CN103389157A - 一种高能激光扩束吸收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高能激光扩束吸收装置，包括激光扩束锥、能量吸收腔、前面板和固定板，能量吸收腔为空心圆筒体，前面板设置在能量吸收腔的激光入射端，固定板设置在能量吸收腔的后端，用于固定激光扩束锥；激光扩束锥包括沿激光入射方向依次设置的一只扩束尖锥、至少两只扩束球锥和圆筒过渡段，且沿激光入射方向的各级圆筒过渡段的圆筒半径逐级增大；本发明激光扩束锥同时实现了入射激光束在吸收腔的长度和圆周两个方向的扩束，有效降低了经激光扩束锥入射至热吸收筒体的激光功率密度，本发明实现了十万焦耳～兆焦耳级连续波高能激光能量的吸收和传导，大大提高了能量计的测量精度，并具有广泛的适用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于激光量热计的高能激光能量吸收腔体，尤其涉及一种高能激光的扩束吸收装置。
背景技术
高能激光器是指平均功率大于万瓦、持续时间数秒、输出能量在数万焦耳以上的激光器，具有重要的工业和军事应用前景。高能激光器的输出能量是表征激光效力的重要参数，通常采用量热法对高能激光器输出的总能量进行绝对测量。其原理是入射激光能量被吸收体吸收后，光能转换为热能，通过测量吸收体温升计算入射激光的总能量。
高能激光光斑面积大、出光能量和功率密度非常高，对测量装置有一定破坏性，给能量绝对测量带来很大困难。为实现高能激光输出总能量的绝对测量，国内多家单位研制了全吸收式激光能量测量装置，其中激光扩束吸收部件是能量测量装置中的关键部件，2008年10月公开的发明专利200810231820号，公开了一种激光反射扩束锥及其制造方法，它包括至少两个空心锥面反射段以及用于连接两个相邻的锥面反射段的至少一个空心圆筒形锥面连接段，锥面反射段包括在激光入射光束的入射方向依次设置的一个圆锥型锥面反射段和至少一个圆台型锥面反射段，每个锥面反射段的锥面与激光入射光束的入射方向的夹角均相等，锥面反射段的外表面镀有高反膜，此发明解决了现有激光反射扩束加工困难、可靠性差、可扩展性差的技术问题，但此装置的激光反射面为非弧面，没有将入射激光在腔长方向展开，且没有结合能量吸收腔体设计，形成一个完整的扩束吸收装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种连续波高能激光能量扩束吸收装置，尽可能降低到达热吸收单元的激光功率密度，并确保在对激光能量安全且均匀吸收的前提下进一步提高测量量程。
本发明的技术解决方案为：
一种高能激光扩束吸收装置，包括激光扩束锥、能量吸收腔、前面板和固定板，其中能量吸收腔为空心圆筒体，前面板设置在能量吸收腔的激光入射端，中间开有激光入射孔，激光入射孔正对扩束锥；固定板设置在能量吸收腔的后端，用于固定激光扩束锥；
激光扩束锥包括沿激光入射方向依次设置的一只扩束尖锥、至少两只扩束球锥和圆筒过渡段，且沿激光入射方向的各级圆筒过渡段的圆筒半径逐级增大；扩束尖锥和扩束球锥均为空心结构，激光扩束锥表面镀有高反射膜。
上述高能激光扩束吸收装置中，能量吸收腔的圆筒体内壁加工有能量吸收槽，能量吸收槽表面经过化学处理以提高激光能量吸收率。
上述高能激光扩束吸收装置中，沿激光入射方向的各级扩束球锥的曲率半径逐级增大。
上述高能激光扩束吸收装置中，激光扩束锥为分体式结构，通过圆筒过渡段内设置的螺纹和密封槽实现相邻扩束尖锥和扩束球锥之间的联接，密封槽设置有○型密封圈。
上述高能激光扩束吸收装置中，激光扩束锥的空腔内及能量吸收腔的外周有冷却液体流过。
