CN108981923A - 在线测量连续激光作用下光学元件表面温升的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种在线测量连续激光作用下光学元件表面温升的装置包括：由连续激光器、可供样品放置的样品台、第一固定安装式红外热像仪和第一计算机构成的测量连续激光作用下光学元件表面精确温升装置，由固体表面热电偶、可供样品放置的高温恒温加热台、第二固定安装式红外热像仪和第二计算机构成的标定等效辐射率系数ε′装置；及方法。本发明为连续激光系统中光学元件表面温升的直接测量提供参考，在测量之前先对固定安装式红外热像仪的等效辐射率系数进行标定。
Description
技术领域
本发明涉及连续激光作用下光学元件表面精确温升的测试领域，具体涉及辐射率随温度变化很小的光学元件表面精确温升的测试。
背景技术
连续高功率激光作用于光学元件表面时，损伤发生的主要原因是激光能量经材料吸收等作用转化为热量并沉积，使辐照区域不断升温，因此研究温度变化过程对研究连续激光诱导光学元件表面的原理有重要作用。目前对激光作用过程中光学元件表面温度场的分析主要基于数值模拟，测量方法也多是间接测量，而基于红外热像仪的测温技术由于具有非接触、快速、安全、灵敏度高、直观等优点成为直接测量温度的重要装置。但红外热像仪接收的是红外热辐射能量，这些能量不只被测物表面发射的，还包括被测物体反射环境的红外辐射能量以及物体与红外热像仪之间空气的热辐射能量，使得红外热像仪显示的并不是物体表面实际温度而是物体表面的辐射温度。只有当所测物体为黑体时，红外热像仪的辐射温度等于物体表面的实际温度，而对于一般物体(灰体)来说，红外热像仪的辐射温度都要低于物体表面的实际温度。研究人员通常在固定的较短距离下使用黑体来获得辐射率与温度的关系，此时需要在不同的精度及测量条件下得到不同的校准曲线，并与实际测量得到的曲线进行匹配才能得到实际温度。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种在线测量连续激光作用下光学元件表面温升的装置及方法。
本发明的技术解决方案如下：
一种在线测量连续激光作用下光学元件表面温升的装置，其特征在于，包括：由连续激光器、可供样品放置的样品台、第一固定安装式红外热像仪和第一计算机构成的测量连续激光作用下光学元件表面精确温升装置，由固体表面热电偶、可供样品放置的高温恒温加热台、第二固定安装式红外热像仪和第二计算机构成的标定等效辐射率系数ε′装置；
待测光学元件夹持在所述样品台上，所述连续激光器输出的激光垂直辐照在所述待测光学元件表面，所述第一固定安装式红外热像仪的输出端与所述第一计算机的输入端相连；
所述固体表面热电偶的表面温度探头与待测光学元件表面直接接触来测量表面温度，所述第二固定安装式红外热像仪的输出端与所述第二计算机的输入端相连。
所述的在线测量连续激光作用下光学元件表面温升的装置，其特征在于，所述的第一固定安装式红外热像仪与所述样品台的距离和所述第二固定安装式红外热像仪与所述的高温恒温加热台的距离相等。
所述的在线测量连续激光作用下光学元件表面温升的装置进行连续激光下光学元件表面精确温升测试的方法，其特征在于，包括标定等效辐射率系数和在线测量温升两个过程：
所述的标定等效辐射率系数过程具体包含以下步骤：
①将所述第二固定安装式红外热像仪用三脚架固定安装在距所述待测光学元件为L的位置处，用于测量所述高温恒温加热台上的光学元件；
②将待测光学元件放置在高温恒温加热台上，并将所述高温恒温加热台的温度调节至T1；
③待所述高温恒温加热台的温度稳定在T1后，用固体表面热电偶的表面温度探头接触所述待测光学元件的表面，测得所述待测光学元件的表面实际温度T；
④改变所述第二固定安装式红外热像仪的等效辐射率ε′，使所述第二固定安装式红外热像仪显示的温度T2与步骤③中测得所述待测光学元件的表面实际温度T一致；
