CN111693161B - 一种超短脉冲激光能量测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超短脉冲激光能量测量方法及系统。所述方法包括确定待测超短超强激光的光斑；根据所述光斑确定辐射变色膜的尺寸；获取所述辐射变色膜的初始的空间二维分布的光密度值；利用所述待测超短超强激光对所述辐射变色膜进行曝光；获取曝光后的辐射变色膜的曝光后的空间二维分布的光密度值；利用所述初始的空间二维分布的光密度值和所述曝光后的空间二维分布的光密度值确定所述辐射变色膜曝光前后的净光密度值；对所述净光密度值进行标定，得到标定的拟合曲线；利用所述标定的拟合曲线确定照射到辐射变色膜上的所述待测超短超强激光的能量。本发明不仅能够测量输出的超短脉冲激光总能量，还能够测量超短脉冲激光能量的空间分布。

Description

一种超短脉冲激光能量测量方法及系统

技术领域

本发明涉及激光能量测量领域，特别是涉及一种超短脉冲激光能量测量方法及系统。

背景技术

目前，常用的激光能量测量设备是激光能量计，其探测器主要有光电二极管、热电堆和热释电三种。光电探测器主要用于低功率激光(0mW-2W)的探测，能量密度在1nJ/cm2以下(无衰减情况下)。热电堆探测器主要用于高功率激光的测量，量程可达到kW(连续光)，最大脉冲能量密度可达到1J/cm2。热释电探测器主要用于脉冲激光测量，最大能量密度范围0.6J/cm2，量程为15J以下。但是，在应用上现有能量探测器有很多的缺点，如下：

探测器的成本与探头的面积有关，目前最大的探头口径为3英寸，而且其价格非常昂贵。目前超短脉冲激光的光束口径越来越大，在更大口径的探测需求面前，大面阵探测器的加工非常困难；超短脉冲激光压缩后的功率密度已经远远超过了空气的电离阈值，因此超短脉冲都是在真空环境中进行传输，而目前使用的探测器都无法在真空环境下进行测量；由于探头结构与内部材料的影响，在一些应用场合(如需要测量激光与束流时)，可能无法同时与其他物理量测量设备一同进行数据采集；现有探测器无法给出测量激光的光斑能量分布；须通电后才可工作，抗电磁干扰能力差；因此，现有的能量探测器已经远远不能满足超短脉冲激光能量测量的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种超短脉冲激光能量测量方法及系统，不仅能够测量输出的超短脉冲激光总能量，还能够测量超短脉冲激光能量的空间分布。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种超短脉冲激光能量测量方法，包括：

