CN205120243U - 一种强激光能量实时监测系统装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种强激光能量实时监测系统装置。所述装置包括六面熔石英材料的45°全反镜、六面焦距为1200mm的聚焦透镜、六个能量采集探头、一个六通道的波形数字转换器、电脑；其中使用六束强激光，每束激光对应一面所述熔石英材料的45°全反镜，每面熔石英材料的45°全反镜对应一块所述聚焦透镜，每面聚焦透镜对应一个所述能量采集探头，所述能量采集探头采集到的数据通过所述波形数字转换器输入电脑进行采集处理。本实用新型的建立以及标定方法的完成，为激光打靶提供了准确的能量数据，为“天光一号”激光靶物理研究奠定了基础。

Description

一种强激光能量实时监测系统装置

技术领域

本实用新型具体涉及一种强激光能量实时监测系统装置及其监测方法。

背景技术

二十世纪六十年代，王淦昌等提出了利用激光驱动惯性约束核聚变的概念。80年代末，美国用地下核爆的辐射能量成功地驱动了惯性约束聚变，证明了惯性约束聚变的可行性。二十世纪90年代以来，一些国家建造了以“点火”为研究目标的百万焦耳级的大型激光装置。例如：我国上海光机所和中国工程物理研究院建造有神光(SG)系列，中国原子能科学研究院建造有天光一号等相关设备。放大后总能量输出是这些大型“点火”装置开展物理研究课题的重要参数，因此，对装置进行打靶前总能量的输出进行精确测量，一直以来都是一个非常重要的研究课题，也是这些大型装置上必须要解决的课题。

“天光一号”高功率KrF准分子激光系统是我国最大型的准分子激光系统。KrF准分子激光具有波长短(248nm)、带宽3THz、光束均匀性好、可重复频率运行等优点，被认为是一种极具吸引力的惯性聚变能激光驱动器，受到各国重视。其结构如附图1所示。

“天光一号”高功率KrF准分子激光系统总能量输出也是准分子激光系统开展物理研究的一个必不可少的参数，开展放大后能量输出测量装置的研发是为今后在“天光一号”高功率KrF准分子激光装置上开展靶物理各课题研究的重要保证。

不同能量的激光打在不同的靶面上，会产生不同的现象。开展不同靶的性能、飞行轨迹、状态方程等物理研究都是基于打靶能量已知才能开展的研究课题。因此，建立“天光一号”能量实时能量监测系统装置，是为开展靶物理研究、模型计算等研究课题提供进入靶室的准确能量参数。

实用新型内容

能量实时能量监测系统监测位置的选取、监测方法的确定都是非常重要的。为了真实地同步得到每一炮打在靶上的总能量，首先监测位置应该考虑近靶场的位置。所选择的位置既不能遮挡打靶的光路，也不能因为能量监测而过多造成打靶总能量的损失，而且在保证打靶和能量监测同步的情况下，才能真实地反映靶面接收到的总能量。最终选取在主放大器放大、消延时整形后，即MOPA光路系统的最后一级进行监测。其次，考虑到K9的全反镜是全吸收型镜片，后面没有激光透过无法实现后面监测。经过论证、试验，最终选取了用熔石英材料可透过紫外光的特性作为反射镜，实现能量的监测。整套系统完成搭建及所必须的标定后，监测能量才能真实地反映打入靶室的能量。本实用新型完成了对本装置的标定方法。

本实用新型基于实验室的条件，选取熔石英材料作为反射镜既保证了激光光路的正常传输，又实现了激光能量的监测。

本实用新型提供的用于强激光能量实时监测系统，包括六束波长为248nm的强激光光束、六面熔石英材料的45°全反镜、六面焦距为1200mm的聚焦透镜、六个能量采集探头、一个六通道的波形数字转换器、电脑等。其中每束激光对应一面熔石英材料的45°全反镜，一面熔石英材料的45°全反镜对应一块聚焦透镜，每面聚焦透镜对应一个能量采集探头。能量采集探头采集到的数据通过波形数字转换器输入电脑进行采集处理。

