CN1821728A - 多路激光系统功率平衡参数测量处理装置及功率平衡方法 - Google Patents

Abstract

一种多路激光系统功率平衡参数测量处理装置及功率平衡方法，装置包括：在所述的多路激光系统考察的功率平衡位置依次设立1级测量点，2级测量点，……N级测量点，在光路各级测量点相应地分别设置激光能量计和波形采集器，所述的各激光能量计和所述的各波形采集器与一计算机网络相连，所述的计算机网络具有能量采集软件、波形采集软件、数据获取软件和数据处理软件。所述的激光功率平衡的方法，主要包括下列步骤：激光能量数据和激光波形数据自动采集；激光能量数据和波形数据处理：激光功率平衡诊断包括能量平衡诊断和波形平衡诊断。本发明对多路激光的功率平衡具有完整的、规范的、集成化的、自动化的、高速高效的特点。

Description

多路激光系统功率平衡参数测量处理装置及功率平衡方法

技术领域

本发明涉及惯性约束聚变，激光核聚变的激光系统，特别是一种多路激光系统功率平衡参数测量处理装置及功率平衡方法。

背景技术

本发明涉及的领域是惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion简称ICF)。所谓惯性约束聚变是一种核聚变实现方式。简单地说，就是用多束高能激光脉冲从多个不同的方向(一般是空间对称的多个方向)来照射由核聚变物质组成的靶核，使其压缩从而产生聚变反应。为了进行惯性约束聚变的研究，必须建造能够产生多路高能激光的大型激光装置。目前世界上主要的科技大国都已建成或在建此类大型激光装置，例如美国的Nova装置和NIF装置、日本的Gekko XII装置、中国的神光II装置和神光III装置。

从惯性约束聚变的概念可知，如要获得对靶核的尽可能有效的压缩，不但需要多路激光空间对称地照射靶核，而且需要各路激光的功率具有对称性。换句话说，最好各路激光的功率时时刻刻保持相等。各路激光功率时时刻刻保持相等的现象称为多路激光的功率平衡。实际激光装置中，不可能做到严格的功率平衡，但应力求接近此状态。这就引出了激光装置的激光功率平衡指标的概念。功率平衡指标是以一组物理参数的形式严格定义的一组判据。如果一个ICF激光装置对应的物理参数的测量值满足了该组判据，则称该装置的功率平衡达标。通常，功率平衡指标是根据激光打靶的预期效果来定义的。而定义功率平衡指标的这组物理参数称为功率平衡参数。探索一个ICF激光装置如何实现功率平衡达标的研究称为功率平衡研究。功率平衡研究是为了全面提升一个ICF激光装置的输出激光性能而进行的精密化研究的一个重要组成部分。

现有已建成的国外同类装置所进行的精密化研究中，大多包括功率平衡研究。在这些功率平衡研究中，对于装置的功率平衡状态的判断，尽管采取的方法不尽相同，但基本思路都是一致的。都是首先测量一组功率平衡参数，然后用统计学方法对这些参数进行处理，最后将处理结果与功率平衡判据进行对比，获得判断结果。目前发现，这些装置所采取的方法有一个共同的缺陷——都没有集成化的实施系统，从参数的测量，到参数的处理，再到最后的判断，各个步骤分离进行，因而获得结果的速度比较慢，效率较低，同时也存在不规范的现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种多路激光系统功率平衡参数测量处理装置及功率平衡方法，该系统应能够将过去手动式的测量和数据处理变为信息自动测量和自动处理，快速高效地自动测量多路激光的功率平衡参数，并进行数据处理，最终判断出实验结果是否达标。该系统应具有完整的、规范的、集成化的、自动化的、高速高效的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于由多路多级激光放大器组成的多路激光系统的功率平衡参数测量及功率平衡诊断装置，该装置的构成是：所述的多路激光系统由N级的M路的激光放大器组成，在所述的多路激光系统考察的功率平衡位置依次设立1级测量点，2级测量点，……n级测量点……N级测量点，在光路各级测量点相应地分别设置1级激光能量计(311、312、……31m、……31M)，2级激光能量计(321、322、……、32n、……、32M、)……，n级激光能量计(3n1、3n2、3n3、……3nM)……N级激光能量计(3N1、3N2、……3n3、……3NM)，M为激光光路数，所述的各激光能量计与一计算机网络相连；在光路各级测量点分别设置1级波形采集器(411、412、……、41n、……、41M)，2级波形采集器(421、422、……、42m、……、42M)、……、n级波形采集器(4n1、4n2、4nm、……、4nM)、……、N级波形采集器(4N1、4N2、……、4Nm、……、4NM)，所述的各波形采集器与所述的计算机网络相连。

所述的计算机网络由能量采集计算机、波形采集计算机、数据库服务器和数据处理计算机组成，所述的各激光能量计与所述的能量采集计算机相连，该能量采集计算机具有能量采集软件，该能量采集软件与所述的数据库服务器的激光能量数据库相通；所述的各波形采集器与所述的波形采集计算机相连，该波形采集计算机具有波形采集软件，该波形采集软件与数据库服务器的波形数据库相通；所述的数据库服务器与所述的数据处理计算机相连，该数据处理计算机具有数据获取软件和数据处理软件。

利用所述的功率平衡参数测量处理装置进行激光功率平衡的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①所述的设备初始化，所述的激光能量计、波形采集器、计算机均进入工作状态；