上述高能激光扩束吸收装置中，前面板朝向能量吸收腔的表面镀有高反射银膜。
上述高能激光扩束吸收装置中，固定板圆筒体朝向能量吸收腔的表面加工有锯齿形能量吸收槽，能量吸收槽表面经过化学处理以提高激光能量吸收率。
上述高能激光扩束吸收装置中，激光扩束锥的材料为铜或铝。
上述高能激光扩束吸收装置中，能量吸收腔的材料为铜、铝或石墨。
上述高能激光扩束吸收装置中，激光扩束锥的表面镀有金膜。
本发明具有以下的有益效果：
1、本发明实现了十万焦耳～兆焦耳级连续波高能激光能量的吸收和传导，大大提高了能量计的测量精度，并具有广泛的适用性。
2、本发明激光扩束锥包括扩束尖锥和层层过渡的扩束球锥，激光扩束锥体上镀有高反射膜，一方面降低了入射至激光扩束锥表面的功率密度，同时实现了入射激光束在吸收腔的长度和圆周两个方向的扩束，有效降低了经激光扩束锥入射至热吸收筒体的激光功率密度。
3、本发明的激光扩束锥采用分体式结构，方便了椎体的加工，同时椎体表面镀有反射膜，提高了耐受激光辐照的能力。
4、本发明的前面板表面镀有高反射银膜，可对能量吸收腔内杂散光重新反射至能量吸收腔和固定板吸收，提高了激光吸收率，从而增强了能量测量精度。
5、本发明的能量吸收腔和固定板的表面加工有能量吸收槽，且能量吸收槽表面经过化学处理进一步提高了激光能量吸收率。
附图说明
附图1为本发明激光扩束吸收装置结构示意图；
附图2为本发明能量吸收腔中能量吸收槽的结构示意图；
附图3为本发明扩束尖锥的结构示意图；
附图4为本发明第一级扩束球锥的结构示意图；
附图5为本发明第二级扩束球锥的结构示意图。
1—激光扩束锥；2—能量吸收腔；3—固定板；4—前面板；5—能量吸收槽；6—入射激光束；7—激光入射口；8—反射激光束；9—圆筒过渡段；10—扩束尖锥；11—第一级扩束球锥；12—第二级扩束球锥。
具体实施方式
常规的高能激光能量计是基于全吸收测量原理，当入射高能激光到达吸收腔等光热测量单元时，光热测量单元吸收入射激光能量并转化自身温升，利用温度传感器阵列对光热测量单元温度变化进行实时测量，最后由数据采集处理单元对温度传感器阵列测量得到的温度信号进行记录和处理，最终得到入射高能激光的总能量。
在应用于高功率、长时间出光测量时，能量吸收装置的耐受激光辐照能力很关键，本发明提出了一种应用于高能激光能量测量装置中的高能激光能量扩束吸收装置，包括激光扩束锥1、能量吸收腔2、前面板4和固定板3。
前面板4设置在能量吸收腔2的激光入射端，中间开有正对扩束锥1的激光入射孔7；固定板3设置在能量吸收腔的后端，激光扩束锥体1固定于固定板3上，固定板3上刻有密封槽，密封槽内安装有○型密封圈，在紧固中产生形变，使扩束锥体与固定板密封连接。
激光扩束锥1包括沿激光入射方向依次设置的一只扩束尖锥10、至少两只扩束球锥11、12和圆筒过渡段9，且沿激光入射方向的各级圆筒过渡段9的圆筒半径逐级增大；扩束尖锥10和扩束球锥11、12均为空心结构，整个激光扩束锥1表面镀有高反射膜。当激光从激光入射孔7入射时，扩束锥体使激光在能量吸收腔的长度和圆周方向展开后辐照在能量吸收腔壁上，达到衰减激光功率密度的目的。
能量吸收腔2为空心圆筒体，能够有效吸收辐照其上的激光，并将沉积的热量向腔壁外侧传递，前面板使散射其上激光返回腔内被能量吸收腔2和固定板3等充分吸收，能量吸收腔2采用铜、铝或石墨制成，能量吸收腔2的圆筒体内壁加工有能量吸收槽5，以增加激光能量吸收率，能量吸收槽5为锯齿形，表面经过发黑等化学处理以提高激光能量吸收率，其结构如图2所示。
