專利名稱：基于光壓原理測量高能激光能量參數的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種激光能量參數的測量方法和裝置，尤其涉及一種基于光壓原理的高能激光參數測量方法和裝置。
背景技術：
高能激光器是指平均功率大于萬瓦，持續時間達到數秒以上，輸出能量在數萬焦耳以上的激光器，具有重要的工業和軍事應用前景。高能激光的輸出能量是表征激光效力的重要參數，通常采用熱吸收法對高能激光的輸出能量進行絕對測量。其原理是激光入射能量被吸收體吸收后，光能轉換為熱能，通過測量吸收體外壁溫度探頭的溫升計算出入射激光的絕對能量。為實現高能激光的絕對測量，測量系統需要吸收全部的激光輻照，并采取有效的抗表面損傷措施及采用水循環散熱以縮短熱平衡時間。此外基于吸收原理的測量裝置在使用中將激光能量全部吸收，無法滿足激光實驗中對光束在線監測的需求。為實現激光能量參數的在線測量，1991年4月公開的中國專利8810M33號，公開了一種基于光壓原理的測量脈沖激光能量的測量裝置，其核心部件是一只類似于扭秤工作原理的框架，框架的兩側安裝兩只反射鏡，框架下部設置一個在磁場中的線圈，激光入射到反射鏡上，在光壓的作用下，框架轉動，帶動線圈在磁場中轉動，產生感生電動勢，從而測量得到光壓值，再推算得到激光能量。該裝置在應用中不遮斷光束，可以實現激光能量參數在線監測，但是存在的問題是由于扭轉結構的原因，只能用于脈沖激光的測量，難以用于連續波高能激光參數的測量。
發明內容
本發明目的是提供一種連續波高能激光能量參數測量方法和裝置，在使用中不遮斷光束，可實現對激光束在線監測。本發明的技術解決方案為一種基于光壓原理測量高能激光能量參數的方法，包括以下步驟1在高能激光入射光路上設置光反射鏡，該反射鏡被變形桿固定，且變形桿可在光壓作用下產生足夠的扭曲變形和彎曲變形；2用至少3只位移傳感器實時測量激光出光過程中光壓引起的反射鏡的微位移；3對上述多個位移傳感器產生的微位移進行解算，得到激光產生的光壓值；4按照光壓和激光功率的關系，計算得到激光的功率值；5]對出光時間內的激光功率積分得到入射激光的能量值。上述對多個位移傳感器產生的微位移進行解算得到激光光壓值的具體步驟如下1建立位移傳感器位移δ與光壓值F、施力點坐標(X，y)的關系5 = F-yl{y0 -3y)/6EI + F ■ χ■ X0/GIt其中
EI表示反射鏡及變形桿的彎曲剛度，GIt表示反射鏡及變形桿的扭轉剛度，變形桿上端的中部為坐標原點，變形桿的長度方向為y軸，寬度方向為χ軸，位移測點的坐標為(Xq，y0)；2重復步驟1建立多個位移傳感器位移δ與光壓值F、施力點坐標(X，y)的關系；3聯立步驟2得到的方程組，計算得到光壓值F、施力點坐標(X，y)。上述激光功率和光壓的對應關系為F = 2 · I · cos θ /c，其中I為光功率，F為光壓，c為光速，θ為光入射方向與反射鏡法線夾角。一種基于光壓原理測量高能激光能量參數的裝置，其特殊之處是包括反射鏡、變形桿、機殼、至少3只設置在反射鏡背光面的位移傳感器；所述反射鏡和變形桿設置在機殼內；所述變形桿的下端部與反射鏡固連，變形桿的上端部與機殼固連；所述反射鏡設置在激光入射光路上，激光入射方向與反射鏡法線的夾角為45° 85° ；所述多個位移傳感器用于監測反射鏡的微位移。上述機殼為密封結構，機殼上設置有供入射光束和出射光束通過的光窗；上述入射光束窗口和出射光束窗口采用對被測激光波長高透的介質材料。上述機殼底部安裝有吸震元件。