CN113295274B - 一种用于激光分布测量的探测器阵列靶取样衰减装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于激光分布测量的探测器阵列靶取样衰减装置，包括取样衰减单元，所述取样衰减单元包括高反射通道和衰减散射片；所述高反射通道包括设置有高反型取样孔的强光防护面板、设置在强光防护面板后方的消光通道，还包括设置在消光通道内的散射片安装压圈、探测器，所述衰减散射片通过散射片安装压圈压在消光通道内靠近强光防护面板的一侧，所述探测器设置在消光通道的另一侧。本装置采取了高反型取样孔或光纤取样与朗伯特性良好的衰减散射片组合的方式，很好的实现了更高功率密度激光、更大角度宽容的测量需求。
Description
技术领域
本发明属于光电探测的技术领域，尤其涉及一种用于激光分布测量的探测器阵列靶取样衰减装置。
背景技术
所述探测器阵列靶包括依次设置的：取样衰减装置、对光电探测器阵列获得的信号进行处理的信号调理电路、多路数据采集单元、数据处理控制单元，还包括给各电路供电的供电单元。所述取样衰减装置包括依次设置的强光防护面板、强光取样衰减单元阵列、强光吸收单元阵列、探测单元。
探测器阵列靶用于高功率密度激光参数测量，到靶激光功率密度可达数千瓦每平方厘米，辐照时间长达几十分钟，对高功率密度激光束取样衰减结构进行合理设计是激光参数测量的关键。
目前针对高功率密度激光取样衰减，主要有高反型光学镀膜取样衰减结构、漫反射积分球取样衰减结构及漫透射取样衰减结构，其中，高反型光学镀膜取样衰减结构主要存在的不足是工作光谱范围窄、对激光入射角度及偏振态较为敏感；漫反射积分球取样衰减结构由于球腔结构限制，无法实现高空间分辨力测量，且角度适用范围有限；漫透射取样衰减结构由于选用的漫透射材料本身抗激光损伤能力有限以及材料安装前孔翻边的薄弱环节，在更高功率密度激光参数测量中，面板所承受热应力会造成结构破坏，通过增长衰减腔达到所需衰减倍率导致系统整体结构无法做到小型化和轻量化。
发明内容
针对现有取样衰减技术存在的抗激光损伤能力较差、设备角度测量范围小、适用波长单一、探测单元响应不一致性等问题，为此，本发明提出了一种用于激光分布测量的探测器阵列靶取样衰减装置，具体方案如下：
一种用于激光分布测量的探测器阵列靶取样衰减装置，包括取样衰减单元，所述取样衰减单元包括高反射通道和衰减散射片；所述高反射通道包括设置有高反型取样孔的强光防护面板、设置在强光防护面板后方的消光通道，还包括设置在消光通道内的散射片安装压圈、探测器，所述衰减散射片通过散射片安装压圈压在消光通道内靠近强光防护面板的一侧，所述探测器设置在消光通道的另一侧。
具体地说，还包括光纤和套筒，所述套筒设置在强光防护面板和消光通道之间，所述光纤穿过高反型取样孔和套筒，光纤的输出端正对散射衰减片。
具体地说，消光通道内壁设置有消光螺纹。
具体地说，所述强光防护面板材料为铝或铜。
具体地说，抛光处理后的高反型取样孔内壁上镀有高反膜。
具体地说，所述散射衰减片使用与理想朗伯入射角度余弦值偏差在10％以内的材料属性，所述理想朗伯特性满足出射光强度分布Iθ＝I0 cosθ。
具体地说，所述消光通道的通道管壁采用铝材加工，消光通道长度根据公式
计算，式中，k为衰减倍率，L为散射距离即通道长度，τ为材料对入射光源的透过率，dS为统计的微元面积。
具体地说，其中光纤数值孔径NA定义为
n0为使用环境介质折射率，n1为光纤纤芯折射率，n2为光纤包层折射率，入射到光纤端面的光线最大角Um。