确定待测超短超强激光的光斑；

根据所述光斑确定辐射变色膜的尺寸；

获取所述辐射变色膜的初始的空间二维分布的光密度值；

利用所述待测超短超强激光对所述辐射变色膜进行曝光；所述待测超短超强激光的光斑中心与所述辐射变色膜的中心重合；

获取曝光后的辐射变色膜的曝光后的空间二维分布的光密度值；

利用所述初始的空间二维分布的光密度值和所述曝光后的空间二维分布的光密度值确定所述辐射变色膜曝光前后的净光密度值；

对所述净光密度值进行标定，得到标定的拟合曲线；所述标定的拟合曲线为净光密度值与待测超短超强激光的能量密度的关系曲线；

利用所述标定的拟合曲线确定照射到辐射变色膜上的所述待测超短超强激光的能量。

可选的，所述利用所述初始的空间二维分布的光密度值和所述曝光后的空间二维分布的光密度值确定所述辐射变色膜曝光前后的净光密度值，具体包括：

利用公式

确定所述初始的空间二维分布的光密度值的平均值；其中，

为初始的空间二维分布的光密度值的平均值，OD^ij为初始的空间二维分布的光密度值，R为扫描空间分辨率，S为扫描区域的总面积；

利用公式

确定所述辐射变色膜曝光前后的净光密度值；其中，

为所述辐射变色膜曝光前后的净光密度值，

为曝光后的空间二维分布的光密度值。

可选的，所述对所述净光密度值进行标定，得到标定的拟合曲线，具体包括：

利用公式OD_net＝0.00954×E/S+0.04956确定R扫描通道下的标定的拟合曲线；

利用公式OD′_net＝0.00585×E/S+0.00374确定G扫描通道下的标定的拟合曲线；

利用公式OD″_net＝0.00585×E/S+0.00374确定B扫描通道下的标定的拟合曲线；

其中，E为待测超短超强激光的能量，单位mJ，S为待测超短超强激光的光斑面积，单位为cm²。

可选的，所述利用所述标定的拟合曲线确定照射到辐射变色膜上的所述待测超短超强激光的能量，具体包括：

利用所述标定的拟合曲线确定所述超短超强激光的能量密度；

根据所述超短超强激光的能量密度确定所述曝光后的辐射变色膜每一点的能量；

对所述曝光后的辐射变色膜每一点的能量求和，确定照射到辐射变色膜上的所述待测超短超强激光的能量。

一种超短脉冲激光能量测量系统，包括：

光斑确定模块，用于确定待测超短超强激光的光斑；

辐射变色膜的尺寸确定模块，用于根据所述光斑确定辐射变色膜的尺寸；

初始的空间二维分布的光密度值获取模块，用于获取所述辐射变色膜的初始的空间二维分布的光密度值；

曝光模块，用于利用所述待测超短超强激光对所述辐射变色膜进行曝光；所述待测超短超强激光的光斑中心与所述辐射变色膜的中心重合；

曝光后的空间二维分布的光密度值获取模块，用于获取曝光后的辐射变色膜的曝光后的空间二维分布的光密度值；

净光密度值确定模块，用于利用所述初始的空间二维分布的光密度值和所述曝光后的空间二维分布的光密度值确定所述辐射变色膜曝光前后的净光密度值；

标定的拟合曲线确定模块，用于对所述净光密度值进行标定，得到标定的拟合曲线；所述标定的拟合曲线为净光密度值与待测超短超强激光的能量密度的关系曲线。

待测超短超强激光的能量确定模块，用于利用所述标定的拟合曲线确定照射到辐射变色膜上的所述待测超短超强激光的能量。

可选的，所述净光密度值确定模块具体包括：

初始的空间二维分布的光密度值的平均值确定单元，用于利用公式

确定所述初始的空间二维分布的光密度值的平均值；其中，

为初始的空间二维分布的光密度值的平均值，OD^ij为初始的空间二维分布的光密度值，R为扫描空间分辨率，S为扫描区域的总面积；

辐射变色膜曝光前后的净光密度值确定单元，用于利用公式

确定所述辐射变色膜曝光前后的净光密度值；其中，

为所述辐射变色膜曝光前后的净光密度值，

为曝光后的空间二维分布的光密度值。

可选的，所述标定的拟合曲线确定模块具体包括：

R扫描通道下的标定的拟合曲线确定单元，用于利用公式OD_net＝0.00954×E/S+0.04956确定R扫描通道下的标定的拟合曲线；

G扫描通道下的标定的拟合曲线确定单元，用于利用公式OD′_net＝0.00585×E/S+0.00374确定G扫描通道下的标定的拟合曲线；

B扫描通道下的标定的拟合曲线确定单元，用于利用公式OD″_net＝0.00585×E/S+0.00374确定B扫描通道下的标定的拟合曲线；

其中，E为待测超短超强激光的能量，单位mJ，S为待测超短超强激光的光斑面积，单位为cm²。

