CN105181128B - 一种高能激光全吸收能量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高能激光全吸收能量测量装置。高能激光束从高能激光全吸收能量测量装置入口入射，进入吸收腔，入射到反射锥上，经反射锥反射后，光能被吸收体吸收，分布在吸收体外表面的多个分立热电偶传感器，测量吸收体不同区域的温升，数据采集部件根据温升所对应区域的质量及比热值，结合能量修正系数，就能计算出入射激光的总能量。本发明采用由锥面与柱面交替组成的阶梯状反射锥，锥体表面为镜面反射，既可以降低从出口逸出的能量，又能使激光能量分配到吸收体上不同区域，加快热传导过程。吸收体由带V型槽的环带分段式连接而成，通过调整吸收体上分立环带的质量和V型槽的参数，可提高热平衡时间和降低温度梯度，提高激光能量的测量精度。

Description

一种高能激光全吸收能量测量装置

技术领域

本发明属于高能激光能量测量领域，具体涉及一种高能激光全吸收能量测量装置。

背景技术

近年来高能激光的研究工作发展迅速，对高能激光功率和能量等参数的测量精度要求越来越高。传统的高能激光能量测量装置的吸收体体积和质量较大，激光通常只能覆盖一个较小的区域，造成吸收体表面温升很高，并且吸收体上会长时间存在较大温度梯度，这给吸收体温度的准确测量、材料的比热和温度传感器的响应度的确定带来了巨大的困难，由于这个传热过程比较缓慢，整个吸收体完全达到热平衡的时间较长，这期间吸收体的热损失也会对测量准确度造成较大影响。名称为《石墨锥型高能激光全吸收能量计设计》的文章(魏继锋等，中国激光，2015，42(2))，提出了一种利用多个分立的热电偶传感器测量吸收体温升的方法，通过对热电偶的间距以及在吸收体中的深度加以控制，来获取吸收体上每一小部分的平均温度，从而达到对比热和传感器响应度修正的目的。该方法可以通过大幅增加温度传感器数量的方法降低吸收体上温度梯度对测量准确度的影响，但是无法减少热平衡时间，并且需要设置大量的温度传感器，对结构和工艺的设计要求较高，另外对降低吸收体表面温升的效果也有限。为了降低吸收体表面的功率密度，减小吸收体内部的温度梯度，在中国发明专利(授权公告号ZL201310421058.9)公开了一种阶梯锥高能激光全吸收能量测量装置，该装置利用一个喷砂镀金的阶梯锥将入射激光散射到整个吸收体内部，尽管可以大幅提高测量装置的抗激光损伤阈值，但是会相应的增加从出口逸出激光的比例，热平衡时间也会比较长，另外该发明对激光束的尺寸要求也较高，只适应于特定尺寸的光束。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高能激光全吸收能量测量装置。

本发明的高能激光全吸收能量测量装置，其特点是，包括外壳、前镀金反射板、连接杆、隔热体、系统框架、连接环、吸收体、温度传感器、后镀金反射板、反射锥、反射锥固定盘、数据采集部件、V型槽Ⅰ、V型槽Ⅱ；

反射锥：用于将入射的激光束发散，由锥面与柱面交替组成的阶梯状锥体，每组锥体包括一个锥面与一个柱面，锥面表面积为一组锥体中锥面的环带面积，外表面镀金，构成镜面反射面；

吸收体：用于吸收激光能量，以及布置传感器进行温度测量的场所，由内侧带V型槽的环带型结构单元拼接而成，环带型结构单元的质量为内侧带V型槽的分立环带的质量；V型槽包括V型槽Ⅰ、V型槽Ⅱ，V型槽Ⅱ为环带型结构单元内侧正中大的V型槽，V型槽Ⅰ为大的V型槽两旁小的V型槽；吸收体上的环带型结构单元的质量之比与反射锥上对应的锥面表面积之比的数值相等；

连接环：用于连接分段式的环带型吸收体；

前镀金反射板：用于反射激光，减少高能激光从高能激光全吸收能量测量装置入口处的溢出；

后镀金反射板：用于反射激光，防止高能激光从高能激光全吸收能量测量装置端部溢出；

隔热体：用于阻隔吸收体内热量向外部扩散；

系统框架：用于连接或支撑高能激光全吸收能量测量装置的框架；

反射锥固定盘：用于将反射锥固定在系统框架上；

连接杆：用于将隔热体、连接环与系统框架进行连接；

外壳：用于高能激光全吸收能量测量装置外部的防护与包装；

温度传感器：粘接在吸收体表面上，用于测量吸收体上环带型结构单元的温升；

数据采集部件：用于完成温度信号的采集，以及能量数据的统计处理；

吸收体、连接环、前镀金反射板、后镀金反射板与反射锥组成一个吸收高能激光的吸收腔；

反射锥上所有的锥面锥角为45°,反射锥上的锥面数量与吸收体上的环带型结构单元的数量相等，每个锥面与一个环带型结构单元相对应，每个环带型结构单元内侧的V型槽顶角与对应的锥面母线中点的连线与锥面母线的夹角为45°；

