專利名稱：基于光纖光柵的高能激光光束參數(shù)診斷方法及診斷儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光能量參數(shù)的測量方法和裝置，尤其涉及一種基于光纖光測溫原理的高能激光光束參數(shù)診斷方法和裝置。
背景技術(shù)：
高能激光器是指平均功率大于萬瓦，持續(xù)時間達(dá)到數(shù)秒以上，輸出能量在數(shù)萬焦耳以上的激光器，具有重要的工業(yè)和軍事應(yīng)用前景。高能激光的能量及能量密度分布是表征激光效力的重要參數(shù)，通常采用陣列單元熱吸收法對高能激光的輸出能量參數(shù)進(jìn)行絕對測量，其原理是將量熱石墨等單元布成面陣結(jié)構(gòu)，激光入射能量被吸收體單元吸收后，光能轉(zhuǎn)換為熱能，通過測量吸收體溫度探頭的溫升計算出入射到熱吸收體的高能激光的能量，對整個面陣處理，得到高能激光的能量密度分布和高能激光的總能量。在測量系統(tǒng)實際測量中，熱吸收單元在應(yīng)用中存在著容易被激光燒蝕的缺點，而且因熱平衡時間較長，給測量帶來不便，現(xiàn)有的采用水循環(huán)散熱或空氣對流散熱的方法，只能在一定程度上有所改善，隨著高能激光輸出功率的提高，該測量方法的使用必然會受到限制。此外基于熱吸收原理的測量裝置在使用中將激光能量全部吸收或者阻擋，無法滿足實驗中對激光光束在線監(jiān)測的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種針對大面積高能激光能量和能量密度分布參數(shù)測量方法和裝置，在使用中不遮擋光束，可實現(xiàn)對激光束在線監(jiān)測。透過測量系統(tǒng)后的光束可以用作高能激光效應(yīng)實驗，可大大提高實驗效費比。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為基于光纖光柵的高能激光光束參數(shù)診斷方法，其特殊之處在于，包括以下步驟I在高能激光束傳播路徑上設(shè)置多只在空間上排布成面陣結(jié)構(gòu)的光纖光柵，其中光纖光柵通過光纖與遠(yuǎn)離高能激光束的波長解調(diào)設(shè)備聯(lián)接；2標(biāo)定每只光纖光柵波長漂移值與輻照至光纖光柵激光功率的對應(yīng)關(guān)系；3高能激光輻照下光纖光柵吸熱產(chǎn)生溫升，引起光纖光柵的波長漂移；4波長解調(diào)設(shè)備測量得到每只光纖光柵的波長漂移值；5根據(jù)波長漂移值與輻照至光纖光柵激光功率的對應(yīng)關(guān)系，計算得到輻照到每只光纖光柵的激功率密度；6對所有光纖光柵探測點進(jìn)行空間積分，得到激光總功率。上述步驟2中每只光纖光柵波長漂移值與輻照至光纖光柵激光功率對應(yīng)關(guān)系的標(biāo)定方法是將功率密度已知且可調(diào)的標(biāo)定光源依次入射到每只光纖光柵柵區(qū)，測量光纖光柵的波長漂移值，得到功率密度與波長漂移值的對應(yīng)關(guān)系；所述標(biāo)定光源的光束覆蓋光纖光柵的柵區(qū)，所述被測高能激光的功率密度包含在標(biāo)定光源的功率密度可調(diào)范圍內(nèi)?；诠饫w光柵的高能激光光束參數(shù)診斷儀，其特殊之處在于包括波長解調(diào)設(shè)備、對高能激光束空間傳播不遮擋的機(jī)殼和多只在空間上排布成面陣結(jié)構(gòu)的光纖光柵；所述光纖光柵設(shè)置在光纖上并固定在機(jī)殼上；所述光纖光柵通過光纖與遠(yuǎn)端的波長解調(diào)設(shè)備連接上述的多只光纖光柵設(shè)置在同一根光纖上，該光纖米用彎曲盤繞在機(jī)殼上，或者采用纖軸橫向和纖軸縱向相互交錯的排布方式盤繞在機(jī)殼上；所述的多只光纖光柵還可設(shè)置在不同的光纖上，米用沿光束方向前后各布置兩個面陣取樣，其中一個面陣為纖軸橫向排布，另一個面陣為纖軸縱向排布的方式。