本实用新型通过筛选用熔石英材料作为45°全反镜，用热释电型能量采集探头，通过波形、能量转换器和计算机系统，通过标定反射镜的透过率及探头的响应灵敏度、线性度，以及在线实时标定修正参数，保证能量监测系统所测量数据的可靠性。

本实用新型的建立以及标定方法的完成，为激光打靶提供了准确的能量数据，为“天光一号”激光靶物理研究奠定了基础。同时，为各种激光大型装置提供了一种打靶能量同步实时监测测量的方法，打靶能量的准确测量是保证各大激光装置开展靶物理研究的基础。

附图说明

图1为“天光一号”高功率准分子激光系统光路示意图。

图2为“天光一号”能量实时监测系统示意图。

图3为能量采集探头响应系数标定方法示意图。

图4为能量采集探头的线性度标定方法示意图。

图5为能量采集探头D3的标定数据示意图。

图6为全反镜透过率标定方法示意图。

图7为能量采集探头的在线标定方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。

图2为“天光一号”能量实时监测系统示意图。包括六束波长为248nm的强激光光束、HRn六面熔石英材料的45°全反镜、Ln六面焦距为1200mm的聚焦透镜、Dn为六个能量采集探头、一个六通道的波形数字转换器、电脑等。其中每束激光对应一面熔石英材料的45°全反镜HRn，一面熔石英材料的45°全反镜对应一块聚焦透镜Ln，每面聚焦透镜对应一个能量采集探头Dn。能量采集探头采集到的数据通过波形数字转换器输入电脑进行采集处理。Dn为热释电型能量采集探头。

图3为能量采集探头响应系数标定方法示意图。

能量采集探头响应灵敏度系数标定是在APEX激光器上进行，APEX激光器产生的波长248nm激光打在一片分束镜上，分束镜的反射光注入待测能量采集探头D1，探头D1接在示波器TDS-320上，透射光注入标准能量计QE65LP-S-MB中。为了减小测量误差，每组数据均为测量20炮求平均值后的数据代入计算公式，下面描述的所有数据均是20炮测量数据的平均值，后面将不再赘述。测得一组数据A(mJ)和B(mV)。在用另一个待标定的能量采集探头D2替换标准能量计并把探头也接在示波器TDS-320上，得到一组数据R2(mV)和T1(mV)，再把D1和D2位置交换后测量得到一组数据R1(mV)和T2(mV)。分光比用T/R描述。每个探头的响应系数均用Kn表示，单位为mV/mJ。计算公式如下，由公式(1)可以导出公式(2)，把测量得到的R2、T1、R1和T2代入公式(2)，计算等到分光比T/R＝n，根据公式(3)可以导出公式(4)求得K1：在把各已知数代入公式(1)，得到公式(5)(6)，即可计算出每个能量采集探头的响应系数Kn。

$T/R=\frac{T_1*K_1}{R_2*K_2}=\frac{T_2*K_2}{R_1*K_1}=\frac{T_n*K_n}{R_1*K_1}\mathrm{...}\left(1\right)$

$T/R=\sqrt{\frac{T_1*K_1}{R_2*K_2}\frac{T_2*K_2}{R_1*K_1}}=\sqrt{\frac{T_1}{R_2}\frac{T_2}{R_1}}=n\mathrm{...}\left(2\right)$

$T/R=n=\frac{B}{A}{K}_1\mathrm{...}\left(3\right)$

$K_1=\frac{A}{B}n(mJ/mV)=\frac{A}{\frac{A}{B}n}(mV/mJ)\mathrm{...}\left(4\right)$

$K_2=n*\frac{R_1}{T_2}{K}_1(mV/mJ)\mathrm{...}\left(5\right)$

以此类推：

$K_n=n*\frac{R_1}{T_n}{K}_1(mV/mJ)\mathrm{...}\left(6\right)$

求得每个探头相应的响应系数Kn，根据公式即可通过能量采集探头测得激光的幅值数Vn，计算得到能量采集探头所测激光的能量值En(mV)。

图4为能量采集探头的线性度标定方法示意图。为了保证实时能量监测系统的准确测量，对所用探头在实验所需要能量范围的线性度进行了标定。能量采集探头线性度标定是在LPX-150激光器上进行，能量标定范围根据实际需要而确定的。高功率准分子激光系统放大后的总能量最大为140J左右，六束激光平均每束的能量最大在30J左右。HR45゜熔石英全反镜HR的透过率正常情况下是在1％左右。因此，透过的激光能量最大为300mJ，LPX-150激光器输出的最大能量在400mJ以上，由此选定能量采集探头的标定范围选定在50mJ～300mJ。