上述變形桿與反射鏡為同一種材料一體化加工而得。上述反射鏡為硅、石英或碳化硅制成，其迎光面鍍有高反射膜。上述位移傳感器為光纖位移傳感器或電容位移傳感器。上述位移傳感器的位移測量分辨力為納米級。本發明具有以下的有益效果1、本發明實現了連續波高能激光能量參數的絕對測量，且測量方法與被測激光的波長不相關，具有廣泛的適用性。2、本發明的測量方法和裝置在使用中不遮斷光束、實現了高能激光無擾動傳輸的在線測量，提高了實驗的效費比。3、本發明的測量方法和裝置將激光全發射，測量系統本身不需要承受強激光輻照，可用于很高功率的激光參數測量。4、本發明的測量方法和裝置在使用中除了測量激光能量值外，還可以測量功率隨時間變化(P-t)曲線、光斑質心隨時間變化等多種參數。
圖1是本發明光壓法激光能量測量系統原理示意圖；圖2是本發明反射鏡和變形桿結構及理論模擬施力點、測點位置示意圖；圖3是本發明反射鏡在靜力作用下位移數值模擬結果圖；圖4是本發明反射鏡模擬加載光壓和對應的反射鏡動態位移數值模擬結果圖；其中，圖4(a)為模擬的交變加載力隨時間變化特性，圖4(b)則為數值模擬得到的對應的反射鏡5動態位移結果；附圖標記1-出射光束；2-入射光束；3-光窗；4-機殼；5-反射鏡；6_變形桿； 7-位移測量儀；8-位移傳感探頭。
具體實施例方式本發明提出了一種基于測量動態光壓的高能激光能量參數測量方法，將高能激光入射到帶有變形桿6的反射鏡5上，通過精確測量反射鏡5在激光光壓下的多點動態位移， 計算得到激光能量等參數。根據經典的電磁場方程，可以計算得出，當光入射到一個全反射面時，反射面承受的光壓F與光功率I可表示為F = 2 · I · cos θ /c(1)其中c為光速；θ為光入射方向與反射面法線夾角。對于200kW的高能激光而言，當垂直入射至鏡面反射后帶來的壓力約為136mg力，以測量系統動態范圍100倍估算， 則測量系統壓力的最小分辨率需要達到1. 36mg以上。對于mg級力的測量是一項技術難題，但隨著近年來衡器技術的發展，出現了基于電磁感應、電容參數變化測量原理的精密天平，其基本原理多采用變形部件將mg級力轉換為微位移，通過位移的精確測量得到物體的重量。現有精密天平分辨力可達到μg級，但是卻難以直接應用到高能激光光壓的測量，主要原因是精密天平測量微質量的方式為靜態測量，而要滿足現有高能激光參數測量的方式必須為動態測量，即測量系統需要滿足一定的動態響應特性。這是因為現有的高能激光輸出功率和光斑形狀并不穩定，其功率隨時間的變化(P_t)曲線類似于在高電平基礎上疊加了部分緩變的小幅值電平，光斑的形狀也隨時間有一個緩慢變化過程，因而為了準確描述高能激光特性，需要對激光的平均功率、P"t曲線、能量值、入射光斑質心、質心隨時間的變化等參數進行測量。如圖1所示，本發明的構思是在高能激光光路上設置一只反射鏡5，反射鏡5與入射光束2方向基本垂直，反射鏡5是通過一根變形桿6固定在儀器的機殼4上方。為了收集全部激光，反射鏡5的尺度大于或等于光束尺度，反射鏡5表面經過精加工后鍍有針對該激光波長的高反射膜，高反射膜可以為多層介質反射膜，根據現有的鍍膜工藝，反射率可達99. 9 %以上，可滿足高能激光測量且不受損。變形桿6和反射鏡5選用硅、石英或碳化硅等介質材料制成，變形桿6與反射鏡5 一體化加工，也可以分體加工后固定。變形桿6的尺寸和結構設計是本發明的關鍵，既要滿足激光光壓測量的動態響應，又要在光壓作用下產生足夠的變形。