一种大面积激光能量测量方法及测量装置与流程

本发明涉及一种激光能量测量方法和装置，尤其涉及一种大面积激光能量测量方法及测量装置。

背景技术：

1、能量测量在激光技术发展和应用中具有重要的作用。能量是描述激光的重要指标之一，能量的大小直接关系到激光的效能。例如，在激光毁伤效应中，材料通常具有一定的损伤阈值，唯有超过该阈值才能产生效果。激光毁伤的主要机理是热效应，只有将足够大的能量耦合进入材料内部，才能使材料达到要求温升，进而产生相应的变形、软化、烧蚀等。基于此，在激光各种应用(焊接、清洗、毛化)中，激光能量的控制十分重要，而控制激光能量的要素之一是激光能量的测量。

2、针对激光能量测量，已发展了许多测量方法及装置，可分为被动吸收法、主动冷却法及水直接吸收法。被动吸收法的典型代表为恒温量热计，其采用纯固体作为吸收体，通过测量吸收体温升获得激光能量，如nist研制的c、q及k系列能量计。主动冷却法在被动吸收法的基础上增加冷却系统，提升测量上限，通过测量吸收体的热流或者冷却水的温升获得激光能量，如ophir的30k-w-bb-74和120k-w。水直接吸收法将激光直接照射入水中，测量水的温升获得激光能量，如魏继锋等人在《强激光与离子束》中发表的“水流吸收型高能激光能量计溯源方法及其溯源体系研究”。但这些测量方法的通光孔径较小，均难以直接满足大面积激光能量测量的要求。为了测量大面积激光能量，通常需要利用缩束系统将激光光斑缩小至小于能量计的入口尺寸。

3、大面积激光能量测量是高功率激光测量中的一种特殊应用需求。受限于窗口的损伤阈值、激光非线性效应等，在保持功率密度不变的情况下，大功率激光意味着大面积激光。在高能激光应用中，为了将激光有效的在远场汇集，通常采用米级大口径发射窗口，经远距离传输后，光斑也可能扩展至米级。

4、目前，主要有两种大面积激光能量测量方法：一、唐菱等人在《电子测量技术》中发表的“大口径高功率激光能量测量吸收体研究”中提到，针对惯性约束聚变中应用的大口径激光，研制了采用大面积体吸收式能量计，该能量计采用平板玻璃作为吸收体，利用热电堆测量激光能量。但是，该方法的响应时间较长，热损失较大，从而导致激光能量的测量精度较低。二、阵列探测法是一种常用的远场光斑强度分布测量技术，可以通过数据处理得到激光总能量，但由于其空间采样率较低，不能适用于空间强度变化较大的光斑准确测量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有大面积激光能量测量方法存在的响应时间长、热损失大导致的激光能量的测量精度较低或空间采样率较低导致的不能适用于空间强度变化较大的光斑准确测量的技术问题，而提供一种大面积激光能量测量方法及测量装置。

2、为了实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

3、一种大面积激光能量测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

4、1】在待测激光的出射光路上设置一个热导率大于等于100w/(m·k)的板状物体，使待测激光的光斑完全落入板状物体的前表面，板状物体的熔点高于辐照时间内板状物体的最高温度；所述板状物体的后表面设置有多个测温传感器；

5、2】使待测激光入射至板状物体前表面，通过多个测温传感器实时测量板状物体不同位置的温度；再根据某一时刻板状物体不同位置的温度，计算板状物体相应时刻的平均温度，进而获得待测激光辐照时间内板状物体的平均温度变化曲线；

6、3】根据待测激光辐照时间内板状物体的平均温度变化曲线，计算板状物体在辐照时间内最高温度的校准值；根据板状物体在辐照时间内的最高温度校准值和板状物体的初始温度，计算板状物体的温升；

