工作于非标准环境下体吸收型激光能量计的研制

研究了能直接工作于非标准环境下的体吸收型激光能量计.由能量计热传导、热对流、热辐射的单位时间热交换方程推导出单位时间内能量计升温过程中热能损失的数学模型,根据数学模型对能量计整个升温过程的热损失进行补偿,使得能量计对于不同脉冲长度入射激光的测量结果重复性由4.7%提高到了0.6%,消除了能量计热损失给测量带来的不利影响.针对环境温度从-40℃变化到70℃测温用铜-康铜热电堆对1℃温差响应电压剧增30%的问题,在环境试验箱进行不同环境温度下的激光能量测量实验,得出了能量计不同环境温度下测量结果的修正系数,并利用最小二乘法建立了修正系数同环境温度之间的函数关系,使得环境温度对测量结果的影响得到了修正.     

量热式激光能量计热损失系数测定方法的研究

在长脉冲激光照射下,由于热损失的影响,致使传统数据处理方法所得到的量热式激光能量与实际激光能量有较大的差距。以能量计探头在激光照射下的温度变化分布为实验模型,考虑热辐射和热传导等因素,提出一种表征能量计热损失程度的热损失系数的测定方法,并用实验验证了该测定方法的正确性。所得的热损失系数可作为评价量热式激光能量计性能的一个重要参数。     

水流吸收型高能激光能量计溯源方法及其溯源体系研究

提出了一种利用电加热丝作为校准源的高能激光能量计校准方法,将水流从吸收腔前端导入至加热容器,在加热后流入吸收腔。通过精确计量水流吸收的热能并与能量计测量结果进行比较,达到对高能激光能量计校准的目的。研究表明校准系统的热交换模型与吸收腔内的热交换模型一致,均经历了储能和功率平衡两个阶段。水流及相变气体的散射效应对测量结果的影响较小,经过修正后可以忽略其影响。通过深入分析各个环节的测量不确定度表明,残留能量和流量变化对测量不确定度的影响最显著,增加水箱的容积可以有效降低残留能量对测量不确定度的影响。在对各个环节的影响修正后估算出系统的测量不确定度约为4.8%(k=2),被校高能激光能量计校准后的测量结果与其他类型的参考高能激光能量计进行比对,两者具有很好的一致性,修正因子仅为1.006,标准偏差为1.4%。     

绝对吸收式激光能量计高准确度校准技术研究

采用量热法的高能激光能量计用于测量能量大于50 kJ的连续波高能激光能量,通常用已知功率的连续激光开展激光能量计的光电校准需要激光照射时间超过20 min,而由于热损失等原因,进行长时间激光能量校准时,校准不确定度高达12%。以量热式平面吸收高能激光能量计为模型,从理论上分析了热辐射、热对流对连续波高能激光能量测量结果的影响,得到了较准确的平面吸收腔激光能量计冷却数学模型,实现了能量计热损失补偿,并通过建立相应的实验装置验证了该模型,用其对装置的测量结果加以修正,可使光电校准的测量不确定度减小到1%以下。     

用于多波长高功率激光能量测量的体吸收能量计

叙述体吸收激光能量计的原理及物理模型，给出其性能参数及测试方法，分析它在神光Ⅱ装置中对三种波长激光能量测量的取样方式及测量精度。     

长脉冲高能激光能量测试技术的研究

用锥形腔量热式激光能量计,测量了在不同脉冲宽度条件下,脉冲激光能量和激光吸收腔温升之间的关系,并用传统的方法得到不同激光能量对应的温升,并按照有关公式计算得到激光能量,结果表明实际激光能量和按传统方法计算得到的激光能量之间存在较大的差距;我们从理论上分析了由于热辐射、热传导影响,得出锥形吸收腔时间温度曲线关系的数学模型;用该数学模型对测量得到温度时间曲线进行最小二乘法拟合,拟合曲线和实际曲线非常吻合;通过该曲线我们对测量结果进行修正,和传统数据处理方法比较,该方法得到的结果更接近真值.     

宽波段高精度激光能量计设计

针对宽波段、高精度、大能量范围的激光能量测量需求,设计了激光能量计。利用快速响应的热电堆作为传感器,在热电堆探测面涂覆高吸收率碳纳米烯材料,实现了宽光谱吸收。采用大小2个热电堆探测器布置于能量计正反两面的方法,使能量计具有1 mJ～40 J超宽能量范围,并且具有较高的测量精度。利用有限元仿真软件建立了吸收腔热路结构的三维有限元模型,并对不同类型的激光脉冲做了加热模型模拟仿真。根据仿真结果,对探测器的线性进行了修正,从而减小了由于传感器的输出电信号与被测光信号之间的非线性所导致的测量误差。用激光能量计标准装置对能量计进行了标定实验,测量结果表明,经修正后激光能量计的测量重复性优于0.6%,线性度优于1.1%。将激光能量计溯源到国家激光能量基准,测量相对扩展不确定度达到2.5%(k=2)的优异水平。     

适用于非常规工作环境中热释电型激光能量计的研制

现有的激光能量计传感器灵敏度系数都与其所处环境温度有关,在-50℃～70℃的温度范围内,灵敏度偏差较大,直接影响测量结果。为了达到消除环境温度的影响,采取在不同环境温度下对热释型能量计的灵敏度进行校准的研究方法。该校准方法与普通激光能量计的校准方法的不同之处在于对热释电型能量计进行校准时,温度由室温扩展到-50℃～70℃的温度范围。利用环境试验箱,每隔10℃固定一个温度点,进行激光能量的测量实验,得到各个温度点所对应的灵敏度修正系数,再借助最小二乘法建立起各个温度点上能量计灵敏度系数同环境温度的函数关系,从而实现了-50℃～70℃的温度范围内激光能量的准确计量。研制能直接工作于非常规工作环境下的热释电型激光能量计,对解决激光能量测量的外场需求有一定现实意义。     

高能激光能量计校准方法研究

给出了一种绝对式高能激光能量计光电校准方法.该方法以大功率灯作为校准光源,通过测量灯两端的电压以及电流获得电能值,去掉灯所消耗的热能,得到灯所发出的光能.所设计平板能量计将大功率灯密封在高能激光能量计内,光能全部被能量计吸收.根据能量计输出值以及光能值便可实现能量计光电校准.结果表明,能量计光电校准不确定度约为1.5%.     

