CN110940640A - 一种强光吸收光谱测试系统及方法 - Google Patents

一种强光吸收光谱测试系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种强光吸收光谱测试系统及方法，涉及光谱测试技术领域，该系统包括激光发生单元；吸收单元，其设置于激光发生单元的激光束射出方向，吸收单元用于提供激光束需要经过的测试用大气，并对大气参数进行调整；辅助测试单元，其包括两个分光测试组件，两个分光测试组件分别用于测量经过吸收单元前后的激光束的功率；衰减聚焦单元，其用于衰减经第二分光测试组件透射的激光束，并将衰减后的激光束进行聚焦；测量分析单元，其用于对聚焦后的激光束进行测量分析。本发明，可在实验室环境下简单快速地模拟真实海洋大气环境状态的关键参数，并对大气参数进行调整，进而模拟激光装备的实际应用，以获取近原始试验数据。

Description

一种强光吸收光谱测试系统及方法
技术领域
本发明涉及光谱测试技术领域，具体涉及一种强光吸收光谱测试系统及方法。
背景技术
大气传输效应是制约激光装备工程应用的重要因素之一，其中大气对激光的吸收会使得激光到靶功率密度降低，严重时还会产生热晕效应，光斑发生劣化，进一步影响毁伤效果，以及激光装备的作战效能。激光吸收光谱特性研究是激光装备研制的核心技术之一，开展激光大气传输试验是进行激光吸收光谱特性研究的必要手段。然而，由于高能激光大气传输实验，能量高，试验安全风险高，且为获取强光大气传输的真实特性，对试验场地要求也较高，需要在外场进行试验，因此，开展这类型试验，人力资源和试验设备的运输都有一定的要求。
因此，现有的吸收光谱测试系统多针对于弱光，而受限于人力资源、测试手段、试验场地、交通运输等方面，多次开展高能激光大气传输试验十分困难，以至于无法获得大量试验数据对强光吸收光谱特性进行研究。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种强光吸收光谱测试系统及方法，可模拟激光装备的实际应用，以获取近原始试验数据。
本发明第一方面提供一种强光吸收光谱测试系统，其包括：
激光发生单元，其用于发射激光束；
吸收单元，其设置于上述激光发生单元的激光束射出方向，上述吸收单元用于提供上述激光束需要经过的测试用大气，并对大气参数进行调整；
辅助测试单元，其包括两个分光测试组件，两个上述分光测试组件分别位于上述吸收单元两侧，两个上述分光测试组件分别用于测量经过吸收单元前后的激光束的功率；
衰减聚焦单元，其用于衰减经第二分光测试组件透射的激光束，并将衰减后的激光束进行聚焦；上述第二分光测试组件为两个分光测试组件中远离激光发射单元设置的一个；
测量分析单元，其用于对聚焦后的激光束进行测量分析。
基于第一方面，在可能的实施例中，吸收单元包括内部中空的密闭筒体，上述密闭筒体的侧壁设有充气口和放气口，上述密闭筒体两端设有光学窗口，两个上述光学窗口分别与两侧的分光测试组件对应设置。
基于第一方面，在可能的实施例中，密闭筒体的侧壁沿轴向均匀间隔设有若干温湿度传感器。
基于第一方面，在可能的实施例中，两个分光测试组件中，靠近激光发射单元设置的分光测试组件为第一分光测试组件；
上述第一分光测试组件包括分光镜和第一功率计，上述分光镜设置于上述激光发生单元与吸收单元之间，上述第一功率计设置于上述分光镜的反射方向；经上述分光镜反射的激光束入射到第一功率计的靶面中心，经上述分光镜透射的激光束入射到吸收单元。
基于第一方面，在可能的实施例中，激光发生单元包括激光器和准直器，上述激光器的输出端与准直器连接，上述准直器的输出端朝向上述第一分光测试组件设置；上述激光器为窄线宽激光器。
基于第一方面，在可能的实施例中，上述第二分光测试组件包括反射镜和第二功率计，上述反射镜设置于上述吸收单元与衰减聚焦单元之间，上述第二功率计设置于上述反射镜的反射方向；经上述反射镜反射的激光束入射到第二功率计的靶面中心，经上述反射镜透射的激光束入射到衰减聚焦单元。
基于第一方面，在可能的实施例中，上述衰减聚焦单元包括：
衰减片，其设置于上述反射镜和测量分析单元之间，上述衰减片用于接收上述反射镜透射的激光束，并根据衰减倍率将上述激光束的能量衰减；
