（光学工程专业论文）激光能量现场测量技术研究.pdf

激光能量现场测量技术研究 学科：光学工程 研究生签字：刺l 指撕婵聱疡 摘要 激光技术自从其诞生以来，就得到了不断的发展，其应用渗透到国防、科技、工业、 民用等各个领域。激光的产生和发展对激光计量技术，尤其是激光能量计量提出了新的要 求，发展了诸如光电型激光能量计、体吸收或热电偶型激光能量计、热释电型激光能量计 及量热型激光能量计等多种类型的激光能量计。通常情况下对激光能量的准确计量是在实 验室环境温度( 2 0 士2 ) 下进行的，但是，在某些特定场合例如：靶场、战时现场、工厂 车间等，这些现场的温度可达到到4 0 - 5 0 甚至可达到5 0 - 7 0 。由于激光能量计 传感器的灵敏度与温度条件有关，目前现有的激光能量计无法在非标准环境温度下进行准 确测量，造成激光能量计量标准和实际使用之间的脱离。激光现场能量测量技术研究从体 吸收型激光能量计入手，对体吸收型能量计原理及设计进行了详细描述；对收体的选择进 行了理论分析和试验研究；对热电堆的选择进行了理论分析和试验研究，并研究了热电堆 的温度特性，给出了试验结果；对能量计的热损失情况进行了理论分析和试验研究，根据 数学模型和最小二乘法，对能量计吸收体的温度变化进行了数据拟合，拟合结果与原始降 温曲线基本重合。在拟合曲线的基础上，对能量计测量结果进行了补偿修正，使测量结果 重复性得到了较大的提高。通过环境实验，对能量计的灵敏度和环境温度的函数关系进行 了拟合，得到了全温度范围内能量计的灵敏度系数，实现了体吸收型激光能量计在非标准 环境温度下的准确测量。 便携式现场激光能量计是目前研究的一项空白，对现场激光能量进行准确计量提高了 激光器的实用价值，使激光器的能量更符合实际情况，拓展了激光能量计的应用领域，促 进了激光参数计量技术的发展。 关键词：激光能量；体吸收型激光能量计；热能损失；温度特性 r e s e a r c h i n go fl a s e re n e r g yl o c a l em e a s u r e m e n t d i s c i p l i n e ：o p t i c se n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u 代：烈以厶9 吁 s u p e r v i s o r s i g n a t 叭割哪么、鲫叼 a b s t r a c t n l el a s e rt e c h n i q u eh a sb e e nd e v e l o p e dq m c m ys i n c ea p p e a r e da n di th a db e e nu s e do n v a r i e df i e l d ，s u c ha sn a t i o n a ld e f e n s e ，s c i e n c et e c h n o l o g y , i n d u s t r y , c i v i l - u s ee t c ，n l ec r e a t i o n a n dd e v e l o p m e n to fl a s e rp u tf o r w a r dan e wr e q u e s tt ot h el a s e rm e a s u r e m e mt e c h n i q u e ， e s p e c i a l l yt ot h em e a s u r e m e n to fl a s e re n e r g y a n dt h e nal o tk i n d s o fl a s e re n e r g yp a r a m e t e r i n d i c a t o r , i t si n c l u d ep h o t o e l e c t r i cl a s e re n e r g yp a r a m e t e ri n d i c a t o r , b o d ya b s o r b e d l a s e r e n e r g yp a r a m e t e ri n d i c a t o r , t h e r m o c o u p l et y p el a s e re n e r g yp a r a m e t e ri n d i c a t o r , p y r o e l e c t r i c l a s e re n e r g yp a r a m e t e ri n d i c a t o ra n