王 飛，謝永杰，戢運(yùn)峰，段劉華，葉錫生

(西北核技術(shù)研究所激光與物質(zhì)相互作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710024)

1 引言

高能激光束在國(guó)防及工業(yè)加工等領(lǐng)域具有重要作用［1］，近些年在國(guó)內(nèi)外得到了快速發(fā)展。準(zhǔn)確測(cè)量激光束光強(qiáng)分布對(duì)于檢驗(yàn)和調(diào)試激光器狀態(tài)十分重要［2］，同時(shí)對(duì)于研究和探索激光束與不同物質(zhì)材料、功能器件、生物體等的相互作用物理過(guò)程也具有重要的意義。

自激光器發(fā)明以來(lái)的幾十年中，激光光強(qiáng)分布測(cè)量的方法和技術(shù)得到很大提高，研制出許多測(cè)量?jī)x器和裝置。但由于高能激光具有輸出總能量高、遠(yuǎn)場(chǎng)光斑面積大、輻照燒蝕破壞力強(qiáng)的特點(diǎn)，其遠(yuǎn)場(chǎng)大面積光束的準(zhǔn)確測(cè)量存在較大的技術(shù)難度。目前，遠(yuǎn)場(chǎng)高能激光束光強(qiáng)分布的測(cè)量方法主要可分為光電測(cè)量法和量熱測(cè)量法兩大類。光電測(cè)量法具有響應(yīng)靈敏、時(shí)間分辨力高等優(yōu)點(diǎn)［3］，但受到衰減取樣環(huán)節(jié)和標(biāo)定條件的限制，在能量測(cè)量中具有較大的不確定度;量熱測(cè)量法具有耐受輻照能量高、能量測(cè)量不確定度小等優(yōu)點(diǎn)［4］，但在時(shí)間分辨測(cè)量上卻存在一定難度。本文提出了量熱光電復(fù)合陣列，采用量熱與光電復(fù)合技術(shù)來(lái)測(cè)量大面積激光束光強(qiáng)分布，通過(guò)充分利用量熱法和光電法的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了大面積光束光強(qiáng)時(shí)空分布的測(cè)量。

2 復(fù)合陣列的組成

量熱光電復(fù)合陣列由陣列面板、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)分析處理模塊3個(gè)部分組成。

陣列面板包括底板、量熱探測(cè)單元陣列和光電探測(cè)單元陣列3個(gè)部分，如圖1所示。

底板大小為450 mm×450 mm，設(shè)計(jì)為蜂窩狀，256路高純石墨量熱探測(cè)單元嵌入至蜂窩體內(nèi)，120路光電探測(cè)單元間插嵌入量熱探測(cè)單元間，從而實(shí)現(xiàn)兩者對(duì)靶面入射光束的同時(shí)測(cè)量。量熱探測(cè)單元的石墨探頭吸收入射激光能量并產(chǎn)生溫升，測(cè)溫元件測(cè)量探頭溫升值，根據(jù)此溫升值可計(jì)算入射激光能量。同時(shí)，各光電探測(cè)單元分別測(cè)量激光光斑不同取樣點(diǎn)處波形信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理和圖像復(fù)原運(yùn)算后可實(shí)現(xiàn)激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑時(shí)間分布測(cè)量。

圖1 復(fù)合陣列靶板空間結(jié)構(gòu)Fig.1 Spatial structure of laser beam measuring array based on compound photoelectric and calorimetric techniques

數(shù)據(jù)采集模塊包含400路數(shù)據(jù)采集通道，分為測(cè)溫元件信號(hào)采集和光電信號(hào)采集兩部分。其中測(cè)溫元件信號(hào)采集部分由256路量熱探測(cè)單元測(cè)量通道、4路量熱探測(cè)單元背板溫度測(cè)量通道和12路備份測(cè)量通道組成;光電信號(hào)采集部分由120路光電信號(hào)測(cè)量通道和8路備份測(cè)量通道組成。

數(shù)據(jù)分析處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)采集信號(hào)的綜合分析處理，即通過(guò)對(duì)探測(cè)單元陣列測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換、時(shí)域分析、空間光斑圖像復(fù)原和綜合信息處理，最終獲得大面積激光束的光強(qiáng)分布信息。

3 數(shù)據(jù)處理方法

量熱光電復(fù)合陣列對(duì)大面積激光束進(jìn)行時(shí)間和空間采樣，探測(cè)單元的測(cè)量信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊采集后形成原始測(cè)量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，首先將原始測(cè)量數(shù)據(jù)的電信號(hào)還原為光信號(hào)，再根據(jù)各探測(cè)單元通道對(duì)應(yīng)的空間位置進(jìn)行信號(hào)的空間還原，然后對(duì)空間還原得到的采樣矩陣進(jìn)行插值［5］、配色等操作，形成常用的偽彩光斑圖。