具体地说，装置包括阵列设置的多组取样衰减单元，所述强光防护板上阵列设置有多个高反型取样孔；每个高反型取样孔均同轴设置有衰减散射片、消光通道、探测器；所述衰减散射片设置在支撑板对应的孔内，所有消光通道固定设置在通道安装板上，探测器安装在探测安装板上。
具体地说，所述支撑板、通道安装板、探测安装板上的相邻孔之间为切削掏空状。
本发明的有益效果在于：
(1)本装置基于高反射与朗伯散射特性，采取了高反型取样孔或光纤取样与朗伯特性良好的衰减散射片组合的方式，很好的实现了更高功率密度激光、更大角度宽容的测量需求。
(2)消光通道主要实现对透过散射片杂散光的吸收功能，同时起到光阑的作用，防止各个通道间的杂散光串扰，影响探测单元的测量精度；并且作为探测器阵列的安装支架。
(3)抗激光损伤能力高，本申请所选用的镀金铜板作为强光防护面板，且内壁设置高反金膜涂层、石英光纤、石英衰减散射片的设置均提高了装置的抗激光损伤能力。
(4)无波长选择性，本装置所选用的材料为石英、金膜、铜板对入射激光波长不具有选择性要求，在300nm～3000nm的波长范围内均可使用。
(5)大角度宽容性，本申请通过高反通道降低激光有角度入射的侧壁吸收损耗，采用满足全反射特性的大数值孔径光纤取样，在激光有角度入射下，可以基本保证前端取样的激光功率在通道传输过程中，不因发生侧壁吸收而导致能量损耗，进行有效的传光，满足0°～30°大角度范围测量需求。
(6)本装置加工一致性可以保证，现有的加工工艺可以满足孔内壁镀反射率达98％的金膜，光纤棒一致性批量生产，通过散射衰减片加工尺寸、厚度的设计可以做到功率密度定量衰减。
(7)全反射通道的设计可以通过调节光纤孔径实现入射光通量可调节，在取样前端减少入射光通量，进一步增大取样面板热沉，提高抗激光损伤能力。
附图说明
图1为现有技术中探测器阵列靶的系统组成示意图。
图2为实施例1中装置的结构示意图。
图3为实施例2中装置的结构示意图。
图4和图5为阵列靶取样衰减中各板的三维结构图。
图中：
1、强光防护面板；11、高反型取样孔；21、光纤；22、套筒；3、衰减散射片；31、支撑板；4、散射片安装压圈；5、消光通道；50、通道安装板；51、消光螺纹；6、探测器；61、探测安装板。
具体实施方式
实施例1
如图2所示，一种用于激光分布测量的探测器阵列靶取样衰减装置，包括取样衰减单元，所述取样衰减单元包括高反射通道和衰减散射片3。所述高反射通道包括设置有高反型取样孔11的强光防护面板1、设置在强光防护面板1后方的消光通道5，还包括设置在消光通道5内的散射片安装压圈4、探测器6，所述衰减散射片3通过散射片安装压圈4压在消光通道5内靠近强光防护面板1的一侧，所述探测器6设置在消光通道5的另一侧。
上述为单一取样衰减单元，在实际运用中，装置包括阵列设置的多组取样衰减单元，如图4-5所示，所述强光防护板1上阵列设置有多个高反型取样孔11。每个高反型取样孔11均同轴设置有衰减散射片3、消光通道5、探测器6，为了支撑衰减散射片3，所述衰减散射片3设置在支撑板31对应的孔内。所有消光通道5固定设置在通道安装板50上，对应的，探测器安装在探测安装板61上。最终实现阵列靶取样衰减。
以下分别对强光防护面板1、衰减散射片3、消光通道5进行详细的描述：
1、强光防护面板1
强光防护面板1的抗激光损伤能力主要通过有效提高表面反射率和热承载能力来实现，影响因素包括材料的选择、结构的设计、表面工艺的处理。
获取最优结构的强光防护面板1，具体步骤如下：
SA1、对强光防护面板1进行热力学仿真；强光防护面板1受到入射激光辐照后，在受照面及其厚度方向发生瞬态热传导，根据经典傅里叶热传导方程可得面板内部瞬态温度场分布，
