一种高能激光能量测量装置

摘要

本发明公开了一种高能激光能量测量装置，包括热吸收体、收集罩、测温单元和温度采集处理单元，收集罩设置在热吸收体的外部，且收集罩和热吸收体的迎光面之间形成了密闭空腔，密闭空腔的腔体内表面处理为漫反射面，测温单元设置在热吸收体和收集罩上，收集罩的迎光面方向开有通光孔，收集罩下方设置有姿态调节单元，可在出光过程中，改变高能激光入射至热吸收体的水平位置、高低位置和入射角度。本发明通过激光束循环扫描的热吸收体表面的方式，避免了吸收体局部表面持久承受强激光辐照，降低了辐照到热吸收体表面上的平均激光功率密度，提高了测量系统的抗激光破坏阈值。

权利要求

1.一种高能激光能量测量装置，包括热吸收体(1)、收集罩(2)、测温单元和温度采集处理单元，测温单元和温度采集处理单元之间电连接，其特征在于：所述的收集罩(2)设置在热吸收体(1)的外部，且收集罩(2)和热吸收体(1)的迎光面之间形成了密闭空腔(5)，测温单元设置在热吸收体(1)和收集罩(2)上，收集罩(2)的迎光面方向开有通光孔(8)，收集罩(2)下方设置有姿态调节单元(3)，可在出光过程中，改变高能激光入射至热吸收体(1)的水平位置、高低位置和入射角度；收集罩(2)上通光孔(8)的口径d1、入射高能激光束(4)的光束截面口径d2、热吸收体(1)表面尺寸L、收集罩(2)和热吸收体(1)之间空腔的距离h满足下面的关系：d2＝(0.3～0.8)d1；

L＝(1.5～2.5)d1；

h＝(0.8～1.2)d1；

所述的姿态调节单元(3)包括水平调节机构、竖直调节机构和以热吸收体(1)迎光面方向为参照的俯仰调节机构、左右调节机构；

所述姿态调节单元(3)使通过通光孔(8)的高能激光束(4)在热吸收体(1)的迎光面循环扫描；

所述热吸收体(1)和收集罩(2)均采用石墨制成；所述密闭空腔(5)的腔体内表面处理为漫反射面；所述热吸收体(1)和收集罩(2)的四周设置有隔热材料制成的隔热层(6)。

2.根据权利要求1所述的高能激光能量测量装置，其特征在于：所述热吸收体(1)的迎光面上设置有若干只内凹盲孔(7)，所述内凹盲孔(7)的开口方向朝向迎光面。

3.根据权利要求2所述的高能激光能量测量装置，其特征在于：所述内凹盲孔(7)为锥孔或半球孔。

4.根据权利要求1所述的高能激光能量测量装置，其特征在于：收集罩(2)上通光孔(8)的口径d1、入射高能激光束(4)的光束截面口径d2、热吸收体(1)表面尺寸L、收集罩(2)和热吸收体(1)之间空腔的距离h满足下面的关系：d2＝0.5d1；

L＝2.0d1；

h＝1.0d1。

5.根据权利要求1所述的高能激光能量测量装置，其特征在于：所述高能激光入射至热吸收体(1)的角度θ＝0～45°。

6.根据权利要求1所述的高能激光能量测量装置，其特征在于：所述的测温单元为按照一定空间分布的热电偶阵列。

说明书

一种高能激光能量测量装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于光热法高能激光能量测量的装置，尤其是一种适用于长时间、大能量高能激光绝对测量的装置。

背景技术

[0002] 在高能激光参数测量中，激光总能量是一个最基本也是最为重要的指标参数，常采用光热法测量，即将激光入射至石墨等材料制成的吸收体上，吸收体吸收入射激光的能量并转化成自身的温升，通过测量温升从而推算得到高能激光的总能量。随着高能激光技术的发展，高功率、长出光时间激光器已经成为各国积极发展的方向，目前出光功率兆瓦、出光时长达到分钟量级的激光器也即将成为可能，如何实现其参数的准确测量已经成为下一代高能激光器发展的制约因素。

[0003] 现有的全吸收能量计在高能激光能量测量中，吸收体受光面由于要承受全部的长时间激光辐照，其抗激光损伤和破坏能力将成为其技术瓶颈，目前常采用的方法有：（1）水循环导热，尽快将热传到出，这种方案可以降低热平衡后吸收体的温升，但是无法解决激光辐照到吸收体时对吸收体表面的破坏，且需要在能量测量装置中增加循环水路，势必增加结构复杂性和成本；（2）在吸收体表面喷镀碳化硅等抗激光辐照膜，这种方案提高破坏阈值的能力也十分有限，并且增加了系统的复杂性。随着激光功率密度的大幅提升和出光时间的延长，如何提高吸收体抗激光破坏阈值成为测量系统的关键技术，急需要新的思路去解决。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种高破坏阈值的高能激光能量测量装置，通过姿态调解机构，对能量测量装置的热吸收体进行激光辐照面的位置调节，避免常规测量中只是热吸收体局部表面承受强光辐照而导致的吸收体破坏，大大降低了辐照到热吸收体表面上的平均激光功率密度，提高了吸收体的抗激光破坏阈值。

