CN104833418B - 一种小量程能量计测量激光能量密度及总能量的方法 - Google Patents
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Abstract
一种小量程能量计测量激光能量密度及总能量的方法，先将能量计探头与设有小孔的挡光片固定在二维运动平台上，激光器发出的激光经过挡光片后，小部分激光能量从小孔进入能量计探头；将二维运动平台沿Y轴移动，找到能量计示数最大位置，再以此为基础，保持Y轴不动，二维运动平台沿X轴移动，找到能量计示数最大位置，即为光斑的中心，取为坐标系的原点；再将二维运动平台沿着X轴正向和负向移动，测得相应位置处通过小孔的激光能量，再将其除以小孔面积，得到相应位置处的激光能量密度，将数据绘制到坐标系中，即得到激光能量密度分布；最后将激光能量密度分布对面积进行积分，得到总的激光脉冲能量，本发明测量结果准确。
Description
技术领域
本发明属于激光应用技术领域，特别涉及一种小量程能量计测量激光能量密度及总能量的方法。
背景技术
激光打孔技术因其高效性，在涡轮叶片气膜冷却孔的制备过程中有着重要应用，为了防止因前壁厚度误差而造成的孔不能完全穿透的问题，往往在打孔过程中施加的脉冲数会稍多于理论值，或者是出于提高孔壁加工质量的目的而采用的旋切工艺，都会使激光在穿透前壁后，直接辐照到不需要加工的后壁，轻则破坏叶片后壁单晶/定向结晶结构的完整性，形成多晶结构；重则将后壁烧蚀出凹坑。
用作燃气轮机涡轮转子叶片，工作在高速旋转与高温燃气作用的环境中，承受着巨大的离心力和氧化、腐蚀等作用。那些被激光损伤的后壁位置易被腐蚀或形成应力中心而降低叶片使用寿命，因此需要对后壁进行激光防护。
激光经过防护材料后发生的散射、反射以及衍射作用使得辐照在后壁的激光光斑变大，能量减小，这样辐照在后壁的激光功率密度变小，从而减弱或消除激光对后壁的损伤。评价防护材料防护效果优劣需要获取激光通过防护材料后的能量密度分布。光束质量分析仪能测量激光的能量密度分布，但其成本太高,能承受的能量密度低；CCD直接测量法同样是能承受的能量密度低，CCD漫反射屏测量法系统成本低，但需要建立能量分布模型，通过软件编程对图像做精确处理和位置标定,能量密度分布的精度才能得到保障，此过程获取能量密度分布十分复杂。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种小量程能量计测量激光能量密度及总能量的方法，实现简单且成本低。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种小量程能量计测量激光能量密度及总能量的方法，包括以下步骤：
1)、沿激光5的垂直方向将能量计探头1和设有小孔2的挡光片3固定在二维运动平台7上，能量计探头1位于小孔2之后，小孔2中心与能量计探头1中心同轴；能量计探头1量程为2-20mJ,小孔2直径D的范围为0.20-0.30mm，激光器6发出的激光5经过挡光片3后，小部分激光能量从挡光片3上的小孔2进入能量计探头1；
2)、将二维运动平台7沿Y轴移动，通过能量计探头1找到能量计示数最大位置，标记为A点，再以A点为基础，保持Y轴不动，二维运动平台7沿X轴移动，通过能量计探头1找到能量计示数最大位置，标记为O点，O点即为光斑的中心，将O点取为坐标系的原点；
3)、将二维运动平台7沿着X轴正向移动，每次移动步距s为0.1-1mm，每移动一次，记下能量计示数E,当移动n次后，该处的能量计示数为En，即s*n处的能量密度为4*En/(πD^2)，当能量计示数变为零时，停止向X轴正向移动，将二维运动平台7移回到坐标原点O，并朝X轴负向移动，方式与沿X轴正向移动相同，得到-s*n处的能量密度为4*E-n/(πD^2)；
4)、将(±s*n，4*E±n/(πD^2))绘制到坐标系中，即得到使用能量计测量得到的激光能量密度分布；
5)、将激光能量密度分布对面积进行积分，得到激光脉冲总能量。
所述的挡光片3表面设有防护材料4。