正透镜，其设置于上述衰减片和测量分析单元之间，上述正透镜用于接收衰减后的激光束，并将其聚焦至测量分析单元。
基于第一方面，在可能的实施例中，上述测量分析单元包括：
互补金属氧化物半导体CMOS相机，其用于接收经正透镜聚焦后的激光束，并观测激光束的光斑形貌；
光谱分析仪，其探头靠近上述第二功率计设置，上述光谱分析仪用于测量进入上述第二功率的激光束的中心波长；
数据采集分析设备，其分别连接激光发生单元和CMOS相机，上述数据采集分析设备用于控制接激光发生单元发射激光束，以及记录和分析光斑形貌变化规律。
本发明第二方面提供一种基于上述强光吸收光谱测试装置的测试方法，其包括步骤：
通过吸收单元提供测试用大气，并对大气参数进行调整；
激光发生单元发射的激光束经过第一分光测试组件，经第一分光测试组件透射的激光束照射到吸收单元，同时第一分光测试组件对经其反射的激光束进行功率测量；
由吸收单元出射的激光束经过第二分光测试组件，经第二分光测试组件透射的激光束进入衰减聚焦单元进行衰减和聚焦，同时第二分光测试组件对经其反射的激光束进行功率测量；
聚焦后的激光束进入测量分析单元进行测量分析。
基于第二方面，在可能的实施例中，吸收单元包括内部中空的密闭筒体，上述密闭筒体的侧壁设有充气口和放气口，上述密闭筒体两端设有光学窗口；
上述对大气参数进行调整，具体包括：
在上述密闭筒体内加入一定量的水，静置一段时间后，安装两端的光学窗口；
从充气口充入氮气，至上述密闭筒体内湿度达到预设要求后，关闭充气口和放气口，形成密闭空间。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的强光吸收光谱测试系统，通过吸收单元可在实验室环境下简单快速地模拟真实海洋大气环境状态的关键参数，并对大气参数进行调整，进而模拟激光装备的实际应用，以获取近原始试验数据；利用两个分光测试组件可同时测量经过吸收单元前后的激光束的功率，作为有效激光束功率，进而有效避免在同一电流值下，因激光发生单元自身功率不稳定而引起的测量误差。
(2)本发明的强光吸收光谱测试系统，利用密闭筒体侧壁的进气口和出气口，可对密闭筒体内大气的组成及含量，以及相对湿度进行调整，进而模拟激光装备的实际应用，不仅对深入研究强光大气传输效应具有重要意义，还对激光装备的指标论证及系统研制提供了有力地支撑。
附图说明
图1为本发明实施例中强光吸收光谱测试系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中强光吸收光谱测试方法的流程图。
附图标记：
1-激光器，2-分光镜，3-第一功率计，4-密闭筒体，5-光学窗口，6-温湿度传感器，7-反射镜，8-第二功率计，9-衰减片，10-正透镜，11-CMOS相机，12-光谱分析仪，13-数据采集分析设备。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明提供一种强光吸收光谱测试系统的实施例，该测试系统可用于高功率激光大气传输测试以及热晕效应特性研究，其包括激光发生单元、吸收单元、辅助测试单元、衰减聚焦单元和测量分析单元。
上述激光发生单元用于发射激光束。激光发生单元可通过波长和电流值的设置，发射不同波长和功率的准直激光束。
上述吸收单元设置在激光发生单元的激光束射出方向，该吸收单元用于提供激光束需要经过的测试用大气，并对大气参数进行调整。
上述辅助测试单元包括两个分光测试组件，两个分光测试组件分别位于所述吸收单元两侧，且两个分光测试组件分别用于测量经过吸收单元前后的激光束的功率。其中，靠近激光发射单元设置的分光测试组件为第一分光测试组件，远离激光发射单元设置的分光测试组件为第二分光测试组件。因此，上述第一分光测试组件位于激光发生单元和吸收单元之间，第二分光测试组件位于吸收单元和衰减聚焦单元之间。
本实施例中，第一分光测试组件用于测量进入吸收单元之前的激光束功率，第二分光测试组件用于测量经过吸收单元之后的激光束的功率。
上述衰减聚焦单元用于接收经过第二分光测试组件投射的激光束，然后对接收的激光束进行衰减，以及将衰减后的激光束进行聚焦。上述测量分析单元用于对聚焦后的激光束进行测量分析。
