專(zhuān)利名稱(chēng)：激光束能量的光壓測(cè)定法及儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明用于測(cè)量激光束的能量，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。
當(dāng)前較大能量的短脈沖和超短脈沖激光束輸出的激光器不斷研制成功，為了提高激光器的性能和擴(kuò)大激光器的應(yīng)用，需要尋求一種對(duì)極短脈沖激光束能量測(cè)量、方便有效的量計(jì)。目前使用的測(cè)量激光束能量的儀器、通常分為二類(lèi)一種是光熱效應(yīng)類(lèi)型如炭斗熱電偶式;另一種是光電效應(yīng)類(lèi)型如硅光電池、光電管等。它們都必須經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)定標(biāo)。對(duì)于光熱效應(yīng)量計(jì)，測(cè)量時(shí)熱傳導(dǎo)至熱電偶需要一定的反應(yīng)時(shí)間;對(duì)于光電效應(yīng)量計(jì)，測(cè)量時(shí)與激光束波段有關(guān)。它們對(duì)于小能量激光束的測(cè)量，無(wú)疑是有效和方便的，但是對(duì)于具有較大能量的激光束，特別是極短脈沖激光束的能量測(cè)量則往往帶來(lái)不穩(wěn)定性和有較大的誤差，消除這些誤差需要一些輔助校正機(jī)構(gòu)和設(shè)備。人們知道光束可以看作一束具有動(dòng)量的光子流。當(dāng)光照射到一個(gè)物體表面上時(shí)，光將會(huì)施加給物體一個(gè)壓力-光壓。這已由愛(ài)因斯坦的光量子理論所闡明并為列別捷夫的光壓實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。當(dāng)然光壓是非常微弱的，可是在激光出現(xiàn)后，光壓的測(cè)量將不是十分困難之事。1964年，M.Stimler等人〔M.Stimler，Z.T.SlawskyandR.F.Granthan.R.S.IVol35，P311(1964)〕設(shè)計(jì)了＜TorsionPendulumPhotometer＞，利用光壓來(lái)測(cè)量光束的能量，但這種設(shè)計(jì)在測(cè)量上十分不方便，實(shí)用性差，以致沒(méi)有成為測(cè)量激光束能量的實(shí)際使用的計(jì)量?jī)x器。
本發(fā)明的目的在于提供一種利用光壓測(cè)量激光束能量的新方法，它通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的激光光壓能量計(jì)，而使測(cè)量簡(jiǎn)便。
本發(fā)明的特點(diǎn)在于通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的激光光壓能量計(jì)，將激光光壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，由轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中的線圈切割磁力線轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，測(cè)得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在外電路電阻R上的電壓降Vmax，由激光束能量E與Vmax的關(guān)系式可得出激光束能量E，它與Vmax成正比，即E＝AVmax，比例系數(shù)A反應(yīng)能量計(jì)的靈敏度，與能量計(jì)的某些力學(xué)和電磁學(xué)等參量有關(guān)。在測(cè)量短脈沖激光束能量(脈沖激光束的脈寬＜＜轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的自由振蕩周期)時(shí)，如果只考慮激光光壓能量計(jì)入射窗的透射系數(shù)T1(它接近于全透射或者透射系數(shù)很高)，而不考慮出射窗的反射(透射系數(shù)很高，反射很小)，當(dāng)平面全反鏡與框架平面成45°角時(shí)，比例系數(shù)A= (CI(r+R))/(NBS1T1(2+R1R2-R1)R)式中C為光速，I為轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，r為線圈的內(nèi)阻，R為外電路的電阻，N為線圈的匝數(shù)，S為線圈所包圍的面積，B為線圈所處位置均勻磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，R1和R2為平面全反鏡M1和M2的反射系數(shù)，l為全反鏡到轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中心軸的距離(M1和M2間距的一半)。當(dāng)同時(shí)考慮能量計(jì)入射窗的透射系數(shù)T1和出射窗的一次反射系數(shù)R3時(shí)，比例系數(shù)A可由下式表示A= (CI(r+R))/(NBS1T1[(2+R1R2-R1)+R1R2R3(2+R1R2-R2)]R)本發(fā)明的激光光壓能量計(jì)由框架、線圈、透射窗和平面全反鏡組成，其特點(diǎn)在于可繞中心軸旋轉(zhuǎn)的非磁性框架與線圈聯(lián)接，線圈被置于磁場(chǎng)中，框架兩側(cè)安置兩個(gè)平行相對(duì)的平面全反鏡，它們與框架平面成45°角，框架中心軸上下兩端用兩根彈性扭絲張緊。當(dāng)一個(gè)脈沖激光束通過(guò)入射窗T1透射并垂直于框架平面入射到第一個(gè)全反鏡M1后，經(jīng)M1反射到第二個(gè)全反鏡M2，然后由M2反射到出射窗T2出射，在脈沖激光束作用時(shí)，使轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)從激光束中獲得轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，框架的轉(zhuǎn)動(dòng)使線圈切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并在外電路電阻上產(chǎn)生電壓降。
本發(fā)明不需要將激光光壓能量計(jì)置于真空狀態(tài)使用，測(cè)量時(shí)只需直接測(cè)量輸出電壓值，因此使用十分方便。本發(fā)明具有以下特點(diǎn)1.可以自校準(zhǔn)定標(biāo);2.測(cè)量反應(yīng)時(shí)間迅速，特別適用于毫微秒、微微秒甚至更短的脈沖激光束的能量測(cè)量;3.測(cè)量時(shí)不遮斷光束，由于在測(cè)量中激光束能量損失很小，故測(cè)量時(shí)激光束仍然可以使用;4.測(cè)量與激光束波段無(wú)關(guān)。激光光壓能量計(jì)既可用于激光束能量測(cè)量，如果配置旋轉(zhuǎn)體光閘，也可以用于連續(xù)激光束的功率測(cè)量。本發(fā)明的能量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，還可以用于測(cè)定微力矩、微振動(dòng)和脈沖氣流量等。


圖1是轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)示意圖;圖2是激光光壓能量計(jì)示意圖。
本發(fā)明可采用如下方案實(shí)施按照?qǐng)D1和圖2所示的結(jié)構(gòu)制作激光光壓能量計(jì)，把兩個(gè)平面全反鏡M1和M2平行相對(duì)地固定在轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的非磁性框架(1)的兩側(cè)，最好是使全反鏡平面與框架(1)的平面成45°角，框架(1)的下側(cè)與線圈(2)相聯(lián)接，線圈(2)的兩端分別與轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中心軸兩端的彈性扭絲(3)和(4)相連，以便與外電路的電阻R實(shí)現(xiàn)電連接，線圈(2)置于均勻磁場(chǎng)中，均勻磁場(chǎng)可由鐵芯(5)和磁鐵(6)構(gòu)成。整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)用帶有入射窗D1和出射窗D2的外殼(7)封閉，可以抽真空，也可以不抽真空。測(cè)量激光束能量時(shí)，只要測(cè)出線圈外電路電阻R兩端產(chǎn)生的第一個(gè)最大脈沖電壓Vmax，即可由E＝AVmax的關(guān)系式得到激光束能量E，比例系數(shù)A反映了激光光壓能量計(jì)的靈敏度，它僅僅與激光光壓能量計(jì)結(jié)構(gòu)中的各個(gè)參量有關(guān)，這些參量都是力學(xué)和電磁學(xué)的基本量，可以用精密儀器測(cè)定。激光光壓能量計(jì)的靈敏度可以做到每焦耳有幾十微伏電壓輸出。它的測(cè)量誤差決定于參量和電壓的測(cè)量誤差，激光光壓能量計(jì)的測(cè)量下限為數(shù)十毫焦耳，測(cè)量上限決定于全反射鏡和透射窗的透射鏡所能承受的激光束能量密度或功率密度。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)定激光束能量的測(cè)量方法，其特征在于將激光束光壓轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)框架的轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)固定在框架上的線圈切割磁力線而轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，測(cè)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在外電路電阻R上的電壓降Vmax，則可由E=AVmax得出激光束能量E，其中比例系數(shù)A反映測(cè)量設(shè)備的靈敏度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于作為測(cè)量設(shè)備的激光光壓能量計(jì)由框架、線圈、透射窗和平面全反鏡組成，可繞中心軸旋轉(zhuǎn)的非磁性框架與線圈聯(lián)接，線圈被置于磁場(chǎng)中，框架兩側(cè)安置兩個(gè)平行相對(duì)的平面全反鏡，它們與框架平面成45°角，框架中心軸上下兩端用兩根彈性扭絲張緊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量方法，其特征在于激光光壓能量計(jì)的整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)用帶有入射窗D1和出射窗D2的外殼封閉，線圈(2)的兩端通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中心軸兩端的彈性扭絲(3)和(4)與外電路電阻R相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)量方法，其特征在于激光光壓能量計(jì)中的線圈(2)所處的均勻磁場(chǎng)由鐵芯(5)和磁鐵(6)形成。
全文摘要
激光束能量的光壓測(cè)定法及儀器用于測(cè)量脈沖激光束的能量，屬于激光技術(shù)，它是以激光束入射到物體表面產(chǎn)生光壓為依據(jù)，制成的一種新型的測(cè)量激光束能量的量計(jì)。它可自校準(zhǔn)定標(biāo)，反應(yīng)時(shí)間迅速，不遮斷光束，與測(cè)量激光束無(wú)關(guān)。適用于測(cè)量較高能量的極短脈沖激光束的能量；在配置旋轉(zhuǎn)體光閘可以用來(lái)測(cè)量較大的激光束功率，測(cè)量結(jié)果直接由電壓量表示，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用。
文檔編號(hào)G01J1/56GK1030476SQ8810543
公開(kāi)日1989年1月18日 申請(qǐng)日期1988年7月18日 優(yōu)先權(quán)日1988年7月18日
發(fā)明者袁一鵬 申請(qǐng)人:東南大學(xué)