dc a l o r i cl a s e re n e r g yp a r a m e t e ri n d i c a t o r , u s u a l l ya c c u r a t em e a s u r m e n to fl a s e re n e r g yi s t a k e ni nl a b o r a t o r ya n dt h el a b o r a t o r y e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ei s2 0 2 b u ti ns o m es p e c i a le n v i r o n m e n t ( s h o o t i n gr a n g e ， w a rf i e l d w o a k s h o p ) t h et e m p e r a t u r ec a l lb e _ 4 0 。c - 。5 0 ca n de v e nc a nb e - 5 0 。c 7 0 b e c a u s et h es e n s i t i v i t yo fl a s e re n e r g ys e n s o ri sc l o s e dr e l a t i o nw i t ht h em e a s u r e m e n t t e m p e r a t u r e ，s oi nt h e s es p e c i a ls i t u a t i o nt h el a s e re n e r g yc a nn o tb ea c c u r a t em e a s u r e db yu s e d t h o s el a s e re n e r g yp a r a m e t e ri n d i c a t o ra b o v ea l l ，a n dt h ec o n s e q u e n c ei st h el a s e re n e r g y m e a s u n n e n ts t a n d a r di se s c a p e df r o mw i t ht h ea c t u a lu s a g e t os o l v i n gt h i sp r o b l e m , w ec a n u s eb o d ys b s o r b e dl a s e re n e r g yp a r a m e t e ri n d i c a t o ri nl o c a l em e a s u r e m e n gi nt h i sn o n i d e a l s i t u a t i o n , w ec a ns u r ew h i c ha b s o r b e ra n dt h e r m o p i l ea r ea p p r o p r i a t et h r o u g ha n a l y s ea n d e x p e r i m e n t a t i o n a n ds a m et i m ei nt h i sp a p e raa n a l y s ea n de x p e r i m e n t a t i o no fa b s o r b e r s r e s p o n s ei n f l u e n c et od i f f i r e n tw a v e l e n g t hw e r eg i v e n a l s ot h ec h a r a c t e ra n dt e s tr s a u l to f t h e r m o p i l ew e r eg i v e n a n dt h e o r ya n a l y s i sa n de x a m i n a t i o no fc a l o r i c l o s to fe n e r g y m e a s u r e m e n td e v i c ei sa l s os u p p o r t e d ，a c c o r d i n gm a t h e m a t i cm o d e la n dl e a s t s q u a r em e t h o d ， t h ef i t t e dd a t ao ft e m p e r a t u r ev a r i e t yo fa b s o r b e db o d yi ne n e r g ym e