本实施例的强光吸收光谱测试系统，通过吸收单元可在实验室环境下简单快速地模拟真实海洋大气环境状态的关键参数，并对大气参数进行调整，进而模拟激光装备的实际应用，以获取近原始试验数据。同时，利用两个分光测试组件可同时测量经过吸收单元前后的激光束的功率，作为有效激光束功率，进而有效避免在同一电流值下，因激光发生单元自身功率不稳定而引起的测量误差。
在上述实施例的基础上，本实施例中，吸收单元包括一个内部中空的密闭筒体4，上述密闭筒体4的侧壁设有充气口和放气口，通过充气口可对密闭筒体4进行充气，通过放气口可对密闭筒体4进行放气。上述密闭筒体4两端设有光学窗口5，两个光学窗口5分别与两侧的分光测试组件对应设置。两个光学窗口5与密闭筒体4密封连接，以避免灰尘等杂志进入密封筒体4内。本实施例中，光学窗口5为高透光学镜片。
上述密闭筒体4的侧壁还均匀间隔设有若干温湿度传感器6，通过温湿度传感器6可实时监测激光传输过程中密闭筒体4内不同位置处的气体温度和相对湿度。
其中，多个温湿度传感器6分布在密闭筒体4的不同位置，读数取平均值作为密闭筒体4内的温湿度。
在上述实施例的基础上，本实施例中，第一分光测试组件包括分光镜2和第一功率计3。上述分光镜2设置在激光发生单元与吸收单元之间，上述第一功率计3设置在上述分光镜2的反射方向上。
激光发射单元发射的激光束入射到分光镜2上，分光镜2可根据比例将入射的激光束进行分离。经分光镜2反射的激光束入射到第一功率计3的靶面中心，即可通过第一功率计3测试接收到的激光束的功率能量信息；经分光镜2透射的激光束入射到密闭筒体4朝向分光镜2的光学窗口上。
在上述实施例的基础上，本实施例中，第二分光测试组件包括反射镜7和第二功率计8。上述反射镜7设置于在上述吸收单元与衰减聚焦单元之间，上述第二功率计8设置在上述反射镜7的反射方向上。
激光束入射并穿过密闭筒体4后，携带气体吸收信息的激光束入射到反射镜7上，反射镜7可按其反射率将入射的激光束进行分离。经反射镜7反射的激光束入射到第二功率计8的靶面中心，即可通过第二功率计8测试接收到的激光束的功率能量信息；经反射镜7透射的激光束入射到衰减聚焦单元。
本实施例中，上述衰减聚焦单元包括衰减片9和正透镜10。其中，上述衰减片9设置在上述反射镜7和测量分析单元之间，衰减片9用于接收经反射镜7透射的激光束，并根据衰减片9的衰减倍率将接收到的激光束的能量进行衰减，以可提供安全保障。上述正透镜10设置在上述衰减片9和测量分析单元之间，上述正透镜10用于接收经衰减片9衰减后的激光束，并将衰减后的激光束聚焦至测量分析单元上。
进一步地，上述测量分析单元包括CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体相机)相机11、光谱分析仪12和数据采集分析设备13。
上述CMOS相机11用于接收经正透镜10聚焦后的激光束，并实时观测接收到的激光束的光斑形貌变化。CMOS相机11拍下来的照片具有光斑大小、椭圆度等数据信息，根据光斑形貌变化的程度以及温度变化情况判断吸收的强弱。
上述光谱分析仪12设有探头，该探头靠近上述第二功率计8设置。光谱分析仪12通过探头探测第二功率计8发出的漫反射，可准确测量进入上述第二功率计8的激光束的中心波长，避免因激光发生单元的设置波长与实际波长的偏差而造成的测试误差。
上述数据采集分析设备13分别与激光发生单元和CMOS相机11连接。数据采集分析设备13用于控制接激光发生单元发射激光束，以及记录和分析CMOS相机11观测到的光斑形貌的变化规律。数据采集分析设备13为计算机。
本实施例中，上述激光发生单元包括激光器1和准直器，上述激光器1的输出端与准直器连接，上述准直器的输出端朝向上述第一分光测试组件设置。
可选地，激光器1为窄线宽激光器。窄线宽激光器1的输出波长及功率连续可调，且中心波长具备一定的调节精度，线宽需满足实验需求。
通过调整激光器1参数和环境参数等影响大气吸收的基本参数，可模拟激光设备实际应用，从而获取近原始数据。
参见图2所示，本发明还提供一种基于上述强光吸收光谱测试装置的测试方法的实施例，该测试方法包括步骤：
S1.通过吸收单元提供测试用大气，并对大气参数进行调整。
