盖板(4)扣接在吸收筒(3)上，盖板(4)正对反射锥(1)的前部开有激光入射孔(5)；

所述反射锥(1)的母线为圆弧形，所述反射锥(1)的锥尖正对激光入射孔(5)，并设置在吸收腔(2)内。

2.根据权利要求1所述的全吸收高能激光能量计，其特征在于：所述的吸收筒(3)和内侧板(6)的材料为铜，且吸收筒(3)的厚度大于内侧板(6)的厚度。

3.根据权利要求1所述的全吸收高能激光能量计，其特征在于：所述的底板(7)和盖板(4)的材料为铝。

4.根据权利要求1所述的全吸收高能激光能量计，其特征在于：所述的吸收筒(3)内壁上设置有锯齿形的能量吸收槽，所述能量吸收槽表面经过化学处理以提高激光能量吸收率。

5.根据权利要求1所述的全吸收高能激光能量计，其特征在于：所述盖板(4)朝向吸收腔(2)的内表面镀有高反射膜。

6.根据权利要求1所述的高能激光扩束吸收装置，其特征在于：所述的反射锥(1)的材料为铜或铝。

7.根据权利要求1或6所述的高能激光扩束吸收装置，其特征在于：所述的反射锥(1)的表面精加工后镀有银膜或金膜。