高能激光能量直接测量技术

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能量参数作为高能激光系统性能评价最核心的技术指标之一，为系统研制过程中激光效应试验研究、指标验证以及系统综合性能评估等方面提供最重要的参考依据。能量直接测量技术是利用全吸收式能量计将入射的高能激光全部吸收后，基于光热转换效应实现对高能激光能量的绝对测量。然而由于高能激光具有功率高、能量大的显著特点，极易造成全吸收能量测量装置的烧蚀损坏，因此能量直接测量实现起来一直较为困难。

为了解决上述难题，从2000年开始，中国工程物理研究院应用电子学研究所开展了独具特色的高能激光能量直接测量技术的研究，近几年，连续突破了能量计抗激光损伤阈值、大梯度下温度准确测量技术、热损失控制与修正、高能激光能量计等效校准等关键技术，实现了对不同参数高能激光源全吸收能量测量设备的系列化研制。

1  能量直接测量技术的核心难题

高能激光能量直接测量技术一般包括被动吸收型能量直接测量技术和主动冷却型能量直接测量技术，无论是哪种方法，如何提高能量计的抗激光损伤阈值都是需要解决的首要问题；其次，需要通过增加吸收体对激光的吸收率以及控制与修正能量计入口逸出能量以提高能量计的全吸收效率；同时，由于激光的能量较高导致吸收体的温度陡增，并长期存在较大的温度梯度，能量计的热损失、温度准确测量的难度以及材料比热非线性等因素对测量不确定度的影响会显著增大，如何保证测量的准确度也是需要解决的重要问题。

近年来，中国工程物理研究院应用电子学研究所在被动吸收型和主动冷却型这两种能量直接测量技术开展了大量的研究工作，并在此基础上首次提出一种新型水流吸收型的能量直接测量技术，突破了对材料抗激光损伤阈值的限制。这里分别介绍几种我院独立研制的具有高测量准确度、耐强光损伤的高能激光能量全吸收测量装置，以及在提高高能激光能量测量能力和测量准确度等方面所开展的研究工作。

2  被动吸收型高能激光能量直接测量技术

被动吸收型技术是利用固体材料直接作为高能激光吸收介质，降低到达吸收体表面的高能激光功率密度是解决抗激光损伤的有效手段。中国工程物理研究院应用电子学研究所周山等科研人员研制了一种基于锥腔型结构的小型化高能激光能量计，将高纯石墨固体材料加工成一个锥体结构达到降低激光功率密度及提高对入射激光全吸收率的效果。锥体内表面加工V形槽的工艺处理，能增加表面积进一步降低入射激光功率密度，同时V形槽设计还可以使激光发生多次漫反射，从而增加腔体的吸收率。锥腔的外表面进行了绝缘处理，缠绕粘接铂电阻丝，利用铂电阻丝的阻值变化来测量吸收体的温升，根据吸收体的质量和比热容计算出激光能量。

随着被测高能激光功率、能量的不断攀升，锥腔吸收体的质量也相应增加，导致系统体积较大，热平衡较慢，吸收体会在很长一段时间内存在较大的温度梯度，温度测量的不确定度会显著增大。针对这些问题，中国工程物理研究院应用电子学研究所魏继锋带领研究团队，于2012年提出了一种利用多个分立的热电偶传感器测量吸收体温度的方法，通过对热电偶传感器合理的布局，获得吸收体的温度分布，从而对材料的比热、温度传感器的响应度及热损失进行修正，有效提高测量准确度。吸收体上传感器的布局如图1。该方法中将吸收体划分为若干的区域，每个区域设置一个热电偶测量出该区域内平均温度并对该区域的材料比热容和传感器的响应度进行修正，从而大幅降低了温度测量过程中引入的测量误差，另外对于从出口逸出的激光能量损失则采用光线追迹方法进行了计算和补偿，热损失利用有限元方法进行了计算分析和修正，在采取上述方法补偿和修正的基础上，系统的测量精度得到了大幅提高，利用大功率卤钨灯作为校准源的高能激光能量计校准方法对上述系统进行了校准，得到的校准系数为1.009，校准系数的测量不确定度为2.6%(k=2)。

基于反射锥结构的高能激光能量计，通过加工成半球形或者锥体的反射锥将光束扩展到外围的铝制或者铜制圆筒上，测量圆筒的温升换算得到激光能量。为了对高能激光能量计吸收体上的温度场进行有效控制，降低吸收体表面的最大温升，减小吸收体上的温度梯度，中国工程物理研究院应用电子学研究所魏继锋研究团队于2015年提出了一种阶梯锥结构如图2所示，利用多个阶梯状反射面将激光能量分配到吸收体的各个部分，通过对吸收体进行划分，并控制吸收体各部分的质量、结构、V形吸收槽夹角与深度，从而达到控制温度场和缩短热平衡时间的目的，然后利用吸收体外表面粘接的温度传感器测量其温升，结合质量和比热计算得到入射激光能量。