可选的，所述待测超短超强激光的能量确定模块具体包括：

能量密度确定单元，用于利用所述标定的拟合曲线确定所述超短超强激光的能量密度；

曝光后的辐射变色膜每一点的能量确定单元，用于根据所述超短超强激光的能量密度确定所述曝光后的辐射变色膜每一点的能量；

待测超短超强激光的能量确定单元，用于对所述曝光后的辐射变色膜每一点的能量求和，确定照射到辐射变色膜上的所述待测超短超强激光的能量。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明的目的是提供一种超短脉冲激光能量测量方法及系统，通过根据所述光斑确定辐射变色膜的尺寸，并利用所述待测超短超强激光对所述辐射变色膜进行曝光，通过所述辐射变色膜曝光前后的光密度值的变化进行标定得到标定的拟合曲线，进而通过标定的拟合曲线实现照射到辐射变色膜上的所述待测超短超强激光的能量的测量，测量过程无需供电或者其他辅助，抗电磁辐射能力强，可在真空环境下进行测量。不仅能够测量输出的超短脉冲激光总能量，还能够测量超短脉冲激光能量的空间分布。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种超短脉冲激光能量测量方法流程示意图；

图2为本发明所提供的使用辐射变色膜测量超短超强激光的结构示意图；

图3为曝光后的辐射变色膜示意图；

图4为不同扫描通道下的辐射变色膜的净光密度值与激光能量密度之间的标定的拟合曲线；

图5为本发明所提供的一种超短脉冲激光能量测量系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种超短脉冲激光能量测量方法及系统，不仅能够测量输出的超短脉冲激光总能量，还能够测量超短脉冲激光能量的空间分布。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的一种超短脉冲激光能量测量方法流程示意图，如图1所示，本发明所提供的一种超短脉冲激光能量测量方法，包括：

S101，确定待测超短超强激光的光斑；用场图纸确认待测超短超强激光的光斑大小；场图纸是利用激光作用可以使之变色的原理，变色区域就是激光光斑区域。

S102，根据所述光斑确定辐射变色膜的尺寸；如果待测超短超强激光的光斑尺寸小于整张辐射变色膜(Radiochromic film，RCF)的尺寸(8英寸×10英尺，即20.32mm×25.4mm)，可以使用裁纸刀将RCF裁剪至略大于待测激光光斑尺寸的大小；如果待测超短超强激光的光斑尺寸大于整张RCF的尺寸，则可以将多张RCF拼接在一起使用。光斑的分辨率主要由RCF分辨率决定，测量分辨率可以达到亚毫米级别。

S103，获取所述辐射变色膜的初始的空间二维分布的光密度值；使用读取设备(扫描仪或者光密度计)读取裁减或者拼接的RCF，得到空间二维分布的光密度值(OpticalDensity，OD)OD^ij。

S104，利用所述待测超短超强激光对所述辐射变色膜进行曝光；所述待测超短超强激光的光斑中心与所述辐射变色膜的中心重合。

使用支架固定RCF膜片，开启小能量(～100mW)的超短超强激光，将支架放置在超短脉冲激光传播方向上，调整支架使激光垂直入射到RCF膜片上，如图2所示。

开启大能量的超短超强激光，RCF将接受到大能量超短超强激光的辐照，RCF对大能量超短超强激光的响应，曝光后的辐射变色膜如图3所示。

S105，获取曝光后的辐射变色膜的曝光后的空间二维分布的光密度值；取出接受到大能量超短超强激光的辐照后的RCF，即曝光后的辐射变色膜，使用读取设备(扫描仪或者光密度计)读取曝光后的辐射变色膜的光密度值的二维分布

S106，利用所述初始的空间二维分布的光密度值和所述曝光后的空间二维分布的光密度值确定所述辐射变色膜曝光前后的净光密度值。

利用公式

确定所述初始的空间二维分布的光密度值的平均值；其中，

为初始的空间二维分布的光密度值的平均值，OD^ij为初始的空间二维分布的光密度值，R为扫描空间分辨率，S为扫描区域的总面积。

利用公式

确定所述辐射变色膜曝光前后的净光密度值；其中，

为所述辐射变色膜曝光前后的净光密度值，

为曝光后的空间二维分布的光密度值。

S107，对所述净光密度值进行标定，得到标定的拟合曲线；所述标定的拟合曲线为净光密度值与待测超短超强激光的能量密度的关系曲线；不同扫描通道下的辐射变色膜的净光密度值与激光能量密度之间的标定的拟合曲线如图4所示，具体为：