②所述的多路激光系统工作，所述的激光能量计和波形采集器分别记录激光能量数据和激光波形数据，所述的能量采集计算机和波形采集计算机分别通过能量采集软件和波形采集软件对所述的各激光能量计和波形采集器进行扫描，并按数据获取软件的规定文件格式对所述的激光能量数据E(n，m)和激光波形数据V(n，m)进行编码处理，处理后分别存入数据库服务器的激光能量数据库和波形数据库，其中n表示第n级，m表示第m路；

③激光能量数据和波形数据处理：所述的数据处理计算机中的数据获取软件从数据库服务器的激光能量数据库和波形数据库中分别获取激光能量数据和激光波形数据；该数据处理计算机中的数据处理软件对获得的激光能量数据和激光波形数据进行数据处理。

④激光功率平衡诊断：功率平衡诊断是根据功率平衡指标对能量和波形原始数据进行处理并判断处理结果是否达到功率平衡指标的过程，功率平衡诊断包括能量平衡诊断和波形平衡诊断；相应地，功率平衡指标也分为能量平衡指标和波形平衡指标。

所述的激光功率平衡的方法的激光能量数据处理的方法是：

第n级的M路激光能量数据共有M个数值：E(n，1)、E(n，2)、……、E(n，m)、……E(n，M)，所述的数据处理计算机计算能量归一均方根RMSE(n)

$\mathrm{RMSE}\left(n\right)=\sqrt{\frac{\underset{m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}[E(n,m)-\mathrm{ME}\left(n\right){]}^2}{M-1}}\frac{100}{\mathrm{ME}\left(n\right)}\%$

其中 $\mathrm{ME}\left(n\right)=\frac{\underset{m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}P(n,m)}{M}$ 为功率对路数的平均值，n为测量点的级别序号，m为光路序号，M为光路总数，RMSE(n)的物理意义是第n级各路能量输出之间的不平衡度，RMSE(n)越小表示第n级各路之间的能量平衡水平越高。

所述的激光波形数据处理的方法是：

所述的激光波形数据V(n，m)是离散曲线，是一条电压随时间变化的曲线，简称为波形曲线，更具体地说，第n级的第m路的激光波形数据对应的波形曲线表示为V(n，m，i)-T(i)，其中i＝0，1，2…是离散点的序号，离散点的间隔为ΔT＝T(i+1)-T(i)，是一定值，波形数据处理的步骤如下：

①首先平移波形曲线：

U(n，m，i)＝V(n，m，i)-min[V(n，m，i)]，其中min[V(n，m，i)]是V(n，m，i)的最小值，求得U(n，m，i)-T(i)曲线；

②波形曲线的对齐和截取：

以波形的前半高点FHWP(n，m)为标准对齐，第n级的第m路波形的前半高点FHWP(n，m)定义为该波形曲线上升部分的一个时间坐标，该时间坐标处波形曲线的值最接近波形曲线峰值的一半，即：

             U(n，m，FHWP(n，m))＝50％max[U(n，m，i)]

其中max[U(n，m，i)]为波形曲线的峰值，选取固定的脉冲长度，即所述的离散点的总个数I+1)进行截取；对齐和截取后第n级M路波形的前半高点在新的坐标系内都有相同的时间坐标，该时间坐标用FHWP(n)表示。

③波形曲线从电压到功率的归一化转换：

由比例关系

$\frac{P(n,m,i)\mathrm{\ΔT}}{E(n,m)}=\frac{U(n,m,i)}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}U(n,m,i)}$

得出，

$P(n,m,i)=\frac{U(n,m,i)E(n,m)}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}U(n,m,i)}\frac{E(n,m)}{\mathrm{\ΔT}}=c_i\frac{E(n,m)}{\mathrm{\ΔT}}$ (单位：焦耳/皮秒＝太瓦)转换后的波形曲线表示为P(n，m，i)-T(i)其中i＝0，1，…，I。其中P(n，m，i)是其纵坐标——功率，ci是无单位的一个数，即对于每一路波形，每一点的功率值＝(该点的电压值/该路电压值之和)*能量值/(采样间隔时间)，功率单位为太瓦；

④各路波形曲线P(n，m，i)-T(i)已经对齐在前半高点，现可以求多路波形的归一均方根曲线，多路波形的功率归一均方根曲线定义为一条离散曲线RMSP(n，i)-T(i)(i＝0，1，…，I)

$\mathrm{RMSP}$ $(n,i)=\sqrt{\frac{\underset{m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}[P(n,m,i)-\mathrm{MP}(n,i){]}^2}{M-1}}\frac{100}{\mathrm{MP}(n,i)}$

$\mathrm{MP}(n,i)=\frac{\underset{m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}P(n,m,i)}{M}$ 为功率对路数的平均值，MP(n，i)-T(i)(i＝0，1，…，I)为平均功率曲线；RMSP(n，i)是功率归一均方根曲线的纵坐标；n是测量点级别序号，m＝1，2，…，M为光路序号，M为波形的总路数。

