CN116067528A - 一种基于热平衡型水直接吸收的激光能量测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于热平衡型水直接吸收的激光能量测量装置及方法，主要解决现有激光测量装置无法在满足体积结构较小的同时，实现高能激光长时间、高精度测量的问题。包括冷却装置，分别连接于冷却装置两端的腔体前壳和腔体后壳；腔体前壳上设置有窗口；冷却装置包括多个热电堆、冷却零件、接环、密封件、进水管、出水管；多个冷却零件和接环沿前后方向间隔设置，接环设置于相邻两个冷却零件之间；沿前后方向首个冷却零件与腔体前壳连接，最后一个冷却零件与腔体后壳连接；冷却零件两端分别设置有热电堆；冷却零件设置有水道，密封件套装于对应冷却零件周侧，进水管和出水管与对应冷却零件内的水道相连通，另一端与外部冷水机连接。

Description

一种基于热平衡型水直接吸收的激光能量测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种激光能量测量装置及方法，具体涉及一种基于热平衡型水直接吸收的激光能量测量装置及测量方法。
背景技术
功率/能量是衡量高能激光系统的重要指标，通常需要测量获得。随着激光器的功率越来越高、能量越来越大，对测量方法提出了更高的要求。相较于普通激光，高能激光具有很强的破坏力，给测量带来了很大的挑战。此外，由于缺乏高功率激光标准标定源，测量过程中涉及更多更复杂的物理、化学过程，测量不确定度来源增多，因而在测量的准确性上存在一定的问题。
现有激光功率/能量测量方法有间接测量技术和直接测量技术；(1)间接测量技术主要是根据测量部分取样后的激光获得功率/能量，主要有分光镜采样法、CCD成像法、阵列探测法等；间接测量技术的缺点包括：一、间接测量采用大倍率衰减，可达千倍至万倍，一方面衰减倍数难以精确确定，另一方面微弱信号的测量精度有限，导致最终结果的可靠性较低，因而通常不能作为激光功率/能量鉴定方法，二、衰减部件在高功率/能量激光辐照下易受损坏；(2)直接测量技术主要有被动吸收型和主动吸收型两种；被动吸收型测量方法通过将固体材料(如铜、石墨等)加工成特殊结构(如反射锥型、积分球型等)来吸收能量，计算温度的变化来确定激光能量，受固体材料本身的材料热导率和损伤阈值限制，同时材料的热交换率相对较低，当激光的能量和功率较高时，材料表面会因为温度过高而损毁，所以不适合测量高功率和高能量的激光测量；主动吸收型则通过水或其它物质做冷却介质，将入射的激光转换为水温或其它温度，通过计算温升来确定激光能量，测量上限大大提升；主要缺点是由于腔内的水有限且散热慢导致所测量的激光功率/能量低，不适合高功率/能量激光测量。
综上所述，现有激光能量测量装置无法在满足体积结构较小的同时，实现高能激光的长时间、高精度测量。
发明内容
本发明的目的是解决现有激光能量测量装置无法在满足体积结构较小的同时，实现高能激光长时间、高精度测量的技术问题，而提供一种基于热平衡型水直接吸收的激光能量测量装置及方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于热平衡型水直接吸收的激光能量测量装置，其特殊之处在于：包括冷却装置，及分别连接于冷却装置两端的腔体前壳和腔体后壳；
所述腔体前壳前端设置有用于待测量激光入射的窗口；
所述冷却装置包括多个热电堆、多个冷却零件、多个接环、多个密封件、多个进水管、多个出水管；
多个所述冷却零件和多个接环沿前后方向同轴设置，多个所述冷却零件沿前后方向依次设置且相邻两个冷却零件之间设有间隙，多个所述接环分别设置于相邻两个冷却零件之间，并与冷却零件连接；沿前后方向首个冷却零件的端部与腔体前壳的另一端连接，最后一个冷却零件的端部与腔体后壳的端部连接；
所述冷却零件的两端分别设置有一个热电堆，用于测量冷却零件对应位置的温度；所述冷却零件的周侧沿圆周方向设置有水道，多个进水管、出水管、密封件分别与多个冷却零件一一对应设置，密封件套装于对应冷却零件周侧，用于密封水道使其处于封闭空间内；进水管和出水管的一端分别与对应冷却零件内的水道相连通，另一端分别用于与外部冷水机的输出端和输入端连接；
