CN111637967B - 一种通用固体吸收型高能激光能量测量探头 - Google Patents
一种通用固体吸收型高能激光能量测量探头 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111637967B CN111637967B CN202010360561.8A CN202010360561A CN111637967B CN 111637967 B CN111637967 B CN 111637967B CN 202010360561 A CN202010360561 A CN 202010360561A CN 111637967 B CN111637967 B CN 111637967B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- laser
- cone
- energy
- absorber
- laser absorber
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 title claims abstract description 47
- 239000000523 sample Substances 0.000 title claims abstract description 42
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims abstract description 25
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims abstract description 125
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 26
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 20
- 239000000110 cooling liquid Substances 0.000 claims description 17
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 11
- 239000004576 sand Substances 0.000 claims description 7
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 6
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 3
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 3
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 38
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 19
- 230000006378 damage Effects 0.000 abstract description 13
- 238000012360 testing method Methods 0.000 abstract description 6
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 8
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 7
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 6
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 4
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 3
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 3
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000007707 calorimetry Methods 0.000 description 2
- 239000000306 component Substances 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 2
- 230000001174 ascending effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- BGOFCVIGEYGEOF-UJPOAAIJSA-N helicin Chemical compound O[C@@H]1[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@H]1OC1=CC=CC=C1C=O BGOFCVIGEYGEOF-UJPOAAIJSA-N 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/4257—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to monitoring the characteristics of a beam, e.g. laser beam, headlamp beam
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/02—Details
- G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
- G01J1/0407—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings
- G01J1/0411—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings using focussing or collimating elements, i.e. lenses or mirrors; Aberration correction
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/02—Details
- G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
- G01J1/0407—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings
- G01J1/0422—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings using light concentrators, collectors or condensers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/02—Details
- G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
- G01J1/0407—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings
- G01J1/0474—Diffusers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
本发明公开了一种激光能量测量装置,尤其是一种通用固体吸收型高能激光能量测量探头,属于高能激光能量测试领域;该装置包括激光吸收体、扩束锥、集光器,所述激光吸收体的上部设置有用于收集激光的集光器,该集光器的底端靠近激光吸收体的侧面处还设置有光电探测单元,该扩束锥装配于激光吸收体内以用于将激光反射至激光吸收体,还包括用于温度检测的温度检测元件;本发明通过扩束锥以及激光吸收体结构的设计有效的解决了现在高能激光能量计当中存在的强激光硬毁伤问题,同时,不仅能够解决传统结构能量逸出损失导致全吸收效率低下的问题,还可应用于实心光束、环形光束等不同光斑分布的被测激光能量测量,提高了其自身的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光能量测量装置,尤其是一种通用固体吸收型高能激光能量测量探头,属于高能激光能量测试领域。
背景技术
高能激光能量计一般基于量热原理实现对入射激光能量的全吸收测量,主要由能量测量探头、冷却循环系统、数据采集系统等部分组成。高能激光能量测量探头作为高能激光全吸收能量计的最核心组件,其主要功能是将被测高能激光的光能转换为热能,然后基于量热法计算获得被测高能激光的能量值。目前国内外较为主流的高能激光能量测量探头采用石墨、无氧铜、铝等作为激光的固体吸收介质,在设计过程中涉及到两个方面的技术难点:一是能量测量探头对入射激光的全吸收效率问题,由于激光入射至固体吸收介质表面时会发生反射或散射,这些反射光或散射光有一部分会在探头内部经过多次反射吸收,而剩下的部分就会从探头的入口处逃逸出去,造成激光能量的损失,这些逸出的激光能量无法被探头内部设置的温度传感器探测到,因此造成激光能量测量值偏低,全吸收效率是影响高能激光能量计测量精度的最关键要素;二是能量测量探头抗强激光损伤能力,由于高能激光具有极强的烧蚀硬毁伤能力,其超高的功率密度(W/cm2)以及能量密度(J/cm2)可轻易摧毁激光传输光路上的设备设施,因此必须通过结构或工艺设计降低入射至能量测量探头的激光功率密度及能量密度,提高其功率/能量的测试能力,才能确保能量测量探头的安全性。