上述的光纖光柵的纖軸方向與入射高能激光入射方向夾角為45至90度；所述光纖光柵柵區(qū)在高能激光束方向上的投影長度與相鄰光纖光柵之間的間距一致。上述的光纖光柵直接刻蝕在光纖上或融接在光纖上。上述機(jī)殼上設(shè)置有對高能激光高透射的入射窗口和出射窗口，所述入射窗口和出射窗口位于高能激光束入射和出射方向并與機(jī)殼構(gòu)成密封結(jié)構(gòu)。上述的波長解調(diào)設(shè)備由光纖環(huán)路器、寬譜光源以及光纖光柵解調(diào)儀組成。上述光纖光柵的柵區(qū)長度為2至10mm。 上述入射窗口和出射窗口的材料為石英、硅或碳化硅。本發(fā)明具有以下的有益效果I、本發(fā)明實現(xiàn)了大面積高能激光能量和能量密度分布參數(shù)的絕對測量，且測量方法與被測激光的波長不相關(guān)，具有廣泛的適用性。2、本發(fā)明利用光纖對激光的吸收系數(shù)和吸收面積小，而且擁有極大的表面積體積t匕，因此它能夠很快的散失吸收的熱量，從而迅速達(dá)到熱平衡，可實現(xiàn)對激功率密度參數(shù)瞬態(tài)變化的測量。3、本發(fā)明的測量方法和裝置在使用中石英光纖本身對激光吸收較少，對光束遮斷較少，實現(xiàn)了高能激光基本無擾動傳輸?shù)脑诰€測量，提高了實驗的效費比。4、本發(fā)明的測量方法和裝置利用光纖光柵測溫原理實現(xiàn)，由于石英光纖承受激光輻照能力較強(qiáng)，故可用于很高功率的激光參數(shù)測量。5、本發(fā)明的測量方法和裝置采用柵區(qū)很短的光纖光柵結(jié)合緊密排布的光纖結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了較高空間分辨率的測量。6、本發(fā)明采用光纖光柵構(gòu)成的面陣對激光光斑進(jìn)行測量，可以獲得激光光斑功率密度分布及總能量等參數(shù)7、本發(fā)明中光纖光柵與激光入射方向呈一定的角度設(shè)置，使得長柵區(qū)的光纖光柵可以實現(xiàn)較高的空間分辨率測量。8、本發(fā)明采用光斑較小的低功率光源對光纖光柵參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，得到每只光纖光柵波長漂移值與輻照功率密度的對應(yīng)關(guān)系，并將標(biāo)定結(jié)果應(yīng)用到多只光纖光柵中，實現(xiàn)了大面積高能激光光束參數(shù)的測量。


圖I是本發(fā)明基于光纖光柵的高能激光光束參數(shù)診斷儀組成原理示意圖；圖2是本發(fā)明光纖光柵與激光束入射方向布局的一種優(yōu)選方式不意圖；圖3是本發(fā)明基于光纖光柵的高能激光光束參數(shù)診斷儀的一種優(yōu)選實施方式組成原理示意圖；圖4是本發(fā)明標(biāo)定實驗得到的光纖光柵波長與激功率密度的對應(yīng)結(jié)果；其中1_機(jī)殼；2_光纖光柵；3-光纖；4_波長解調(diào)設(shè)備；5_高能激光束；6_光纖環(huán)路器；7-寬譜光源；8_光纖光柵解調(diào)儀。
具體實施例方式本發(fā)明的基本思路是采用布拉格光柵(FBG)陣列對高能激光光束進(jìn)行測量。由于光纖對激光的吸收系數(shù)和吸收面積小，而且擁有極大的表面積體積比，因此它能夠很快的散失吸收的熱量，從而迅速達(dá)到熱平衡。這樣一來，光纖能夠承受很長時間的激光輻照，從而實現(xiàn)對激光光斑的長時間測量。將FBG刻寫在光纖纖芯中，由于FBG中心波長隨著溫度發(fā)生線性變化(約為10pm/°C )，所以激光輻照過程中FBG的中心波長會隨光纖溫度發(fā)生變 化。由于本發(fā)明使用FBG陣列對激光光斑進(jìn)行測量，所以可以獲得激光光斑功率密度分布情況，進(jìn)而獲得激光功率以及能量信息。