所述腔体前壳内的空腔、多个冷却零件和接环的内圈、腔体后壳内的空腔依次连通，形成用于蓄水的腔体。
进一步地，所述腔体前壳上设置有进水口，腔体后壳上设置有出水口；
还设置有输入管、输出管和水泵；
所述输入管一端与进水口连接，另一端与水泵的输出端连接；所述输出管一端与出水口连接，另一端与水泵的输入端连接。
进一步地，所述进水口和出水口处均设置有阀门。
进一步地，所述水道为螺旋形结构；
所述进水管一端与水道的螺旋入口处连通，出水管一端与水道的螺旋出口处连通。
进一步地，所述窗口包括窗口本体和入射板；
所述窗口本体连接于腔体前壳前端；
所述窗口本体上设置有与入射板相适配的安装槽，所述入射板安装于安装槽内，待测量激光通过入射板入射至腔体内。
进一步地，所述窗口本体通过螺栓与腔体前壳连接，且连接处设置有密封垫圈；
所述窗口本体的材质为不锈钢，所述入射板的材质为石英玻璃。
进一步地，所述腔体前壳、腔体后壳、冷却零件、接环的材质均为铜；
所述热电堆的材质为石墨。
进一步地，所述冷却零件与接环过盈配合；
所述腔体前壳和腔体后壳分别与对应冷却零件过盈配合。
同时，本发明还提供了一种基于热平衡型水直接吸收的激光能量测量方法，基于一种基于热平衡型水直接吸收的激光测量装置，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、通过多个冷却零件两端热电堆测量对应位置的温度，对所有热电堆测得的温度取平均值作为初始温度T1，并记录；
步骤2、将待测量的激光通过窗口入射至腔体内，通过腔体内的水吸收激光能量，将激光能量转化为水的热能；
在水的热能沿前后方向传递过程中，通过外部的冷水机持续为水道提供冷却水，使得水道内冷却水的温度始终处于一个稳定值；
步骤3、当观测到热电堆测得的温度稳定时，则达到热平衡，通过每个冷却零件两端的热电堆实时测量对应位置的温度，对所有热电堆测得的温度取平均值作为测量温度T2，并记录；
步骤4、计算热流量Φ；
Figure BDA0004083527730000031
式中：A为多个冷却零件的内表面积之和，单位为m2；λ为冷却零件的导热系数，单位为W/(m*K)；T为温升，单位为℃，T＝T2-T1；x为冷却零件沿前后方向的长度，单位为m；q是热流密度，单位为W/m2；
步骤5、所得热流量Φ的数值等于激光功率的数值，完成激光功率/能量的测量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过腔体内的水对激光进行吸收，将激光能量转化为水温，并通过冷却水持续带走热量，使得本装置可以在使用较小体积的水即可吸收较多的激光能量，使得本装置不仅体积较小，而且可以实现更长时间、更高功率的激光测量；同时通过在每个冷却零件两端分别设置热电堆，从而可以对不同位置的温度进行实时测量，相比于在出水口和进水口处进行温度测量，该种测温方式的测量误差更小，提高了测量激光功率/能量的准确性。
2、本发明通过设置的水泵可以进一步加快腔体内水的流动速度，从而可以加快腔体内水与冷却水的热交换效率，从而进一步提高本装置的吸热能力，提高激光功率/能量和时间的测量上限。
3、本发明通过设置的水道为螺旋形结构，可以增大冷却水与冷却零件的接触面积，从而提高换热效率。
附图说明
图1是本发明一种基于热平衡型水直接吸收的激光能量测量装置实施例的结构示意图；
图2是本发明一种基于热平衡型水直接吸收的激光能量测量装置实施例中冷却装置结构示意图。
图中：
1-腔体前壳，2-腔体后壳；
3-冷却装置，31-热电堆，32-冷却零件，33-接环，34-进水管，35-出水管，36-密封件；
4-窗口，41-窗口本体，42-入射板；
5-腔体，6-水道，7-进水口，8-出水口，9-输入管，10-输出管，11-水泵，12-阀门。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于热平衡型水直接吸收的激光能量测量装置及方法作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。
