CN114674425A - 基于导光管取样的级联衰减结构及安装方法、探测阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于导光管取样的级联衰减结构及安装方法、探测阵列，解决强光衰减器的衰减倍数难以大范围调节，强光防护和衰减取样高度耦合导致防护能力提升受限的难题。本发明包括防护板、导光管以及衰减器；防护板前表面设置有激光防护层，轴向设置有通孔；导光管位于通孔内，且其一端与激光防护层的前表面平齐，另一端连接衰减器的前端；衰减器后端连接有输出板，衰减器与输出板相互配合形成衰减器腔；衰减器前端设置有与导光管另一端对应的输入孔；输出板上设置有输出孔；衰减器腔内安装有若干挡光片，挡光片将衰减器腔分为多个小型衰减器腔；挡光片上设置有至少一个光通道。本发明用于高能量密度激光测量。

Description

基于导光管取样的级联衰减结构及安装方法、探测阵列

技术领域

本发明涉及一种级联衰减结构，具体涉及一种基于导光管取样的级联衰减结构及安装方法、探测阵列。

背景技术

在高能激光参数测量中，基于光电阵列探测器的阵列法是常用方法。为了实现对强光的直接测量，需要进行定量衰减，同时还需要进行强光防护才能用光电探测器阵列进行探测。目前常用的光学衰减方法主要有滤光片衰减法、散射衰减法、积分球衰减法。滤光片衰减法中，由于滤光片对入射角度比较敏感，且在大倍数衰减时其衰减系数难于准确标定，使得滤光片透过率与激光波长、入射角度相关关系限制了其在高能激光测量中的应用范围。散射衰减法是利用光学散射器件对入射激光进行空间散射，再利用探测器对散射光进行测量；积分球衰减法是利用积分球阵列对高能激光进行衰减，实现高能激光测量。

公开号为CN102384783A的中国专利中公开了一种高能激光半积分球阵列衰减器，采用大角度取样锥孔结合半积分球的方法实现激光衰减，激光经半积分球腔吸收和漫反射后由激光出射孔射出，实现了激光功率密度的大幅衰减。公开号为CN104019891A的中国专利中公开了一种大角度入射高能激光的衰减取样装置，包括取样直孔、出射孔和圆柱空腔，圆柱空腔内填充有颗粒状的光学体散射材料，可以实现激光斜入射时的大角度衰减取样。公开号为CN109579983A的中国专利中公开了一种用于高能激光光强分布参数测量的光束取样器，通过直孔漫反射内腔结合漫反射膜的组合，实现了激光的大倍数匀化衰减，倒锥孔取样结构，结合衰减器前面板迎光面抛光镀镜面高反射膜的方法，同时实现了衰减器大角度取样与强光防护。上述衰减取样器或装置对于千瓦量级每平方厘米的强光测量是适用的，而且得到了成功应用，但是当激光强度大幅增加或出光时间达到分钟级时，上述衰减取样器均不再适用。主要原因是上述衰减结构均采用锥孔取样，为满足大视场探测要求，取样孔和衰减结构必须加工在防护面板内部，导致防护与取样衰减二者高度耦合，由于取样衰减结构难以高温工作，限制了防护面板的工作温度，使得防护面板和衰减取样装置性能指标和适用范围受限，难以用在更高能量密度激光测量中。

此外，在实际应用中，大部分强光衰减器完成加工后，其衰减倍数很难大范围调节，受加工工艺的限制散射衰减器实际衰减倍数与设计值常常有较大偏离，增大了设备研制的不确定性和风险。在高空间分辨探测要求中，对衰减器的小型化提出了很高要求，因此设计一种衰减倍数可大范围调节的小型化衰减器十分必要。

发明内容

本发明提供了一种基于导光管取样的级联衰减结构及安装方法、探测阵列，用于解决现有强光衰减器的衰减倍数难以大范围调节，强光防护和衰减取样高度耦合导致防护能力提升受限的难题，可用于高能量密度激光测量。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于导光管取样的级联衰减结构，其特殊之处在于：包括防护板、导光管以及衰减器；