所述的激光能量平衡诊断，包括单级能量平衡诊断和系统能量平衡诊断，先逐级进行单级能量平衡诊断，每一级的输出能量都达到能量平衡状态，则系统达到能量平衡。

所述的单级能量平衡诊断是指对某一发次打靶的某一级，第n级后面的能量输出进行的诊断，即判断能量数据处理结果RMSE(n)是否达到能量平衡指标能量平衡指标定义为：

设ZE是指定的一个数值，称为能量平衡指标数，如果

                        RMSE(n)≤ZE，

则第n级能量输出达到能量平衡；否则，第n级能量输出未达到能量平衡。

所述的系统激光能量平衡诊断是指对整个激光系统进行的诊断，即从前端第1级到最后的第N级逐次进行单级功率平衡诊断的一个过程，如果某一级未能达到能量平衡，则需要对该级影响能量输出的器件或设备进行调整，并再次诊断该级是否达到能量平衡，反复上述过程直到该级达到能量平衡为止，如果激光系统的任何一级都达到能量平衡，即：

RMSE(1)≤ZE；RMSE(2)≤ZE；…RMSE(n)≤ZE；…RMSE(N)≤ZE

则整个激光系统达到了能量平衡。

后面的某一级的能量平衡诊断都是在前面各级达到能量平衡的基础上进行的。虽然说前面各级达到了能量平衡，但并不是绝对的平衡，各路能量之间仍然有一定的不平衡度。但是前面各级的能量平衡水平越高，越有助于下面一级的能量平衡调整。所以，设计各级的预定能量平衡水平时，按照能量平衡水平从前到后越来越低的原则，即：

RMSE(1)＜RMSE(2)＜…＜RMSE(n)＜…＜RMSE(N)＜ZE

系统功率平衡诊断以单级能量平衡为基础，是多次单级能量平衡诊断的积累效果。只有通过系统能量平衡诊断才能准确找到能量不平衡的具体原因，从而指导进行正确的调整，最终使整个系统各级输出都处于能量平衡的状态。

所述的激光功率平衡诊断是在系统达到某个水平的能量平衡的基础上进行的，包括单级波形平衡诊断和系统波形平衡诊断，先逐级进行单级波形平衡诊断，每一级都达到波形平衡状态，系统达到功率平衡。

所述的单级激光波形平衡诊断是指对某一发次打靶的某一级，例如第n级的波形输出进行的诊断，即判断波形输出数据处理结果是否达到波形平衡指标，波形平衡指标包括以下两个分指标：

①前沿平衡指标

第n级的波形前沿定义为这样的一个时间坐标Q(n)，该时间坐标对应的平均功率曲线MP(n，i)-T(i)(i＝0，1，…，I)的值MP(n，Q(n))＝10％max[MP(n，i)]，其中max[MP(n，i)]是平均功率曲线的峰值，设ZPQ是一个指定的数值，称为前沿平衡指标数，如果

                      RMSP(n，Q(n))≤ZPQ

则称第n级达到了前沿平衡，否则，第n级未达到了前沿平衡：

②波峰平衡指标：

第n级的波峰定义为这样的一个时间坐标F(n)，该时间坐标对应的平均功率曲线MP(n，i)-T(i)(i＝0，1，…，I)的值MP(n，F(n))＝max[MP(n，i)]，其中max[MP(n，i)]是平均功率曲线的峰值，设ZPF是一个指定的数值，称为波峰平衡指标数，如果

                     RMSP(n，F(n))≤ZPF

则称第n级达到了波峰平衡，否则，第n级未达到了波峰平衡。

当第n级波形输出同时达到前沿平衡和波峰平衡时，称第n级达到了波形平衡，此时也称第n级达到了功率平衡，否则称第n级未达到波形平衡。

所述的系统激光波形平衡诊断是指对整个激光系统进行的诊断，即从前端第1级到最后的第N级逐次进行单级波形平衡诊断的一个过程，如果某一级未能达到波形平衡，则需要对该级影响波形输出的器件或设备进行调整，并再次诊断该级是否达到波形平衡，反复上述过程直到该级达到波形平衡为止，如果激光系统的任何一级都达到波形平衡，即：

RMSP(1，Q(1))＜＝ZPQ；RMSP(1，F(1))＜＝ZPF

RMSP(2，Q(2))＜＝ZPQ；RMSP(2，F(2))＜＝ZPF

……

RMSP(n，Q(n))＜＝ZPQ；RMSP(n，F(n))＜＝ZPF

……

RMSP(N，Q(N))＜＝ZPQ；RMSP(N，F(N))＜＝ZPF

则说整个激光系统达到了波形平衡。后面的某一级的波形平衡诊断都是在前面各级达到波形平衡的基础上进行的。虽然说前面各级达到了波形平衡，但并不是绝对的平衡，各路波形之间仍然有一定的不平衡度。但是前面各级的波形平衡水平越高，越有助于下面一级的波形平衡调整。所以，设计各级的预定波形平衡水平时，按照波形平衡水平从前到后越来越低的原则，即：

RMSP(1，Q(1))＜RMSP(2，Q(2))＜…＜RMSP(n，Q(n))＜…＜RMSP(N，Q(N))＜＝ZPQ

RMSP(1，F(1))＜RMSP(2，F(2))＜…＜RMSP(n，F(n))＜…＜RMSP(N，F(N))＜＝ZPF

系统波形平衡诊断以波形平衡平衡为基础，是多次单级波形平衡诊断的积累效果。只有通过系统波形平衡诊断才能准确找到波形不平衡的具体原因，从而指导进行正确的调整，最终使整个系统各级输出都处于波形平衡的状态。当整个系统各级都处于波形平衡的状态时，称整个系统处于功率平衡状态。