文中所述“前后”方向同附图1纸面内的“左右”方向。
如图1所示，本发明一种基于热平衡型水直接吸收的激光能量测量装置，包括冷却装置3，及分别连接于冷却装置3两端的腔体前壳1和腔体后壳2，其中腔体前壳1、腔体后壳2均采用铜材质。
在腔体前壳1前端设置有用于待测量激光入射的窗口4；窗口4包括窗口本体41和入射板42；窗口本体41连接于腔体前壳1前端；窗口本体41上设置有与入射板42相适配的安装槽，入射板42安装于安装槽内，入射板42与窗口本体41组成一个平整的密封面，从而便于待测量激光通过入射板42入射至腔体5内；在本发明的一个优选实施例中，窗口本体41通过螺栓与腔体前壳1连接，且连接处设置有密封垫圈起到密封作用；窗口本体41的材质为不锈钢，入射板42的材质为石英玻璃，在本发明的其他实施例中，还可根据具体需求对入射板42的材质、窗口本体41的材质和窗口本体41与腔体前壳1的连接方式进行适应性调整。
冷却装置3包括多个热电堆31、多个冷却零件32、多个接环33、多个密封件36、多个进水管34、多个出水管35；其中冷却零件32、接环33的材质均为铜；对于冷却零件32的具体数量，可根据激光能量的大小进行具体设计，激光能量越高，对应冷却零件32的数量越多，腔体5内可用于吸收激光能量的水越多；冷却零件32和接环33均为圆环形结构，冷却零件32的壁厚大于接环33的壁厚；多个冷却零件32和多个接环33沿前后方向同轴设置，多个冷却零件32沿前后方向依次设置且相邻两个冷却零件之间设有间隔，多个接环33分别设置于相邻两个冷却零件32之间，并与冷却零件32连接；沿前后方向首个冷却零件32的端部与腔体5前壳1的另一端连接，最后一个冷却零件32的端部与腔体5后壳2的端部连接；在本发明的一个优选实施例中，为了防止连接件(螺栓等)连接导致的传热问题，设计冷却零件32与接环33采用过盈配合，腔体前壳1和腔体后壳2分别与对应冷却零件32过盈配合，不仅可以解决传热问题，而且连接效果更加牢靠。
腔体前壳1内的空腔、多个冷却零件32和接环33内的空腔、腔体后壳2内的空腔依次连通，从而形成用于蓄水的腔体5；冷却零件32的两端分别设置有一个热电堆31，用于测量冷却零件32对应位置的温度，热电堆31的材质为石墨。
冷却零件32的周侧沿圆周方向设置有水道6，如图2所示，水道6为螺旋形结构；多个进水管34、密封件36、出水管35分别与多个冷却零件32一一对应设置，一个密封件36套装于对应冷却零件32周侧，用于密封对应冷却零件32上的水道6使其处于封闭空间内；密封件36采用不锈钢材质，在本发明的一个优选实施例中，还可在密封件36上设置隔热层，减少水的散热；一个进水管34一端与对应冷却零件32内的水道6的螺旋入口处连通，出水管35一端与水道6的螺旋出口处连通，进水管34和出水管35另一端分别用于与外部冷水机的输出端和输入端连接。
在本发明的一个优选实施例中，在腔体前壳1上设置有进水口7，腔体后壳2上设置有出水口8；在本实施例中，将进水口7和出水口8分别设置于腔体前壳1和腔体后壳2的周侧，在本发明的其他实施例中，还可设置于腔体前壳1和腔体后壳2的端部；还设置有输入管9、输出管10和水泵11；输入管9一端与进水口7连接，另一端与水泵11的输出端连接；输出管10一端与出水口8连接，另一端与水泵11的输入端连接，通过设置的水泵11可以快速将腔体5内的水通过出水口8输出并通过进水口7输入，可以加快腔体5内的水流速度，从而提高水的散热效率。
在本发明的一个优选实施例中，在进水口7和出水口8处均设置有阀门12，不仅可以起到密封作用，同时还可调节进水口7和出水口8处的流量大小。
在本装置中，热损失主要包括体的热传导、水向窗口4的热传导以及水透过窗口4向空间的辐射换热；但是由于以下原因：一、玻璃的热导率远低于铜，所以该部分的热损失较小；二、虽然水的温升大约为60摄氏度，但是换热集中在冷却装置3，所以对外辐射换热量较小；因此，本装置的热损失较小。