式中，ρ、c、k分别为面板材料的热导率，比热容和密度，R为面板对入射激光反射率，β为面板对激光的能量耦合系数，I为入射激光强度时空分布，Q为其他热量，T表示温度，x,y,z为温度场分布的三维方向，其中Z方向的值为强光防护面板1的厚度；
SA2、采用有限元法进行面板热力学分析，具体过程如下：根据靶板设计尺寸建立几何模型，设置材料属性，如密度、比热容、杨氏模量等参数，并通过步骤SA1得到的面板内部瞬态温度场分布，后施加热载荷，得出等效热应力、形变力学参数；
SA3、根据步骤SA2得到的力学参数，与材料本身屈服应力、损伤阈值进行比较，得出合理的材料选取与高反型取样孔11型设计。假定热仿真某种材料面板温升最大值为a,其温度损伤阈值为A，则满足a<A即可；同理，等效热应力最大值仿真结果为σ，材料屈服应力σc，满足σ<σc，形变量Δ<Δm即可。
本方案中强光防护面板1材料为铝或铜，其中紫铜的损伤阈值为1083℃，铝的损伤阈值为660℃。
SA4、确定强光防护板的材料和厚度后，获取光路上光束的功率损耗ΔPn；假设一条有角度入射光线在高反型取样孔11内反射次数为n，高反型取样孔11内壁的反射率为r，吸收率为1-r，则该光线的功率损耗ΔPn计算如下：
根据上式可知，当激光有角度入射高反型取样孔11且产生侧壁吸收损耗时，内壁的反射率r越高，反射次数n越少，功率损耗越小。
综上，经过结构优化分析，选取铜板作为面板材料，表面镀金进一步增强抗激光损伤能力，为了降低有角度入射时高反型取样孔11侧壁吸收率，采取对进行高反型取样孔11内壁抛光处理后镀高反膜。
2、衰减散射片3
本方案采用的是一种与理想朗伯入射角度余弦值偏差在10％以内的材料属性的散射衰减片来实现激光束高功率、大角度、定量衰减的功能需求，具体地说，理想的朗伯特性满足出射光强度分布Iθ＝I0 cosθ，具有出射光分布与入射角度无关的特性。
3、消光通道5
所述消光通道5的通道管壁采用铝材加工，消光通道5长度根据公式
计算，式中，k为衰减倍率，L为散射距离即通道长度，τ为材料对入射光源的透过率，dS为统计的微元面积。
具体地说，出射光强度分布满足Iθ＝I0 cosθ，其中，Iθ为与法线成θ角方向上的强度，I0为法线方向出射强度。定义出射功率Iout与入射功率Iin比值为衰减倍率k，则当出射端与法线夹角为0，材料透过率为τ时，单位立体角出射功率Iout＝∫τ·Iin dΩ，由立体角定义式，
L为散射距离，dS为微元面积，则衰减倍率
可见，衰减倍率与散射距离平方成正比，不同材料、不同散射方式，其衰减倍率各有差异，本发明应用在通道设置散射距离为18mm时，入射激光功率密度衰减倍率为10000倍左右。
为尽可能消除杂散光，消光通道5内壁设置有消光螺纹51，消光通道5做喷砂和发黑处理；为减轻整体重量，对支撑板31、通道安装板50、探测安装板61上的相邻孔之间为切削掏空状。
实施例2
如图3所示，一种用于激光分布测量的探测器阵列靶取样衰减装置，包括取样衰减单元，所述取样衰减单元包括全反射通道和衰减散射片3。所述全反射通道包括依次且同轴设置的开设有高反型取样孔11的强光防护面板1、套筒22、消光通道5，还包括分别设置在消光通道5的散射片安装压圈4、探测器6。所述衰减散射片3通过散射片安装压圈4压在消光通道5内靠近高反型取样孔11的一侧，所述探测器6设置在消光通道5的另一侧。所述光纤21穿过高反型取样孔11和套筒22，光纤21的输出端正对散射衰减片。
与实施例1不同在于，选用满足全反射条件的大数值孔径光纤21插入高反型取样孔11实现光斑取样，其中光纤21数值孔径NA定义为