专利1(ZL201310669525.X)公开了一种锥腔型高能激光全吸收能量计,其激光吸收介质采用高纯石墨,并加工制成圆锥状空腔结构,入射激光相对于圆锥腔壁来说是斜向入射,以此增加与激光接触面积,从而实现激光扩束,降低功率密度,一般适用于环形激光束,且能量较为集中于锥顶位置,所以当入射激光能量过大时仍然易于被激光烧蚀损坏;该锥腔型能量计激光入射口直径远大于光斑直径,造成部分激光与锥腔壁作用后发生后向散射从入口处逸出,对激光的全吸收效率较低,从而使得能量测量值偏小。
专利2(ZL201310421058.9)公开了一种阶梯锥高能激光全吸收能量测量装置,其利用阶梯锥作为扩束组件将入射激光漫反射至圆筒状结构的吸收体上,阶梯锥结构增加了反射体的体积便于其传导散热,降低损坏风险,然而也增加了反射体的长度,使得整个系统体积会非常庞大;由于阶梯锥的锥顶只起到密封水路通道的作用,当入射激光为实心束时极易将阶梯锥的锥体烧蚀损坏,因此该装置只能用于环形束等特定尺寸激光能量测量;同时,由于吸收体为圆筒状结构,经阶梯锥反射后的激光很容易从入口处逸出,造成能量损失,降低能量测量装置对激光的全吸收效率,导致能量测量装置的能量测量值偏小。
专利3(ZL201510656261.3)公开了一种高能激光全吸收能量测量装置,其阶梯锥采用的是锥面和柱面交替组成,并且阶梯锥表面为镀金镜面反射,阶梯锥上所有锥面锥角为45°,所以当被测激光0°正入射至能量测量装置时,激光经阶梯锥45°镜面反射后垂直入射至环带型吸收体,这时确实可以降低入口处的激光能量逸出,但是实际使用中被测激光经常无法严格的0°度入射,那么就会有较多激光经阶梯锥镜面反射后直接从入口处逸出,造成能量损失,降低能量测量装置对激光的全吸收效率,导致能量测量装置的能量测量值偏小;该设计还通过调整吸收体上厚度不一的分立环带型结构质量达到控制各部分温升的目的,使得每一分立环带吸收体均能承受相应的激光能量而避免损坏,因此需要针对被测激光束的口径、光斑内外环强度分布等因素设计相应的每个分立环带吸收体厚度、数量等,系统结构复杂,增大了能量测量装置的设计、加工难度,并且只适用于特定被测激光,不具有通用性。
发明内容
本发明的发明目的在于:针对上述存在的问题,提供一种通用固体吸收型高能激光能量测量探头,以解决现有高能激光能量计设计中存在的强激光硬毁伤问题、能量逸出损失全吸收效率低问题、对环形及实心激光束通用性测试问题。
本发明采用的技术方案如下:
一种通用固体吸收型高能激光能量测量探头,包括激光吸收体、扩束锥、集光器,所述激光吸收体的上部设置有用于收集激光的集光器,该集光器的底端靠近激光吸收体的侧面处还设置有光电探测单元,该扩束锥装配于激光吸收体内以用于将被测激光反射至激光吸收体;
所述激光吸收体为“瓮”形结构;
还包括用于温度检测的温度检测元件,所述激光吸收体的外侧壁设置有沉孔,该沉孔内设置有温度检测元件,所述扩束锥的内侧壁也设置有温度检测元件。
进一步的,该激光吸收体包括上部、中部以及下部,所述激光吸收体的上部为圆锥台体空心腔体,该激光吸收体的中部为圆柱筒状体,该激光吸收体的下部为倒圆锥台体空心腔体,所述激光吸收体的上部和中部,激光吸收体的中部和下部采用支撑环固定安装以形成整体激光吸收体结构。
进一步的,该激光吸收体的上部和中部之间、激光吸收体的中部和下部之间还设置有限位结构,该限位结构包括设置于激光吸收体上部的环形槽或/和环形凸部,该激光吸收体的上部和中部分别设置有对应的环形槽或环形凸部。
进一步的,所述激光吸收体的外侧壁设置有用于装配冷却管道的安装沟槽,该安装沟槽螺旋环绕激光吸收体外侧壁设置,通过将冷却管道设置于该安装槽沟内以实现快速冷却。
进一步的,所述激光吸收体内侧壁上开设有凹槽以增大激光的吸收面积和增加反射效果促进激光能量的吸收。
进一步的,所述激光吸收体内侧壁上还设置有一层黑色涂层以用于能量的吸收。
进一步的,所述扩束锥通过支撑架装配于激光吸收体内,且固定装配于底部,该激光吸收体的底部固定设置有底板,该支撑架固定装配于底板上。
进一步的,所述扩束锥包括外锥体以及内锥体,该内锥体上设置有安装台面,外锥体套装于内锥体上,并通过该安装台面以安放外锥体,并固定连接。
进一步的,该外锥体的内侧壁设置有螺旋状的冷却液通道冷却液通道沟槽,内锥体的外侧壁设置有对应的冷却液通道沟槽,装配后以形成冷却液通道或者用于安装冷却液管道。
进一步的,所述扩束锥顶端锥顶的锥角α大于扩束锥锥身的锥角β,并且,该扩束锥顶端锥顶的顶部为弧形面。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