本发明一种基于热平衡型水直接吸收的激光能量测量方法，基于一种基于热平衡型水直接吸收的激光能量测量装置，包括以下步骤：
步骤1、通过多个冷却零件32两端热电堆31测量对应位置的温度，对所有热电堆31测得的温度取平均值作为初始温度T1，并记录；
步骤2、将待测量的激光通过窗口4入射至腔体5内，通过腔体5内的水吸收激光能量，将激光能量转化为水的热能；
在水的热能沿前后方向传递过程中，通过外部的冷水机持续为水道6提供冷却水，使得水道6内冷却水的温度始终处于一个稳定值；
步骤3、当观测到热电堆31测得的温度稳定时，则达到热平衡，通过每个冷却零件32两端的热电堆31实时测量对应位置的温度，对所有热电堆31测得的温度取平均值作为测量温度T2，并记录；
步骤4、计算热流量Φ；
Figure BDA0004083527730000071
式中：A为多个冷却零件32的内表面积之和，单位为m2；λ为冷却零件32的导热系数，单位为W/(m*K)；T为温升，单位为℃，T＝T2-T1；x为冷却零件32沿前后方向的长度，单位为m；q是热流密度，单位为W/m2；
步骤5、热流量为单位时间内通过某一给定面积的热量；当激光照射时，水吸收激光能量，在理论情况下，水可以全部吸收激光照射的总能量且没有热量损耗，所以本装置可以测量多大的激光功率/能量取决于装置内的传热、散热情况，即可以将导热公式作为激光功率的计算公式，也即所得热流量Φ的数值等于激光功率的数值，完成激光功率/能量的测量。
实际计算结果如下：对于铜来说，热导率为400W/(m*K)，一个冷却零件32的面积A为内部接触面积，冷却零件32的内径为200mm，长度为25mm，厚度为25mm，
Figure BDA0004083527730000072
为温度对距离偏导，为防止水温过高导致相变，设置水的温度可以从常温20摄氏度到80摄氏度左右，即一个冷却零件32可以冷却的激光功率：
Figure BDA0004083527730000081
假设本装置共设计有14个冷却零件32，计算结果如下：
Figure BDA0004083527730000082
冷却装置3的总长度为14个冷却零件32的长度加上接环33的长度，即计算结果：
l＝0.025·14+0.006·13＝0.428m；
查阅文献来计算现有循环式主动吸收型可以测量多大的激光能量；
Pt＝mC△T；
其中，P代表功率，t代表时间，m代表水的质量，C代表水的比热容，△T代表温升。
按照上述计算结果，腔内大小为直径200mm，长度近似为400mm，水的密度1000kg/m3，水的比热容为4200J/(kg·℃)，通过公式m＝ρv计算出水的质量为12.566千克，按照水的温升60℃来计算；通过对固定质量水式直接吸收型装置进行实验发现当激光照射时间为180s后水温才能升到60℃，计算结果为17592.919W。
通过对比可以发现，类似尺寸的固定质量水式直接吸收型可以吸收激光的能量较小，所以本发明的激光测量装置相比于现有技术效果更好。

Claims (9)

1.一种基于热平衡型水直接吸收的激光能量测量装置，其特征在于：
包括冷却装置(3)，及分别连接于冷却装置(3)两端的腔体前壳(1)和腔体后壳(2)；
所述腔体前壳(1)前端设置有用于待测量激光入射的窗口(4)；
所述冷却装置(3)包括多个热电堆(31)、多个冷却零件(32)、多个接环(33)、多个密封件(36)、多个进水管(34)、多个出水管(35)；
多个所述冷却零件(32)和多个接环(33)沿前后方向同轴设置，多个所述冷却零件(32)沿前后方向依次设置且相邻两个冷却零件(32)之间设有间隙，多个所述接环(33)分别设置于相邻两个冷却零件(32)之间，并与冷却零件(32)连接；沿前后方向首个冷却零件(32)的端部与腔体前壳(1)的另一端连接，最后一个冷却零件(32)的端部与腔体后壳(2)的端部连接；
所述冷却零件(32)的两端分别设置有一个热电堆(31)，用于测量冷却零件(32)对应位置的温度；所述冷却零件(32)的周侧沿圆周方向设置有水道(6)；多个进水管(34)、出水管(35)、密封件(36)分别与多个冷却零件(32)一一对应设置，所述密封件(36)套装于对应冷却零件(32)周侧，用于密封水道(6)使其处于封闭空间内；所述进水管(34)和出水管(35)的一端分别与对应冷却零件(32)内的水道(6)相连通，另一端分别用于与外部冷水机的输出端和输入端连接；
