CN109781256A - 一种激光能量测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光能量测量装置，包括吸收体、温度传感器、加热装置、数据采集卡及处理器；所述加热装置设置在所述吸收体内部；所述数据采集卡分别与所述温度传感器和所述处理器通讯连接；所述温度传感器用于测量所述吸收体受到激光辐照引起各个位置的温度增量，所述加热装置用于加热所述吸收体。通过对激光辐照后的吸收体的检测，并利用加热装置对吸收体加热，进行激光辐照能量的校准，从而实现了对激光分布的精确测量。

Description

一种激光能量测量方法及装置

技术领域

本发明涉及激光检测技术领域，尤其涉及一种激光能量测量方法及装置。

背景技术

在工业加工、信息处理和国防等领域，高功率激光发挥着越来越重要作用。近年来，一些综合实力较强的国家建立了自己的大型高功率固体激光装置，如中国工程物理研究院的SG-Ⅲ装置，欧盟建立的HiPER装置等。

测量激光辐照到材料表面的功率及空间分布，对于研究输出光束空间强度分布、光束质量、靶上能量集中度及保障实验稳定进行、评价强激光系统性能都有着重要的意义。

为了测量激光辐照到材料表面的功率及分布，近年来常用漫反射成像法、光斑成像法、扫描取样法和阵列探测法等。

漫反射成像法是高能激光测量的常用手段，但测量不确定度高，多用于定性测量。用漫反射成像法，借助热像仪测量靶面温度，搭建了反演靶面激光强度时空分布的重构算法。

光斑成像法基于CCD激光光束质量分析，将被测激光聚焦照射到漫反射屏上，用CCD相机对光斑图像进行成像测量。该方法操作简单，但难以定量分析辐照度分布。时文远等人设计开发了一套基于成像法的中波红外激光远场功率测量系统,给出了成像法测量远场激光功率密度分布的基本原理。

扫描取样法通过高速旋转的取样光刀进行反射取样，探测器在特定位置接收光刀反射过来的激光，获得激光的瞬时功率和平均功率。

用量热阵列测量远场激光能量分布和总能量分布，设计的算法中考虑到石墨热参数随温度的变化、靶面反射系数的影响，使得测量的不确定度较小。其局限性主要在于不能给出远场激光强度的时空分布。

在实验室和外场实验中，常用光电阵列法对激光进行测量，利用半导体光敏材料，接收激光信号，计算材料表面的灰度值，反映激光到靶功率密度。具有时间分辨力高、响应灵敏等特点，在远距离激光大气传输试验中应用较普遍。但是，这种装置的测量动态范围有限，通常在1：100左右。此外，由于高能激光的功率密度高，而光电探测器的线性饱和阈值相对较低，光电器件若长时间暴露在强激光下，容易发生损坏。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种激光能量测量方法及装置以解决上述问题。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种激光能量测量方法及装置，包括吸收体、温度传感器、加热装置、数据采集卡及处理器；所述加热装置设置在所述吸收体内部；所述数据采集卡分别与所述温度传感器和所述处理器通讯连接；所述温度传感器用于测量所述吸收体受到激光辐照引起各个位置的温度增量，所述加热装置用于加热所述吸收体。

进一步地，所述吸收体为感光金属或感光液体。

进一步地，所述感光金属为铜、金及镀石墨铜其中的一种或多种。

进一步地，所述温度传感器为接触式传感器或非接触式传感器。

进一步地，所述温度传感器为热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器或IC温度传感器其中的一种。

进一步地，所述吸收体为多个，且每个所述吸收体均设置有加热装置；多个所述吸收体为阵列排布。

进一步地，所述加热装置为硅碳加热棒、不锈钢加热棒、硅钼加热棒或电阻丝加热棒其中的一种。

进一步地，还包括测量支撑装置；所述测量支撑装置用于支撑所述吸收体。

进一步地，所述测量支撑装置的材料为不锈钢或钛合金。

根据本发明的另一个方面，提供一种激光能量测量方法，包括：利用吸收体吸收激光辐照，得到待测吸收体；检测所述待测吸收体的温度增量，等效获得所述吸收体吸收激光的能量；加热所述吸收体，获得相同温度增量，得到所述吸收体吸收的能量校准值；通过耦合系数修正，得到激光能量。

本发明提供一种激光能量测量装置，包括吸收体、温度传感器、加热装置、数据采集卡及处理器；所述加热装置设置在所述吸收体内部；所述数据采集卡分别与所述温度传感器和所述处理器通讯连接；所述温度传感器用于测量所述吸收体受到激光辐照引起各个位置的温度增量，所述加热装置用于加热所述吸收体。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