本发明的一种通用固体吸收型高能激光能量测量探头通过扩束锥以及激光吸收体结构的设计有效的解决了现在高能激光能量计当中存在的强激光硬毁伤问题,同时,不仅能够解决传统结构能量逸出损失导致全吸收效率低下的问题,还可应用于实心光束、环形光束等不同光斑分布的被测激光,提高了其自身的实用性,以此有效的提高了高能激光能量测量的能力和准确性,并且保证了测量装置的使用寿命。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明,其中:
图1是本发明的结构示意图;
图2是本发明外侧面的结构示意图;
图3是本发明激光吸收体内侧壁凹槽的结构示意图;
图4是本发明扩束锥截面的结构示意图;
图5是本发明扩束锥的结构示意图。
图中标记:1-激光吸收体、101-上部、102-中部、103-下部、2-扩束锥、201-外锥体、202-内锥体、3-集光器、4-光电探测单元、5-温度检测元件、6-限位结构、7-安装沟槽、8-凹槽、9-黑色图层、10-支撑架、11-支撑环、12-底板、13-冷却液通道沟槽、α-锥顶的锥角、β-锥身的锥角、γ-集光器的锥角、Ω-内锥体的锥角。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征,或公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即,除非特别叙述,每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例
一种通用固体吸收型高能激光能量测量探头,如图1至图5所示,包括激光吸收体1、扩束锥2、集光器3,所述激光吸收体的上部设置有用于收集激光的集光器,该集光器的底端靠近激光吸收体的侧面处还设置有光电探测单元4,该扩束锥装配于激光吸收体内以用于将激光反射至激光吸收体;
所述激光吸收体为“瓮”形结构;
还包括用于温度检测的温度检测元件5,所述激光吸收体的外侧壁设置有沉孔,该沉孔内设置有温度检测元件,所述扩束锥的内侧壁也设置有温度检测元件。
基于上述具体的设计结构的基础上,该激光吸收体包括上部101、中部102以及下部103,所述激光吸收体的上部为圆锥台体空心腔体,该激光吸收体的中部为圆柱筒状体,该激光吸收体的下部为倒圆锥台体空心腔体,所述激光吸收体的上部和中部,激光吸收体的中部和下部采用支撑环11固定安装以形成整体激光吸收体结构。在本设计中,由于“瓮”形结构的加工相对复杂,因此,采用支撑环的结构来促进上部、中部、下部三部分的连接结合,该设计的目的是为了便于吸收体的加工,尤其是在对后续的设计中对激光吸收体的内部加工。作为更加具体的设计,该支撑环11采用热导率小、强度高的玻璃钢或聚四氟乙烯制成。
作为更加具体的设计,该激光吸收体的上部和中部之间、激光吸收体的中部和下部之间还设置有限位结构6,该限位结构包括设置于激光吸收体上部的环形槽或/和环形凸部,该激光吸收体的上部和中部分别设置有对应的环形槽或环形凸部。在实际的装配过程中,该结构的设计一是为了在实际装配中能够起到更好的装配定位效果,同时,在结合上述的支撑环的设计,该结构能够避免在固定装配后出现错位或者相邻两个部分吸收体出现横向的装配错位的问题。而在实际的装配中,为了保持各个部位的独立性,避免相邻部分的激光吸收体导热,因此,实际设计中,激光吸收体的上部和中部之间、激光吸收体的中部和下部之间还设置有隔热垫,即:拼接处设置有导热率极低材料制成的隔热垫。
作为更加具体的设计,由于高能激光具有极强的烧蚀硬毁伤能力,其超高的功率密度(W/cm2)以及能量密度(J/cm2)可轻易摧毁激光传输光路上的设备设施,因此,所述激光吸收体的外侧壁设置有用于装配冷却管道的安装沟槽7,该安装沟槽螺旋环绕激光吸收体外侧壁设置,通过将冷却管道设置于该安装槽沟内以实现快速冷却。但是在针对冷却管道的布局上,其有多种具体实施方式,例如以下但不限于以下的方式:
a、冷却管道的进出口均设置在下方,冷却液往上的通路与往下的通路交叉设置;(即相邻的安装沟槽分别用于液体向上和液体向下的冷却管道安装)
b、冷却管道进出口分别位于一上一下,该方式以螺旋环绕方式依次设置形成单回路液体通道;
c、激光吸收体的三个部分分别作为独立单元,采用a或b的方式进行冷却。
激光在进入到探头后,为了充分的吸收激光能量,那么,所述激光吸收体内侧壁上开设有凹槽8以增大激光的吸收面积和增加反射效果促进激光能量的吸收。作为具体的设计,该凹槽8为“V”形槽或者类似于“V”形槽。
作为更加具体的,为了保证其热量的吸收效果,所述激光吸收体内侧壁上还设置有一层黑色涂层9以用于能量的吸收。在具体的工艺设计上,激光吸收体内表面采用喷细砂的方式增加表面粗糙度和附着力,然后进行电镀、喷涂或氧化等发黑工艺处理。具体的,细砂的颗粒度一般大于100目。