本发明的技术效果：

本发明多路激光系统功率平衡参数测量处理装置及功率平衡方法，彻底改变了原有的手动的、分离式的作业方式，系统的初始化、数据的采集、传输、处理都能够由计算机自动完成。系统的自动化和集成化明显提高了功率平衡参数数据的获取和处理的速度，大大提高了功率平衡研究的效率。过去的时候，大量的数据无法及时处理，积累起来，必须等一系列打靶实验结束之后才能集中处理。这不仅降低了数据的时效性，而且提高了数据处理的难度和出错率。而本发明，每一发激光打靶前系统根据充电信号自动初始化，打靶后系统根据触发信号自动采集数据。测得的数据立即得到处理。处理结果及时反映出装置当前状态，对于后续打靶可提供及时的有效参考。不仅提高了效率，也提高了数据的时效性和准确性。

附图说明

图1为本发明多路激光功率平衡参数测量及处理装置实施例的结构配置示意图

图2为图1实施例多路功率平衡参数测量诊断位置示意图

图3为系统功率平衡诊断和调整流程图

图1中：1-数据处理计算机，11-能量和波形数据获取软件，12-数据处理及功率平衡诊断软件，2-数据库服务器，21-能量数据库，22-波形数据库，3-能量采集计算机，33-能量采集专用软件，311、312-两路分光级后面的1、2两路能量卡记，321～318-棒状放大器级后面的1～8路能量卡记，321～328-片状放大器级后的1～8路能量卡计，331～338-倍频器后面的1～8路能量卡计，4-波形采集计算机，4-波形采集专用软件，401、402-两路分光级后面的1、2两路波形采集器，411～418-棒状放大器级后面的1～8路波形采集器，421～428-片状放大器级后的1～8路波形采集器，431～438-倍频器后面的1～8路波形采集器。

图2中：其中带箭头的线表示激光光路，701～708-棒状放大器级，2001～2008-片状放大器级，31～34-主放大器及倍频器级，8-靶室，其余参见图1。测量诊断位置共有4级，第一级在两路分光级之后(301/401和302/402所在位置)，第二级在棒状放大器级之后，第三级在片状放大器之后，第四级在主放大器及倍频器级之后。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

1.数据的自动采集

先参阅图1和图2，图1为本发明多路激光功率平衡参数测量及处理系统实施例的结构配置示意图；图4为图1实施例多路功率平衡参数测量诊断位置示意图。由图可见，本实施例进行激光功率平衡多路激光系统是一4级8路的激光系统，即N＝4，M＝8。

本实施例中能量测量采用通用的激光能量卡计进行，其测量点的设置如图1中的301、302、311～318、321～328、331～338所示，波形的测量采用Tektronix公司的示波器作为波形采集器，其测量点的设置如图1中的401、402、411～418、421～428、431～438所示。一个波形采集器可以采集一路波形，一台示波器包括4个波形采集器，可以采集4路波形数据。获得的能量数据和波形数据分别由能量采集计算机3和波形采集计算机4采集，传送到数据库服务器2，并保存到能量数据库21和波形数据库22中，以供用户查询和访问。

2.数据处理和平衡诊断

要进行数据处理和功率平衡单级诊断，首先必须明确数据对象，即处理和诊断的是哪一次打靶的数据？是哪一个位置的数据？前者通过打靶的发次号进行区别，发次号可以简单地体现在数据文件的文件名中。多路功率平衡参数测量诊断位置如图2所示。测量和诊断的位置一共有4级：第一个位置在两路分光级之后(301/401和302/402所在位置)，第二级位置在701～708之后，第三级位置在2001～2008之后，第四级位置在31～38之后。无论在哪一个位置，数据处理和诊断的方法都是一样的。以下皆以第二级位置为例，即n＝2，对数据处理和单级诊断进行说明。

(1)数据的获取

系统通过图1中的数据获取软件11自动从数据库服务器2的波形数据库22和能量数据库21获取某一发次的波形和能量原始数据，能量数据是由激光能量卡计311～318采集的，波形数据是由波形采集器411～418采集的，然后将这些数据按照数据处理及功率平衡诊断软件12约定的文件格式存储到数据处理计算机1上，以便数据后续处理。

测量位置对应的光路数为8，则能量数据是8个能量数值，用E(2，m)(m＝1，2，…，8)表示，其中m是光路序号。波形数据是8条离散曲线，用V(2，m，i)-T(i)(m＝1，2，…，8；i＝0，1，2，…)表示，其中V是电压值，T是时间，i是离散点的序号。离散点间隔ΔT＝T(i+1)-T(i)为10皮秒。并且8条曲线的离散点的个数相等，即曲线的时间长度相等。

(2)能量数据处理

能量数据处理严格按照能量平衡指标进行。能量数据处理过程如下：

计算8路激光能量数据8个数值E(2，1)E(2，2)…E(2，m)…E(2，8)它们的能量归一均方根RMSE(2)

$\mathrm{RMSE}\left(2\right)=\sqrt{\frac{\underset{m}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}[E(2,m)-\mathrm{ME}\left(2\right){]}^2}{8-1}}\frac{100}{\mathrm{ME}\left(2\right)}\%$