通过对激光辐照后的吸收体的检测，并利用加热装置对吸收体加热，进行激光辐照能量的校准，从而实现了对激光分布的精确测量。并且通过设置多个吸收体同时检测，实现了对高强度、大面积激光分布的精确测量，同时实现了测量系统抗高能激光损伤，在激光效应研究中靶面参数监测方面有广泛应用前景。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的激光能量测量装置结构框图；

图2是根据本发明一可选实施方式的激光能量测量装置结构示意图；

图3是根据本发明实施例另一方面的激光能量测量方法的流程图。

附图标记：

1：吸收体；2：温度传感器；3：加热装置；4：数据采集卡；5：处理器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在本发明的第一实施例中，提供了一种激光能量和光斑空间分布的测量装置，包括吸收体1、温度传感器2、加热装置3、数据采集卡4及处理器5；所述加热装置3设置在所述吸收体1内部；所述数据采集卡4分别与所述温度传感器2和所述处理器5通讯连接；所述温度传感器2用于测量所述吸收体1受到激光辐照引起各个位置的温度增量，所述加热装置3用于加热所述吸收体1。通过对激光辐照后的吸收体1的检测，并利用加热装置3对吸收体1加热，进行激光辐照能量的校准，从而实现了对激光分布的精确测量

可选的，所述吸收体1为感光金属或感光液体。

可选的，所述感光金属为铜、金及镀石墨铜其中的一种或多种。

可选的，所述温度传感器2为接触式传感器或非接触式传感器。

可选的，所述温度传感器2为热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器或IC温度传感器2其中的一种。

可选的，所述吸收体1为多个，且每个所述吸收体1均设置有加热装置3；多个所述吸收体1为阵列排布。通过该装置可以检测到一束激光的光斑空间分布。该装置适用功率高、光斑面积大的强激光参数测量，解决了光电器件测量过程中动态范围低、易受损等问题，提高了测量准确性，测量可溯源。

可选的，所述加热装置3为硅碳加热棒、不锈钢加热棒、硅钼加热棒或电阻丝加热棒其中的一种。

可选的，还包括测量支撑装置；所述测量支撑装置用于支撑所述吸收体1。

可选的，所述测量支撑装置的材料为不锈钢或钛合金。

在本发明的一可选实施例中，提供了一种激光能量和光斑空间分布的测量装置，包括吸收体1、温度传感器2、加热装置3、数据采集卡4及处理器5；所述加热装置3设置在所述吸收体1内部；所述数据采集卡4分别与所述温度传感器2和所述处理器5通讯连接；所述温度传感器2用于测量所述吸收体1受到激光辐照引起各个位置的温度增量，所述加热装置3用于加热所述吸收体1。具体的，所述吸收体1为感光金属或感光液体。具体的，所述感光金属为铜、金及镀石墨铜其中的一种或多种。具体的，所述温度传感器2为接触式传感器或非接触式传感器。具体的，所述温度传感器2为热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器或IC温度传感器2其中的一种。具体的，所述吸收体1为多个，且每个所述吸收体1均设置有加热装置3；多个所述吸收体1为阵列排布。具体的，所述加热装置3为硅碳加热棒、不锈钢加热棒、硅钼加热棒或电阻丝加热棒其中的一种。具体的，还包括测量支撑装置；所述测量支撑装置用于支撑所述吸收体1。具体的，所述测量支撑装置的材料为不锈钢或钛合金。

本发明与光电器件测量装置相比，一是通过吸收体1吸收激光辐照能量，转化为温升，再通过温度传感器2，测量温度增量，计算每个吸收体1吸收的能量，测量动态范围更大；二是通过电加热棒加热吸收体1，至等效温升，再经表面吸收系数校准激光强度，测量精度更高，并可实现能量溯源；三是吸收体1损伤阈值高，在强激光辐照下，不易受损，装置使用寿命更长。

为达到上述目的，本发明是通过以下的技术方案实现的：

实现激光能量和光斑空间分布的高精度测量，需要支撑装置、光学窗口、保护外壳、吸收体1、温度传感器2、电加热棒、温度采集系统、数据采集卡4及处理器5。

该测量装置进行测量时，包括如下步骤：

激光辐照到吸收体1表面，引起吸收体1温升；温度传感器2测测量吸收体1温度增量；电加热棒加热吸收体1，使其得到与激光加热同等温度增量，校准溯源吸收体1吸收的能量；由温度采集系统、数据采集卡4进行数据采集；数据进入处理系统，经过表面吸收系数校准，等效得出到靶功率密度。