利用公式OD_net＝0.00954×E/S+0.04956确定R扫描通道下的标定的拟合曲线。

利用公式OD′_net＝0.00585×E/S+0.00374确定G扫描通道下的标定的拟合曲线。

利用公式OD″_net＝0.00585×E/S+0.00374确定B扫描通道下的标定的拟合曲线。

其中，E为待测超短超强激光的能量，单位mJ，S为待测超短超强激光的光斑面积，单位为cm²。

S108，利用所述标定的拟合曲线确定照射到辐射变色膜上的所述待测超短超强激光的能量。

利用所述标定的拟合曲线确定所述超短超强激光的能量密度E^ij/S^ij。

根据所述超短超强激光的能量密度确定所述曝光后的辐射变色膜每一点的能量。扫描设置的空间分辨率R，则可得到S^ij＝R²，从而可以求出扫描图像上每一点的能量E^ij。

对所述曝光后的辐射变色膜每一点的能量E^ij求和，确定照射到辐射变色膜上的所述待测超短超强激光的能量。

本发明所提供的一种超短脉冲激光能量测量方法可以测量超短脉冲激光能量密度分布，同时获得激光的光斑与能量，光斑的分辨率主要由RCF分辨率决定，测量分辨率可以达到亚毫米级别；可根据实际测量区域需求，采用拼接或者裁减方式得到不同尺寸以及形状；占用空间小，只需要放置并固定RCF膜片即可，而RCF厚度约为100um尺度；测量过程无需供电或者其他辅助，抗电磁辐射能力强；可在真空环境下进行测量；数据读取时可采用不同的通道，即选择不同的线性范围或者灵敏度，可根据测量结果选择适合的通道进行拟合计算。

图5为本发明所提供的一种超短脉冲激光能量测量系统结构示意图，如图5所示，本发明所提供的一种超短脉冲激光能量测量系统，包括：光斑确定模块501、辐射变色膜的尺寸确定模块502、初始的空间二维分布的光密度值获取模块503、曝光模块504、曝光后的空间二维分布的光密度值获取模块505、净光密度值确定模块506、标定的拟合曲线确定模块507和待测超短超强激光的能量确定模块508。

