專利名稱:一種高能激光能量測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種用于光熱法高能激光能量測量的裝置,尤其是一種適用于長時間、大能量高能激光絕對測量的裝置。
背景技術(shù):
在高能激光參數(shù)測量中,激光總能量是一個最基本也是最為重要的指標(biāo)參數(shù),常采用光熱法測量,即將激光入射至石墨等材料制成的吸收體上,吸收體吸收入射激光的能量并轉(zhuǎn)化成自身的溫升,通過測量溫升從而推算得到高能激光的總能量。隨著高能激光技術(shù)的發(fā)展,高功率、長出光時間激光器已經(jīng)成為各國積極發(fā)展的方向,目前出光功率兆瓦、出光時長達(dá)到分鐘量級的激光器也即將成為可能,如何實現(xiàn)其參數(shù)的準(zhǔn)確測量已經(jīng)成為下一代高能激光器發(fā)展的制約因素?,F(xiàn)有的全吸收能量計在高能激光能量測量中,吸收體受光面由于要承受全部的長時間激光輻照,其抗激光損傷和破壞能力將成為其技術(shù)瓶頸,目前常采用的方法有:(1)水循環(huán)導(dǎo)熱,盡快將熱傳到出,這種方案可以降低熱平衡后吸收體的溫升,但是無法解決激光輻照到吸收體時對吸收體表面的破壞,且需要在能量測量裝置中增加循環(huán)水路,勢必增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和成本;(2)在吸收體表面噴鍍碳化硅等抗激光輻照膜,這種方案提高破壞閾值的能力也十分有限,并且增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。隨著激光功率密度的大幅提升和出光時間的延長,如何提高吸收體抗激光破壞閾值成為測量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),急需要新的思路去解決。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高破壞閾值的高能激光能量測量裝置,通過姿態(tài)調(diào)解機構(gòu),對能量測量裝置的熱吸收體進行激光輻照面的位置調(diào)節(jié),避免常規(guī)測量中只是熱吸收體局部表面承受強光輻照而導(dǎo)致的吸收體破壞,大大降低了輻照到熱吸收體表面上的平均激光功率密度,提高了吸收體的抗激光破壞閾值。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種高能激光能量測量裝置,包括熱吸收體、收集罩、測溫單元和溫度采集處理單元,測溫單元和溫度采集處理單元之間電連接,其特征在于:所述的收集罩設(shè)置在熱吸收體的外部,且收集罩和熱吸收體的迎光面之間形成了密閉空腔,測溫單元設(shè)置在熱吸收體和收集罩上,收集罩的迎光面方向開有通光孔,收集罩下方設(shè)置有姿態(tài)調(diào)節(jié)單元,可在出光過程中,改變高能激光入射至熱吸收體的水平位置、高低位置和入射角度。上述熱吸收體的迎光面上設(shè)置有若干只內(nèi)凹盲孔,所述內(nèi)凹盲孔的開口方向朝向迎光面。上述內(nèi)凹盲孔為錐孔或半球孔。上述收集罩上通光孔的口徑Cl1、入射高能激光束的光束截面口徑d2、熱吸收體表面尺寸L、收集罩和熱吸收體之間空腔的距離h滿足下面的關(guān)系:
d2=(0.3 0.8)屯;L=(l.5 2.5H ;11=(0.8-1.2)(^收集罩上通光孔的口徑Cl1、入射高能激光束的光束截面口徑d2、熱吸收體(I)表面尺寸L、收集罩和熱吸收體之間空腔的距離h滿足下面的關(guān)系:d2=0.Sd1 ;L=2.0d1;h=l.0d10上述高能激光入射至熱吸收體的角度Θ=(Γ45°。上述姿態(tài)調(diào)節(jié)單元使通過通光孔的高能激光束在熱吸收體的迎光面循環(huán)掃描。上述的姿態(tài)調(diào)節(jié)單元包括水平調(diào)節(jié)機構(gòu)、豎直調(diào)節(jié)機構(gòu)和以熱吸收體迎光面方向為參照的俯仰調(diào)節(jié)機構(gòu)、左右調(diào)節(jié)機構(gòu)。上述熱吸收體和收集罩均采用石墨制成;所述密閉空腔的腔體內(nèi)表面處理為漫反射面;所述熱吸收體和收集罩的四周設(shè)置有隔熱材料制成的隔熱層。上述的測溫單元為按照一定空間分布的熱電偶陣列。本發(fā)明具有的有益效果如下:
1、本發(fā)明通過激光束循環(huán)掃描的熱吸收體表面的方式,避免了吸收體局部表面持久承受強激光輻照,降低了輻照到熱吸收體表面上的平均激光功率密度,提高了吸收體的抗激光破壞閾值;對于激光功率密度分布不均勻的光束來說,可以避免激光的強光斑處一直輻照到吸收體的局部表面,特點更加明顯。2、本發(fā)明光在熱吸收體迎光面上設(shè)置有若干只錐孔或半圓孔,進一步增大了激光輻照面積,降低了輻照到吸收體表面的平均功率密度。3、本發(fā)明所設(shè)計的高能激光能量測量裝置四周設(shè)置有隔熱材料,降低了測量中熱損失,提聞了測量精度。4、本發(fā)明采用計算機控制的姿態(tài)調(diào)節(jié)機構(gòu)實現(xiàn)了激光束在熱吸收體迎光面上的循環(huán)掃描,方便了現(xiàn)場使用。5、與傳統(tǒng)能量計相比,本發(fā)明的高能激光能量測量裝置具有體積小、重量輕,操作方便靈活等優(yōu)點。
圖1為本發(fā)明高能激光能量測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖;圖2為本發(fā)明姿態(tài)調(diào)節(jié)單元結(jié)構(gòu)示意圖;圖3為采用光線追跡軟件模擬的漫反射光逃逸示意圖。附圖標(biāo)記為:1、熱吸收體;2、收集罩;3、姿態(tài)調(diào)節(jié)單元;4 ;高能激光束;5、密閉空腔;6、隔熱層;7、內(nèi)凹盲孔;8、通光孔;9、反射光線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明。本發(fā)明提供一種高破壞閾值的激光能量測量裝置,通過姿態(tài)調(diào)節(jié)單元3,對能量測量裝置的熱吸收體I進行激光輻照面進行位置調(diào)節(jié),避免常規(guī)測量中只是熱吸收體I局部表面承受強光輻照而導(dǎo)致的吸收體破壞,大大降低了輻照到熱吸收體I表面上的平均激光功率密度,提高了吸收體的抗激光破壞閾值。如圖1所示,高能激光能量測量裝置,包括熱吸收體1、收集罩2、測溫單元和溫度采集處理單元,溫度采集處理單元與測溫單元之間電連接,用于采集、記錄溫度值并處理計算得到激光的能量參數(shù)。熱吸收體I的四周設(shè)置有收集罩2,熱吸收體I和收集罩2均采用石墨制成;收集罩2可采用整體加工的方法,也可以加工成若干個部件后采用高溫膠粘接成一體的方法。收集罩2和熱吸收體I的迎光面之間預(yù)留一定長度的空隙,這樣在收集罩2和熱吸收體I的迎光面之間形成了密閉空腔5,密閉空腔5的腔體內(nèi)表面處理為漫反射面,漫反射面包括熱吸收體I迎光面和保護罩的內(nèi)壁;在熱吸收體I和收集罩2均嵌入有測溫單元,測溫單元通常為熱電偶,可以按照一定的空間分布進行布置;收集罩2的迎光面方向開有通光孔8,供高能激光射入;收集罩2下方設(shè)置有姿態(tài)調(diào)節(jié)單元3,可在出光過程中,改變高能激光入射至熱吸收體I的水平位置、高低位置和入射角度。為實現(xiàn)上述姿態(tài)調(diào)節(jié),姿態(tài)調(diào)節(jié)單元3包括水平調(diào)節(jié)機構(gòu)、豎直調(diào)節(jié)機構(gòu)、俯仰調(diào)節(jié)機構(gòu)和左右調(diào)節(jié)機構(gòu)(當(dāng)以熱吸收體I迎光面方向為參照時),其中俯仰調(diào)節(jié)機構(gòu)和左右調(diào)節(jié)機構(gòu)用于改進激光的入射角度,并滿足激光束在熱吸收體I迎光面上全方位掃描的要求。為了進一步提高激光破壞閾值,熱吸收體I的迎光面上設(shè)置有若干只內(nèi)凹盲孔7,如錐孔,其開口方向朝向迎光面,這樣可以增大激光輻照面積,降低輻照到吸收體表面的平均功率密度。同時本發(fā)明在高能激光能量測量裝置四周設(shè)置有隔熱層6,降低了測量中熱損失,提高了測量精度。隔熱材料可采用耐高溫膠粘接的方法粘接到收集罩2上。如圖2所示,姿態(tài)調(diào)節(jié)單元3主要包括水平旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)(實現(xiàn)光熱測量單元水平角度旋轉(zhuǎn))、高低調(diào)節(jié)(實現(xiàn)光熱測量單元高低位置調(diào)節(jié))、水平調(diào)節(jié)(實現(xiàn)光熱測量單元左右位置調(diào)節(jié))、俯仰調(diào)節(jié)(實現(xiàn)光熱測量單元俯仰角度調(diào)節(jié))。姿態(tài)調(diào)節(jié)機構(gòu)采用計算機程序控制,按照設(shè)定好的程序,確保高能激光束4通過通光孔8后能夠在熱吸收體I的激光輻照表面上循環(huán)掃描式輻照。`如圖3所示,通過光線追跡模擬軟件TracePiO計算得到了入射激光的逃逸率與測量裝置尺寸的關(guān)系,計算結(jié)果表明:當(dāng)收集罩2上通光孔8的口徑Cl1、入射高能激光束4的光束截面口徑d2、熱吸收體I表面尺寸L、收集罩2和熱吸收體I之間空腔的距離h滿足下面的關(guān)系:d2=(0.3 0.8) Cl1,最佳尺寸為 d2=0.5屯;L= (1.5 2.5) Cl1,最佳尺寸為 L=2.0d1 ;h=(0.8 1.2) Cl1,最佳尺寸為 h=l.0d10此時光線逃逸帶來的測量不確定度小于5%。,計算中高能激光入射至熱吸收體I的角度Θ=(Γ45°,并忽略了包裹絕熱材料后光熱測量單元帶來的熱損失。本發(fā)明的高能激光能量測量裝置中,當(dāng)入射高能激光到達(dá)光熱測量單元時,光熱測量單元吸收入射激光能量并轉(zhuǎn)化自身溫升,利用溫度傳感器陣列對光熱測量單元溫度變化進行實時測量,最后由數(shù)據(jù)采集處理單元對溫度傳感器陣列測量得到的溫度信號進行記錄和處理,最終得到入射高能激光的總能量。以吸收體材料為石墨材料為例,對系統(tǒng)總體的重量進行估計如下:取石墨比熱c=1200J/kg*k,吸收體材料溫升AT≤300°C,入射激光功率P為1MW,出光時長t為30s,則總能量 AQ = P.t = IO6WX30s = 30MJ ;根據(jù)光熱轉(zhuǎn)換公式:mc Λ T = AQ可得熱吸收體I材料質(zhì)量m≥83kg,即石墨吸收體材料的最小重量僅為83kg,加之外圍的輻照絕緣材料和外殼設(shè)計,光熱測量單元其最小質(zhì)量可以在IOOkg左右。姿態(tài)調(diào)節(jié)機構(gòu)重量可設(shè)計為IOOkg左右,并可以靈活移動、布放。系統(tǒng)總總量可小于200kg,且使用靈活方便。與傳統(tǒng)方法實現(xiàn)如此大能量測量的能量計(重量上噸級)相比,具有明顯的優(yōu)勢。該種高能激光能量測量裝置具有體積小、重量輕,操作方便靈活,且避免了高能激光長時間輻照而帶來的熱吸收材料易損性和測量不確定度偏大等問題,可以用于更高出光功率(如兆瓦級激光功率)、更長出光時間(分鐘級)的高能激光能量的絕對測量。本發(fā)明不局限于上述具體實施方式
,比如光熱測量單元的制作材料可以選擇石墨材料以外的其它材料制成,錐孔可由半圓孔替代,熱吸收體I和保護罩2可以為圓形或方形,溫度傳感器的分布方式等也可以根據(jù)實際需要進行改變。此外,溫度傳感器的固定可以采用高溫膠粘結(jié)等方式完成。以上變化,均在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高能激光能量測量裝置,包括熱吸收體(I)、收集罩(2)、測溫單元和溫度采集處理單元,測溫單元和溫度采集處理單元之間電連接,其特征在于:所述的收集罩(2)設(shè)置在熱吸收體(I)的外部,且收集罩(2)和熱吸收體(I)的迎光面之間形成了密閉空腔(5),測溫單元設(shè)置在熱吸收體(I)和收集罩(2)上,收集罩(2)的迎光面方向開有通光孔(8),收集罩(2)下方設(shè)置有姿態(tài)調(diào)節(jié)單元(3),可在出光過程中,改變高能激光入射至熱吸收體(O的水平位置、高低位置和入射角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高能激光能量測量裝置,其特征在于:所述熱吸收體(I)的迎光面上設(shè)置有若干只內(nèi)凹盲孔(7),所述內(nèi)凹盲孔(7)的開口方向朝向迎光面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高能激光能量測量裝置,其特征在于:所述內(nèi)凹盲孔(7)為錐孔或半球孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的高能激光能量測量裝置,其特征在于:收集罩(2)上通光孔(8)的口徑Cl1、入射高能激光束(4)的光束截面口徑d2、熱吸收體(I)表面尺寸L、收集罩(2)和熱吸收體(I)之間空腔的距離h滿足下面的關(guān)系: d2= (0.3 0.8) Cl1 ; L= (1.5 2.5) Cl1 ; h= (0.8 1.2) Cl1 ο
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高能激光能量測量裝置,其特征在于:收集罩(2)上通光孔 (8)的口徑Cl1、入射高能激光束(4)的光束截面口徑(12、熱吸收體(I)表面尺寸L、收集罩(2)和熱吸收體(I)之間空腔的距離h滿足下面的關(guān)系: d2=0.Sd1 ; L=2.0d1 ; h=l.0d10
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高能激光能量測量裝置,其特征在于:所述高能激光入射至熱吸收體(I)的角度Θ=(Γ45°。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高能激光能量測量裝置,其特征在于:所述姿態(tài)調(diào)節(jié)單元(3)使通過通光孔(8)的高能激光束(4)在熱吸收體(I)的迎光面循環(huán)掃描。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高能激光能量測量裝置,其特征在于:所述的姿態(tài)調(diào)節(jié)單元(3)包括水平調(diào)節(jié)機構(gòu)、豎直調(diào)節(jié)機構(gòu)和以熱吸收體(I)迎光面方向為參照的俯仰調(diào)節(jié)機構(gòu)、左右調(diào)節(jié)機構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高能激光能量測量裝置,其特征在于:所述熱吸收體(I)和收集罩(2)均采用石墨制成;所述密閉空腔(5)的腔體內(nèi)表面處理為漫反射面;所述熱吸收體(I)和收集罩(2 )的四周設(shè)置有隔熱材料制成的隔熱層(6 )。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高能激光能量測量裝置,其特征在于:所述的測溫單元為按照一定空間分布的熱電偶陣列。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高能激光能量測量裝置,包括熱吸收體、收集罩、測溫單元和溫度采集處理單元,收集罩設(shè)置在熱吸收體的外部,且收集罩和熱吸收體的迎光面之間形成了密閉空腔,密閉空腔的腔體內(nèi)表面處理為漫反射面,測溫單元設(shè)置在熱吸收體和收集罩上,收集罩的迎光面方向開有通光孔,收集罩下方設(shè)置有姿態(tài)調(diào)節(jié)單元,可在出光過程中,改變高能激光入射至熱吸收體的水平位置、高低位置和入射角度。本發(fā)明通過激光束循環(huán)掃描的熱吸收體表面的方式,避免了吸收體局部表面持久承受強激光輻照,降低了輻照到熱吸收體表面上的平均激光功率密度,提高了測量系統(tǒng)的抗激光破壞閾值。
文檔編號G01J5/58GK103148948SQ20131004855
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月6日
發(fā)明者王振寶, 馮國斌, 陳紹武, 楊鵬翎, 葉錫生 申請人:西北核技術(shù)研究所