所述防护板前表面设置有激光防护层，防护板轴向设置有通孔，所述激光防护层沿轴向设置有与通孔对应的过孔；

所述导光管位于通孔内，且导光管的一端与激光防护层的前表面平齐，另一端连接所述衰减器的前端；所述通孔直径大于导光管的直径；

所述衰减器后端连接有输出板，且衰减器与输出板相互配合形成衰减器腔；

所述衰减器前端设置有与导光管另一端对应的输入孔，使得导光管与所述衰减器腔连通；

所述输出板上设置有输出孔；

所述衰减器腔内安装有若干径向设置的挡光片，所述挡光片将衰减器腔分为多个小型衰减器腔；

所述挡光片上设置有至少一个光通道，使得多个小型衰减器腔之间光路连通。

进一步地，所述衰减器腔内安装有一个挡光片形成两级衰减结构；

所述挡光片将衰减器腔分为第一衰减器腔和第二衰减器腔；

所述第一衰减器腔与导光管连通，所述第二衰减器腔与输出孔连通；

所述第一衰减器腔和第二衰减器腔中均紧固安装有散射片。

进一步地，所述衰减器腔中设置有至少两个所述挡光片形成多级衰减结构；

所述挡光片将衰减器腔依次分隔为第一衰减器腔、第二衰减器腔、第三衰减器腔以及第N衰减器腔，N≥3；

所述第一衰减器腔、第二衰减器腔、第三衰减器腔以及第N衰减器腔中均紧固安装有散射片。

进一步地，所述光通道为一个且位于挡光片的中心位置；

或者光通道为多个，多个光通道位于挡光片的四周边缘均匀分布且轴向对称。

进一步地，所述防护板与所述衰减器之间设置有导光管固定板用于固定导光管，所述导光管固定板上加工有与导光管的直径相匹配的安装孔。

进一步地，所述导光管为圆柱型；或者导光管为圆柱型且圆柱型的后端为T型结构或沉头型。

进一步地，所述导光管圆柱面为光学级光滑表面，迎光面为光学级光滑表面，输出端面为漫反射面。

进一步地，所述导光管采用高纯石英、三氧化二铝等高纯材料制成。

一种基于导光管取样的级联衰减结构安装方法，其特殊之处在于，所述步骤具体如下：

步骤1，将导光管固定于固定板上，然后将固定板与衰减器的前端连接；

步骤2，根据衰减器级联设计结果，在衰减器的衰减器腔内先安装散射片，再安装挡光片，直至腔内级联衰减结构满足设计要求；

步骤3，级联散射衰减结构安装完成后，将输出板安装在衰减器后端，完成衰减器的安装；

步骤4，在防护板的迎光面制作防护层；

步骤5，将制作完成的防护板与固定板通过螺栓紧密连接，完成整个衰减结构的安装。

一种基于导光管取样的级联衰减结构探测阵列，其特殊之处在于：包括多个如上所述的基于导光管取样的级联衰减结构，多个所述基于导光管取样的级联衰减结构相互平行，并通过设置在面板的定位销孔连接形成探测阵列。

与现有方案相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明衰减结构中，解决了常用小孔衰减取样结构中强光防护与激光取样衰减相互限制导致防护能力难以大幅提升的难题，实现了激光防护与取样衰减之间的解耦设计，可大幅提升激光防护能力。具体体现在：相对于常用的小孔取样衰减结构，本衰减结构中圆柱形的导光管是基于全内反射原理实现激光大角度取样与导光，与激光防护面板无关，可实现取样与防护解耦；由于导光管长度不受限制，因此衰减器与激光防护面板可完全隔离，实现防护与衰减解耦；其次，导光管采用耐高温的光学材料，其取样特性仅与材料折射率相关，可高温工作，再结合导光管与面板隔热设计，激光防护面板可实现高温工作，使其激光防护面板热承载能力大幅提升，强光防护能力显著增强。