所述的高能激光全吸收能量测量装置的连接关系为：反射锥通过反射锥固定盘，固定在系统框架上，环带型结构单元通过连接环拼接成吸收体，前镀金反射板与后镀金反射板分别固定在吸收体前后两端，隔热体固定在吸收体外表面上，连接杆将隔热体、连接环与系统框架固定成一个整体，外壳固定在系统框架上。

所述的吸收体上的环带型结构单元的质量之比与反射锥上对应的锥面表面积之比相等。

所述的吸收体环带内侧V型槽夹角范围为30°～60°。

所述的反射锥采用紫铜铸造而成。

所述的反射锥外表面镀金的镀层厚度为5μm～10μm。

所述的吸收体材料为硬铝，吸收入射高能激光的表面发黑氧化。

本发明的高能激光全吸收能量测量装置工作过程为：高能激光束从高能激光全吸收能量测量装置入口入射，进入吸收腔，入射到反射锥上，经反射锥反射后，光能被吸收体吸收，分布在吸收体外表面的多个分立热电偶传感器，测量吸收体不同区域的温升，数据采集部件根据温升所对应区域的质量及比热值计算该区域的能量增量，结合能量修正系数，计算出入射激光的总能量。

为了实现入射激光能量在吸收体上的快速分配，将本发明的高能激光全吸收能量测量装置设计成锥面与柱面交替组成的阶梯状锥体，锥体表面为镜面反射，可以将从出口逸出能量控制到可以忽略的程度，激光能量也可以分配到吸收体上不同区域，加快了热传导过程。将吸收体设计成多个分立环带型结构单元，大幅提高了热平衡时间和降低了温度梯度，利用V型槽进一步降低功率密度，同时通过调整吸收体上分立环带型结构单元的质量和V型槽的参数达到控制吸收体上各部分的温升和调整热平衡时间的目的。

本发明提供的高能激光全吸收能量测量装置既可以降低从测量装置出口逸出的能量，又能使激光能量分配到吸收体上不同区域，加快热传导过程。同时通过调整吸收体上分立环带的质量和V型槽的参数，可提高热平衡时间和降低温度梯度，提高激光能量的测量精度。

附图说明

图1为本发明的高能激光全吸收能量测量装置结构示意图；

图2为环带型吸收体局部放大视图；

图中，1.高能激光束 2.外壳 3.前镀金反射板 4.连接杆 5.隔热体 6.系统框架 7.连接环 8.吸收体 9.温度传感器 10.后镀金反射板 11.反射锥 12.反射锥固定盘 13.数据采集部件 14.V型槽Ⅰ 15.V型槽Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1

图1为高能激光全吸收能量测量装置结构示意图，其中箭头标记的为激光的传播方向。图1中高能激光束1从高能激光全吸收能量测量装置入口入射，进入由吸收体8、连接环7、前镀金反射板3、后镀金反射板10与反射锥11组成的吸收腔，入射到由紫铜铸造而成的反射锥11上，反射锥11外表面镀金，镀层厚度为5μm，激光经反射锥11镜面反射至由硬铝制成的吸收体8上，吸收体8的吸收入射高能激光的表面发黑氧化，用来吸收光能，分布在吸收体8外表面的多个分立的热电偶传感器，能对吸收体8不同区域的温升进行测量，数据采集部件13具备温度采集、计算、显示和存储功能。反射锥11是由锥面与柱面交替组成的阶梯状锥体，每组锥体包括一个锥面与一个柱面，每组锥面表面积为一组锥体中锥面的环带面积，依次为g1、g2、g3、g4、g5、g6、g7、g8。反射锥11锥面锥角为45°,反射锥11上的锥面数量与吸收体8上的环带型结构单元的数量相等，且一一对应，环带型结构单元的质量为内侧带V型槽的分立环带的质量，依次为s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8；吸收体8上的环带型结构单元的质量之比与反射锥11上对应的锥面表面积之比的数值相等，即g1:g2:g3:g4:g5:g6:g7:g8=s1:s2:s3:s4:s5:s6:s7:s8。每个环带型结构单元内侧的V型槽顶角与对应的锥面母线中点的连线与锥面母线的夹角为45°，能使光束直接入射到V型槽中心区域，便于热量快速扩散，减少了热平衡时间，同时也降低了从出口逸出的能量，激光能量也可以分配到吸收体上不同区域，加快了热传导过程。