高能激光计后向散射能量损失补偿方法研究

针对锥形腔高能激光计后向散射能量损失补偿问题,系统分析了均匀分布激光入射强漫反射面情况下的锥形吸收腔的后向散射问题,进而针对不同高能量激光的输出光斑形状,建立了锥形吸收腔开口处光功率密度分布和后向散射总功率的数学模型,在此基础上对测量结果进行了补偿和修正,有效改善了高能量激光能量测量准确度.     

现场用激光能量计校准方法的实验研究

在激光功率能量测量当中,军用激光现场检测环境温度和实验室环境温度相差很大,而激光能量计的传感器灵敏度与环境温度条件有关,不对激光能量计进行温度灵敏度校准,将严重影响测量结果。针对目前存在的问题,本文提出将激光能量计放置于温控制箱中,脉冲激光器输出的激光经过分光镜分束后分为2束激光,其中透射光由标准能量计或现场激光能量计接收,反射光由参考能量计接收,在-50℃～70℃的温度范围内进行校准的一种新方法,并进行原理性的验证实验及结果分析,得到了能量计灵敏度系数关于环境温度的函数关系,使得能量计在非标准环境下进行准确测量成为可能。为激光能量计现场测试校准技术的研究提供了一种可靠的新途径。     

阶梯反射锥型高能激光能量计温度场控制技术

高能激光会造成吸收体材料表面的温度急剧升高甚至损坏,同时造成吸收体上长期存在较大的温度梯度,这给温度的准确测量造成了很大的难度,为解决上述问题,提出了一种阶梯状镀金反射锥和V型槽结构的吸收体,通过对镀金锥的设计将能量分配到吸收体各部分上,研究了V型槽的几种设计方法对温度场和表面温度的影响,研究表明通过对吸收体各部分的质量和V型槽的参数控制可以大幅降低吸收体各部分的温度梯度、吸收体表面温度和吸收体的平衡时间,从而提高高能激光能量计的激光损伤阈值,并降低温度准确测量难度和减少热损失,最终达到提高准确度的目的。     

现场激光能量计量技术的研究

由于激光能量计传感器的灵敏度与温度条件有关，在温差较大时，有的传感器灵敏度偏差可达到16%，因而在靶场、野外现场温度条件下，现有的激光能量计无法进行准确测试。为了解决这一问题，研制了一种新型的现场激光能量计。在现有激光能量计的基础上，通过选择相对透明、吸收层相对较厚(毫米量级)、热敏面不易损伤的激光吸收材料，对激光能量计内置温度传感器及数字处理电路进行了重新设计，满足了不同温度条件下现场能量测量的需求。     

高能激光大气传输的仿真实验研究

 对高能激光在大气中传输时产生的热晕效应及其相位补偿进行了室内仿真实验测量,获得了自适应光学系统开闭环时用来衡量光束传输效果参量（如远场的光斑图像、质心漂移、二阶矩半径、及Strehl比等）。结果表明,Bradley-Hermann热畸变参数在300范围内,自适应光学系统相位补偿效果显著,Strehl比基本大于0.4。然而随着热畸变效应的进一步加强,出现相位补偿不稳定性现象,补偿效果变差。另外,对自适应光学系统开闭环时的实验结果分别与薄透镜近似分析理论及几何光学近似理论作了比较。比较结果表明:薄透镜近似理论与未补偿时的实验结果吻合较好,而几何光学近似理论与补偿后的实验结果存在较大的偏差。     

A novel time-integral type laser energy meter based on anisotropic Seebeck effect

We have posed the design of a time-integral type laser energy meter based on anisotropic Seebeck effect for the first time. Anisotropic Seebeck effect is responsible for the laser-induced thermoelectric voltage effect in high temperature superconductor (HTSC) cuprates and colossal magnetoresistance (CMR) manganites thin films grown on tilted single crystal substrates. In this study, for an example, an epitaxial La_2/3Ca_1/3MnO₃ thin film prepared on a tilted LaAlO₃ substrate by standard pulsed-laser deposition (PLD) method is tested with a 1064-nm Q-switched Nd:YAG laser and its 2nd (532 nm), 3rd (355 nm), and 4th (266 nm) harmonics from room temperature to 16 K. The integral of the voltage signal with time shows a good linear relation with the laser energy per pulse in the measured wavelength and temperature range, which confirms the theoretical analysis given in this letter and can be used to design a time-integral type laser energy meter. The sensitivity increases as the film thickness increases or as the thermal diffusion constant decreases, which makes the time-integral type laser energy meter low cost as compared with the peak-voltage type. It operates with fast (nanosecond range) and broad-spectrum (from infrared to ultraviolet) response in wide temperature range (from room temperature to 10s K), and can be useful replacements for pyroelectric power/energy meters.