a s u r e m e n td e v i c ei ss a m e a sa c t u a lc u r v eo ft e m p e r a t u r ed e c r e a s e d ，t h r o u g ht h ec o m p e n s a t i o na n da m e n d m e n to f m e a s u r e m e n tr e s u l to fe n e r g ym e a s u r e m e n td e v i c eo nt h eb a s eo ff i t t e dc u y v e ，t h er e p e t i t i o no f m e a s u r e m e n tr e s u l ti s i m p r o v e dl a r g e l y t h r o u g he n v i r o n m e n te x p e r i m e n t , t h ef i t t e d r e l a t i o n f u n c t i o no fs e n s i b i l i t ya n de n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r eo fe n e r g ym e a l s u r e m e n td e v i c ei s g i v e ni nt h i sp a p e r , t h es e n s i b i l i t y - c o e f f i c i e n to fe n e r g ym e 嬲u r e m e n td e v i c ei l li t so p e r a t i o n t e m p e r a t u r ei sg o t , a n du s ee n e r g ym e a s u r e m e n td e v i c eo fb u l ka b s o r p t i o nc a nc o r r e c t l y m e a s u r et h el a s e re n e r g yi nn o n s t a n d a r de n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e p o r t a b l el o c a l ee n e r g ym e t e ri s b l a n ki nl a s e re n e r g ym e a s 珊e m e m ，, s oaa c c u r a c y m e a s u r e m e n tf o rt h el o c a l el a s e re n e r g ym e t e ri m p r o v e db i g g e s tp r a c t i c a lv a l u eo fl a s e r m a k i n g t h el a s e rm a t c ht h ea c t u a lc i r c u m s t a n c em o r eg o o d , t h eu s a g ef i e l do fl a s e re n e r g ym e t e ri s e x p a n d e db i g g e s t ，a n dt h ed e v e l o p i n go fm e a s u r e m e n tt e c h n i q u eo fl a s e rp a r a m e t e ri sa s l ob e p r o m o t e dv e r yb i g k e y w o r d s ：l a s e re n e r g y ；b u l ka b s o r p t i o nl a s e rc a l o r i m e t e r ；t h e r m a l - l o s t ； t e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i c 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。大学有权保留送交的 学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 菜 2 0 0pv ，比金属丝热电偶温差电动势率高l 2 个量级，用漆包卡玛丝双线并绕在导热体边缘的凹槽上作加热器。 