在達(dá)到熱平衡后，F(xiàn)BG的波長變化還能夠?qū)崟r反映激光光斑分布的變化。如圖I所示，本發(fā)明基于光纖光柵2的高能激光光束參數(shù)診斷儀由光纖3、設(shè)置在光纖3上的光纖光柵2、機(jī)殼I和波長解調(diào)設(shè)備4組成。光纖光柵2可以米用直接刻蝕在光纖3上，也可以采用光纖融接的方法融接在光纖3上，多只光纖光柵2在空間上布成面陣結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高能激光束5的空間取樣，光纖3固定在機(jī)殼I上，并與遠(yuǎn)端的波長解調(diào)設(shè)備4連接。機(jī)殼I為空心結(jié)構(gòu)，可使高能激光束5沿原方向傳播而不遮擋，波長解調(diào)設(shè)備4遠(yuǎn)離高能激光束5，避免受激光輻照損傷；由于石英光纖本身對激光吸收較少，對光束遮斷較少，實現(xiàn)了對高能激光基本無擾動傳輸?shù)脑诰€測量，提高了實驗的效費比。在應(yīng)用中高能激光束5可以與光纖光柵2纖軸方向垂直，也可以與纖軸方向呈一定的夾角。通常光纖光柵的纖軸方向與入射高能激光入射方向夾角在45至90度為佳；如圖2所示，當(dāng)纖軸方向與高能激光束5呈一定的斜角時，只是在計算時需要考慮光纖光柵2吸收的熱量與柵區(qū)長度在高能激光束5上的投影長度相關(guān)，這種布局可以滿足現(xiàn)有的長柵區(qū)光纖光柵2實現(xiàn)高空間分辨率的取樣測量。光纖光柵2可以刻蝕在多根光纖3上，通過波長解調(diào)設(shè)備4進(jìn)行解調(diào)后，計算得到所需要的參數(shù)。圖3作為一種優(yōu)選的實施方式，光纖光柵2沿光纖3長度方向均勻設(shè)置在一根光纖3上，光纖3彎曲盤繞在機(jī)殼I上且在高能激光輻照區(qū)域內(nèi)為平行排列。為了在整個取樣平面內(nèi)得到一致的空間分辨率，可以使得平行排列光纖3組中相鄰光纖3的間距與光纖光柵2柵區(qū)長度在高能激光束5方向上的投影長度大致相等。每只光纖光柵2反射光譜的中心波長與其他光纖光柵2反射的中心波長均有差別，在測量裝置中應(yīng)用的光纖光柵2數(shù)量取決于寬譜光源7的譜寬和光纖光柵解調(diào)儀8的波長分辨率。光纖光柵解調(diào)設(shè)備可選用多種原理制成，現(xiàn)有的波長解調(diào)技術(shù)有CCD解調(diào)法、掃波長解調(diào)法等。本發(fā)明的波長解調(diào)設(shè)備4選用最普通的CCD解調(diào)方法即可，如圖3所示，光纖解調(diào)設(shè)備4由光纖環(huán)路器6、寬譜光源7和光纖光柵解調(diào)儀8組成；寬譜光源7發(fā)出的激光被光纖光柵2反射進(jìn)入光纖光柵解調(diào)儀8，當(dāng)光纖光柵2溫度發(fā)生變化時，其反射譜中心波長也會發(fā)生相應(yīng)的變化。這樣通過解調(diào)其反射譜中心波長的變化就能反映其溫度變化，結(jié)合標(biāo)定數(shù)據(jù)得到激功率密度值。
為了防塵以及為光纖光柵2吸熱和散熱提供一個相對穩(wěn)定的密閉空間，診斷儀的機(jī)殼I在高能激光入射和出射方向分別設(shè)置有對高能激光高透射的入射窗口和出射窗口，兩個窗口和機(jī)殼I構(gòu)成密封體，窗口材料可根據(jù)高能激光的特性選擇石英、硅或碳化硅，通常情況下其對該波長高能激光的透過率大于95%;光纖3則選用石英光纖3，石英承受激光輻照能力強(qiáng)，且由于芯徑較細(xì)，對高能激光束5遮擋率較低，此外石英光纖3上容易刻蝕光纖光柵2。本發(fā)明的光纖光柵2可米用長度為IOmm的長柵區(qū)光纖光柵2,也可以米用長度為2_的短柵區(qū)光纖光柵2，可實現(xiàn)空間分辨率2_的高能激光光束參數(shù)測量。