7、4】根据板状物体的温升获得待测激光的能量，完成大面积激光能量测量。

8、进一步地，步骤3具体为：

9、采用后沿拟合方法对待测激光辐照时间内板状物体的温度变化曲线的下降沿进行拟合，获得板状物体最高温度；将板状物体的温度回推至激光初始辐照时刻和激光中间辐照时刻，以对板状物体辐照时间内的最高温度进行校准，获得板状物体最高温度的校准值；再将板状物体最高温度的校准值与板状物体的初始温度之差作为板状物体的温升。

10、进一步地，步骤1中，所述板状物体为热薄板；

11、所述测温传感器为热电偶，或者热电阻，或者ntc。

12、进一步地，所述板状物体为铝合金板；

13、所述测温传感器为热电阻或热电偶，多个测温传感器依次串联；

14、待测激光在板状物体上的光斑为高斯分布时，相邻两个测温传感器之间间距d与待测激光光斑半径r之间满足以下关系：

15、d≤0.83r。

16、进一步地，步骤1中，所述板状物体的后表面设置有多个测温传感器具体为：

17、所述板状物体的后表面设置有多个均布的测温传感器；

18、或者，所述板状物体的后表面设置有多个非均匀分布的测温传感器；

19、步骤2中，根据某一时刻板状物体不同位置的温度，计算相应时刻板状物体的平均温度，具体为：

20、多个测温传感器均布在板状物体后表面时，将某一时刻板状物体不同位置的温度的平均值，作为相应时刻板状物体的平均温度；

21、多个测温传感器非均匀分布在板状物体后表面时，根据某一时刻板状物体不同位置的温度，利用插值法，获得相应时刻整个板状物体的温度分布，进而获得相应时刻板状物体的平均温度。

22、本发明还提供了一种大面积激光能量测量装置，用于实现上述的一种大面积激光能量测量方法，其特殊之处在于，包括板状物体、测温模块、信号采集电路、第一信号处理模块以及第二信号处理模块；

23、所述板状物体的热导率大于等于100w/(m·k)，其设置在待测激光的出射光路上，且使得待测激光的光斑完全落入板状物体的前表面，用于吸收待测激光的部分能量；所述板状物体的熔点高于辐照时间内板状物体的最高温度；

24、所述测温模块包括多个设置在板状物体后表面的测温传感器，用于通过多个测温传感器对板状物体不同位置的温度进行感应；多个测温传感器均布，或者多个测温传感器非均匀分布；

25、所述信号采集电路用于：

26、采集多个均布的温度传感器串联后输出的总电阻或总电动势并向第一信号处理模块输出数字信号；

27、或者，采集多个均布的温度传感器分别输出的电阻或电动势并向第一信号处理模块输出数字信号；

28、或者，采集多个非均匀分布的温度传感器分别输出的电阻或电动势并向第一信号处理模块输出数字信号；

29、所述第一信号处理模块用于根据输入的数字信号获得板状物体的平均温度，进而获得待测激光辐照时间内板状物体的平均温度变化曲线；再根据待测激光辐照时间内板状物体的平均温度变化曲线，计算板状物体在辐照时间内最高温度的校准值，再根据板状物体在辐照时间内的最高温度校准值和板状物体的初始温度，计算板状物体的温升；所述平均温度为根据数字信号直接获得，或根据数字信号计算获得；

30、所述第二信号处理模块连接第一信号处理模块的输出端，用于根据板状物体的温升获得待测激光能量。

31、进一步地，还包括支撑体、第一压块组、第一紧固件、m个第二压块组以及

32、m个第二紧固件；

33、所述第一压块组设置在板状物体的中心位置，m个所述第二压块组分别设置在板状物体的外边缘；

34、所述第一压块组包括分别设置在板状物体前后表面的第一隔热压块和第二隔热压块；所述支撑体固定设置在操作台上，第二隔热压块的后表面与支撑体紧挨设置；

35、所述板状物体的中心位置轴向开设有第一通孔，所述第二隔热压块的前表面设置有与第一通孔孔径和长度相适配的凸起，以使凸起嵌入第一通孔内；

36、所述第一隔热压块上轴向开设有第二通孔，第二隔热压块上轴向开设有第三通孔，支撑体上相应的位置轴向开设有第四通孔；所述第一紧固件包括第一螺栓和第一螺母；第一螺栓依次穿过第二通孔、第三通孔以及第四通孔后与第一螺母固连，用于对板状物体相对于支撑体的位置进行固定；