图2为环带型吸收体局部放大视图，吸收体8环带型结构单元内侧的V型槽夹角为30°，由正中大的V型槽Ⅱ15与两旁小的V型槽Ⅰ14组成。该设计能使光束直接入射到吸收体中心区域，有利于热量快速扩散，可以降低表面最高温升，同时通过调整吸收体上分立环带型结构单元的质量和V型槽的参数达到控制吸收体上各部分的温升和调整热平衡时间的目的。相邻两个吸收体环带通过圆环状连接环进行连接，吸收体环带与连接环之间加入聚四氟乙烯，进行隔离，减少它们相互之间的影响，为了防止激光从环带之间溢出，吸收体环带两侧都设计有突起。

实施例2

实施例2与实施例1结构、材料均相同，不同之处在于反射锥11表面镀层厚度为8μm，吸收体8环带型结构单元内侧的V型槽夹角为45°。

实施例3

实施例3与实施例1结构、材料均相同，不同之处在于反射锥11表面镀层厚度为10μm，吸收体8环带型结构单元内侧的V型槽夹角为60°，

本发明不局限于上述具体实施方式，所属技术领域的技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高能激光全吸收能量测量装置，其特征在于，所述的能量测量装置包括外壳(2)、前镀金反射板(3)、连接杆(4)、隔热体(5)、系统框架(6)、连接环(7)、吸收体(8)、温度传感器(9)、后镀金反射板(10)、反射锥(11)、反射锥固定盘(12)、数据采集部件(13)、V型槽Ⅰ(14)、V型槽Ⅱ(15)；

反射锥(11)：用于将入射的激光束发散，由锥面与柱面交替组成的阶梯状锥体，每组锥体包括一个锥面与一个柱面，锥面表面积为一组锥体中锥面的环带面积，外表面镀金，构成镜面反射面；

吸收体(8)：用于吸收激光能量，以及布置传感器进行温度测量的场所，由内侧带V型槽的环带型结构单元拼接而成；V型槽包括V型槽Ⅰ(14)、V型槽Ⅱ(15)，V型槽Ⅱ(15)为环带型结构单元内侧正中大的V型槽，V型槽Ⅰ(14)为大的V型槽两旁小的V型槽；吸收体（8）上的环带型结构单元的质量之比与反射锥(11)上对应的锥面表面积之比的数值相等；

连接环(7)：用于连接分段式的环带型吸收体(8)；

前镀金反射板(3)：用于反射激光，减少高能激光从高能激光全吸收能量测量装置入口处的溢出；

后镀金反射板(10)：用于反射激光，防止高能激光从高能激光全吸收能量测量装置端部溢出；

隔热体(5)：用于阻隔吸收体内热量向外部扩散；

系统框架(6)：用于连接或支撑高能激光全吸收能量测量装置的框架；

反射锥固定盘(12)：用于将反射锥(11)固定在系统框架(6)上；

连接杆(4)：用于将隔热体(5)、连接环(7)与系统框架(6)进行连接；

外壳(2)：用于高能激光全吸收能量测量装置外部的防护与包装；

温度传感器(9)：粘接在吸收体(8)表面上，用于测量吸收体(8)上环带型结构单元的温升；

数据采集部件(13)：用于完成温度信号的采集，以及能量数据的统计处理；

吸收体(8)、连接环(7)、前镀金反射板(3)、后镀金反射板(10)与反射锥(11)组成一个吸收高能激光的吸收腔；

反射锥(11)上所有的锥面锥角为45°,反射锥(11)上的锥面数量与吸收体(8)上的环带型结构单元的数量相等，每个锥面与一个环带型结构单元相对应，每个环带型结构单元内侧的V型槽Ⅱ(15)顶角与对应的锥面母线中点的连线与锥面母线的夹角为45°；

所述的高能激光全吸收能量测量装置的连接关系为：反射锥(11)通过反射锥固定盘(12)，固定在系统框架(6)上，环带型结构单元通过连接环(7)拼接成吸收体(8)，前镀金反射板(3)与后镀金反射板(10)分别固定在吸收体(8)前后两端，隔热体(5)固定在吸收体(8)外表面上，连接杆(4)将隔热体(5)、连接环(7)与系统框架(6)固定成一个整体，外壳(2)固定在系统框架(6)上。

2.根据权利要求1所述的高能激光全吸收能量测量装置，其特征在于，所述的吸收体(8)环带内侧V型槽夹角范围为30°～60°。

3.根据权利要求1所述的高能激光全吸收能量测量装置，其特征在于，所述的反射锥(11) 的材料为紫铜。

4.根据权利要求1所述的高能激光全吸收能量测量装置，其特征在于，所述的反射锥(11)外表面镀金的镀层厚度为5μm～10μm。

5.根据权利要求1所述的高能激光全吸收能量测量装置，其特征在于，所述的吸收体(8)的材料为硬铝。