本发明的有益效果：可以使用能量计方便地测量激光能量密度分布，测量结果准确，将激光能量密度分布对面积进行积分，可以得到激光脉冲总能量。由于小孔直径可调，小孔直径(远大于激光波长)越小，通过小孔的激光能量也越小，可以使用的能量计量程也越小，因而可以使用小量程能量计测量大能量激光脉冲的能量。
附图说明
图1为能量密度分布测量系统示意图。
图2为测试过程中挡光片3上的小孔2位置示意图。
图3为实施例1中测得的能量密度分布情况。
图4为实施例2中测得的能量密度分布情况。
图5为实施例3中测得的能量密度分布与理论分布对比。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1
一种小量程能量计测量激光能量密度及总能量的方法，包括以下步骤：
1)、如图1所示,沿激光5的垂直方向将能量计探头1和设有小孔2的挡光片3固定在二维运动平台7上，能量计探头1位于小孔2之后，小孔2中心与能量计探头1中心同轴；能量计探头量程为2mJ，小孔2直径D为0.28mm，激光器6发出的激光5经过挡光片3表面的NaCl防护材料4后，小部分激光能量从挡光片3上的小孔2进入能量计探头1；
2)、将二维运动平台7沿Y轴移动，通过能量计探头1找到能量计示数最大位置，标记为A点，再以A点为基础，保持Y轴不动，二维运动平台7沿X轴移动，通过能量计探头1找到能量计示数最大位置，标记为O点，O点为光斑的中心，将O点取为坐标系的原点，如图2所示；
3)、将二维运动平台7沿着X轴正向移动，每次移动步距s为1mm，每移动一次，记下能量计示数E,当移动n次后，该处的能量计示数为En，即1*n处的能量密度为4*En/(π*0.28^2)，当能量计示数变为零时，停止向X轴正向移动，将二维运动平台7移回到坐标原点O，并朝X轴负向移动，方式与沿X轴正向移动相同，得到-1*n处的能量密度为4*E-n/(π*0.28^2)；
4)、将(±1*n，4*E±n/(π*0.28^2))绘制到坐标系中，即得到使用能量计测量得到的激光能量密度分布，如图3所示；
5)、将激光能量密度分布对面积进行积分，得到激光5通过挡光片3上的NaCl防护材料4后的脉冲能量为420.8509mJ，使用量程为2J的能量计测量得到的激光脉冲能量为0.423J。考虑到激光器稳定性为3％以及实验误差，用此方法可以使用能量计准确测量大能量(能量超出能量计量程)激光脉冲的能量。
实施例2
一种小量程能量计测量激光能量密度及总能量的方法，包括以下步骤：
1)、如图1所示,沿激光5的垂直方向将能量计探头1和设有小孔2的挡光片3固定在二维运动平台7上，能量计探头1位于小孔2之后，小孔2中心与能量计探头1中心同轴；能量计探头1量程为20mJ，小孔2直径D为0.20mm，激光器6发出的激光5经过挡光片3表面的NaCl防护材料4后，小部分激光能量从挡光片3上的小孔2进入能量计探头1；
2)、将二维运动平台7沿Y轴移动，通过能量计探头1找到能量计示数最大位置，标记为A点，再以A点为基础，保持Y轴不动，二维运动平台7沿X轴移动，通过能量计探头1找到能量计示数最大位置，标记为O点，O点为光斑的中心，将O点取为坐标系的原点，如图2所示；
3)、将二维运动平台7沿着X轴正向移动，每次移动步距s为0.5mm，每移动一次，记下能量计示数E,当移动n次后，该处的能量计示数为En，即0.5*n处的能量密度为4*En/(π*0.20^2)，当能量计示数变为零时，停止向X轴正向移动，将二维运动平台7移回到坐标原点O，并朝X轴负向移动，方式与沿X轴正向移动相同，得到-0.5*n处的能量密度为4*E-n/(π*0.20^2)；
4)、将(±0.5*n，4*E±n/(π*0.20^2))绘制到坐标系中，即得到使用能量计测量得到的激光能量密度分布，如图4所示；
5)、将激光能量密度分布对面积进行积分，得到激光5通过挡光片3上的NaCl防护材料4后的脉冲能量为486.2mJ，使用量程为2J的能量计测量得到的激光脉冲能量为0.491J。考虑到激光器稳定性为3％以及实验误差，用此方法可以使用能量计准确测量大能量(能量超出能量计量程)激光脉冲的能量。
实施例3
