大能量激光能量测量技术研究

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针对我国目前对高功率连续激光能量测量的需要,开展了高功率、大能量激光能量测量技术的研究工作。大能量激光能量计基于量热法原理,采用激光吸收体将入射激光能量全部吸收,通过测量吸收体的温度增量来实现对入射激光能量的测量。本文的主要工作有:  1.对全吸收式激光能量计的吸收体模型在激光作用下的热效应进行了传热学理论分析工作。分析了金属球形腔和圆柱形腔两种简化模型在恒定功率密度激光辐照下其内外壁温度响应情况,以及影响内外壁温升、内外壁温差和外壁温度响应时间的主要因素,并对紫铜、纯铝、碳钢等材料数值计算结果进行了对比分析。同时在考虑相变潜热的情况下,分析了吸收体模型可以承受的连续激光功率密度上限和内表面发生相变的理论时间。也对激光能量计的热损失进行了估算。通过理论计算分析和对比研究,确定紫铜为大能量激光能量计的吸收材料。由理论分析结果同时考虑到温度传感器的敷设难易程度、吸收体加工难度以及激光能量计的体量等因素后,最终确定激光能量计吸收体的结构形式。  2.激光吸收体是全吸收式激光能量计的重要组成部分。在大能量激光能量计吸收体结构设计中,创新地采用了主吸收体加次吸收体(接收锥)的复合结构形式,设置了锥形反射镜,有效提高了抗激光损伤能力,解决了高功率密度、大能量连续激光能量测量的技术难题。主吸收体采用由圆柱形腔和前后锥形端盖构成的结构,次吸收体(接收锥)采用了分段的锥形结构。  3.激光能量计的温度传感器采用分布式绕制的方式,均匀敷设于主、次吸收体外表面,实现了固体表面平均温升的准确测量。对温度传感器材料进行了温度系数标定试验和高温绝缘性能测试试验。温度传感器设计制作完成后,进行了温度传感器的参数标定试验,通过对大量试验数据的分析,最终确定了温度传感器的电阻温度系数和0℃时的电阻值。  4.基于测量不确定度的B类评定方法,对大能量激光能量计进行了详细的测量不确定度研究,详细分析了影响能量测量不确定度的温度增量测量不确定度、吸收体质量测量不确定度、材料比热测量不确定度和修正系数测量不确定度等因素,激光能量计测量示值的扩展相对标准不确定度优于10%(包含因子k=2)。  5.利用稳定性较好的3000W光纤激光器作为被测光源,对激光能量计进行了定标试验研究工作。在不同激光输出功率、不同出光时间下,由激光能量计测量的能量曲线反演得到的功率波形与功率计监测的功率波形具有较好的一致性,验证了激光能量计测量结果的可靠性。  6.对外场试验中积累的大量实际激光能量测量数据进行了处理,试验数据充分验证了大能量激光能量计的性能指标满足设计要求。  大能量激光能量计实现了对高功率连续激光能量的定量测量,并为更大能量的激光能量定量测量的研究工作提供了参考。
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