光斑确定模块501用于确定待测超短超强激光的光斑。

辐射变色膜的尺寸确定模块502用于根据所述光斑确定辐射变色膜的尺寸。

初始的空间二维分布的光密度值获取模块503用于获取所述辐射变色膜的初始的空间二维分布的光密度值。

曝光模块504用于利用所述待测超短超强激光对所述辐射变色膜进行曝光；所述待测超短超强激光的光斑中心与所述辐射变色膜的中心重合。

曝光后的空间二维分布的光密度值获取模块505用于获取曝光后的辐射变色膜的曝光后的空间二维分布的光密度值。

净光密度值确定模块506用于利用所述初始的空间二维分布的光密度值和所述曝光后的空间二维分布的光密度值确定所述辐射变色膜曝光前后的净光密度值。

标定的拟合曲线确定模块507用于对所述净光密度值进行标定，得到标定的拟合曲线；所述标定的拟合曲线为净光密度值与待测超短超强激光的能量密度的关系曲线。

待测超短超强激光的能量确定模块508用于利用所述标定的拟合曲线确定照射到辐射变色膜上的所述待测超短超强激光的能量。

所述净光密度值确定模块506具体包括：初始的空间二维分布的光密度值的平均值确定单元和辐射变色膜曝光前后的净光密度值确定单元。

初始的空间二维分布的光密度值的平均值确定单元用于利用公式

确定所述初始的空间二维分布的光密度值的平均值；其中，

为初始的空间二维分布的光密度值的平均值，OD^ij为初始的空间二维分布的光密度值，R为扫描空间分辨率，S为扫描区域的总面积。

辐射变色膜曝光前后的净光密度值确定单元用于利用公式

确定所述辐射变色膜曝光前后的净光密度值；其中，

为所述辐射变色膜曝光前后的净光密度值，

为曝光后的空间二维分布的光密度值。

所述标定的拟合曲线确定模块507具体包括：R扫描通道下的标定的拟合曲线确定单元、G扫描通道下的标定的拟合曲线确定单元和B扫描通道下的标定的拟合曲线确定单元。

R扫描通道下的标定的拟合曲线确定单元用于利用公式OD_net＝0.00954×E/S+0.04956确定R扫描通道下的标定的拟合曲线。

G扫描通道下的标定的拟合曲线确定单元用于利用公式OD′_net＝0.00585×E/S+0.00374确定G扫描通道下的标定的拟合曲线。

B扫描通道下的标定的拟合曲线确定单元用于利用公式OD″_net＝0.00585×E/S+0.00374确定B扫描通道下的标定的拟合曲线。

其中，E为待测超短超强激光的能量，单位mJ，S为待测超短超强激光的光斑面积，单位为cm²。

所述待测超短超强激光的能量确定模块508具体包括：能量密度确定单元、曝光后的辐射变色膜每一点的能量确定单元和待测超短超强激光的能量确定单元。

能量密度确定单元用于利用所述标定的拟合曲线确定所述超短超强激光的能量密度。

曝光后的辐射变色膜每一点的能量确定单元用于根据所述超短超强激光的能量密度确定所述曝光后的辐射变色膜每一点的能量。

待测超短超强激光的能量确定单元用于对所述曝光后的辐射变色膜每一点的能量求和，确定照射到辐射变色膜上的所述待测超短超强激光的能量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种超短脉冲激光能量测量方法，其特征在于，包括：

确定待测超短超强激光的光斑；

根据所述光斑确定辐射变色膜的尺寸；

获取所述辐射变色膜的初始的空间二维分布的光密度值；

利用所述待测超短超强激光对所述辐射变色膜进行曝光；所述待测超短超强激光的光斑中心与所述辐射变色膜的中心重合；

获取曝光后的辐射变色膜的曝光后的空间二维分布的光密度值；

利用所述初始的空间二维分布的光密度值和所述曝光后的空间二维分布的光密度值确定所述辐射变色膜曝光前后的净光密度值；

对所述净光密度值进行标定，得到标定的拟合曲线；所述标定的拟合曲线为净光密度值与待测超短超强激光的能量密度的关系曲线；

利用公式OD_net＝0.00954×E/S+0.04956确定R扫描通道下的标定的拟合曲线；

利用公式OD′_net＝0.00585×E/S+0.00374确定G扫描通道下的标定的拟合曲线；

利用公式OD″_net＝0.00585×E/S+0.00374确定B扫描通道下的标定的拟合曲线；

其中，E为待测超短超强激光的能量，单位mJ，S为待测超短超强激光的光斑面积，单位为cm²；

利用所述标定的拟合曲线确定照射到辐射变色膜上的所述待测超短超强激光的能量。

2.根据权利要求1所述的一种超短脉冲激光能量测量方法，其特征在于，所述利用所述初始的空间二维分布的光密度值和所述曝光后的空间二维分布的光密度值确定所述辐射变色膜曝光前后的净光密度值，具体包括：