一种小量程能量计测量激光能量密度的方法，包括以下步骤：
1)、在本实施例中挡光片3上无防护材料4，沿激光5的垂直方向将能量计探头1和设有小孔2的挡光片3固定在二维运动平台7上，能量计探头1位于小孔2之后，小孔2中心与能量计探头1中心同轴；能量计探头1量程为20mJ，小孔2直径D为0.26mm，激光器6发出的激光5经过挡光片3后，小部分激光能量从挡光片3上的小孔2进入能量计探头1；
2)、将二维运动平台7沿Y轴移动，通过能量计探头1找到能量计示数最大位置，标记为A点，再以A点为基础，保持Y轴不动，二维运动平台7沿X轴移动，通过能量计探头1找到能量计示数最大位置，标记为O点，O点为光斑的中心，将O点取为坐标系的原点，如图2所示；
3)、将二维运动平台7沿着X轴正向移动，每次移动步距s为0.1mm，每移动一次，记下能量计示数E,当移动n次后，该处的能量计示数为En，即0.1*n处的能量密度为4*En/(π*0.26^2)，当能量计示数变为零时，停止向X轴正向移动，将二维运动平台7移回到坐标原点O，并朝X轴负向移动，方式与沿X轴正向移动相同，得到-0.1*n处的能量密度为4*E-n/(π*0.26^2)；
4)、将(±0.1*n，4*E±n/(π*0.26^2))绘制到坐标系中，即可得到使用能量计测量得到的激光能量密度分布，如图5中散点图所示，图5中曲线为激光能量密度的理论分布，考虑到激光器稳定性为3％以及实验误差，测量结果与理论分布近似相等。
Claims (5)
1.一种小量程能量计测量激光能量密度及总能量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、沿激光(5)的垂直方向将能量计探头(1)和设有小孔(2)的挡光片(3)固定在二维运动平台(7)上，能量计探头(1)位于小孔(2)之后，小孔(2)中心与能量计探头(1)中心同轴；能量计探头(1)量程为2-20mJ,小孔(2)直径D的范围为0.20-0.30mm，激光器(6)发出的激光(5)经过挡光片(3)后，小部分激光能量从挡光片(3)上的小孔(2)进入能量计探头(1)；
2)、将二维运动平台(7)沿Y轴移动，通过能量计探头(1)找到能量计示数最大位置，标记为A点，再以A点为基础，保持Y轴不动，二维运动平台(7)沿X轴移动，通过能量计探头(1)找到能量计示数最大位置，标记为O点，O点即为光斑的中心，将O点取为坐标系的原点；
3)、将二维运动平台(7)沿着X轴正向移动，每次移动步距s为0.1-1mm，每移动一次，记下能量计示数E,当移动n次后，该处的能量计示数为En，即s*n处的能量密度为4*En/(πD^2)，当能量计示数变为零时，停止向X轴正向移动，将二维运动平台(7)移回到坐标原点O，并朝X轴负向移动，方式与沿X轴正向移动相同，得到-s*n处的能量密度为4*E-n/(πD^2)；
4)、将(±s*n，4*E±n/(πD^2))绘制到坐标系中，即得到使用能量计测量得到的激光能量密度分布；
5)、将激光能量密度分布对面积进行积分，得到激光(5)总的脉冲能量。
2.根据权利要求1所述的一种小量程能量计测量激光能量密度及总能量的方法，其特征在于：所述的挡光片(3)表面设有防护材料(4)。
3.根据权利要求1所述的一种小量程能量计测量激光能量密度及总能量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、沿激光(5)的垂直方向将能量计探头(1)和设有小孔(2)的挡光片(3)固定在二维运动平台(7)上，能量计探头(1)位于小孔(2)之后，小孔(2)中心与能量计探头(1)中心同轴；能量计探头(1)量程为2mJ，小孔(2)直径D为0.28mm，激光器(6)发出的激光(5)经过挡光片(3)表面的NaCl防护材料(4)后，小部分激光能量从挡光片(3)上的小孔(2)进入能量计探头(1)；
2)、将二维运动平台(7)沿Y轴移动，通过能量计探头(1)找到能量计示数最大位置，标记为A点，再以A点为基础，保持Y轴不动，二维运动平台(7)沿X轴移动，通过能量计探头(1)找到能量计示数最大位置，标记为O点，O点为光斑的中心，将O点取为坐标系的原点；