成对设计的差分结构有两个接收器，一个是真的激光能量接收器，一个是零点补偿接收 器。两个接收器性能相同，差分联接。这样做的目的是可以消除环境温度变化引起零点的 漂移，提高能量测量精度。 对于短脉冲激光的测量，体吸收型能量计表现出了良好的优点，但是对于长脉冲激光 西安工业大学t 程硕士论文 i 、 吸收体2 、加热器3 、导热体4 、热电堆5 、恒温体6 、双层外壳 图1 5 能量计成对设计的差分结构简图 的测试，由于吸收体吸收热量温度上升过程经历的时间比较长，吸收体和外界会因为热交 换产生很大的能量损失，造成测量不准确，因此需要用其他种类的能量计针对不同脉冲长 度的激光对体吸收型能量计进行校准。体吸收型能量计的测温元件大都采用热电堆或者热 电偶，而热电堆或者热电偶温度灵敏度受环境温度影响较大，给测量带来很大不确定度。 1 2 课题背景 通常情况下对激光能量的准确计量是在实验室环境温度( 2 0 2 ) 下进行的【卜6 j ，因 为在此种环境下测试系统工作最稳定，也最接近最高标准的工作环境。但是，在某些特定 场合所处的环境温度和实验室大不相同，例如：靶场、战时现场、工厂车间等。这些现场 的温度偏离实验室的温度很多，可达到到一4 0 - - 5 0 甚至可达到一5 0 - 7 0 。由于激光 能量计如光电型激光能量计、体吸收或热电偶型激光能量计、热释电型激光能量计及量热 型激光能量计等，传感器的灵敏度与温度条件有关p ，在- 5 0 7 0 的温度范围内，有 的传感器灵敏度偏差可达到1 6 ( 镍铬一镍硅热电偶) 。如果不对能量计进行温度灵敏度 校准，则在靶场、战时现场温度条件下，目前现有的激光能量计无法进行准确测量，造成 激光能量计量标准和实际使用之间的脱离。国内外的专业人士在激光能量的测量过程中， 也认识到此问题的存在，并采取了一些方法来消除温度对测量的影响，但是，尚未找到一 个良好的解决办法。目前，公开发表的资料中没有查到国外激光能量现场测量装置及测试 方法的相关报导。国内解决此类问题的方法是把测试探头放在恒温箱中，对其加热或制冷， 使得其测量环境温度接近于实验室的环境，装置结构如图1 6 所示。 这种方法的主要优点：通过激光能量标准装置校准后，能量计可直接用于现场测量。 这种方法的主要缺点： 1 ) 能量计附件( 加热和制冷设备、测温设备等) 太多，不适合现场便携式激光能量计 量测试，而且成本高不适合大量应用； 2 ) 通过加热和制冷使能量计所处的环境温度变化，准备时间长，影响测量的效率； 3 ) 制冷加热产生空气流动，导致能量计表面存在明显的热对流，影响能量计测量结 果的可靠性； 6 西安t 业大学- 丁程硕士论文 制冷系统 外壳 图1 6 加热制冷法现场能量计示意图 4 ) 当温度高于4 5 时，要制冷非常困难； 5 ) 无法实现便携。 由于以上问题的存在，给激光能量计的现场测量带来了很大困难。本课题的立项就是 为了解决此类问题，填补便携式激光能量计现场测量技术的空白。 1 3 本文工作 体吸收型激光能量计具有波长选择性宽、损伤阈值高、能量测试范围广等特点。经过 反复比较本课题决定采用较成熟的体吸收式能量计作为现场激光能量计的主体。体吸收型 能量计对短脉冲激光能量的测量由于脉冲短( 最长也近毫秒级) ，激光停止照射后吸收体 达到热平衡时间接近，其损失的相对热量较少，因此，在某环境温度下只需一次标定，就 可以实现在该环境下的准确测量。而对于长脉冲激光的测试由于吸收体吸收热量温度上升 时间较长，吸收体和外界热交换会产生很大的能量损失，因此对应的热损失的相对值也就 较大，而且，这些值还随着激光脉冲的长度变化而变化，造成能量测量不准确。另外体吸 收型能量计的测温元件大都采用热电堆或者热电偶，而热电堆或者热电偶温度灵敏度受环 境温度影响较大，大多数的激光能量计的热电偶冷端参考点为环境温度，由于热电偶的非 线性，在环境温度变化较大时，热电偶面对相同的温升其输出电压将产生很大的差异，给 测量带来很大不确定度。因此本文针对存在的上述问题开展了以下工作： 1 3 1设计制作体吸收型激光能量计 根据体吸收型激光能量计的工作原理设计研制现场激光能量计。现场激光能量计的工 作原理如图1 7 ： 能量计的主体是能量计探头。为了满足现场测量的特殊要求，设计采用两个结构相同 并反向连接的吸收体构成能量计探头。其中一个吸收体的作用是接收激光辐射，另一个吸 收体则提供补偿，两个完全一致的吸收体之间绝热且反向联接。这样当外界环境温度不完 全稳定时，补偿吸收体能反映出与接受辐射的吸收体同样的温度漂移，因此，它可以提供 一个更好的温度参考点，以消除环境温度漂移的影响。