本發(fā)明基于光纖光柵的高能激光光束參數(shù)診斷方法的具體步驟為I將高能激光光束參數(shù)診斷儀放置在被測量高能激光光路上；2高能激光輻照下光纖光柵吸熱產(chǎn)生溫升，引起光纖光柵的波長漂移；3采用波長解調(diào)設(shè)備測量得到光纖光柵的波長漂移值；4根據(jù)事先標(biāo)定得到的每只光纖光柵的波長漂移值與激光功率的對應(yīng)關(guān)系，計算得到輻照到每只光纖光柵的激功率密度；5對所有光纖光柵探測結(jié)果進(jìn)行空間積分，得到激光總功率。本發(fā)明的基于光纖光柵的高能激光光束參數(shù)診斷儀在使用前需要對每只光纖光柵的特性參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，具體的標(biāo)定步驟是將功率密度已知且可調(diào)的小面積光源依次入射到每只光纖光柵柵區(qū)，采用波長解調(diào)設(shè)備測量光纖光柵的波長漂移值，得到功率密度與波長漂移值的對應(yīng)關(guān)系；標(biāo)定中光源可以經(jīng)過光束空間勻化后的光纖激光或其他穩(wěn)定光 源，光束覆蓋光纖光柵的柵區(qū)，被測高能激光的功率密度包含在標(biāo)定光源的功率密度可調(diào)范圍內(nèi)，這樣可以確保測量的可靠性。圖4為標(biāo)定得到的光纖光柵2波長漂移值與對應(yīng)激功率密度的實驗結(jié)果。根據(jù)每只光纖光柵的上述對應(yīng)關(guān)系和實際測量高能激光光束時得到的波長漂移值，可以很容易計算得到被測量的高能激功率密度。這樣以來，采用光斑較小的低功率光源就可以對每只光纖光柵參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，并實現(xiàn)大面積的高能激光光束參數(shù)的測量。本發(fā)明不局限于上述具體實施方式
，比如波長解調(diào)設(shè)備4可選用透射式的解調(diào)儀，光纖光柵2在取樣空間的排布可以多種多樣，比如光纖光柵2可以采用纖軸橫向和纖軸縱向相互交錯的排布方式，也可以選用沿光束方向前后各布置兩個面陣取樣，其中一個面陣為纖軸橫向排布，另一個面陣為纖軸縱向排布等方式。以上變化均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.基于光纖光柵的高能激光光束參數(shù)診斷方法，其特征在于，包括以下步驟 I在高能激光束傳播路徑上設(shè)置多只在空間上排布成面陣結(jié)構(gòu)的光纖光柵，其中光纖光柵通過光纖與遠(yuǎn)離高能激光束的波長解調(diào)設(shè)備聯(lián)接； 2標(biāo)定每只光纖光柵波長漂移值與輻照至光纖光柵激光功率的對應(yīng)關(guān)系； 3高能激光輻照下光纖光柵吸熱產(chǎn)生溫升，引起光纖光柵的波長漂移； 4波長解調(diào)設(shè)備測量得到每只光纖光柵的波長漂移值； 5根據(jù)波長漂移值與輻照至光纖光柵激光功率的對應(yīng)關(guān)系，計算得到輻照到每只光纖光柵的激功率密度； 6對所有光纖光柵探測點進(jìn)行空間積分，得到激光總功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光纖光柵的高能激光光束參數(shù)診斷方法，其特征在于所述步驟2中每只光纖光柵波長漂移值與輻照至光纖光柵激光功率對應(yīng)關(guān)系的標(biāo)定方法是將功率密度已知且可調(diào)的標(biāo)定光源依次入射到每只光纖光柵柵區(qū)，測量光纖光柵的波長漂移值，得到功率密度與波長漂移值的對應(yīng)關(guān)系；所述標(biāo)定光源的光束覆蓋光纖光柵的柵區(qū)，所述被測高能激光的功率密度包含在標(biāo)定光源的功率密度可調(diào)范圍內(nèi)。