结合上述的对于激光吸收体的具体描述,在此,针对本结构中的设计的目的以及其优势进行进一步的阐述:
1、增大了能量测量探头前部和后部的激光吸收体面积,并且使得反射至吸收体上的光强分布更加均匀,降低能量计受强激光损坏的风险,更重要的是通过“瓮”形结构上部和下部的锥腔收口设计,改变了激光二次反射路线,使其在“瓮”形吸收体腔内多次反射、吸收,有效抑制了从探头入口处的激光逸出能量损失,结合“瓮”形结构吸收体内表面加工的类V型沟槽的二次反射作用,将能量测量探头的激光能量全吸收效率提升至99%及以上,显著提高了高能激光能量的测试精度;
2、“瓮”形吸收体分为上部、中部、下部三个部分,三个部分在独立完成加工后通过拼接的方式连接在一起,而且拼接处设置有导热率极低材料制成的隔热垫,减少“瓮”形三部分之间热传导,三部分外侧均独立布置数十组K型铠装热电偶温度传感器,因此测量超高能量、超大功率激光能量时,即使吸收体温度场分布不均匀的条件下仍能够基于量热法准确计算得到能量测量值,进一步有效提升能量测量的测试精度;
3、“瓮”形吸收体更易于工程实现主动冷却散热,“瓮”形吸收体外侧加工数条沟槽,并将无氧铜冷却管路嵌入沟槽安装,冷却管路可以完整的环绕整个“瓮”形吸收体,解决了传统高能激光能量计圆筒形结构前后端面不易散热的问题,将量热式全吸收高能激光能量计的两次高能激光能量测量之间时间间隔从1个小时以上缩短至10分钟以内。
以下针对扩束锥进行具体的设计,作为具体的设计,扩束锥具体的结构为锥形结构(即:圆锥形)。作为本设计中更具体的设计,所述扩束锥通过支撑架10装配于激光吸收体内,且固定装配于底部,该激光吸收体的底部固定设置有底板12,该支撑架固定装配于底板上。以附图1可能明确的看出,该激光吸收体的下部为中空结构,底板通过螺栓或者焊接固定在该激光吸收体的底部的。作为具体的设计,在运输过程中,会产生振动,为了便于运输、拆装方便以及维修更换,底板是可拆卸的固定设置在激光吸收体的底部(激光吸收体下部的底部)上。更加具体的,该底板是通过螺栓装配于激光吸收体的底部。
针对扩束锥的结构进行进一步的优化,尤其是在结构的设计上,所述扩束锥包括外锥体201以及内锥体202,该内锥体上设置有安装台面,外锥体套装于内锥体上,并通过该安装台面以安放外锥体,并固定连接。具体的,外锥体的底面与安装台面配合后通过焊接固定连接为一体。
扩束锥也是作为高能激光能量测量的易损件,为了保证其使用寿命,具体的,该外锥体的内侧壁设置有螺旋状的冷却液通道冷却液通道沟槽13,内锥体的外侧壁设置有对应的冷却液通道沟槽,装配后以形成冷却液通道或者用于安装冷却液管道。
针对扩束锥为两部分组成,并且是通过焊接而成,为了实现更好的冷却效果,以及降低热损,在本设计中,内锥体与外锥体装配后即形成冷却液通道,而在具体的结构设计中,为了保证其密封效果,内锥体和外锥体采用过盈配合。当然,也可以考虑采用回流焊接工艺来处理。
具体的,从沟槽截面看是半圆形,内锥体外侧相应位置从锥底到锥顶也依次环绕加工冷却液通道沟槽,内锥体外侧沟槽与外锥体内侧的沟槽位置是一一对应的,使得二者可共同构成一个完整的冷却液通道,内锥体和外锥体紧密连接为一体,冷却液通道的入口和出口与外部冷却循环系统连接。而在此中,冷却液的通道按照上述激光吸收体的沟槽中冷却管道的分布方式a进行分布,即上行和下行的液体通道交叉设置。
在完成扩束锥的结构设计和装配后,该扩束锥是通过螺栓装配于支撑架上的。但是,既然有冷却液通路以及内部电子元件,则需要与外界联通的通道,为了降低热量的损失,本申请中,所述支撑架为三脚支撑架,每个支脚为圆柱体结构,在固定装配后,其中两根支脚作为冷却液的进出口通道,另一根支脚作为内部电子元件连接线的通路。更加具体的,该支撑架可采用不锈钢材料制成。
针对扩束锥再进一步的优化,所述扩束锥顶端锥顶的锥角α大于扩束锥锥身的锥角β,并且,该扩束锥顶端锥顶的顶部为弧形面。该扩束锥顶端锥顶的顶部为弧形面的具体描述,该锥顶为了避免出现锥角,而采用弧形(类似球面)进行过度,以实现顶部激光束能够有效的反射,从而避免锥顶被高能激光烧蚀损坏。
针对外锥体外侧面(扩束锥外侧面)进行设计,扩束锥表面采用喷细砂的方式增加表面粗糙度和附着力,然后进行化学镀金工艺处理,细砂的颗粒度一般大于100目,镀金层的厚度大于等于3μm。作为更加具体的设计,针对扩束锥的外侧面的要求为:该扩束锥的外侧面为漫射面,具体的,该扩束锥的外侧面为不光滑面。
在结合背景技术中的对比文件,以及结合公开文件:一种全吸收高能激光能量计(专利号:ZL201410216395.9),在反射锥或者反射板(等同本申请的扩束锥)的结构设计上,通常是将材料进行抛光进行镀金工艺处理,通过该方式以实现全反射效果,而本设计的主要目的是在将扩束锥的表面进行不光滑处理,使其外表面在接收到激光后实现漫反射效果。