量熱光電復(fù)合陣列算法的設(shè)計(jì)思想是先由量熱探測(cè)單元陣列得到激光的總能量分布，再由量熱探測(cè)單元測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)定標(biāo)光電探測(cè)單元，最后給出激光光強(qiáng)的時(shí)空分布。

3.1 量熱探測(cè)單元數(shù)據(jù)處理方法

量熱探測(cè)單元主要由高純石墨體、測(cè)溫?zé)犭娕己徒^熱陶瓷座3部分構(gòu)成［6］。數(shù)據(jù)采集模塊采集得到量熱探測(cè)單元在激光作用時(shí)間前后的溫度變化曲線T(t)后，利用下降沿?cái)M合的方式可在一定程度上補(bǔ)償傳導(dǎo)和弱對(duì)流導(dǎo)致的熱損失，從而得到穩(wěn)定的T0值，如圖2所示。

圖2 曲線擬合得到T0Fig.2 T0calculated by curve fitting

根據(jù)經(jīng)典能量回推公式計(jì)算相應(yīng)的沉積能量為［7］:

式中:m為探頭質(zhì)量，Cp為材料熱容，TE為環(huán)境溫度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)定標(biāo)對(duì)得到的E0進(jìn)行熱輻射損失修正，計(jì)算出量熱探測(cè)單元上沉積的激光能量，最終得到該單元處的激光輻照能量密度

3.2 光電探測(cè)單元數(shù)據(jù)處理方法

光電探測(cè)單元主要由光學(xué)衰減部件、光電探測(cè)器和運(yùn)放調(diào)理電路組成［9］。光電探測(cè)器接收入射到光電探測(cè)單元經(jīng)衰減后的激光，數(shù)據(jù)采集模塊采集通過(guò)光電轉(zhuǎn)換和運(yùn)放調(diào)理得到的電信號(hào)。在測(cè)量范圍內(nèi)，光電探測(cè)單元的探測(cè)器電阻與入射激光的光功率呈線性關(guān)系。對(duì)于常用的光導(dǎo)型紅外探測(cè)器，由式(2)可將采集到的電信號(hào)值還原為激光功率密度值。

式中:P為激光功率密度值，V為測(cè)量所得的電壓值，Av為運(yùn)放電路的放大倍數(shù)，Y、A和T0為光電探測(cè)器標(biāo)定響應(yīng)曲線的系數(shù)，T為探測(cè)器表面溫度，S為探測(cè)器光敏面的面積，At為光學(xué)衰減部件的衰減系數(shù)。從式中可以看出，對(duì)一個(gè)確定的探測(cè)單元，測(cè)量的激光功率密度值與得到的電壓值之間只存在一個(gè)與溫度相關(guān)的轉(zhuǎn)換系數(shù)，設(shè)該系數(shù)為K(T)，則:

由此，式(2)可化為:

因此，只要得到每個(gè)光電探測(cè)單元的K(T)值，就能得到入射激光功率密度值。

常用的獲取光電探測(cè)單元K(T)值的方法是對(duì)式(3)中的各個(gè)參量進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定對(duì)光源均勻性、穩(wěn)定性和可調(diào)性等要求較高，探測(cè)器的一致性差異又致使標(biāo)定工作量極大。復(fù)合陣列在數(shù)據(jù)處理中運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)定標(biāo)的方法，有效地簡(jiǎn)化了標(biāo)定環(huán)節(jié)，并改善了由標(biāo)定光源及探測(cè)器一致性引入的不確定度。

在陣列上任取一光電探測(cè)單元，設(shè)其所在位置為(x，y)。在單元封裝絕熱良好的條件下，測(cè)量過(guò)程中其光敏面溫度將保持不變，設(shè)為T1，則其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)K(T1)為定值Kxy。數(shù)據(jù)處理時(shí)，將Kxy作為一個(gè)待定系數(shù)，對(duì)該光電探測(cè)單元測(cè)量值進(jìn)行時(shí)間積分，可得該光電探測(cè)單元處激光輻照的能量密度為:

式中:t1為激光輻照開(kāi)始時(shí)刻，t2為激光輻照結(jié)束時(shí)刻，t為采樣時(shí)刻。根據(jù)復(fù)合陣列的設(shè)計(jì)思想，Jxy可由與該光電探測(cè)單元相鄰的幾個(gè)量熱探測(cè)單元處激光輻照能量密度值插值計(jì)算給出。由此可得:

進(jìn)而可求得該探測(cè)單元采樣的光功率密度值序列。

3.3 光斑圖像數(shù)據(jù)矩陣

如圖1所示，在量熱光電復(fù)合陣列中，光電探測(cè)單元和量熱探測(cè)單元在陣列空間間隔布置。圖中，大圈為量熱探測(cè)單元，間插的小圈為光電探測(cè)單元。依據(jù)陣列布局表排布計(jì)算得到的各通道處激光光強(qiáng)，可以求得激光光強(qiáng)時(shí)空分布采樣矩陣。

量熱探測(cè)單元陣列得到的是一個(gè)18×18的采樣矩陣，矩陣中的數(shù)值表示其對(duì)應(yīng)量熱探測(cè)單元所在面積內(nèi)輻照激光的平均能量密度。光電探測(cè)單元陣列得到的是一組17×17的采樣矩陣，矩陣中的數(shù)值表示其對(duì)應(yīng)光電探測(cè)單元所在位置處相應(yīng)采樣時(shí)刻的輻照激光功率密度，矩陣中的空格通過(guò)相鄰位置測(cè)量值插值計(jì)算補(bǔ)足。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中對(duì)圖像顯示大小及分辨率的要求，結(jié)合模型設(shè)計(jì)和輸出需求，可選用相應(yīng)的插值方法來(lái)處理采樣矩陣，最終形成光斑圖像數(shù)據(jù)矩陣。

圖3 石墨熱容測(cè)量Fig.3 Heat capacity measurement of graphite

4 復(fù)合陣列標(biāo)定

根據(jù)量熱光電復(fù)合陣列算法設(shè)計(jì)思想，光電探測(cè)單元陣列測(cè)量的不確定度主要由量熱探測(cè)單元陣列傳遞而來(lái)，由此，標(biāo)定工作的重點(diǎn)在于對(duì)量熱探測(cè)單元進(jìn)行絕對(duì)標(biāo)定。

由式(1)可知，完成標(biāo)定需要準(zhǔn)確給出石墨材料在不同溫度下的熱容。具體標(biāo)定采用“固體材料高溫?zé)釘U(kuò)散率試驗(yàn)測(cè)量方法-激光脈沖法”進(jìn)行，如圖3所示。

測(cè)試中石墨樣品被放置于一個(gè)溫度可調(diào)的真空加熱爐中，激光經(jīng)加熱爐窗口輻照到石墨樣片上，石墨樣片吸收激光能量并產(chǎn)生溫升，根據(jù)吸收激光能量和石墨片的溫升值可計(jì)算得出待測(cè)石墨材料的熱容數(shù)據(jù)，從而得到石墨材料不同溫度下的熱容擬合曲線。石墨材料的熱容測(cè)量依據(jù)“中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn) GJB1201.1-91”執(zhí)行，在溫度為300～1 300 K內(nèi)，測(cè)量不確定度最高為5.0%(k=2)。

量熱探測(cè)單元熱輻射損失修正是另外一個(gè)需要絕對(duì)定標(biāo)量。標(biāo)定利用5 kW高功率CO2激光器結(jié)合在線式功率計(jì)完成，布局如圖4所示。利用光閘精確控制激光輻照探頭的時(shí)間，并利用5 kW的轉(zhuǎn)針式功率計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)入射到探頭上的激光功率，功率計(jì)的測(cè)量不確定度＜3.0%(k=2)。

圖4 量熱探測(cè)單元標(biāo)定實(shí)驗(yàn)Fig.4 Calibration experiments of calorimetric detecting module

5 結(jié)論

本文提出了量熱光電復(fù)合陣列。該復(fù)合陣列基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)定標(biāo)的思想，將量熱測(cè)試技術(shù)和光電測(cè)試技術(shù)優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)復(fù)合算法實(shí)現(xiàn)兩類測(cè)量數(shù)據(jù)的有效融合，充分發(fā)揮了兩種測(cè)量方法的優(yōu)勢(shì)，減小了標(biāo)定難度，提高了光強(qiáng)分布測(cè)量結(jié)果的可靠性。由于其兼具量熱型探頭絕對(duì)激光能量密度測(cè)量準(zhǔn)確，光電探測(cè)器時(shí)間測(cè)量分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，可用于大面積高能激光束遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)空間和時(shí)間分布的絕對(duì)測(cè)量。

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