标定方法如图4所示，首先，用一块石英45゜全反镜把激光器LPX-150输出的248nm激光反射注入待测探头，探头接在示波器TDS-320上。透射光注入标准能量计QE65LP-S-MB中，测得一组能量采集探头的数值，标准能量计QE65LP-S-MB单位为mJ，待测探头所测值的单位为mV，记录20组数据后求平均值。再用分光镜替换掉全反镜，改变注入待测能量采集探头的幅值，记录每个不同条件下待测探头和标准能量计QE65LP-S-MB所测数值，同样统计20组数据后再求其平均值，6个待测探头依次按照上述方法记录下所测数据，并计算出各数据对应的平均值。把标准能量计测得的数据作为横坐标，待测探头测得的数据作为纵坐标，得到对应的线性关系。

由图5可以看出，线性回归度R2＝0.9924，接近于1。通过线性度标定证明选用的能量采集探头在所测能量范围中的线性度符合能量监测系统的要求。

图6全反镜透过率标定方法示意图。标定是分光光度计OPECED-250上进行标定。首先，在空气中测试本底，再在相同条件下，测试每块镜子的透过率，所得到的数据要扣除本底值。每块镜子在波长248nm时的透过率为本实验所需的透过率T值。根据熔石英全反镜HR45゜的透过率，就可以得到在248nm时反射光与透射光的能量比值。

六个标定过响应系数的能量采集探头连接到实际光路中，并在实时能量监测系统的控制软件中输入每个探头相应的响应系数Kn及每个探头相对应的熔石英全反镜HR45゜的透过率。在线标定方法如图7所示，把标定检测过的大口径能量计scientech373作为标准能量计按照垂直光路方向放入实际光路，每次测量只一束待测的激光反射注入标准能量计。每放一炮得到一组数值：标准能量计的能量值E0和所标定能量采集探头Dn的能量值En。根据En/E0，计算出探头的修正系数ηn。再经过多炮统计计算得到修正系数的平均值六个能量采集探头按照上述方法依次进行实时在线标定。分别得到每个能量采集探头的修正系数

强激光能量实时监测系统装置实验中实施例如下：

首先，把标定过的能量计的响应灵敏度系数K(mJ/mV)，HR45゜熔石英全反镜的透过率T(％)，修正参数η，按照实际光路编号一一对应输入能量监测控制软件。根据所得到的参数，可以计算出实际的能量值：

$E=\frac{1}{K}VT\mathrm{\η}\left(mJ\right)$

为了保证能量实时监测系统长期运行的稳定性及可靠性，考虑到45゜熔石英全反镜HR经过多炮强激光轰击后，镜面会造成肉眼看不见的损伤，使得反射镜的透过率会发生变化。不仅影响监测系统的准确测量，而且也影响到打靶总能量的降低。因此，为了保证所得到能量值E的可靠性，定期对熔石英全反镜HR进行透过率T标定、能量采集探头实时在线标定修正系数η也是非常必要的。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若对本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其同等技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种强激光能量实时监测系统装置，其特征在于：

所述装置包括六面熔石英材料的45°全反镜、六面焦距为1200mm的聚焦透镜、六个能量采集探头、一个六通道的波形数字转换器、电脑；其中使用六束强激光，每束激光对应一面所述熔石英材料的45°全反镜，每面熔石英材料的45°全反镜对应一块所述聚焦透镜，每面聚焦透镜对应一个所述能量采集探头，所述能量采集探头采集到的数据通过所述波形数字转换器输入电脑进行采集处理。

2.如权利要求1所述的强激光能量实时监测系统装置，其特征在于：

所述能量采集探头为热释电型能量采集探头。