镜面反射是将光束按照规律的物理效应进行反射,但在实际应用中,被测激光无法严格按照理论入射角度进入,因此,其造成的能量逸出损失远大于本结构的设计。作为对比的,结合“瓮”形结构的激光吸收体,外锥体的外表面采用喷细砂后镀金工艺处理形成漫反射体,将入射激光均匀地漫反射至整个“瓮”形结构吸收体,这样既可以降低到达吸收体的功率密度,又使得扩束锥体吸收的激光能量占总入射激光能量百分比小于等于5%,进一步提升探头的抗强激光损伤能力。
针对相关锥角的角度设计,外锥体锥身的锥角β、内锥体的锥角Ω为20°-120°。通常的,采用较优的方案为40°、60°或者70°。
针对集光器的设计,该集光器的锥角γ为30°-120°。作为具体的取值,可采用60°或者90°。集光器的制作工艺可采用抛光后镀金的工艺处理方式。作为具体的设计,该集光器可拆卸的装配于激光吸收体上。更加具体的,该集光器可采用螺栓装配或者采用螺纹装配的方式进行装配。作为优选的,采用螺栓装配实现可拆卸装配。
作为材料的使用,所述的激光吸收体采用铜或者铝材料制成;所述的扩束锥采用无氧铜制成。
更加具体的,温度检测元件为K型铠装热电偶温度传感器。在其分布上,在激光吸收体的三部分的结构上,三部分外侧均独立布置数十组K型铠装热电偶温度传感器。扩束锥内部(内锥体内)安装有K型铠装热电偶温度传感器,冷却循环系统出入口处也设置有温度传感器。
上述为扩束锥的结构进一步的设计,针对该设计的优势进行进一步的阐述:
1、采用圆锥体结构进行扩束可以增加入射激光束的接收面积,降低功率密度,更重要的是本发明扩束锥采用内外双锥体结构,外锥体内侧从锥底到锥顶依次环绕加工冷却水流通道沟槽,从沟槽截面看是半圆形,内锥体外侧相应位置从锥底到锥顶也依次环绕加工冷却水流通道沟槽,内锥体外侧沟槽与外锥体内侧的沟槽位置是一一对应的,使得二者可共同构成一个完整的冷却水流通道,内锥体和外锥体紧密连接为一体,冷却水流通道的入口和出口与外部冷却循环系统连接,能量测量过程中冷却循环系统将扩束锥体热量实时带走,极大地提高了能量测量探头的抗强激光损伤阈值,确保探头使用的安全性、可靠性,同时扩束锥内部安装有K型铠装热电偶温度传感器,冷却循环系统出入口处也设置有温度传感器,确保本发明探头能量测量的准确度;
2、采用外锥体锥顶的锥角大于外锥体锥身的锥角,使得入射至锥顶位置激光也能够被完全反射至“瓮”形结构吸收体,外锥体的外表面采用喷细砂后镀金工艺处理形成漫反射体,将入射激光均匀地漫反射至整个“瓮”形结构吸收体,这样既可以降低被测激光到达扩束锥和吸收体的功率密度,又使得扩束锥体吸收的激光能量占总入射激光能量百分比小于等于5%,进一步提升探头的抗强激光损伤能力;
3、采用扩束锥可适用于实心光束、环形光束等不同光斑分布的被测激光能量测量,而且扩束锥表面以及激光吸收体内表面均经过工艺处理后对可见光、近红外以及中红外谱段的光学特性较为一致,提升了能量测量探头的通用性。
结合上述的整体方案构思以及激光吸收体和扩束锥结构的具体设计,作为其工作原理:高能激光能量测量探头是基于量热原理实现激光能量参数的测量。被测高能激光通过集光器入射至本发明提供的高能激光能量测量探头内部扩束锥上,经扩束锥的空间漫散射作用将激光反射至“瓮”形结构的激光吸收体上,经多次反射、吸收将99%以上的光能转化为热能,然后根据安装于激光吸收体、扩束锥体以及冷却管路出口入口的温度传感器测量值,结合各部分的质量、比热等参数计算获得被测高能激光的能量测量值,集光器底部内侧的光电探测单元通过探测入射激光的散射光,获得入射激光的强度变化曲线以及出光时长,然后结合能量测量值能够得到入射激光在出光过程中其平均功率随时间变化的曲线。
综上所述,本发明的一种通用固体吸收型高能激光能量测量探头通过扩束锥以及激光吸收体结构的设计有效的解决了现在高能激光能量计当中存在的强激光硬毁伤问题,同时,不仅能够解决传统结构能量逸出损失导致全吸收效率低下的问题,还可应用于实心光束、环形光束等不同光斑分布的被测激光能量测量,提高了其自身的实用性,以此有效的实现提高了高能激光能量测量的效率能力和准确性,并且保证了测量装置的使用寿命。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合,以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (8)
1.一种通用固体吸收型高能激光能量测量探头,包括激光吸收体(1)、扩束锥(2)、集光器(3),其特征在于:所述激光吸收体的上部设置有用于收集激光的集光器,该集光器的底端靠近激光吸收体的侧面处还设置有光电探测单元(4),该扩束锥装配于激光吸收体内以用于将激光反射至激光吸收体;
所述激光吸收体为“瓮”形结构,所述“瓮”形结构的上部和下部为锥腔收口;
还包括用于温度检测的温度检测元件(5),所述激光吸收体的外侧壁设置有沉孔,该沉孔内设置有温度检测元件,所述扩束锥的内侧壁也设置有温度检测元件;