激光扩束锥1是本装置的关键部件，使用无氧铜制作，根据测试需求，同时为方便机械加工和安装，扩束锥体由多级组成，扩束锥体第一级由尖顶过渡到球面，扩束锥体后面各级为渐次增大的球面体，图3至图5给出了扩束尖锥10、第一级扩束球锥11、第二级扩束球锥12的结构示意图。各级之间利用连接螺纹、密封凹槽和○型密封圈紧密连接，可密封一定压力的水流。扩束锥体的表面，特别是尖顶和球面部分，抛光后使用蒸镀法镀制高反射金膜，对入射激光的反射率高于95%，耐激光破坏阈值12kW/cm2以上。
进一步的，作为一种优选方式，固定板3使用硬铝制作，面向腔内的一面设计有能量吸收槽5，吸收槽为锯齿形结构，其形状与图2一致，固定板3的表面黑化，在固定激光反射锥体的同时可吸收散射光线；前面板4采用硬铝制作，面向腔内的一面抛光，表面镀制高反射银膜，可将散射其上的激光反射回腔内，使激光能量被充分吸收，以提高测量精度。
本发明不局限于上述具体实施方式，比如针对不同光斑，腔体和激光扩束锥体形状、大小可做适当的改变；扩束锥体也可以是以其它方式紧密连接的至少两级扩束球面，制作材料可以选择无氧铜、进口黄铜或高纯铝，表面高反射金属膜层可以采取蒸镀方法或化学方法镀制金膜或银膜；设计能量吸收槽5的目的是增加能量吸收率，槽型可以有不同的角度变化；以上变化均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种高能激光扩束吸收装置，包括激光扩束锥（1）、能量吸收腔（2）、前面板（4）和固定板（3），其特征在于：所述的能量吸收腔（2）为空心圆筒体，所述的前面板（4）设置在能量吸收腔（2）的激光入射端，中间开有激光入射孔（7），所述的激光入射孔正对扩束锥（1）；所述的固定板（3）设置在能量吸收腔的后端，用于固定激光扩束锥（1）；
所述的激光扩束锥（1）包括沿激光入射方向依次设置的一只扩束尖锥（10）、至少两只扩束球锥（11、12）和圆筒过渡段（9），且沿激光入射方向的各级圆筒过渡段（9）的圆筒半径逐级增大；所述的扩束尖锥（10）和扩束球锥（11、12）均为空心结构，所述激光扩束锥（1）表面镀有高反射膜。
2.根据权利要求1所述的高能激光扩束吸收装置，其特征在于：所述能量吸收腔（2）的圆筒体内壁加工有锯齿形的能量吸收槽（5），所述能量吸收槽（5）表面经过化学处理以提高激光能量吸收率。
3.根据权利要求1所述的高能激光扩束吸收装置，其特征在于：所述沿激光入射方向的各级扩束球锥（11）的曲率半径逐级增大。
4.根据权利要求1所述的高能激光扩束吸收装置，其特征在于：所述激光扩束锥（1）为分体式结构，通过圆筒过渡段内设置的螺纹和密封槽实现相邻扩束尖锥（10）和扩束球锥（11、12）之间的联接，所述的密封槽设置有○型密封圈。
5.根据权利要求1所述的高能激光扩束吸收装置，其特征在于：所述的激光扩束锥（1）的空腔内及能量吸收腔（2）的外周有冷却液体流过。
6.根据权利要求1所述的高能激光扩束吸收装置，其特征在于：所述前面板（4）朝向能量吸收腔（2）的表面镀有高反射银膜。
7.根据权利要求1所述的高能激光扩束吸收装置，其特征在于：所述的固定板圆筒体朝向能量吸收腔（2）的表面加工有锯齿形的能量吸收槽（5），所述能量吸收槽（5）表面经过化学处理以提高激光能量吸收率。
8.根据权利要求1所述的高能激光扩束吸收装置，其特征在于：所述的激光扩束锥（1）的材料为铜或铝。
9.根据权利要求1所述的高能激光扩束吸收装置，其特征在于：所述的能量吸收腔（2）的材料为铜、铝或石墨。
10.根据权利要求1所述的高能激光扩束吸收装置，其特征在于：所述的激光扩束锥（1）的表面镀有金膜。
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