采用固体材料直接作为吸收体的方法较为简单，涉及的环节少，测量不确定度的控制和分析也较为容易，但受制于材料本身热导率等物理特性，热交换效率有限，材料抗高能激光损伤阈值有限，较易损坏，且系统热平衡时间较长，因此更适合于应用于中低功率高能激光准连续测量，尤其适用标准能量计的研制中。

3  主动冷却型高能激光能量直接测量技术

主动冷却型高能激光能量测量技术其主要原理是在被动吸收型能量计的结构基础上增加冷却装置，通过提高系统的热交换效率而进一步达到抗激光损坏的目的。中国工程物理研究院应用电子学研究所魏继锋等科研人员提出了一种基于阶梯反射锥结构的主动冷却型高能激光能量计，其结构示意图如图3所示。

能量计的吸收腔设计为圆筒形，筒壁采用无氧铜作为吸收体，在吸收腔顶端设置有阶梯状喷砂镀金反射锥，激光入射至反射锥会发生多次漫反射，最终被筒壁吸收体所吸收。筒壁吸收体内侧加工有数个V形槽，并且表面做了特殊工艺处理以增大对激光的单次吸收效率，吸收体内部和阶梯反射锥内部均设计有水流通道，与外部水循环冷却系统相连接。利用水作为冷却介质不断地带走吸收体和阶梯反射锥上的热量，降低其表面的温升，并通过测量冷却水在吸收热量前后的温升变化计算出激光能量。得益于水流的主动冷却作用，热传导效果得到了较大的改善，减少了吸收体的热累积，使得系统可测量的功率和能量上限显著提高。

水流作为冷却介质的方法由于具有更高的热交换效率，较固体直接作为吸收体的方法更适合于测量高功率、大能量高能激光连续测量，但是仍需要先将入射到吸收体的功率密度降至足够低，以保证吸收体上的平衡温度低于材料的损伤阈值，系统设计也较为复杂。

4  水流直接吸收型高能激光能量直接测量技术

中国工程物理研究院应用电子学研究所魏继锋研究团队国内首次提出了一种直接利用水流作为吸收介质的高能激光全吸收方法，并利用该方法建立了高能激光能量全吸收测量系统，高能激光直接通过安装在吸收腔上窗口镜进入水流中，并被水流所吸收，通过测量水流通过吸收腔前后的温差计算出水流的能量增量，该方法的原理框图和吸收腔的结构图如图4和图5所示。

研究团队还对该测量装置吸收腔内的热交换模型、相变模型以及传感器响应时间对测量精度的影响进行深入研究，由于该项技术中采用的是一种体吸收方法，吸收介质能够快速地流动，因此热交换效率显著提高，系统的热平衡时间也大幅降低，一般的高能激光能量计热平衡时间通常在激光辐照结束后数十秒后才能达到热平衡，而采用该方法能量计达到热平衡的时间可以控制在1 s以内，图6给出了某次实验中能量增量响应时间和激光功率波形曲线，对比两个曲线可以看出激光开始辐照和结束辐照后很短时间系统就达到热平衡了，尽管在激光辐照的最初阶段以及激光结束出光的短时间内两者的曲线并不吻合，但是两根曲线的积分结果完全一致，保证了能量测量的准确性，同时大幅提高了系统的测量能力。

为了保证测量的准确度，一方面应减少相变的发生，因此将系统设计成一个密封结构，确保相变气体能够完全逆变，消除相变的影响，另一方面引入强制热交换方法对流场进行控制和整形，使水流的温度快速达到均匀，从而消除温度不均匀对测量准确度的影响，通过这些措施保证了测量系统的准确度。利用水流吸收型高能激光测量方法可以大幅提高高能激光能量计的功率测量上限，同时，中国工程物理研究院应用电子学研究所魏继锋研究团队还利用电热等效方法对系统展开了校准研究，使得能量计修正系数为1.015，系统的测量不确定度为4.8%(k=2)。

新型水流吸收型能量测量技术采用了新测量机理突破对吸收体材料损伤阈值限制，热交换效率高，热平衡时间短，适合超高功率、超大能量高能激光能量测量，属于功率平衡型能量测量技术，尤其适合于长时间连续能量测量。