所述扩束锥包括外锥体(201)以及内锥体(202),该内锥体上设置有安装台面,外锥体套装于内锥体上,并通过该安装台面以安放外锥体,并固定连接;
该外锥体的内侧壁设置有螺旋状的冷却液通道沟槽(13),内锥体的外侧壁设置有对应的冷却液通道沟槽,装配后以形成冷却液通道或者用于安装冷却液管道。
2.如权利要求1所述的一种通用固体吸收型高能激光能量测量探头,其特征在于:该激光吸收体包括上部(101)、中部(102)以及下部(103),所述激光吸收体的上部为圆锥台体空心腔体,该激光吸收体的中部为圆柱筒状体,该激光吸收体的下部为倒圆锥台体空心腔体,所述激光吸收体的上部和中部,激光吸收体的中部和下部采用支撑环(11)固定安装以形成整体激光吸收体结构。
3.如权利要求1所述的一种通用固体吸收型高能激光能量测量探头,其特征在于:该激光吸收体的上部和中部之间、激光吸收体的中部和下部之间还设置有限位结构(6),该限位结构包括设置于激光吸收体上部的环形槽或/和环形凸部,该激光吸收体的上部和中部分别设置有对应的环形槽或环形凸部。
4.如权利要求1所述的一种通用固体吸收型高能激光能量测量探头,其特征在于:所述激光吸收体的外侧壁设置有用于装配冷却管道的安装沟槽(7),该安装沟槽螺旋环绕激光吸收体外侧壁设置,通过将冷却管道设置于该安装 沟槽内以实现快速冷却。
5.如权利要求1所述的一种通用固体吸收型高能激光能量测量探头,其特征在于:所述激光吸收体内侧壁上开设有凹槽(8)以增大激光的吸收面积和增加反射效果促进激光能量的吸收。
6.如权利要求1所述的一种通用固体吸收型高能激光能量测量探头,其特征在于:所述激光吸收体内侧壁上还设置有一层黑色涂层(9)以用于能量的吸收,所述激光吸收体内表面采用喷细砂的方式增加表面粗糙度和附着力,然后进行发黑工艺处理。
7.如权利要求1所述的一种通用固体吸收型高能激光能量测量探头,其特征在于:所述扩束锥通过支撑架(10)装配于激光吸收体内,且固定装配于底部,该激光吸收体的底部固定设置有底板(12),该支撑架固定装配于底板上。
8.如权利要求1所述的一种通用固体吸收型高能激光能量测量探头,其特征在于:所述扩束锥顶端锥顶的锥角α大于扩束锥锥身的锥角β,并且,该扩束锥顶端锥顶的顶部为弧形面。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010360561.8A CN111637967B (zh) | 2020-04-30 | 2020-04-30 | 一种通用固体吸收型高能激光能量测量探头 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010360561.8A CN111637967B (zh) | 2020-04-30 | 2020-04-30 | 一种通用固体吸收型高能激光能量测量探头 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN111637967A CN111637967A (zh) | 2020-09-08 |
CN111637967B true CN111637967B (zh) | 2023-03-28 |
Family
ID=72326637
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202010360561.8A Active CN111637967B (zh) | 2020-04-30 | 2020-04-30 | 一种通用固体吸收型高能激光能量测量探头 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN111637967B (zh) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112611478B (zh) * | 2020-12-08 | 2022-05-17 | 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 | 一种基于金属化光纤传感的吸收体温度特性瞬态测量装置 |
CN114018900B (zh) * | 2021-11-15 | 2023-07-25 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种拉曼光谱仪 |
CN114093528B (zh) * | 2021-11-22 | 2023-09-26 | 北京应用物理与计算数学研究所 | 激光聚变黑腔腔壁结构及黑腔 |
CN114235349A (zh) * | 2021-12-07 | 2022-03-25 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 全吸收高能激光能量计的复合式吸收体结构 |