37、所述第二压块组包括第三隔热压块和与第三隔热压块后表面固连的第四隔热压块；第四隔热压块的后表面与支撑体紧挨设置；

38、所述第三隔热压块远离板状物体中心的一侧轴向开设有第五通孔，第四隔热压块上相应的位置轴向开设有第六通孔，支撑体上相应的位置轴向开设有第七通孔；所述第二紧固件包括第二螺栓和第二螺母；第二螺栓依次穿过第五通孔、第六通孔以及第七通孔后与第二螺母固连；

39、所述第四隔热压块上靠近板状物体中心且与第三隔热压块连接的位置开设有与板状物体厚度相适配的缺口，用于通过m个缺口限制板状物体的周向位移；所述缺口与板状物体的外边缘间隙配合。

40、进一步地，所述第一隔热压块、第二隔热压块、第三隔热压块以及第四隔热压块均为玻璃钢材质；所述板状物体为铝合金板；所述支撑体为蜂窝铝板；所述测温传感器为热电偶，或者热电阻，或者ntc。

41、进一步地，所述测温传感器为热电阻或热电偶，多个测温传感器依次串联；

42、待测激光在板状物体上的光斑为高斯分布时，相邻两个测温传感器之间间距d与待测激光光斑半径r之间满足以下关系：

43、d≤0.83r。

44、进一步地，所述板状物体前表面镀金；

45、所述板状物体前表面经毛化处理；

46、所述测温传感器采用贴片式pt热电阻。

47、本发明相比于现有技术的有益效果如下：

48、1、本发明提供的一种大面积激光能量测量方法，采用热导率大于等于100w/(m·k)的板状物体作为吸收体实现激光能量吸收，并在板状物体后表面均设多个温度传感器，以实现板状物体的平均温度测量，进而通过反演获得待测激光的能量，相比于现有采用平板玻璃作为吸收体，并利用热电堆测量激光能量的方法，本发明的测量方法响应快、热损失小，有效提高了激光能量的测量精度；同时可以实现待测激光的全面积吸收，成功应对时空变化剧烈的光斑测量。

49、2、本发明提供的一种大面积激光能量测量方法，采用后沿拟合方法对待测激光辐照时间内板状物体的温度变化曲线的下降沿进行拟合，并将板状物体的温度回推至激光初始辐照时刻和激光中间辐照时刻，以获得板状物体最高温度的校准值，有效提升了的板状物体温升的精确度，进而提升了待测激光的测量精度。

50、3、本发明提供的一种大面积激光能量测量装置，结构简单轻便，操作方便，可靠性和测量精度高，便于采用无人机、飞机、卫星等搭载，实现斜程到靶光斑能量测量。

51、4、本发明提供的一种大面积激光能量测量装置，通过第一隔热压块、第二隔热压块以及第一紧固件对板状物体相对于支撑体的位置进行固定，支撑体与板状物体不直接接触；同时在第四隔热压块上靠近板状物体中心且与第三隔热压块连接的位置开设有与板状物体外边缘间隙配合的缺口，用于通过m个缺口限制板状物体的周向位移，可以整体确保板状物体与外界保持较好的隔热性能，进而进一步确保测量精度。

52、5、本发明提供的一种大面积激光能量测量装置，测温传感器采用贴片式热电阻，多个贴片式pt热电阻串联设置在板状物体上，串联的方式可以通过测量多个贴片式热电阻的总阻值获得板状物体的平均温度，减少了信号采集通道的数量，有效降低了采集电路的复杂度。