所述腔体前壳(1)内的空腔、多个冷却零件(32)和接环(33)的内圈、腔体后壳(2)内的空腔依次连通，形成用于蓄水的腔体(5)。
2.根据权利要求1所述的一种基于热平衡型水直接吸收的激光能量测量装置，其特征在于：
所述腔体前壳(1)上设置有进水口(7)，腔体后壳(2)上设置有出水口(8)；
还设置有输入管(9)、输出管(10)和水泵(11)；
所述输入管(9)一端与进水口(7)连接，另一端与水泵(11)的输出端连接；所述输出管(10)一端与出水口(8)连接，另一端与水泵(11)的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于热平衡型水直接吸收的激光能量测量装置，其特征在于：
所述进水口(7)和出水口(8)处均设置有阀门(12)。
4.根据权利要求3所述的一种基于热平衡型水直接吸收的激光能量测量装置，其特征在于：
所述水道(6)为螺旋形结构；
所述进水管(34)一端与水道(6)的螺旋入口处连通，出水管(35)一端与水道(6)的螺旋出口处连通。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种基于热平衡型水直接吸收的激光能量测量装置，其特征在于：
所述窗口(4)包括窗口本体(41)和入射板(42)；
所述窗口本体(41)连接于腔体前壳(1)前端；
所述窗口本体(41)上设置有与入射板(42)相适配的安装槽，所述入射板(42)安装于安装槽内，待测量激光通过入射板(42)入射至腔体(5)内。
6.根据权利要求5所述的一种基于热平衡型水直接吸收的激光能量测量装置，其特征在于：
所述窗口本体(41)通过螺栓与腔体前壳(1)连接，且连接处设置有密封垫圈；
所述窗口本体(41)的材质为不锈钢，所述入射板(42)的材质为石英玻璃。
7.根据权利要求6所述的一种基于热平衡型水直接吸收的激光能量测量装置，其特征在于：
所述腔体前壳(1)、腔体后壳(2)、冷却零件(32)、接环(33)的材质均为铜；
所述热电堆(31)的材质为石墨。
8.根据权利要求7所述的一种基于热平衡型水直接吸收的激光能量测量装置，其特征在于：
所述冷却零件(32)与接环(33)过盈配合；
所述腔体前壳(1)和腔体后壳(2)分别与对应冷却零件(32)过盈配合。
9.一种基于热平衡型水直接吸收的激光能量测量方法，基于权利要求1-8任一所述的一种基于热平衡型水直接吸收的激光能量测量装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、通过多个冷却零件(32)两端热电堆(31)测量对应位置的温度，对所有热电堆(31)测得的温度取平均值作为初始温度T1，并记录；
步骤2、将待测量的激光通过窗口(4)入射至腔体(5)内，通过腔体(5)内的水吸收激光能量，将激光能量转化为水的热能；
在水的热能沿前后方向传递过程中，通过外部的冷水机持续为水道(6)提供冷却水，使得水道(6)内冷却水的温度始终处于一个稳定值；
步骤3、当观测到热电堆(31)测得的温度稳定时，则达到热平衡，通过每个冷却零件(32)两端的热电堆(31)测量对应位置的温度，对所有热电堆(31)测得的温度取平均值作为测量温度T2，并记录；
步骤4、计算热流量Φ；
Figure FDA0004083527720000031
式中：A为多个冷却零件(32)的内表面积之和，单位为m2；λ为冷却零件(32)的导热系数，单位为W/(m*K)；T为温升，单位为℃，T＝T2-T1；x为冷却零件(32)沿前后方向的长度，单位为m；q是热流密度，单位为W/m2；
步骤5、所得热流量Φ的数值等于激光功率的数值，完成激光功率/能量的测量。
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