CN115494569B (zh) * | 2022-11-16 | 2023-02-03 | 中国航天三江集团有限公司 | 一种无水化和差异吸收率的激光截止器 |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1042857C (zh) * | 1995-12-25 | 1999-04-07 | 中国计量科学研究院 | 万焦/万瓦级激光能量功率测量装置 |
CN103389157B (zh) * | 2013-07-26 | 2015-05-20 | 西北核技术研究所 | 一种高能激光扩束吸收装置 |
CN103630236B (zh) * | 2013-12-11 | 2015-12-02 | 中国工程物理研究院应用电子学研究所 | 一种锥腔型高能激光全吸收能量计 |
CN104048755B (zh) * | 2014-05-21 | 2015-11-18 | 西北核技术研究所 | 一种全吸收高能激光能量计 |
CN104165690B (zh) * | 2014-09-04 | 2016-01-20 | 中国工程物理研究院应用电子学研究所 | 一种高能激光能量计校准装置 |
CN105634185B (zh) * | 2016-02-05 | 2018-11-23 | 福安市裕兴机械有限公司 | 电机壳体水冷结构 |
-
2020
- 2020-04-30 CN CN202010360561.8A patent/CN111637967B/zh active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN111637967A (zh) | 2020-09-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN111637967B (zh) | 一种通用固体吸收型高能激光能量测量探头 | |
CN110277179B (zh) | 一种板型燃料元件轴向和横向非均匀释热模拟试验装置 | |
CN110823502A (zh) | 一种高温流场全程水冷排架 | |
CN212007518U (zh) | 一种通用固体吸收型高能激光能量测量探头 | |
KR20110060927A (ko) | 냉각이 개선된 급속 열 처리 램프헤드 | |
CN108827463B (zh) | 一种浸入式全吸收高能激光功率能量计 | |
CN200997027Y (zh) | 一种激光冷光阑 | |
CN112985751B (zh) | 高超声速风洞稳定段总温总压测试排架结构与制作方法 | |
CN105786045B (zh) | 高能系统的外置式环绕型温度控制装置及方法 | |
CN209102650U (zh) | 一种适用于空间环境试验的大辐射热流加热装置 | |
CN107621334B (zh) | 用于热氦检漏的气体加热循环系统及快速加热冷却方法 | |
CN217844731U (zh) | 一种头锥热考核试验夹具 | |
Böhmer et al. | The ceramic foil volumetric receiver | |
CN115264525A (zh) | 一种智能一体化火焰检测器 | |
US10802181B2 (en) | Beam dumps having tailored absorbing surfaces | |
CN218386174U (zh) | 一种用于万瓦级以上高功率光纤激光的收光装置 | |
US5255295A (en) | Device for measuring the temperature of the primary coolant of a nuclear reactor, with accelerated internal flow | |
CN117690689B (zh) | 一种用于超导磁体的导冷组件 | |
CN113848379B (zh) | 一种高功率毫米波全金属假负载 | |
CN220670716U (zh) | 一种新型激光功率计 | |
CN215713366U (zh) | 一种可大幅度调节冷却能力的晶圆加热器 | |
JP4018838B2 (ja) | 高出力レーザ用出力計 | |
KR20160018563A (ko) | 열류 센서 | |
CN217111189U (zh) | 热电偶冷却保护装置 | |
Makhankov et al. | An accelerator based thermal neutron source for BNCT application |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |