一種測量大面積激光束光強分布的復合陣列

王 飛，謝永杰，戢運峰，段劉華，葉錫生

(西北核技術研究所激光與物質相互作用國家重點實驗室，陜西西安710024)

1 引言

高能激光束在國防及工業(yè)加工等領域具有重要作用［1］，近些年在國內外得到了快速發(fā)展。準確測量激光束光強分布對于檢驗和調試激光器狀態(tài)十分重要［2］，同時對于研究和探索激光束與不同物質材料、功能器件、生物體等的相互作用物理過程也具有重要的意義。

自激光器發(fā)明以來的幾十年中，激光光強分布測量的方法和技術得到很大提高，研制出許多測量儀器和裝置。但由于高能激光具有輸出總能量高、遠場光斑面積大、輻照燒蝕破壞力強的特點，其遠場大面積光束的準確測量存在較大的技術難度。目前，遠場高能激光束光強分布的測量方法主要可分為光電測量法和量熱測量法兩大類。光電測量法具有響應靈敏、時間分辨力高等優(yōu)點［3］，但受到衰減取樣環(huán)節(jié)和標定條件的限制，在能量測量中具有較大的不確定度;量熱測量法具有耐受輻照能量高、能量測量不確定度小等優(yōu)點［4］，但在時間分辨測量上卻存在一定難度。本文提出了量熱光電復合陣列，采用量熱與光電復合技術來測量大面積激光束光強分布，通過充分利用量熱法和光電法的優(yōu)勢實現(xiàn)了大面積光束光強時空分布的測量。

2 復合陣列的組成

量熱光電復合陣列由陣列面板、數(shù)據采集模塊和數(shù)據分析處理模塊3個部分組成。

陣列面板包括底板、量熱探測單元陣列和光電探測單元陣列3個部分，如圖1所示。

底板大小為450 mm×450 mm，設計為蜂窩狀，256路高純石墨量熱探測單元嵌入至蜂窩體內，120路光電探測單元間插嵌入量熱探測單元間，從而實現(xiàn)兩者對靶面入射光束的同時測量。量熱探測單元的石墨探頭吸收入射激光能量并產生溫升，測溫元件測量探頭溫升值，根據此溫升值可計算入射激光能量。同時，各光電探測單元分別測量激光光斑不同取樣點處波形信號，經信號處理和圖像復原運算后可實現(xiàn)激光遠場光斑時間分布測量。

圖1 復合陣列靶板空間結構Fig.1 Spatial structure of laser beam measuring array based on compound photoelectric and calorimetric techniques

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

數(shù)據分析處理模塊實現(xiàn)對采集信號的綜合分析處理，即通過對探測單元陣列測量數(shù)據進行信號轉換、時域分析、空間光斑圖像復原和綜合信息處理，最終獲得大面積激光束的光強分布信息。

3 數(shù)據處理方法

量熱光電復合陣列對大面積激光束進行時間和空間采樣，探測單元的測量信號經數(shù)據采集模塊采集后形成原始測量數(shù)據。數(shù)據處理過程中，首先將原始測量數(shù)據的電信號還原為光信號，再根據各探測單元通道對應的空間位置進行信號的空間還原，然后對空間還原得到的采樣矩陣進行插值［5］、配色等操作，形成常用的偽彩光斑圖。

量熱光電復合陣列算法的設計思想是先由量熱探測單元陣列得到激光的總能量分布，再由量熱探測單元測量結果實時定標光電探測單元，最后給出激光光強的時空分布。

3.1 量熱探測單元數(shù)據處理方法

量熱探測單元主要由高純石墨體、測溫熱電偶和絕熱陶瓷座3部分構成［6］。數(shù)據采集模塊采集得到量熱探測單元在激光作用時間前后的溫度變化曲線T(t)后，利用下降沿擬合的方式可在一定程度上補償傳導和弱對流導致的熱損失，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

根據經典能量回推公式計算相應的沉積能量為［7］:

式中:m為探頭質量，Cp為材料熱容，TE為環(huán)境溫度。通過實驗定標對得到的E0進行熱輻射損失修正，計算出量熱探測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 光電探測單元數(shù)據處理方法

光電探測單元主要由光學衰減部件、光電探測器和運放調理電路組成［9］。光電探測器接收入射到光電探測單元經衰減后的激光，數(shù)據采集模塊采集通過光電轉換和運放調理得到的電信號。在測量范圍內，光電探測單元的探測器電阻與入射激光的光功率呈線性關系。對于常用的光導型紅外探測器，由式(2)可將采集到的電信號值還原為激光功率密度值。