3.基于光纖光柵的高能激光光束參數(shù)診斷儀，其特征在于包括波長解調(diào)設(shè)備、對高能激光束空間傳播不遮擋的機(jī)殼和多只在空間上排布成面陣結(jié)構(gòu)的光纖光柵；所述光纖光柵設(shè)置在光纖上并固定在機(jī)殼上；所述光纖光柵通過光纖與遠(yuǎn)端的波長解調(diào)設(shè)備連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于光纖光柵的高能激光光束參數(shù)診斷儀，其特征在于所述的多只光纖光柵設(shè)置在同一根光纖上，該光纖采用彎曲盤繞在機(jī)殼上，或者采用纖軸橫向和纖軸縱向相互交錯的排布方式盤繞在機(jī)殼上；所述的多只光纖光柵還可設(shè)置在不同的光纖上，米用沿光束方向前后各布置兩個面陣取樣，其中一個面陣為纖軸橫向排布，另一個面陣為纖軸縱向排布的方式。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的基于光纖光柵的高能激光光束參數(shù)診斷儀，其特征在于所述的光纖光柵的纖軸方向與入射高能激光入射方向夾角為45至90度；所述光纖光柵柵區(qū)在高能激光束方向上的投影長度與相鄰光纖光柵之間的間距一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于光纖光柵的高能激光光束參數(shù)診斷儀，其特征在于所述的光纖光柵直接刻蝕在光纖上或融接在光纖上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于光纖光柵的高能激光光束參數(shù)診斷儀，其特征在于所述機(jī)殼上設(shè)置有對高能激光高透射的入射窗口和出射窗口，所述入射窗口和出射窗口位于高能激光束入射和出射方向并與機(jī)殼構(gòu)成密封結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于光纖光柵的高能激光光束參數(shù)診斷儀，其特征在于所述的波長解調(diào)設(shè)備由光纖環(huán)路器、寬譜光源以及光纖光柵解調(diào)儀組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于光纖光柵的高能激光光束參數(shù)診斷儀，其特征在于所述光纖光柵的柵區(qū)長度為2至10mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于光纖光柵的高能激光光束參數(shù)診斷儀，其特征在于所述入射窗口和出射窗口的材料為石英、硅或碳化硅。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光纖光柵的高能激光光束參數(shù)診斷方法和診斷儀裝置，根據(jù)光纖布拉格光柵中心波長隨溫度線性漂移的原理，利用光纖對高能激光吸收系數(shù)小、吸收面積小、表面積體積比高的特點，結(jié)合光纖光柵波長解調(diào)方法，實現(xiàn)了對大面積高功率密度激光光斑的長時間實時測量。另外本裝置還可以根據(jù)實際測量需要靈活的更換纖光柵陣列，如陣列的大小、所使用光纖光柵柵區(qū)長度以及光纖半徑等，實現(xiàn)對不同光斑大小、不同分辨率以及不同靈敏度的測量。另外，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)高功率激光能量分布和總能量等光束參數(shù)測量并具有結(jié)構(gòu)簡單，抗激光損傷能力強(qiáng)等特點。
文檔編號G01J1/00GK102620815SQ20121008014
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者馮國斌, 劉衛(wèi)平, 葉錫生, 吳勇, 楊鵬翎, 武俊杰, 陳紹武, 陶蒙蒙 申請人:西北核技術(shù)研究所