2、本发明衰减结构中，导光管采用高纯石英、三氧化二铝等高纯材料制成，具有激光探测视场大的优点，能够实现优于±50°探测视场。

3、本发明衰减结构中，衰减采用了级联的散射衰减，通过更换不同尺寸散射片改变级联挡光片在腔内的位置和挡光片的数量就能方便的实现衰减大范围调节，满足衰减器小型化设计要求。根据级联衰减倍数与挡光片位置关系曲线，挡光片位于不同位置时衰减倍数变化曲线，可以看出调节范围能达到1个数量级。

4、本发明衰减结构中，采用光学加工方法能够实现毫米级直径导光管的加工，衰减腔的直径也能实现毫米级设计与制作，因此基于导光管和衰减腔的衰减结构径向尺寸能够达到毫米量级，并实现毫米级阵列排布，满足光斑高空间分辨测量需求。

附图说明

图1为本发明实施例一中基于导光管取样的级联散射衰减结构示意图；

图2为本发明实施例一中沉头型导光管结构示意图；

图3为本发明实施例一中四周圆孔式挡光片结构示意图；

图4为本发明实施例一中中心圆孔式挡光片结构示意图；

图5为本发明实施例一中肋片式挡光片结构示意图；

图6为本发明实施例一中的两级级联衰减组合示意图；

图7为本发明实施例一中的两级级联衰减倍数与挡光片位置关系曲线；

图8为本发明实施例一中的导光管角度特性曲线；

图9为本发明实施例一中的衰减取样阵列示意图；

图10为本发明实施例二中的三级级联衰减组合示意图一；

图11为本发明实施例二中的三级级联衰减组合示意图二。

其中，附图标记具体如下：

1—激光防护层；2—通孔；3—导光管固定板；4—散射片；5—挡光片；7—输出板；8—防护板；9—导光管；10—输入孔；11—衰减器；12—光通道；13—衰减器腔；14—输出孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地说明。

实施例一

如图1所示，本发明提供了一种基于导光管取样的级联衰减结构，包括防护板8，防护板8前表面设置有用于对入射激光进行高反射的激光防护层1，防护板8上轴向加工有通孔2，激光防护层1可以通过在防护板8表面镀制高反射金属薄膜或介质高反射薄膜或粘接整块反射镜片实现。当采用粘接的反射镜方式制备激光防护层1实现激光防护时，需在反射镜上加工与通孔2对应的过孔，避免影响其余结构取样。

通孔2内设置有导光管9，使得通孔2直径大于导光管9的直径且通孔2与导光管9的前端平齐，实现了导光管9与防护板8隔离。

导光管9是通过光学加工方法加工的圆柱型圆管，导光管9圆柱面为光学级光滑表面，以满足光传导的边界条件，迎光面为光学级光滑表面，输出端面为漫反射面。

导光管9是选用如石英或三氧化二铝等高纯光学材料采用光学加工的方法制备而成的圆柱。导光管9圆柱表面为光学级的光滑表面，迎光面为光学级光滑表面，输出端面为漫反射面，以满足光传导的边界条件。光在导光管9内基于全内反射原理传导，其类似于光纤传导，类比光纤的包层，空气可视为导光管9的包层，其视场半角θ由

计算得到，其中空气折射率N0＝1，导光管9的折射率N1≈1.7(三氧化二铝折射率)或者N1≈1.5(石英折射率)，可以看出其视场半角θ大于90°。根据图8所示的角度特性曲线，相对幅值降低到0.6时，对应视场角也达到±50°。

可以有多种结构变化形式，例如实心圆管型、T型结构或者如图2所示的沉头型，通过改变导光管9的外形有效改变导光管9的加装方式，增加了整体结构设计自由度。

导光管9末端连接有衰减器11，衰减器11前端加工有与导光管9对应的输入孔10，衰减器11的末端连接有输出板7，衰减器11与输出板7配合形成了圆柱型的衰减器腔13。输出板7上加工输出孔14，衰减器11从输出孔14输出衰减光束。