其中 $\mathrm{ME}\left(2\right)=\frac{\underset{m}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}P(2,m)}{8}$ 为功率对路数的平均值，2为测量点的级别序号，m为光路序号。RMSE(2)的物理意义是第2级各路能量输出之间的不平衡度，RMSE(2)越小表示第2级各路之间的能量平衡水平越高。

(3)波形数据处理

波形数据的处理严格按照波形平衡指标进行，数据处理过程包括两个大过程，说明如下：

①单路波形的归一化处理：以第m路波形曲线为例。

●首先平移曲线。

U(2，m，i)＝V(2，m，i)-min[V(2，m，i)]，其中min[V(2，m，i)]是V(2，m，i)的最小值，求得U(2，m，i)-T(i)曲线，U(2，m，i)的最小值为0。

●各路波形曲线的对齐和截取。

要在第二个过程进行多路波形的统计(对路数)，必须将各路曲线以某种方式对齐。经过反复试验，发现以波形的前半高点为标准对齐较好。波形正常的情况下，不考虑小的噪声抖动，一路波形曲线应该只有一个前半高点。原始波形曲线不仅包括激光能量脉冲所在的部分，而且在脉冲两侧还延伸了很长的时间。要将电压-时间曲线归一化为功率时间曲线，必须除去脉冲之外的部分(如噪声部分)，因而需要截取波形曲线中的脉冲部分。由于脉冲部分的长度不随发次变化，也不随光路不同而变化，因而可以选取固定的脉冲长度进行截取。本系统所选取的脉冲长度为301个点，即I＝300，时间为300ΔT＝3000皮秒。具体截取算法是：首先找到波形曲线的前半高点；然后从前半高点向两侧分别延伸，向负方向延伸100个点，向正方向延伸200个点；这样得到的301个点作为激光脉冲部分。此时获得的波形曲线为U(2，m，i)-T(i)(i＝0，1，…，300)，并且曲线的前半高点在第101个点(i＝100)。如果各路波形都这样截取，那么8路曲线就对齐在它们的前半高点。

●波形从电压到功率的归一化转换。

由比例关系

$\frac{P(2,m,i)\mathrm{\ΔT}}{E(2,m)}=\frac{U(2,m,i)}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}U(2,m,i)}$ 得出

$P(2,m,i)=\frac{U(2,m,i)}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}U(2,m,i)}\frac{E(2,m)}{\mathrm{\ΔT}}=c_i\frac{E(2,m)}{\mathrm{\ΔT}}$ (单位：焦耳/皮秒＝太瓦)转换后的波形曲线表示为P(2，m，i)-T(i)(i＝0，1，…，300)。其中P(2，m，i)是其纵坐标——功率，ci是无单位的一个数。即对于每一路波形，每一点的功率值＝(该点的电压值/该路电压值之和)*能量值/(采样间隔时间)，功率单位为太瓦。

②多路波形的统计(对路数)：

各路波形曲线P(b，i)-T(i)已经对齐在前半高点，现可以求多路波形的归一均方根曲线。多路波形的归一均方根曲线定义为一条曲线RMS(i)-T(i)(i＝0，1，…，300)

$\mathrm{RMS}\left(i\right)=\sqrt{\frac{\underset{b}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[P(b,i)-\mathrm{PM}\left(i\right){]}^2}{n-1}}\frac{100}{\mathrm{PM}\left(i\right)}\%$

$\left(i\right)=\frac{\underset{b}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P(b,i)}{n}$ 为功率对路数的平均值，PM(i)-T(i)称为平均功率曲线，b＝1，2，…，8为光路序号，N为波形的总路数，n应满足2＜＝n＜＝8，否则只要一路波形曲线，根本无法统计。

各路波形曲线P(s，m，i)-T(i)已经对齐在前半高点，现可以求多路波形的归一均方根曲线。多路波形的功率归一均方根曲线定义为一条离散曲线RMSP(s，i)-T(i)(i＝0，1，…，300)

$\mathrm{RMSP}(2,i)=\sqrt{\frac{\underset{m}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}[P(2,m,i)-\mathrm{MP}(2,i){]}^2}{8-1}}\frac{100}{\mathrm{MP}(2,i)}\%$

$\mathrm{MP}(2,i)=\frac{\underset{m}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}P(2,m,i)}{8}$ 为功率对路数的平均值，MP(2，i)-T(i)(i＝0，1，…，300)为平均功率曲线；RMSP(2，i)是功率归一均方根曲线的纵坐标；n是测量点级别序号，m＝1，2，…8为光路序号。

(4)功率平衡诊断

功率平衡诊断包括单级诊断和系统诊断。如前所述，单级平衡诊断是判断某一级的输出能量或波形是否达到平衡状态；系统平衡诊断(以及调整)的目的是使整个激光系统的主要的各级的每一级的输出都达到功率平衡状态。这样的状态称为系统功率平衡状态。整个激光系统处于功率平衡状态不仅可以提高激光光束质量，继而提高激光打靶的质量，而且对于维持整个激光系统的稳定性、提高激光器件的使用寿命都具有良好的作用。功率平衡诊断和调整的流程原理如图4所示。本实施例是一个8路装置，从前到后主要分成4级——两路分光级、棒状放大器级、偏状放大器级、主放大器及倍频器级。平衡参数测量的四个位置分别在上述各级之后，如