在反射鏡5與激光入射方向的背面，盡可能靠近邊緣位置，安裝有多只位移傳感探頭8，其中優選的方式為2只或4 只非接觸位移傳感探頭8，位移傳感器可選用基于光纖原理非接觸微位移傳感器或電容原理的非接觸位移傳感器，其測量分辨率可達lnm，測量量程可達數μπι。在采用不同工作原理的位移傳感器時，根據需要可對反射鏡5背光面進行漫反射或鍍反射膜等工藝處理，以滿足微位移參數的測量。位移傳感器實時測量在激光發射中反射鏡5不同點光壓產生的位移，結合反射鏡 5的數值模擬及整體標校結果，解算得到激光產生的光壓值，再根據光壓和能量的關系，得到激光的平均功率、能量、P-t曲線和光斑質心變化等參數。為減小外界溫度、震動、空氣擾動等對測量系統的影響，測量系統安裝在一個密封的機殼4中(圖1只給出部分機殼結構)，被測激光經過入射窗口入射至反射鏡后再經出射窗口出射，窗口材料可選擇對該波長激光高透的材料。同時整個測量系統外殼內置恒溫裝置，并在機殼4的底部設計吸震部件，吸震部件可以為彈簧、海綿或其他組合部件。為了提高光壓值，希望激光入射方向鏡面法線夾角盡可能小，但考慮到激光沿原路返回可能會對光學器件的破壞，故設置激光入射方向與反射鏡法線的夾角為45° 85°。為了驗證本發明可行性，下面結合附圖和具體實施例，對本發明的關鍵——反射鏡5和變形桿6在微壓作用下特性進行模擬計算。在圖2中的實施例中，反射鏡5和變形桿6設計為簡單的懸臂梁結構，反射鏡5的參數為40mmX 40mm，厚度為3mm ；變形桿6橫截面為4mmX Imm長方形結構，高度為25mm，兩者的材料均選用石英，變形桿6固定在反射鏡5 上部的中心部位，并與反射鏡5 —體化加工。在反射鏡5上分別取1#、2#、3#、4#、5#為施力點，6#、7#則為位移測點，施力的方向和位移的方向均垂直于反射鏡5的工作面。下面給出具體的由位移到壓力及加力位置坐標的解算方法在圖2所示的直角坐標系中，以變形桿6上端的中部為坐標原點，變形桿6的長度方向為y軸，寬度方向為χ軸，設壓力的大小為F，加力點坐標為(χ，y)，位移測點的坐標為 (χ0' y0) ο壓力F在位移測點引起的位移δ包括壓力F引起的變形桿在y軸上彎曲引起的位移δ ‘和壓力F引起的變形桿6繞y軸的扭曲引起的位移δ “。根據材料力學懸臂梁相關原理，則有S'=F-y^(y0 -3y)/6EI(2)δ 〃 = F · χ · x0/GIt(3)則在( ，y0)點坐標布置的位移傳感器得到的位移5 = 5'+5"=蘆.;；。20。-3>0/6五/ + 蘆.義.義。/(^(4)其中EI表示彎曲剛度，GIt表示扭轉剛度，均取決于反射鏡5和變形桿6材料和結構。公式中包含3個未知量F、χ、y，故需要在反射鏡的至少3個不同位置處布放位移傳感器，解算得到上述3個變量，再結合公式(1)，計算得到入射激光功率及光斑質心的位置，最后對出光時間內的激光功率積分還可以得到入射激光的總能量。表1為采用ANSYS軟件模擬計算的在1#、2#、3#、4#、5#點分別加Img靜力時，6#和 7#位置測點垂直紙面方向反射鏡5的位移變化值，圖3為Img靜力加載在1#點時，反射鏡 5的位移模擬圖，圖中陰影部分是受力后變形桿6和反射鏡5的所在位置，非陰影部分是受力前的變形桿6和反射鏡5的所在位置。表1 :lmg靜力加載在不同施力點時兩個測點的位移變化值
權利要求
1.一種基于光壓原理測量高能激光能量參數的方法，其特征在于包括以下步驟1在高能激光入射光路上設置光反射鏡，該反射鏡被變形桿固定，且變形桿可在光壓作用下產生足夠的扭曲變形和彎曲變形；2用至少3只位移傳感器實時測量激光出光過程中光壓引起的反射鏡的微位移； 3對上述多個位移傳感器產生的微位移進行解算，得到激光產生的光壓值； 4按照光壓和激光功率的關系，計算得到激光的功率值； 5對出光時間內的激光功率積分得到入射激光的能量值。