[0005] 本发明的技术方案如下：

[0006] 一种高能激光能量测量装置，包括热吸收体、收集罩、测温单元和温度采集处理单元，测温单元和温度采集处理单元之间电连接，其特征在于：所述的收集罩设置在热吸收体的外部，且收集罩和热吸收体的迎光面之间形成了密闭空腔，测温单元设置在热吸收体和收集罩上，收集罩的迎光面方向开有通光孔，收集罩下方设置有姿态调节单元，可在出光过程中，改变高能激光入射至热吸收体的水平位置、高低位置和入射角度。

[0007] 上述热吸收体的迎光面上设置有若干只内凹盲孔，所述内凹盲孔的开口方向朝向迎光面。

[0008] 上述内凹盲孔为锥孔或半球孔。

[0009] 上述收集罩上通光孔的口径d1、入射高能激光束的光束截面口径d2、热吸收体表面尺寸L、收集罩和热吸收体之间空腔的距离h满足下面的关系：

[0010] d2=(0.3～0.8)d1；

[0011] L=(1.5～2.5)d1；

[0012] h=(0.8～1.2)d1。

[0013] 收集罩上通光孔的口径d1、入射高能激光束的光束截面口径d2、热吸收体（1）表面尺寸L、收集罩和热吸收体之间空腔的距离h满足下面的关系：

[0014] d2=0.5d1；

[0015] L=2.0d1；

[0016] h=1.0d1。

[0017] 上述高能激光入射至热吸收体的角度θ=0~45°。

[0018] 上述姿态调节单元使通过通光孔的高能激光束在热吸收体的迎光面循环扫描。

[0019] 上述的姿态调节单元包括水平调节机构、竖直调节机构和以热吸收体迎光面方向为参照的俯仰调节机构、左右调节机构。

[0020] 上述热吸收体和收集罩均采用石墨制成；所述密闭空腔的腔体内表面处理为漫反射面；所述热吸收体和收集罩的四周设置有隔热材料制成的隔热层。

[0021] 上述的测温单元为按照一定空间分布的热电偶阵列。

[0022] 本发明具有的有益效果如下：

[0023] 1、本发明通过激光束循环扫描的热吸收体表面的方式，避免了吸收体局部表面持久承受强激光辐照，降低了辐照到热吸收体表面上的平均激光功率密度，提高了吸收体的抗激光破坏阈值；对于激光功率密度分布不均匀的光束来说，可以避免激光的强光斑处一直辐照到吸收体的局部表面，特点更加明显。

[0024] 2、本发明光在热吸收体迎光面上设置有若干只锥孔或半圆孔，进一步增大了激光辐照面积，降低了辐照到吸收体表面的平均功率密度。

[0025] 3、本发明所设计的高能激光能量测量装置四周设置有隔热材料，降低了测量中热损失，提高了测量精度。

[0026] 4、本发明采用计算机控制的姿态调节机构实现了激光束在热吸收体迎光面上的循环扫描，方便了现场使用。

[0027] 5、与传统能量计相比，本发明的高能激光能量测量装置具有体积小、重量轻，操作方便灵活等优点。

附图说明

[0028] 图1为本发明高能激光能量测量装置的结构示意图；

[0029] 图2为本发明姿态调节单元结构示意图；

[0030] 图3为采用光线追迹软件模拟的漫反射光逃逸示意图。

[0031] 附图标记为：1、热吸收体；2、收集罩；3、姿态调节单元；4；高能激光束；5、密闭空腔；6、隔热层；7、内凹盲孔；8、通光孔；9、反射光线。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0033] 本发明提供一种高破坏阈值的激光能量测量装置，通过姿态调节单元3，对能量测量装置的热吸收体1进行激光辐照面进行位置调节，避免常规测量中只是热吸收体1局部表面承受强光辐照而导致的吸收体破坏，大大降低了辐照到热吸收体1表面上的平均激光功率密度，提高了吸收体的抗激光破坏阈值。