⑤改变所述高温恒温加热台的温度并重复以上步骤②-④，得到不同温度范围内的等效辐射率ε′，最终求得的平均等效辐射率为标定的等效辐射率系数；
所述的在线测量温升过程，具体包含以下步骤：
①将待测光学元件夹持在样品台上；
②将第一固定安装式红外热像仪用三脚架固定安装在距所述样品台为L的位置处，设定所述第一固定安装式红外热像仪的等效辐射率系数为所述的标定等效辐射率系数
③将连续激光器输出的激光束垂直辐照在所述待测光学元件表面上；
所述第一固定安装式红外热像仪显示的温升即为连续激光作用下待测光学元件的表面实际温度。
本发明与现有技术相比较具有以下有益技术效果：
1.本发明为高功率连续激光作用于光学元件表面的实际温升提供一种简单安全快速有效的直接测量方法。
2.本发明用高温恒温加热台对固定安装式红外热像仪在高温下的等效辐射率参数进行标定，为固定安装式红外热像仪在表面实际温度测量上的应用解决一个关键性参数确定问题。
附图说明
图1是本发明在线测量连续激光作用下光学元件表面温升的装置示意图
图中：1-连续激光器，2-样品台，3-第一固定安装式红外热像仪，4-第一计算机。
图2是本发明固定安装式红外热像仪的等效辐射率系数标定过程示意图
图中：5-固体表面热电偶，6-待测光学元件，7-恒温高温加热台，8-第二固定安装式红外热像仪，9-第二计算机。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的实施方式作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
如图1、图2所示，一种在线测量连续激光作用下光学元件表面温升的装置，包括连续激光器1、可供样品放置的样品台2、第一固定安装式红外热像仪3和第一计算机4构成的测量连续激光作用下光学元件表面精确温升装置，由固体表面热电偶5、可供样品放置的高温恒温加热台7、第二固定安装式红外热像仪8和第二计算机9构成的标定等效辐射率系数ε′装置；
待测光学元件6夹持在所述样品台2上，所述连续激光器1输出的激光垂直辐照在所述待测光学元件6表面，所述第一固定安装式红外热像仪3的输出端与所述第一计算机4的输入端相连；
所述固体表面热电偶5的表面温度探头与待测光学元件6表面直接接触来测量表面温度，所述第二固定安装式红外热像仪8的输出端与所述第二计算机9的输入端相连。
所述的在线测量连续激光作用下光学元件表面温升的装置，其特征在于，所述的第一固定安装式红外热像仪3与所述样品台2的距离和所述第二固定安装式红外热像仪8与所述的高温恒温加热台7的距离相等。
所述的在线测量连续激光作用下光学元件表面温升的装置进行连续激光下光学元件表面精确温升测试的方法，其特征在于，包括标定等效辐射率系数和在线测量温升两个过程：
所述的标定等效辐射率系数过程具体包含以下步骤：
①将所述第二固定安装式红外热像仪8用三脚架固定安装在距所述待测光学元件6为L的位置处，用于测量所述高温恒温加热台7上的光学元件；
②将待测光学元件6放置在高温恒温加热台7上，并将所述高温恒温加热台7的温度调节至T1；
③待所述高温恒温加热台7的温度稳定在T1后，用固体表面热电偶5的表面温度探头接触所述待测光学元件6的表面，测得所述待测光学元件6的表面实际温度T；
④改变所述第二固定安装式红外热像仪8的等效辐射率ε′，使所述第二固定安装式红外热像仪8显示的温度T2与步骤③中测得所述待测光学元件6的表面实际温度T一致；
⑤改变所述高温恒温加热台7的温度并重复以上步骤②-④，得到不同温度范围内的等效辐射率ε′，最终求得的平均等效辐射率为标定的等效辐射率系数；
所述的在线测量温升过程，具体包含以下步骤：
①将待测光学元件6夹持在样品台2上；