防护板8与衰减器11之间设置有导光管固定板3用于固定导光管9，导光管固定板3上加工有与导光管9的直径相匹配的安装孔，安装孔表面处理为粗糙面，通过耐高温胶或高温焊接的方法实现导光管固定板3与导光管9的固定。

为了提高系统适用性，防护面板2和导光管固定板3可设计为独立加装结构，实现试验现场快速更换。

如图6所示，衰减器腔13内安装有一个圆形的挡光片5形成两级衰减结构，挡光片5将衰减器腔13均匀的分为第一衰减器腔和第二衰减器腔，第一衰减器腔与导光管9连通，第二衰减器腔与输出孔14连通。如图3和图4所示的挡光片5，挡光片5中心位置上加工有一个光通道12或者四周加工有四个均匀分布且对称的光通道12，使得第一衰减器腔和第二衰减器腔通过光通道12连通，光通道12形状可以有多种，包括圆孔、肋片形等。如图5所示，肋片形的光通道通过挡光片5与衰减腔内壁所围区域形成光通道12。

第一衰减器腔和第二衰减器腔内均安装有散射片4，散射片4通过光学胶粘接或输出板7压紧方式实现紧固安装。

衰减器腔13中通过调整更换不同厚度散射片4实现挡光片5位置的调整和光通道12大小的调整，最终调整衰减倍数，衰减倍数与调节位置关系如图7所示。

入射激光进入导光管9后穿过输入孔10进入第一衰减器腔，激光经过第一衰减器腔中的散射片4散射后穿过光通道12后进入第二衰减器腔，再经过第二衰减器腔中的散射片4散射，最终通过输出孔14输出激光。

为了实现大光斑测量，将上述一种基于导光管取样的级联衰减结构进行阵列排布，形成大面积的探测阵列如图9所示，由于该衰减结构圆周尺寸能够到毫米量级，因此能够实现毫米量级空间分辨的光斑测量。为了保证衰减器一致性和可靠性，在激光防护面板上设计定位销孔，使其安装后排布稳定。

本发明提供的一种基于导光管取样的级联衰减结构安装过程可采用如下步骤：

步骤1，将导光管9固定于固定板3上，然后将固定板3与衰减器11的前端通过定位孔实现准确连接。

步骤2，根据衰减器11级联设计结果，在衰减器11的衰减腔内先安装散射片4，再安装挡光片5，直至腔内级联散射衰减结构满足设计要求。

步骤3，当级联散射衰减结构安装完成后，将输出板7安装在衰减器11后端，完成衰减器11的安装。当需要改变衰减器11的衰减倍数时，只需取出内部散射片4和挡光片5重新组合安装即可。

步骤4，在防护板8迎光面制作防护层1。

步骤5，将制作完成的防护板8与固定板3通过螺栓紧密连接，完成整个衰减结构的安装。

实施例二

衰减器11的级联衰减结构为多级衰减时，能够实现更大倍数的衰减调节。

如图10和图11所示，在衰减器腔13中设置至少两个挡光片5，并依次形成第一衰减器腔、第二衰减器腔、第三衰减器腔以及第N衰减器腔，N≥3；

每个挡光片5中心位置上加工有一个光通道12或者四周对称的加工有四个均匀分布的光通道12。

第一衰减器腔、第二衰减器腔、第三衰减器腔以及第N衰减器腔中均安装散射片4。

多级衰减时，可以采用不同类型的挡光片5和不同厚度规格的散射片4组合实现衰减调节，实现更大范围调节。

Claims (10)

1.一种基于导光管取样的级联衰减结构，其特征在于：包括防护板(8)、导光管(9)以及衰减器(11)；

所述防护板(8)前表面设置有激光防护层(1)，防护板(8)轴向设置有通孔(2)，所述激光防护层(1)沿轴向设置有与通孔(2)对应的过孔；

所述导光管(9)位于通孔(2)内，且导光管(9)的一端与激光防护层(1)的前表面平齐，另一端连接所述衰减器(11)的前端；所述通孔(2)直径大于导光管(9)的直径；