图2所示。

①首先进行能量平衡诊断：

激光能量平衡诊断包括单级能量平衡诊断和系统能量平衡诊断。先逐级进行单级能量平衡诊断，每一级的输出能量都达到能量平衡状态，则系统达到能量平衡。

单级能量平衡诊断，以第2级为例，是指对某一发次打靶的棒状放大器级后面的能量输出进行的诊断，即判断能量数据处理结果RMSE(2)是否达到能量平衡指标。本实施例中，能量平衡指标数ZE＝5％，如果RMSE(2)＜＝5％，则棒状放大器级能量输出达到能量平衡；否则，棒状放大器级能量输出未达到能量平衡。

系统能量平衡诊断是指从整个激光系统进行的诊断，即从前端第1级到最后的第4级逐次进行单级能量平衡诊断的一个过程。设计各级的预定能量平衡水平时，按照能量平衡水平从前到后越来越低的原则，即：

        RMSE(1)＜RMSE(2)＜RMSE(3)＜RMSE(4)＜5％

如果某一级未能达到能量平衡，则需要对该级影响能量输出的器件或设备进行调整，并再次诊断该级是否达到能量平衡。以第2级为例，则需要对棒状放大器级的701～708进行调整。反复上述过程直到该级达到能量平衡为止。如果激光系统的任何一级都达到能量平衡，即：

RMSE(1)＜＝5％，RMSE(2)＜＝5％，RMSE(3)＜＝5％，RMSE(4)＜＝5％

则说整个激光系统达到了能量平衡。

②然后进行波形平衡诊断：

功率平衡应在激光系统达到某个水平的能量平衡(例如ZE＝5％)的基础上进行。包括单级波形平衡诊断和系统波形平衡诊断。先逐级进行单级波形平衡诊断，每一级都达到波形平衡状态，系统达到功率平衡。

单级波形平衡诊断，以第2级为例，是指对某一发次打靶的棒状放大器级后面的波形输出进行的诊断，即判断波形输出数据处理结果是否达到波形平衡指标。波形平衡指标包括以下两个分指标：

●前沿平衡指标：

本实施例中，前沿坐标为Q(2)，前沿平衡指标数为ZPQ＝20％。如果RMSP(2，Q(2))＜＝20％，则称棒状放大器级达到了前沿平衡，否则，棒状放大器级未达到了前沿平衡。

●波峰平衡指标：

本实施例中，波峰坐标为F(2)，波峰平衡指标数为ZPF＝10％。如果RMSP(2，F(2))＜＝10％，则称棒状放大器级达到了波峰平衡，否则，称棒状放大器级未达到了前沿平衡。

当棒状放大器级波形输出同时达到前沿平衡和波峰平衡时，称棒状放大器级达到了波形平衡，此时也称棒状放大器级达到了功率平衡；否则，称棒状放大器级未达到功率平衡。

系统激光波形平衡诊断是指从整个激光系统进行的诊断，即从前端第1级到最后的第4级逐次进行单级波形平衡诊断的一个过程。设计各级的预定波形平衡水平时，按照波形平衡水平从前到后越来越低的原则，即：

RMSP(1，Q(1))＜RMSP(2，Q(2))＜RMSP(3，Q(3))＜RMSP(4，Q(4))＜＝20％

RMSP(1，F(1))＜RMSP(2，F(2))＜RMSP(3，F(3))＜RMSP(4，F(4))＜＝10％

如果某一级未能达到波形平衡，则需要对该级影响波形输出的器件或设备进行调整，并再次诊断该级是否达到波形平衡。以第2级为例，则需要调整棒状放大器级的701～708。反复上述过程直到该级达到波形平衡为止。如果激光系统的任何一级都达到波形平衡，即：

          RMSP(1，Q(1))＜＝20％；RMSP(1，F(1))＜＝10％

          RMSP(2，Q(2))＜＝20％；RMSP(2，F(2))＜＝10％

          RMSP(3，Q(3))＜＝20％；RMSP(3，F(3))＜＝10％

          RMSP(4，Q(4))＜＝20％；RMSP(4，F(4))＜＝10％

则说整个激光系统达到了波形平衡。

在多路功率平衡不平衡时，数据处理及功率平衡达标判断软件12，能够分析出是哪一路或哪几路波形造成的不平衡。其方法是有两个：

●观察该软件绘制的处理后的波形曲线图，某一路特别异常时就会被发现。

●如果在已经接近平衡时，无法观察出是哪一路异常，就用软件计算分析。即去掉某一路后，分别多次重新处理数据，然后比较多次的处理结果，最佳的处理结果对应的那一路就是造成不平衡的主要光路。

这样就可以明确指出某一级中哪一路需要进行调整，从而指导进行相应的调整。经过系统功率平衡诊断和调整，整个激光系统就可以达到功率平衡状态。

Claims (11)