S2.激光发生单元发射的激光束经过第一分光测试组件，经第一分光测试组件透射的激光束照射到吸收单元，同时第一分光测试组件对经其反射的激光束进行功率测量。
S3.由吸收单元出射的激光束经过第二分光测试组件，经第二分光测试组件透射的激光束进入衰减聚焦单元进行衰减和聚焦，同时第二分光测试组件对经其反射的激光束进行功率测量。
S4.聚焦后的激光束进入测量分析单元进行测量分析。
在上述实施例的基础上，本实施例中，吸收单元包括一个内部中空的密闭筒体4，上述密闭筒体4的侧壁设有充气口和放气口，上述密闭筒体4两端设有光学窗口5。上述步骤S1中，对大气参数进行调整，具体包括：
首先，在上述密闭筒体4内加入一定量的水，静置一段时间后，安装密闭筒体4两端的光学窗口5。
然后，从充气口充入氮气，至上述密闭筒体4内湿度达到预设要求后，关闭充气口和放气口，形成密闭空间。
本实施例中，利用密闭筒体4侧壁的进气口和出气口，可对密闭筒体内大气的组成和相对湿度进行调整，进而模拟激光装备的实际应用，不仅对深入研究强光大气传输效应具有重要意义，还对激光装备的指标论证及系统研制提供了有力地支撑。
本实施例测试方法的具体流程如下：
A1.对激光器1和CMOS相机11进行自检，确定激光器控制软件和相机控制软件运行正常，激光器具备出光状态，相机具备工作状态。
A2.根据激光器1的指示光调节分光镜2、反射镜7、衰减片9、正透镜10、第一功率计3以及第二功率计8，使指示光与各镜片的轴线重合，且由分光镜2和反射镜7反射的指示光的轴线分别位于第一功率计3和第二功率计8中心；再调节CMOS相机11位置，使正透镜10出射的指示光焦点落入相机探测面，实现光学系统对准。
A3.在密闭筒体4内加入一定量的水，静置一段时间后，安装密闭筒体4两端的光学窗口5；然后从充气口充入适量氮气对湿度进行调节，至密闭筒体4内湿度达到本试验需要的高湿环境，关闭充气口和放气口，形成密闭空间。
本实施例中波段的吸收主要为水分子吸收，因此主要模拟了大气湿度。
A4.激光器1发射弱光进行调试，通过相机控制软件观察光斑位置，当光斑超出视场，则沿垂直激光方向调整CMOS相机11；观察第一功率计3以及第二功率计8处的光斑位置，当光斑超出功率计接收面，则沿垂直于入射功率计的激光的方向调整功率计。调试完成后，即可进行正式测试。
A5.设定CMOS相机11采样频率，激光器1按所需波长和功率出光，发射的激光束依次经过分光镜2、密闭筒体4、反射镜7、衰减片9和正透镜10后，入射到CMOS相机11中。通过CMOS相机11和光谱分析仪12采集数据。
本实施例中，每隔1s记录一次功率计读数以及密闭筒体4内的温度，并记录光谱分析仪12中心波长读数。20s后关闭激光器1，停止采集和记录数据。待温湿度传感器6读数恢复至室温，即可按要求改变波长和功率进行下一测试。
其中，分光镜2根据分光比例，将0.5％的激光照射到第一功率计3上，99.5％的激光透射至密闭筒体4。反射镜7按其反射率，将99.5％激光束入射到第二功率计8，0.5％激光束入射至衰减片9。
根据分光镜2的分光比例、反射镜7的反射率和功率读数，可计算得到激光在同一湿度下不同波长或同一波长不同湿度下的透过率，结合光谱分析仪12即可得到强光吸收谱线。
由于测试过程中，密闭筒体4内气体的温度会逐渐升高，然后趋于稳定。根据CMOS相机11测得的光斑形貌，结合密闭筒体4内的温升数据，可对热晕效应开展深入研究。
另外，由于不同波长吸收系数不同，热晕阈值也不同。因此，本实施例还可建立吸收程度与光斑形貌、以及吸收程度与温度变化之间的关系，为热晕效应特性研究提供有效手段。
本实施例的测试方法，可模拟不同大气环境下强激光传输过程，满足实验室条件下重复开展试验验证的需求，为激光装备的发射波长、发射功率、大气条件等因素对激光大气吸收的影响程度提供了有效的试验手段，为激光装备指标论证、样机研制与大气传输效应验证提供测试条件。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种强光吸收光谱测试系统，其特征在于，其包括：
激光发生单元，其用于发射激光束；
吸收单元，其设置于所述激光发生单元的激光束射出方向，所述吸收单元用于提供所述激光束需要经过的测试用大气，并对大气参数进行调整；