利用公式

确定所述初始的空间二维分布的光密度值的平均值；其中，

为初始的空间二维分布的光密度值的平均值，OD^ij为初始的空间二维分布的光密度值，R为扫描空间分辨率，S为扫描区域的总面积；

利用公式

确定所述辐射变色膜曝光前后的净光密度值；其中，

为所述辐射变色膜曝光前后的净光密度值，

为曝光后的空间二维分布的光密度值。

3.根据权利要求1所述的一种超短脉冲激光能量测量方法，其特征在于，所述利用所述标定的拟合曲线确定照射到辐射变色膜上的所述待测超短超强激光的能量，具体包括：

利用所述标定的拟合曲线确定所述超短超强激光的能量密度；

根据所述超短超强激光的能量密度确定所述曝光后的辐射变色膜每一点的能量；

对所述曝光后的辐射变色膜每一点的能量求和，确定照射到辐射变色膜上的所述待测超短超强激光的能量。

4.一种超短脉冲激光能量测量系统，其特征在于，包括：

光斑确定模块，用于确定待测超短超强激光的光斑；

辐射变色膜的尺寸确定模块，用于根据所述光斑确定辐射变色膜的尺寸；

初始的空间二维分布的光密度值获取模块，用于获取所述辐射变色膜的初始的空间二维分布的光密度值；

曝光模块，用于利用所述待测超短超强激光对所述辐射变色膜进行曝光；所述待测超短超强激光的光斑中心与所述辐射变色膜的中心重合；

曝光后的空间二维分布的光密度值获取模块，用于获取曝光后的辐射变色膜的曝光后的空间二维分布的光密度值；

净光密度值确定模块，用于利用所述初始的空间二维分布的光密度值和所述曝光后的空间二维分布的光密度值确定所述辐射变色膜曝光前后的净光密度值；

标定的拟合曲线确定模块，用于对所述净光密度值进行标定，得到标定的拟合曲线；所述标定的拟合曲线为净光密度值与待测超短超强激光的能量密度的关系曲线；

所述标定的拟合曲线确定模块具体包括：

R扫描通道下的标定的拟合曲线确定单元，用于利用公式OD_net＝0.00954×E/S+0.04956确定R扫描通道下的标定的拟合曲线；

G扫描通道下的标定的拟合曲线确定单元，用于利用公式OD′_net＝0.00585×E/S+0.00374确定G扫描通道下的标定的拟合曲线；

B扫描通道下的标定的拟合曲线确定单元，用于利用公式OD″_net＝0.00585×E/S+0.00374确定B扫描通道下的标定的拟合曲线；

其中，E为待测超短超强激光的能量，单位mJ，S为待测超短超强激光的光斑面积，单位为cm²；

待测超短超强激光的能量确定模块，用于利用所述标定的拟合曲线确定照射到辐射变色膜上的所述待测超短超强激光的能量。

5.根据权利要求4所述的一种超短脉冲激光能量测量系统，其特征在于，所述净光密度值确定模块具体包括：

初始的空间二维分布的光密度值的平均值确定单元，用于利用公式

确定所述初始的空间二维分布的光密度值的平均值；其中，

为初始的空间二维分布的光密度值的平均值，OD^ij为初始的空间二维分布的光密度值，R为扫描空间分辨率，S为扫描区域的总面积；

辐射变色膜曝光前后的净光密度值确定单元，用于利用公式

确定所述辐射变色膜曝光前后的净光密度值；其中，

为所述辐射变色膜曝光前后的净光密度值，

为曝光后的空间二维分布的光密度值。

6.根据权利要求4所述的一种超短脉冲激光能量测量系统，其特征在于，所述待测超短超强激光的能量确定模块具体包括：

能量密度确定单元，用于利用所述标定的拟合曲线确定所述超短超强激光的能量密度；

曝光后的辐射变色膜每一点的能量确定单元，用于根据所述超短超强激光的能量密度确定所述曝光后的辐射变色膜每一点的能量；

待测超短超强激光的能量确定单元，用于对所述曝光后的辐射变色膜每一点的能量求和，确定照射到辐射变色膜上的所述待测超短超强激光的能量。

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