同时在能量计内部内置温度传感器， 7 两安1 = 业大学：r 程硕士论文 图1 7 体吸收型能量计工作原理图 测量能量计所处的环境温度，能量计内置单片机根据此温度及通过激光能量标准装置校准 测量现场能量计所得到的温度灵敏度关系曲线，对所测量得到的激光能量予以修正，从而 消除环境温度对测量结果的影响。 1 3 2建立激光能量计热损失模型 由于体吸收型能量计对长脉冲激光能量的测量存在热损失，因此激光能量计的吸收体 温度升高并不是吸收体吸收全部激光能量的反映，而是经过热损失后的结果，因此要实现 准确测量，必须要对吸收体的热损失进行修正。本文将利用热力学相关知识，对能量计的 热损失进行系统、科学的分析，在此分析的基础上建立热损失的数学模型，根据数学模型 对能量计的热损失进行补偿、修正，并由修正结果计算能量计的灵敏度系数。 1 3 3能量计温度特性理论及实验研究 体吸收型能量计的测温元件大都采用热电堆或者热电偶，而热电堆或者热电偶温度灵 敏度受环境温度影响较大。为了满足现场激光能量测量环境温度变化较大的要求，需要对 能量计的温度特性进行分析研究。在求得标准环境下的能量计的修正系数后，将能量计放 置在环境试验箱中，利用环境试验箱制造不同环境温度，在4 0 7 0 的环境温度下每 隔l o 对能量计的灵敏度系数进行标定。通过环境实验后，能得到各个环境温度下的灵 敏度系数，根据最小二乘法，便可求得灵敏度系数和环境温度的函数关系，在实际测量中， 就可以根据环境温度计算能量计所对应的灵敏度系数，最终实现非标准环境下对激光能量 的准确测量。 8 2 现场激光能量计设计 2 现场激光能量计设计 本课题要测量的激光主要是脉冲激光，经过反复比较决定采用较成熟的体吸收型能量 计作为现场激光能量计的主体。体吸收型激光能量计所针对的脉冲型高功率激光器的输出 特点是：脉冲宽度 2 0 n s ，激光能量 5 o o j ，波长范围0 4u1 1 1 、1 5 5l am ，重复频率 5 h z 。 现场激光能量计采用中性玻璃为吸收材料，激光在m m 量级厚度内逐步吸收，损伤阈值很 高( 以2 m m 厚a b 5 玻璃为例，通过计算及实验测量激光损伤阈值为2 0 j c m 2 ) 。目前一般现 场使用的激光器输出为：脉冲宽度 2 0 n s ，激光能量l m j 1 o j ，波长范围o 4um 1 5 51 tm ， 重复频率 r o 时，p 。( r ) 与 总热电势( 或热电流) 的方向一致，时e b ( 瓦) 与总热电势的方向相反，当t 暑 出 脚 。 二一 l 标准热电偶数据 【i 自制热电偶数据 温厦( 1 2 ) 图2 1 3 自制热电偶与标准热电偶关系图 由图中可以看出自制热电偶的数据与标准热电偶的数据重合的相当好，说明自制热电 偶满足要求可以使用。 2 4 热沉设计 热沉的作用就是为测温提供参考温度基准并作为温度测量的冷端。对热沉的要求就是 提供稳定的温度参考，在室温下常用金属材料的部分热物理参数如表2 3 t 2 5 1 。 由表2 3 可见，铜材料热导率、热扩散率较高，且较经济。所以选择铜作为制作热沉 的材料。用1 5 0 x 1 2 0 x 4 0 m m 3 的铜块做试验，其温度特性见表2 4 ，由表中可以看出在较 短时间内铜块可以提供相当稳定的温度基准。 2 0 西安工业人学工程硕十学位论文 表2 3 金属材料部分热物理参数 表2 4 热沉温度特性表 2 5 实验分析及结论 为了对能量计进行性能的评估与考察，我们设计了标定实验。为此建立了如图2 1 4 的实验装置： 计探头 图2 1 4 能量计标定实验装置图 我们采用的是1 0 6 4 p , m 连续激光器。激光器稳定性非常好，5 小时内输出激光功率的 稳定度可达到5 0 ，在短时间( 几十秒内) 输出稳定度更高。其工作原理为：在标准环 境温度条件下，先用标准激光功率计对激光器功率进行测量。通过控制快门的开启与关闭 控制激光对能量计的照射时间，也就是控s o t 入射激光的能量。光电二极管接收分束镜反 2 l 西安工业大学t 程硕士学位论文 射的激光，通过示波器对二极管的输出信号进行测量实现对通光时间的准确测量，然后用 能量计探头替换标准激光功率计，记录能量计测得的激光功率、照射时间、能量计电压输 出的最大电压值、最小电压值，将最大最小电压之间的电压差以及通过换算得到的灵敏度 系数制表，得到表2 5 ： 表2 5 能量计测量数据 表中，入射激光能量的计算方法是： e = e f l p t ( 2 4 2 ) 其中： g 激光分束镜透过率，= 9 5 ； 卜能量计吸收体激光吸收率，经计量f l = 9 0 ； 尸l 入射激光功率值； 卜照射时间： 能量计灵敏度系数0 【的计算方法是： e o t = ：_ ( 2 - 4 3 ) 一。 