辅助测试单元，其包括两个分光测试组件，两个所述分光测试组件分别位于所述吸收单元两侧，两个所述分光测试组件分别用于测量经过吸收单元前后的激光束的功率；
衰减聚焦单元，其用于衰减经第二分光测试组件透射的激光束，并将衰减后的激光束进行聚焦；所述第二分光测试组件为两个分光测试组件中远离激光发射单元设置的一个；
测量分析单元，其用于对聚焦后的激光束进行测量分析。
2.如权利要求1所述的强光吸收光谱测试系统，其特征在于：所述吸收单元包括内部中空的密闭筒体(4)，所述密闭筒体(4)的侧壁设有充气口和放气口，所述密闭筒体(4)两端设有光学窗口(5)，两个所述光学窗口(5)分别与两侧的分光测试组件对应设置。
3.如权利要求2所述的强光吸收光谱测试系统，其特征在于：所述密闭筒体(4)的侧壁沿轴向均匀间隔设有若干温湿度传感器(6)。
4.如权利要求1所述的强光吸收光谱测试系统，其特征在于：两个分光测试组件中，靠近激光发射单元设置的分光测试组件为第一分光测试组件；
所述第一分光测试组件包括分光镜(2)和第一功率计(3)，所述分光镜(2)设置于所述激光发生单元与吸收单元之间，所述第一功率计(3)设置于所述分光镜(2)的反射方向；经所述分光镜(2)反射的激光束入射到第一功率计(3)的靶面中心，经所述分光镜(2)透射的激光束入射到吸收单元。
5.如权利要求4所述的强光吸收光谱测试系统，其特征在于：所述激光发生单元包括激光器(1)和准直器，所述激光器(1)的输出端与准直器连接，所述准直器的输出端朝向所述第一分光测试组件设置；所述激光器(1)为窄线宽激光器。
6.如权利要求1所述的强光吸收光谱测试系统，其特征在于：
所述第二分光测试组件包括反射镜(7)和第二功率计(8)，所述反射镜(7)设置于所述吸收单元与衰减聚焦单元之间，所述第二功率计(8)设置于所述反射镜(7)的反射方向；经所述反射镜(7)反射的激光束入射到第二功率计(8)的靶面中心，经所述反射镜(7)透射的激光束入射到衰减聚焦单元。
7.如权利要求6所述的强光吸收光谱测试系统，其特征在于，所述衰减聚焦单元包括：
衰减片(9)，其设置于所述反射镜(7)和测量分析单元之间，所述衰减片(9)用于接收所述反射镜(7)透射的激光束，并根据衰减倍率将所述激光束的能量衰减；
正透镜(10)，其设置于所述衰减片(9)和测量分析单元之间，所述正透镜(10)用于接收衰减后的激光束，并将其聚焦至测量分析单元。
8.如权利要求7所述的强光吸收光谱测试系统，其特征在于，所述测量分析单元包括：
互补金属氧化物半导体CMOS相机(11)，其用于接收经正透镜(10)聚焦后的激光束，并观测激光束的光斑形貌；
光谱分析仪(12)，其探头靠近所述第二功率计(8)设置，所述光谱分析仪(12)用于测量进入所述第二功率的激光束的中心波长；
数据采集分析设备(13)，其分别连接激光发生单元和CMOS相机(11)，所述数据采集分析设备(13)用于控制接激光发生单元发射激光束，以及记录和分析光斑形貌变化规律。
9.一种基于权利要求1所述强光吸收光谱测试装置的测试方法，其特征在于，其包括步骤：
通过吸收单元提供测试用大气，并对大气参数进行调整；
激光发生单元发射的激光束经过第一分光测试组件，经第一分光测试组件透射的激光束照射到吸收单元，同时第一分光测试组件对经其反射的激光束进行功率测量；
由吸收单元出射的激光束经过第二分光测试组件，经第二分光测试组件透射的激光束进入衰减聚焦单元进行衰减和聚焦，同时第二分光测试组件对经其反射的激光束进行功率测量；
聚焦后的激光束进入测量分析单元进行测量分析。
10.如权利要求9所述的强光吸收光谱测试方法，其特征在于，所述吸收单元包括内部中空的密闭筒体(4)，所述密闭筒体(4)的侧壁设有充气口和放气口，所述密闭筒体(4)两端设有光学窗口(5)；
所述对大气参数进行调整，具体包括：
在所述密闭筒体(4)内加入一定量的水，静置一段时间后，安装两端的光学窗口(5)；
从充气口充入氮气，至所述密闭筒体(4)内湿度达到预设要求后，关闭充气口和放气口，形成密闭空间。
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