3)、将二维运动平台(7)沿着X轴正向移动，每次移动步距s为1mm，每移动一次，记下能量计示数E,当移动n次后，该处的能量计示数为En，即1*n处的能量密度为4*En/(π*0.28^2)，当能量计示数变为零时，停止向X轴正向移动，将二维运动平台(7)移回到坐标原点O，并朝X轴负向移动，方式与沿X轴正向移动相同，得到-1*n处的能量密度为4*E-n/(π*0.28^2)；
4)、将(±1*n，4*E±n/(π*0.28^2))绘制到坐标系中，即得到使用能量计测量得到的激光能量密度分布；
5)、将激光能量密度分布对面积进行积分，得到激光(5)通过挡光片(3)上的NaCl防护材料(4)后的脉冲能量为420.8509mJ。
4.根据权利要求1所述的一种小量程能量计测量激光能量密度及总能量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、沿激光(5)的垂直方向将能量计探头(1)和设有小孔(2)的挡光片(3)固定在二维运动平台(7)上，能量计探头(1)位于小孔(2)之后，小孔(2)中心与能量计探头(1)中心同轴；能量计探头(1)量程为20mJ，小孔(2)直径D为0.20mm，激光器(6)发出的激光(5)经过挡光片(3)表面的NaCl防护材料(4)后，小部分激光能量从挡光片(3)上的小孔(2)进入能量计探头(1)；
2)、将二维运动平台(7)沿Y轴移动，通过能量计探头(1)找到能量计示数最大位置，标记为A点，再以A点为基础，保持Y轴不动，二维运动平台(7)沿X轴移动，通过能量计探头(1)找到能量计示数最大位置，标记为O点，O点为光斑的中心，将O点取为坐标系的原点；
3)、将二维运动平台(7)沿着X轴正向移动，每次移动步距s为0.5mm，每移动一次，记下能量计示数E,当移动n次后，该处的能量计示数为En，即0.5*n处的能量密度为4*En/(π*0.20^2)，当能量计示数变为零时，停止向X轴正向移动，将二维运动平台(7)移回到坐标原点O，并朝X轴负向移动，方式与沿X轴正向移动相同，得到-0.5*n处的能量密度为4*E-n/(π*0.20^2)；
4)、将(±0.5*n，4*E±n/(π*0.20^2))绘制到坐标系中，即得到使用能量计测量得到的激光能量密度分布；
5)、将激光能量密度分布对面积进行积分，得到激光(5)通过挡光片(3)上的NaCl防护材料(4)后的脉冲能量为486.2mJ。
5.一种小量程能量计测量激光能量密度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、沿激光(5)的垂直方向将能量计探头(1)和设有小孔(2)的挡光片(3)固定在二维运动平台(7)上，能量计探头(1)位于小孔(2)之后，小孔(2)中心与能量计探头(1)中心同轴；能量计探头(1)量程为20mJ，小孔(2)直径D为0.26mm，激光器(6)发出的激光(5)经过挡光片(3)后，小部分激光能量从挡光片(3)上的小孔(2)进入能量计探头(1)；
2)、将二维运动平台(7)沿Y轴移动，通过能量计探头(1)找到能量计示数最大位置，标记为A点，再以A点为基础，保持Y轴不动，二维运动平台(7)沿X轴移动，通过能量计探头(1)找到能量计示数最大位置，标记为O点，O点为光斑的中心，将O点取为坐标系的原点；
3)、将二维运动平台(7)沿着X轴正向移动，每次移动步距s为0.1mm，每移动一次，记下能量计示数E,当移动n次后，该处的能量计示数为En，即0.1*n处的能量密度为4*En/(π*0.26^2)，当能量计示数变为零时，停止向X轴正向移动，将二维运动平台(7)移回到坐标原点O，并朝X轴负向移动，方式与沿X轴正向移动相同，得到-0.1*n处的能量密度为4*E-n/(π*0.26^2)；
4)、将(±0.1*n，4*E±n/(π*0.26^2))绘制到坐标系中，即得到使用能量计测量得到的激光能量密度分布。
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