。 经计算，得到能量计灵敏度系数平均值为0 7 0 8 j m v ，灵敏度相对测量重复性为5 7 。 根据实验结果对能量计的灵敏度系数同入射激光脉冲时间绘图，得到图2 1 5 ： 西安工业大学工程硕士学位论文 灵 敏 度 系 数 051 01 52 0 入射时间( s ) 图2t 5 能量计曼敌度系数同 射时闻关系图 由图中可以看出，入射激光照射时间长度越长，能量计对应的灵敏度系数越大，反映 到吸收体上就是其对应的能量损失相对就越多，但是由图中也可以看出灵敏度变化趋势并 不是跟入射激光的照射时间长度成简单的正、反比函数关系。 能量计实物图见图2 ，1 6 。 圈21 6 能量计探头实物图 他祁记嘲=s叭 0 0 o o 0 0 0 西安r t 业大学工程硕士学位论文 3 能量计热能损失补偿方法的研究 激光照射能量计吸收体后，吸收体吸收激光能量，将光能转换为热能，使吸收体的温 度升高，经过内部热传导在一定时间内达到热平衡，此时热电堆的输出电压达到最大值， 由于吸收体升温的过程中与外界环境产生热交换造成热量损失，因此这个电压最大值并不 能完全反映入射激光的能量。热损失的大小与吸收体上升的温度、升温时间、环境温度均 呈非线性关系，要实现准确测量就必须对每次测量结果都进行修正【2 2 1 。因此我们准备利 用热力学知识对吸收体同周围环境的热交换( 包括：吸收体与周围空气的热对流换热、吸 收体和空间的辐射换热、吸收体和热电堆之间的热传导换热) 进行理论分析，并在分析的 基础上建立数学模型，对吸收体的热损失进行补偿，最终得到准确的激光能量值。 3 1 热交换方式简介 热量损失有三种基本方式，即热传导、热对流和热辐射，不同的熟交换方式分别遵守 不同的规律，下面分别对其进行介绍。 3 1 1 热传导理论 物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动 而产生的热量传递称为热传导( 也称导热) 。由热传导定义可知，固体内部热量从温度较 高的部分传递到温度较低的部分，以及温度较高的固体把热量传递给与之接触的温度较低 的另一固体都是热传导现象，都遵守热传导的基本定律。从微观角度看，导热是依靠组成 物质的微粒的热运动传递热量的。温度较高时，微粒有较高的能量，这些微粒和低温物体 部分较低能量的微粒相互作用( 碰撞、扩散等) ，就形成了导热【4 1 q 3 1 。 大量实践经验表明，单位时间内通过单位截面积所传递的热量，正比于垂直该截面方 向上的温度变化率，即 ma 丁 彳缸 ( 3 1 ) 式中，为热量，a 为面积，t 为温度，x 为垂直于面积a 的坐标轴。 经过傅立叶对该现象的总结，得到热传导基本定律：在导热现象中，单位时间内通过 给定截面的热量，正比于垂直于该截面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方 向则与温度升高的方向相反。 根据该定律，当将材料视为连续介质时，沿热量传播方向通过介质中某一平面的热能 通量q 与局域温度梯度成正比，从而得到傅立叶定律的数学表达式： p k g r a d t 一警刀 一2 ， 韶( 气) 西安t 业人学工程硕十学位论文 式中，q 为空间某点的热量密度矢量；g r a d t 是该处的温度梯度；1 1 是通过该点的等温 线上的法向单位矢量，指向温度升高的方向；k 为材料的导热系数，负号体现了热量由高 温向低温流动的现象。 导热系数是表征材料导热性能优劣的参数，是材料的一种基本物性参数，因此，通过 解方程，即可得到热流量的变化。 式( 3 3 ) 表明导热热流量与温度变化率有关，因此研究热传导必然涉及物体的温度分 布。一般而言，物体的温度分布是空间位置与时间的函数，即 t = f ( x ，y ，z ，f ) ( 3 3 ) 式中：x 、y 、z 为空间笛卡儿坐标；t 为时间坐标。 温度场有两大类，一类是稳态温度场，此时物体各点的温度不随时间变动：另一类是 非稳态温度场，此时温度分布随时间改变。 稳态条件下，温度分布的表达式简化为： t = f ( x ，y ，z ) ( 3 4 ) 傅立叶定律是热传导的基本定律，为了获得具体导热问题的温度分布，还必须给出用 以表征该特定问题的一些附加条件，即定解条件。对非稳态导热问题，定解条件有两个方 面，即给出初始时刻温度分布的初始条件，以及给出导热物体边界上温度或换热情况的边 界条件；对于稳态导热问题，定解条件没有初始条件，仅有边界条件。 3 1 2 热对流理论 对流是由于液体、气体中温度不同的各个部分之间发生