在一可选实施例中，提供一种激光能量测量装置，包括：铜柱吸收体1、K型热电偶，电偶丝直径为2mm的温度传感器2、电阻丝加热棒、钛合金测量支撑装置。当激光辐照到铜柱表面，铜柱表面接收光信号升温，传到型热电偶，K型热电偶表面感温元件接触铜柱，热电偶测量端被加热，产生温度差，引起热电效应，产生电流，从而得到温度增量，等效获得吸收体1吸收激光的功率。

待铜柱冷却后或拿另外相同的铜柱，用电阻丝加热棒加热铜柱至等效温升，由K型热电偶测量温度数据，实现校准溯源吸收体1吸收的能量。温度采集卡进行数据采集，数据处理系统处理数据，通过表面吸收耦合系数的修正，即可得到高精度的到靶功率密度及到靶激光分布。

在一可选实施例中，提供一种激光能量测量装置，包括：直径为2cm的镀石墨铜柱吸收体1；负温度系数热敏电阻温度传感器2。其余装置选取与上一实施例相同。

激光辐照到镀石墨铜柱表面，镀石墨铜柱表面接收光信号升温，负温度系数热敏电阻接触铜柱，电阻值随温度增大而减小，流经电阻的电流增大，等效获得温度增量，即吸收体1吸收激光的功率。

电阻丝加热棒加热镀石墨铜柱至等效温升，负温度系数热敏电阻测量温度数据，实现校准溯源吸收体1吸收的能量。温度采集卡进行数据采集，数据处理系统处理数据，通过表面吸收耦合系数的修正，即可得到高精度的到靶功率密度及到靶激光分布。

本发明实施例的另一个方面，提供一种激光能量测量方法，包括：

S1：利用吸收体吸收激光辐照，得到待测吸收体；

S2：检测所述待测吸收体的温度增量，等效获得所述吸收体吸收激光的能量；

S3：加热所述吸收体，获得相同温度增量，得到所述吸收体吸收的能量校准值；

S4：通过耦合系数修正，得到激光能量。

该方法通过测量吸收体吸收激光后的升温，再将该吸收体吸收激光的吸收率作为修正系数，并且利用加热装置对吸收体加热，进行激光辐照能量的校准，从而实现了对激光分布的精确测量。

本发明旨在保护一种激光能量测量装置，包括吸收体1、温度传感器2、加热装置3、数据采集卡4及处理器5；所述加热装置3设置在所述吸收体1内部；所述数据采集卡4分别与所述温度传感器2和所述处理器5通讯连接；所述温度传感器2用于测量所述吸收体1受到激光辐照引起各个位置的温度增量，所述加热装置3用于加热所述吸收体1。通过对激光辐照后的吸收体1的检测，并利用加热装置3对吸收体1加热，进行激光辐照能量的校准，从而实现了对激光分布的精确测量。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种激光能量测量装置，包括吸收体(1)、温度传感器(2)、加热装置(3)、数据采集卡(4)及处理器(5)；

所述加热装置(3)设置在所述吸收体(1)内部；

所述数据采集卡(4)分别与所述温度传感器(2)和所述处理器(5)通讯连接；

所述温度传感器(2)用于测量所述吸收体(1)受到激光辐照引起各个位置的温度增量，所述加热装置(3)用于加热所述吸收体(1)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述吸收体(1)为感光金属或感光液体。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述感光金属为铜、金及镀石墨铜其中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度传感器(2)为接触式传感器或非接触式传感器。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述温度传感器(2)为热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器或IC温度传感器(2)其中的一种。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述吸收体(1)为多个，且每个所述吸收体(1)均设置有加热装置(3)；

多个所述吸收体(1)为阵列排布。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加热装置(3)为硅碳加热棒、不锈钢加热棒、硅钼加热棒或电阻丝加热棒其中的一种。

8.根据权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，还包括测量支撑装置；

所述测量支撑装置用于支撑所述吸收体(1)。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述测量支撑装置的材料为不锈钢或钛合金。

10.一种激光能量测量方法，其特征在于，包括

利用吸收体(1)吸收激光辐照，得到待测吸收体(1)；

检测所述待测吸收体(1)的温度增量，等效获得所述吸收体(1)吸收激光的能量；

加热所述吸收体(1)，获得相同温度增量，得到所述吸收体(1)吸收的能量校准值；

通过耦合系数修正，得到激光能量。