2.根據權利要求1所述的基于光壓原理測量高能激光能量參數的方法，其特征在于 所述對多個位移傳感器產生的微位移進行解算得到激光光壓值的具體步驟如下1建立位移傳感器位移δ與光壓值F、施力點坐標(x，y)的關系 S = F-y20(y0-3y)/6EI + F-x-x0 /GIt 其中EI表示反射鏡及變形桿的彎曲剛度， GIt表示反射鏡及變形桿的扭轉剛度， 變形桿上端的中部為坐標原點， 變形桿的長度方向為y軸， 寬度方向為χ軸， 位移測點的坐標為(x0, y0)；2重復步驟1建立多個位移傳感器位移δ與光壓值F、施力點坐標(x，y)的關系； 3聯立步驟2得到的方程組，計算得到光壓值F、施力點坐標(X，y)。
3.根據權利要求1或2所述的基于光壓原理測量高能激光能量參數的方法，其特征在于所述激光功率和光壓的對應關系為F = 2 · I · cos θ /c,其中 I為光功率， F為光壓， c為光速，θ為光入射方向與反射鏡法線夾角。
4.一種基于光壓原理測量高能激光能量參數的裝置，其特征在于包括反射鏡、變形桿、機殼、至少3只設置在反射鏡背光面的位移傳感器；所述反射鏡和變形桿設置在機殼內；所述變形桿的下端部與反射鏡固連，變形桿的上端部與機殼固連；所述反射鏡設置在激光入射光路上，激光入射方向與反射鏡法線的夾角為45° 85° ；所述多個位移傳感器用于監測反射鏡的微位移。
5.根據權利要求4所述的基于光壓原理測量高能激光能量參數的裝置，其特征在于 所述機殼為密封結構，機殼上設置有供入射光束和出射光束通過的光窗；所述入射光束窗口和出射光束窗口采用對被測激光波長高透的介質材料。
6.根據權利要求4或5所述的基于光壓原理測量高能激光能量參數的裝置，其特征在于所述機殼底部安裝有吸震元件。
7.根據權利要求4或5所述的基于光壓原理測量高能激光能量參數的裝置，其特征在于所述變形桿與反射鏡為同一種材料一體化加工而得。
8.根據權利要求7所述的基于光壓原理測量高能激光能量參數的裝置，其特征在于 所述反射鏡為硅、石英或碳化硅制成，其迎光面鍍有高反射膜。
9.根據權利要求4或5所述的基于光壓原理測量高能激光能量參數的裝置，其特征在于所述位移傳感器為光纖位移傳感器或電容位移傳感器。
10.根據權利要求9所述的基于光壓原理測量高能激光能量參數的裝置，其特征在于 所述位移傳感器的位移測量分辨力為納米級。
全文摘要
本發明公開了一種用于基于光壓法的高能激光能量參數測量方法和裝置，在高能激入射光路上設置一只反射鏡和變形桿，在反射鏡激光入射方向的背面布置多只位移傳感器，實時測量激光出光過程中光壓引起的反射鏡的微位移，解算得到激光產生的光壓值，最后計算得到激光的平均功率、能量、P-t曲線和光斑質心變化等參數。該測量方法和裝置在使用中不遮斷光束、實現了高能激光無擾動傳輸的在線測量，提高了實驗的效費比，同時測量系統本身不需要承受強激光輻照，可用于很高功率的激光參數測量。
文檔編號G01J1/56GK102322951SQ20111023327
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月15日 優先權日2011年8月15日
發明者劉衛平, 劉晶儒, 葉錫生, 吳勇, 張磊, 楊鵬翎, 陳紹武 申請人:西北核技術研究所