1、一种用于由多路多级激光放大器组成的多路激光系统的功率平衡参数测量及功率平衡诊断装置，其特征在于该装置的构成是：所述的多路激光系统由N级的M路的激光放大器组成，在所述的多路激光系统考察的功率平衡位置依次设立1级测量点，2级测量点，……，n级测量点，……N级测量点，在光路各级测量点相应地分别设置1级激光能量计(311、312、……31m、……31M)，2级激光能量计(321、322、……、32n、……、32M、)……，n级激光能量计(3n1、3n2、3n3、……3nM)……N级激光能量计(3N1、3N2、……3n3、……3NM)，M为激光光路数，所述的各激光能量计与一计算机网络相连；在光路各级测量点分别设置1级波形采集器(411、412、……、41n、……、41M)，2级波形采集器(421、422、……42m、……42M)，……n级波形采集器(4n1、4n2、4nm、……、4nM)……N级波形采集器(4N1、4N2、……、4Nm、……、4NM)，所述的各波形采集器与所述的计算机网络相连；

2、根据权利要求1所述的多路激光系统的功率平衡参数测量及功率平衡诊断装置，其特征在于所述的计算机网络由能量采集计算机(3)、波形采集计算机(4)、数据库服务器(2)和数据处理计算机(1)组成，所述的各激光能量计与所述的能量采集计算机(3)相连，该能量采集计算机(3)具有能量采集软件(33)，该能量采集软件(33)与所述的数据库服务器(2)的激光能量数据库(21)相通；所述的各波形采集器与所述的波形采集计算机(4)相连，该波形采集计算机(4)具有波形采集软件(44)，该波形采集软件(44)与数据库服务器(2)的波形数据库(22)相通；所述的数据库服务器(2)与所述的数据处理计算机(1)相连，该数据处理计算机(1)具有数据获取软件(11)和数据处理软件(12)。

3、利用权利要求2所述的功率平衡参数测量处理装置进行激光功率平衡的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①所述的设备初始化，所述的激光能量计、波形采集器、计算机均进入工作状态；

②所述的多路激光系统工作，所述的激光能量计和波形采集器分别记录激光能量数据和激光波形数据，所述的能量采集计算机(3)和波形采集计算机(4)分别通过能量采集软件(33)和波形采集软件(44)对所述的各激光能量计和波形采集器进行扫描，并按数据获取软件(11)的规定文件格式对所述的激光能量数据E(n，m)和激光波形数据V(n，m)进行编码处理，处理后分别存入数据库服务器(2)的激光能量数据库(21)和波形数据库(22)，其中n表示第n级，m表示第m路；

③述的数据处理计算机(1)中的数据获取软件(11)从数据库服务器(2)的激光能量数据库(21)和波形数据库(22)中分别获取激光能量数据和激光波形数据；数据处理计算机(1)中的数据处理软件(12)对获得的激光能量数据处理和激光波形数据进行数据处理。

4、根据权利要求3所述的激光功率平衡的方法，其特征在于所述的激光能量数据处理是：

第n级的M路激光能量数据共有M个数值：E(n，1)、E(n，2)、……、E(n，m)、……E(n，M)，计算机(1)它们的能量归一均方根RMSE(n)

$\mathrm{RMSE}\left(n\right)=\sqrt{\frac{\underset{m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{[E(n,m)-\mathrm{ME}\left(n\right)]}^2}{M-1}}\frac{100}{\mathrm{ME}\left(n\right)}\%$

其中 $\mathrm{ME}\left(n\right)=\frac{\underset{m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}P(n,m)}{M}$ 为功率对路数的平均值，n为测量点的级别序号，m为光路序号，M为光路总数，RMSE(n)的物理意义是第n级各路能量输出之间的不平衡度，RMSE(n)越小表示第n级各路之间的能量平衡水平越高。

5、根据权利要求3所述的激光功率平衡的方法，其特征在于所述的激光波形数据处理是：

所述的激光波形数据V(n，m)是离散曲线，是一条电压随时间变化的曲线，简称为波形曲线，更具体地说，第n级的第m路的激光波形数据对应的波形曲线表示为V(n，m，i)-T(i)，其中i＝0，1，2…是离散点的序号，离散点的间隔为ΔT＝T(i+1)-T(i)，是一定值，波形数据处理的步骤如下：

①首先平移波形曲线：

U(n，m，i)＝V(n，m，i)-min[V(n，m，i)]，其中min[V(n，m，i)]是V(n，m，i)的最小值，求得U(n，m，i)-T(i)曲线；

②波形曲线的对齐和截取：

以波形的前半高点FHWP(n，m)为标准对齐，第n级的第m路波形的前半高点FHWP(n，m)定义为该波形曲线上升部分的一个时间坐标，该时间坐标处波形曲线的值最接近波形曲线峰值的一半，即：

     U(n，m，FHWP(n，m))＝50％max[U(n，m，i)]其中max[U(n，m，i)]为波形曲线的峰值，选取固定的脉冲长度，即所述的离散点的总个数I+1)进行截取；对齐和截取后第n级M路波形的前半高点在新的坐标系内都有相同的时间坐标，该时间坐标用FHWP(n)表示。

③波形曲线从电压到功率的归一化转换：

由比例关系

$\frac{P(n,m,i)\mathrm{\ΔT}}{E(n,m)}=\frac{U(n,m,i)}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}U(n,m,i)}$

得出，

$P(n,m,i)=\frac{U(n,m,i)}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}U(n,m,i)}\frac{E(n,m)}{\mathrm{\ΔT}}=c_i\frac{E(n,m)}{\mathrm{\ΔT}}$ (单位：焦耳/皮秒＝太瓦)转换后的波形曲线表示为P(n，m，i)-T(i)其中i＝0，1，…，I。其中P(n，m，i)是其纵坐标——功率，ci是无单位的一个数，即对于每一路波形，每一点的功率值＝(该点的电压值/该路电压值之和)*能量值/(采样间隔时间)，功率单位为太瓦；