n0为使用环境介质折射率，n1为光纤21纤芯折射率，n2为光纤21包层折射率，入射到光纤21端面的光线最大角Um，当光纤21端面入射角度小于Um时，满足全反射条件，根据角度使用范围要求进行光纤21制作。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于激光分布测量的探测器阵列靶取样衰减装置，其特征在于，包括取样衰减单元，所述取样衰减单元包括高反射通道和衰减散射片(3)；所述高反射通道包括设置有高反型取样孔(11)的强光防护面板(1)、设置在强光防护面板(1)后方的消光通道(5)，还包括设置在消光通道(5)内的散射片安装压圈(4)、探测器(6)，所述衰减散射片(3)通过散射片安装压圈(4)压在消光通道(5)内靠近强光防护面板(1)的一侧，所述探测器(6)设置在消光通道(5)的另一侧。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光分布测量的探测器阵列靶取样衰减装置，其特征在于，还包括光纤(21)和套筒(22)，所述套筒(22)设置在强光防护面板(1)和消光通道(5)之间，所述光纤(21)穿过高反型取样孔(11)和套筒(22)，光纤(21)的输出端正对散射衰减片。
3.根据权利要求1所述的一种用于激光分布测量的探测器阵列靶取样衰减装置，其特征在于，消光通道(5)内壁设置有消光螺纹(51)。
4.根据权利要求1所述的一种用于激光分布测量的探测器阵列靶取样衰减装置，其特征在于，所述强光防护面板(1)材料为铝或铜。
5.根据权利要求1所述的一种用于激光分布测量的探测器阵列靶取样衰减装置，其特征在于，抛光处理后的高反型取样孔(11)内壁上镀有高反膜。
6.根据权利要求1所述的一种用于激光分布测量的探测器阵列靶取样衰减装置，其特征在于，所述散射衰减片使用与理想朗伯入射角度余弦值偏差在10％以内的材料属性，所述理想朗伯特性满足出射光强度分布Iθ＝I0cosθ。
7.根据权利要求1所述的一种用于激光分布测量的探测器阵列靶取样衰减装置，其特征在于，所述消光通道(5)的通道管壁采用铝材加工，消光通道(5)长度根据公式
计算，式中，k为衰减倍率，L为散射距离即通道长度，τ为材料对入射光源的透过率，dS为统计的微元面积。
8.根据权利要求2所述的一种用于激光分布测量的探测器阵列靶取样衰减装置，其特征在于，其中光纤(21)数值孔径NA定义为
n0为使用环境介质折射率，n1为光纤(21)纤芯折射率，n2为光纤(21)包层折射率，入射到光纤(21)端面的光线最大角Um。
9.根据权利要求1所述的一种用于激光分布测量的探测器阵列靶取样衰减装置，其特征在于，装置包括阵列设置的多组取样衰减单元，所述强光防护板上阵列设置有多个高反型取样孔(11)；每个高反型取样孔(11)均同轴设置有衰减散射片(3)、消光通道(5)、探测器(6)；所述衰减散射片(3)设置在支撑板(31)对应的孔内，所有消光通道(5)固定设置在通道安装板(50)上，探测器(6)安装在探测安装板(61)上。
10.根据权利要求9所述的一种用于激光分布测量的探测器阵列靶取样衰减装置，其特征在于，所述支撑板(31)、通道安装板(50)、探测安装板(61)上的相邻孔之间为切削掏空状。
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- 2021-05-11 CN CN202110513083.4A patent/CN113295274B/zh active Active
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|---|---|
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