[0034] 如图1所示，高能激光能量测量装置，包括热吸收体1、收集罩2、测温单元和温度采集处理单元，温度采集处理单元与测温单元之间电连接，用于采集、记录温度值并处理计算得到激光的能量参数。热吸收体1的四周设置有收集罩2，热吸收体1和收集罩2均采用石墨制成；收集罩2可采用整体加工的方法，也可以加工成若干个部件后采用高温胶粘接成一体的方法。收集罩2和热吸收体1的迎光面之间预留一定长度的空隙，这样在收集罩2和热吸收体1的迎光面之间形成了密闭空腔5，密闭空腔5的腔体内表面处理为漫反射面，漫反射面包括热吸收体1迎光面和保护罩的内壁；在热吸收体1和收集罩2均嵌入有测温单元，测温单元通常为热电偶，可以按照一定的空间分布进行布置；收集罩2的迎光面方向开有通光孔8，供高能激光射入；收集罩2下方设置有姿态调节单元3，可在出光过程中，改变高能激光入射至热吸收体1的水平位置、高低位置和入射角度。为实现上述姿态调节，姿态调节单元3包括水平调节机构、竖直调节机构、俯仰调节机构和左右调节机构（当以热吸收体1迎光面方向为参照时），其中俯仰调节机构和左右调节机构用于改进激光的入射角度，并满足激光束在热吸收体1迎光面上全方位扫描的要求。

[0035] 为了进一步提高激光破坏阈值，热吸收体1的迎光面上设置有若干只内凹盲孔7，如锥孔，其开口方向朝向迎光面，这样可以增大激光辐照面积，降低辐照到吸收体表面的平均功率密度。同时本发明在高能激光能量测量装置四周设置有隔热层6，降低了测量中热损失，提高了测量精度。隔热材料可采用耐高温胶粘接的方法粘接到收集罩2上。

[0036] 如图2所示，姿态调节单元3主要包括水平旋转调节（实现光热测量单元水平角度旋转）、高低调节（实现光热测量单元高低位置调节）、水平调节（实现光热测量单元左右位置调节）、俯仰调节（实现光热测量单元俯仰角度调节）。姿态调节机构采用计算机程序控制，按照设定好的程序，确保高能激光束4通过通光孔8后能够在热吸收体1的激光辐照表面上循环扫描式辐照。

[0037] 如图3所示，通过光线追迹模拟软件TracePro计算得到了入射激光的逃逸率与测量装置尺寸的关系，计算结果表明：当收集罩2上通光孔8的口径d1、入射高能激光束4的光束截面口径d2、热吸收体1表面尺寸L、收集罩2和热吸收体1之间空腔的距离h满足下面的关系：

[0038] d2=(0.3～0.8)d1，最佳尺寸为d2=0.5d1；

[0039] L=(1.5～2.5)d1，最佳尺寸为L=2.0d1；

[0040] h=(0.8～1.2)d1，最佳尺寸为h=1.0d1。

[0041] 此时光线逃逸带来的测量不确定度小于5‰，计算中高能激光入射至热吸收体1的角度θ=0~45°，并忽略了包裹绝热材料后光热测量单元带来的热损失。

[0042] 本发明的高能激光能量测量装置中，当入射高能激光到达光热测量单元时，光热测量单元吸收入射激光能量并转化自身温升，利用温度传感器阵列对光热测量单元温度变化进行实时测量，最后由数据采集处理单元对温度传感器阵列测量得到的温度信号进行记录和处理，最终得到入射高能激光的总能量。

[0043] 以吸收体材料为石墨材料为例，对系统总体的重量进行估计如下：取石墨比热c＝1200J/kg·k，吸收体材料温升ΔT≤300℃，入射激光功率P为1MW，出光时长t为30s，6
则总能量ΔQ＝P·t＝10W×30s＝30MJ；

[0044] 根据光热转换公式：mcΔT＝ΔQ

[0045] 可得热吸收体1材料质量m≥83kg，即石墨吸收体材料的最小重量仅为83kg，加之外围的辐照绝缘材料和外壳设计，光热测量单元其最小质量可以在100kg左右。姿态调节机构重量可设计为100kg左右，并可以灵活移动、布放。系统总总量可小于200kg，且使用灵活方便。与传统方法实现如此大能量测量的能量计(重量上吨级)相比，具有明显的优势。该种高能激光能量测量装置具有体积小、重量轻，操作方便灵活，且避免了高能激光长时间辐照而带来的热吸收材料易损性和测量不确定度偏大等问题，可以用于更高出光功率(如兆瓦级激光功率)、更长出光时间(分钟级)的高能激光能量的绝对测量。

[0046] 本发明不局限于上述具体实施方式，比如光热测量单元的制作材料可以选择石墨材料以外的其它材料制成，锥孔可由半圆孔替代，热吸收体1和保护罩2可以为圆形或方形，温度传感器的分布方式等也可以根据实际需要进行改变。此外，温度传感器的固定可以采用高温胶粘结等方式完成。以上变化，均在本发明的保护范围内。