④各路波形曲线P(n，m，i)-T(i)已经对齐在前半高点，现可以求多路波形的归一均方根曲线，多路波形的功率归一均方根曲线定义为一条离散曲线RMSP(n，i)-T(i)(i＝0，1，…，I)

$\mathrm{RMSP}(n,i)=\sqrt{\frac{\underset{m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{[P(n,m,i)-\mathrm{MP}(n,i)]}^2}{M-1}}\frac{100}{\mathrm{MP}(n,i)}\%$

$\mathrm{MP}(n,i)=\frac{\underset{m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}P(n,m,i)}{M}$ 为功率对路数的平均值，MP(n，i)-T(i)(i＝0，1，…，I)为平均功率曲线；RMSP(n，i)是功率归一均方根曲线的纵坐标；n是测量点级别序号，m＝1，2，…，M为光路序号，M为波形的总路数。

6、根据权利要求3所述的激光功率平衡的方法，其特征在于所述的激光能量平衡诊断，激光能量平衡诊断包括单级能量平衡诊断和系统能量平衡诊断，先逐级进行单级能量平衡诊断，每一级的输出能量都达到能量平衡状态，则系统达到能量平衡。

7、根据权利要求6所述的激光功率平衡的方法，其特征在于所述的单级能量平衡诊断，单级能量平衡诊断是指对某一发次打靶的某一级，第n级后面的能量输出进行的诊断，即判断能量数据处理结果RMSE(n)是否达到能量平衡指标能量平衡指标定义为：

设ZE是指定的一个数值，称为能量平衡指标数，如果

            RMSE(n)≤ZE，

则第n级能量输出达到能量平衡；否则，第n级能量输出未达到能量平衡。

8、根据权利要求6所述的激光功率平衡的方法，其特征在于所述的系统激光能量平衡诊断是指从整个激光系统进行的诊断，即从前端第1级到最后的第N级逐次进行单级功率平衡诊断的一个过程，如果某一级未能达到能量平衡，则需要对该级影响能量输出的器件或设备进行调整，并再次诊断该级是否达到能量平衡，反复上述过程直到该级达到能量平衡为止，如果激光系统的任何一级都达到能量平衡，即：

RMSE(1)≤ZE；RMSE(2)≤ZE；…RMSE(n)≤ZE；…RMSE(N)≤ZE则整个激光系统达到了能量平衡。

9、根据权利要求3所述的激光功率平衡的方法，其特征在于所述的激光波形平衡诊断，激光功率平衡诊断是在系统达到某个水平的能量平衡的基础上进行的，包括单级波形平衡诊断和系统波形平衡诊断，先逐级进行单级波形平衡诊断，每一级都达到波形平衡状态，系统达到功率平衡。

10、根据权利要求9所述的激光功率平衡的方法，其特征在于所述的单级激光波形平衡诊断，单级波形平衡诊断是指对某一发次打靶的某一级，例如第n级的波形输出进行的诊断，即判断波形输出数据处理结果是否达到波形平衡指标，波形平衡指标包括以下两个分指标：

①前沿平衡指标

第n级的波形前沿定义为这样的一个时间坐标Q(n)，该时间坐标对应的平均功率曲线MP(n，i)-T(i)(i＝0，1，…，I)的值MP(n，Q(n))＝10％max[MP(n，i)]，其中max[MP(n，i)]是平均功率曲线的峰值，设ZPQ是一个指定的数值，称为前沿平衡指标数，如果

        RMSP(n，Q(n))≤ZPQ

则称第n级达到了前沿平衡，否则，第n级未达到了前沿平衡；

②波峰平衡指标：

第n级的波峰定义为这样的一个时间坐标F(n)，该时间坐标对应的平均功率曲线MP(n，i)-T(i)(i＝0，1，…，I)的值MP(n，F(n))＝max[MP(n，i)]，其中max[MP(n，i)]是平均功率曲线的峰值，设ZPF是一个指定的数值，称为波峰平衡指标数，如果

          RMSP(n，F(n))≤ZPF

则称第n级达到了波峰平衡，否则，第n级未达到了波峰平衡。

11、根据权利要求9所述的激光功率平衡的方法，其特征在于所述的系统激光波形平衡诊断是指从整个激光系统进行的诊断，即从前端第1级到最后的第N级逐次进行单级波形平衡诊断的一个过程，如果某一级未能达到波形平衡，则需要对该级影响波形输出的器件或设备进行调整，并再次诊断该级是否达到波形平衡，反复上述过程直到该级达到波形平衡为止，如果激光系统的任何一级都达到波形平衡，即：

RMSP(1，Q(1))＜＝ZPQ；RMSP(1，F(1))＜＝ZPF

RMSP(2，Q(2))＜＝ZPQ；RMSP(2，F(2))＜＝ZPF

……

RMSP(n，Q(n))＜＝ZPQ；RMSP(n，F(n))＜＝ZPF

……

RMSP(N，Q(N))＜＝ZPQ；RMSP(N，F(N))＜＝ZPF

则说整个激光系统达到了波形平衡。

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