式中:P為激光功率密度值，V為測量所得的電壓值，Av為運放電路的放大倍數(shù)，Y、A和T0為光電探測器標定響應曲線的系數(shù)，T為探測器表面溫度，S為探測器光敏面的面積，At為光學衰減部件的衰減系數(shù)。從式中可以看出，對一個確定的探測單元，測量的激光功率密度值與得到的電壓值之間只存在一個與溫度相關的轉換系數(shù)，設該系數(shù)為K(T)，則:

由此，式(2)可化為:

因此，只要得到每個光電探測單元的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單元K(T)值的方法是對式(3)中的各個參量進行標定。實驗室標定對光源均勻性、穩(wěn)定性和可調性等要求較高，探測器的一致性差異又致使標定工作量極大。復合陣列在數(shù)據處理中運用現(xiàn)場實時定標的方法，有效地簡化了標定環(huán)節(jié)，并改善了由標定光源及探測器一致性引入的不確定度。

在陣列上任取一光電探測單元，設其所在位置為(x，y)。在單元封裝絕熱良好的條件下，測量過程中其光敏面溫度將保持不變，設為T1，則其對應的轉換系數(shù)K(T1)為定值Kxy。數(shù)據處理時，將Kxy作為一個待定系數(shù)，對該光電探測單元測量值進行時間積分，可得該光電探測單元處激光輻照的能量密度為:

式中:t1為激光輻照開始時刻，t2為激光輻照結束時刻，t為采樣時刻。根據復合陣列的設計思想，Jxy可由與該光電探測單元相鄰的幾個量熱探測單元處激光輻照能量密度值插值計算給出。由此可得:

進而可求得該探測單元采樣的光功率密度值序列。

3.3 光斑圖像數(shù)據矩陣

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

量熱探測單元陣列得到的是一個18×18的采樣矩陣，矩陣中的數(shù)值表示其對應量熱探測單元所在面積內輻照激光的平均能量密度。光電探測單元陣列得到的是一組17×17的采樣矩陣，矩陣中的數(shù)值表示其對應光電探測單元所在位置處相應采樣時刻的輻照激光功率密度，矩陣中的空格通過相鄰位置測量值插值計算補足。

根據實際應用中對圖像顯示大小及分辨率的要求，結合模型設計和輸出需求，可選用相應的插值方法來處理采樣矩陣，最終形成光斑圖像數(shù)據矩陣。

圖3 石墨熱容測量Fig.3 Heat capacity measurement of graphite

4 復合陣列標定

根據量熱光電復合陣列算法設計思想，光電探測單元陣列測量的不確定度主要由量熱探測單元陣列傳遞而來，由此，標定工作的重點在于對量熱探測單元進行絕對標定。

由式(1)可知，完成標定需要準確給出石墨材料在不同溫度下的熱容。具體標定采用“固體材料高溫熱擴散率試驗測量方法-激光脈沖法”進行，如圖3所示。

測試中石墨樣品被放置于一個溫度可調的真空加熱爐中，激光經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生溫升，根據吸收激光能量和石墨片的溫升值可計算得出待測石墨材料的熱容數(shù)據，從而得到石墨材料不同溫度下的熱容擬合曲線。石墨材料的熱容測量依據“中華人民共和國國家軍用標準 GJB1201.1-91”執(zhí)行，在溫度為300～1 300 K內，測量不確定度最高為5.0%(k=2)。

量熱探測單元熱輻射損失修正是另外一個需要絕對定標量。標定利用5 kW高功率CO2激光器結合在線式功率計完成，布局如圖4所示。利用光閘精確控制激光輻照探頭的時間，并利用5 kW的轉針式功率計實時監(jiān)測入射到探頭上的激光功率，功率計的測量不確定度＜3.0%(k=2)。

圖4 量熱探測單元標定實驗Fig.4 Calibration experiments of calorimetric detecting module

5 結論

本文提出了量熱光電復合陣列。該復合陣列基于現(xiàn)場實時定標的思想，將量熱測試技術和光電測試技術優(yōu)勢結合起來，通過復合算法實現(xiàn)兩類測量數(shù)據的有效融合，充分發(fā)揮了兩種測量方法的優(yōu)勢，減小了標定難度，提高了光強分布測量結果的可靠性。由于其兼具量熱型探頭絕對激光能量密度測量準確，光電探測器時間測量分辨率高的優(yōu)點，可用于大面積高能激光束遠場光強空間和時間分布的絕對測量。

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