所述衰减器(11)后端连接有输出板(7)，且衰减器(11)与输出板(7)相互配合形成衰减器腔(13)；

所述衰减器(11)前端设置有与导光管(9)另一端对应的输入孔(10)，使得导光管(9)与所述衰减器腔(13)连通；

所述输出板(7)上设置有输出孔(14)；

所述衰减器腔(13)内安装有若干径向设置的挡光片(5)，所述挡光片(5)将衰减器腔(13)分为多个小型衰减器腔；

所述挡光片(5)上设置有至少一个光通道(12)，使得多个小型衰减器腔之间光路连通。

2.根据权利要求1所述的一种基于导光管取样的级联衰减结构，其特征在于：

所述衰减器腔(13)内安装有一个挡光片(5)形成两级衰减结构；

所述挡光片(5)将衰减器腔(13)分为第一衰减器腔和第二衰减器腔；

所述第一衰减器腔与导光管(9)连通，所述第二衰减器腔与输出孔(14)连通；

所述第一衰减器腔和第二衰减器腔中均紧固安装有散射片(4)。

3.根据权利要求1所述的一种基于导光管取样的级联衰减结构，其特征在于：

所述衰减器腔(13)中设置有至少两个所述挡光片(5)形成多级衰减结构；

所述挡光片(5)将衰减器腔(13)依次分隔为第一衰减器腔、第二衰减器腔、第三衰减器腔以及第N衰减器腔，N≥3；

所述第一衰减器腔、第二衰减器腔、第三衰减器腔以及第N衰减器腔中均紧固安装有散射片(4)。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于导光管取样的级联衰减结构，其特征在于：

所述光通道(12)为一个且位于挡光片(5)的中心位置；

或者光通道(12)为多个，多个光通道(12)位于挡光片(5)的四周边缘均匀分布且轴向对称。

5.根据权利要求4所述的一种基于导光管取样的级联衰减结构，其特征在于：

所述防护板(8)与所述衰减器(11)之间设置有导光管固定板(3)用于固定导光管(9)，所述导光管固定板(3)上加工有与导光管(9)的直径相匹配的安装孔。

6.根据权利要求5所述的一种基于导光管取样的级联衰减结构，其特征在于：

所述导光管(9)为圆柱型；或者导光管(9)为圆柱型且圆柱型的后端为T型结构或沉头型。

7.根据权利要求6所述的一种基于导光管取样的级联衰减结构，其特征在于：

所述导光管(9)圆柱面为光学级光滑表面，迎光面为光学级光滑表面，输出端面为漫反射面。

8.根据权利要求7所述的一种基于导光管取样的级联衰减结构，其特征在于：

所述导光管(9)采用高纯石英、三氧化二铝等高纯材料制成。

9.一种基于导光管取样的级联衰减结构安装方法，其特征在于，所述步骤具体如下：

步骤1，将导光管(9)固定于固定板(3)上，然后将固定板(3)与衰减器(11)的前端连接；

步骤2，根据衰减器(11)级联设计结果，在衰减器(11)的衰减器腔内先安装散射片(4)，再安装挡光片(5)，直至腔内级联衰减结构满足设计要求；

步骤3，级联散射衰减结构安装完成后，将输出板(7)安装在衰减器(11)后端，完成衰减器(11)的安装；

步骤4，在防护板(8)的迎光面制作防护层(1)；

步骤5，将制作完成的防护板(8)与固定板(3)通过螺栓紧密连接，完成整个衰减结构的安装。

10.一种基于导光管取样的级联衰减结构探测阵列，其特征在于：包括多个如权利要求1-8所述的基于导光管取样的级联衰减结构，多个所述基于导光管取样的级联衰减结构相互平行，并通过设置在面板的定位销孔连接形成探测阵列。

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