②将第一固定安装式红外热像仪3用三脚架固定安装在距所述样品台2为L的位置处，设定所述第一固定安装式红外热像仪3的等效辐射率系数为所述的标定等效辐射率系数
③将连续激光器1输出的激光束垂直辐照在所述待测光学元件6表面上；
所述第一固定安装式红外热像仪3显示的温升即为连续激光作用下待测光学元件6的表面实际温度。
所述的连续激光器1为自制的光纤激光器，出射的激光束光斑直径为2mm，最高功率为200W；
所述的第一固定安装式红外热像仪3和第二固定安装式红外热像仪8为FLIR公司的A615固定安装式红外热像仪，配备有分辨率像素为640X480的探测器，热灵敏度<50mK；
所述的表面热电偶5为泰仕电子工业股份有限公司的TES-1310数字式热电偶，测量范围为-50℃-1300℃；
所述的高温恒温加热台7为帆与航电子科技有限公司的恒温加热台，加热面板采用铝材料制作，最高加热到600℃。
Claims (4)
1.一种在线测量连续激光作用下光学元件表面温升的装置，其特征在于，包括：由连续激光器(1)、可供样品放置的样品台(2)、第一固定安装式红外热像仪(3)和第一计算机(4)构成的测量连续激光作用下光学元件表面精确温升装置，由固体表面热电偶(5)、可供样品放置的高温恒温加热台(7)、第二固定安装式红外热像仪(8)和第二计算机(9)构成的标定等效辐射率系数ε′装置；
待测光学元件(6)夹持在所述样品台(2)上，所述连续激光器(1)输出的激光垂直辐照在所述待测光学元件(6)表面，所述第一固定安装式红外热像仪(3)的输出端与所述第一计算机(4)的输入端相连；
所述固体表面热电偶(5)的表面温度探头与待测光学元件(6)表面直接接触来测量表面温度，所述第二固定安装式红外热像仪(8)的输出端与所述第二计算机(9)的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的在线测量连续激光作用下光学元件表面温升的装置，其特征在于，所述第一固定安装式红外热像仪(3)与所述样品台(2)的距离和所述第二固定安装式红外热像仪(8)与所述高温恒温加热台(7)的距离相等。
3.利用权利要求1所述的在线测量连续激光作用下光学元件表面温升的装置进行连续激光下光学元件表面精确温升测试的方法，其特征在于，包括标定等效辐射率系数和在线测量温升两个过程：
所述的标定等效辐射率系数过程具体包含以下步骤：
①将所述第二固定安装式红外热像仪(8)用三脚架固定安装在距所述待测光学元件(6)为L的位置处，用于测量所述高温恒温加热台(7)上的光学元件；
②将待测光学元件(6)放置在高温恒温加热台(7)上，并将所述高温恒温加热台(7)的温度调节至T1；
③待所述高温恒温加热台(7)的温度稳定在T1后，用固体表面热电偶(5)的表面温度探头接触所述待测光学元件(6)的表面，测得所述待测光学元件(6)的表面实际温度T；
④改变所述第二固定安装式红外热像仪(8)的等效辐射率ε′，使所述第二固定安装式红外热像仪(8)显示的温度T2与步骤③中测得所述待测光学元件(6)的表面实际温度T一致；
⑤改变所述高温恒温加热台(7)的温度并重复以上步骤②-④，得到不同温度范围内的等效辐射率ε′，最终求得的平均等效辐射率为标定的等效辐射率系数；
所述的在线测量温升过程，具体包含以下步骤：
①将待测光学元件(6)夹持在样品台(2)上；
②将第一固定安装式红外热像仪(3)用三脚架固定安装在距所述样品台(2)为L的位置处，设定所述第一固定安装式红外热像仪(3)的等效辐射率系数为所述的标定等效辐射率系数
③将连续激光器(1)输出的激光束垂直辐照在所述待测光学元件(6)表面上。
4.所述第一固定安装式红外热像仪(3)显示的温升即为连续激光作用下待测光学元件(6)的表面实际温度。
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