高能激光能量直接测量技术及其发展趋势

高能激光功率高、能量大,造成激光能量计容易损坏和测量不确定度增加。围绕上述问题对国内外现有的几种高能激光能量直接测量方法进行了比较和归纳,对各种技术的优点和缺点作了深入的分析,在此基础上阐述了高能激光能量直接测量技术的发展趋势。研究表明,提高热交换效率是提升高能激光能量计测量能力最高效的措施,尤其是在采用体吸收模式和强制热交换模式的情况下这种效果更加明显;消除吸收体上温度梯度对吸收体材料比热和温度传感器响应时间的影响是提高被动吸收型高能激光能量计测量准确度的关键,在水流冷却型高能激光能量计和水流直接吸收型高能激光能量计中消除水流相变的影响和控制水流温度场不均匀造成的影响则是保证温度准确测量的关键。目前各种高热交换效率和新体制的测量方法得到快速发展和应用,系统的测量能力和测量准确度大幅提高,为了适应未来长时间测量需求,能量累积型高能激光能量计逐渐被功率平衡型高能激光能量计所替代。     

全吸收旋转式高能激光能量计吸收腔设计

为了解决高能激光总能量测量中所面临的抗激光损伤能力问题,设计了一种新型旋转式全吸收激光能量计,具有测量不确定度低、系统结构简单、环境适应性强等诸多优点,尤其在长时间出光的强激光能量测量中具有独特优势。光线追迹软件数值模拟结果表明激光辐照过程中能量逃逸率小于0.3%。利用有限元软件,模拟计算了连续激光辐照下能量吸收体的温度场分布和最高温升情况,给出了热吸收体最高温升与旋转速度的关系,分析了测温探测器安装深度对温度传感器测温曲线的影响。该旋转式能量计完全可以满足数十兆焦耳激光能量测量要求,也为更高能量的激光参数测试提供了一种全新的技术手段。     

石墨锥型高能激光全吸收能量计设计

在高能激光能量计吸收体上很长时间内均存在较大的温度梯度,这导致吸收体真实温度的测量非常困难,材料的比热、传感器的响应度和吸收体的热损失对测量准确度的影响较显著,模拟了吸收体上温度场特性,提出了一种利用多个分立的热电偶传感器测量吸收体的温升的方法,通过对热电偶的间距以及在吸收体中的深度加以控制,可以准确地反映吸收体上每一小部分的平均温度,从而达到对比热和传感器响应度修正的目的;采取措施大幅降低热损失比例,并结合实际温度场分布和系统热平衡时间对热损失可以获得热损失占比;利用光线追迹方法可以大幅简化吸收体吸收率研究,以实际光束和吸收腔参数为模拟对象计算了吸收腔的吸收率,并对测量结果进行修正。在分析了系统各个环节的测量不确定度的基础上估算出设计的激光能量计的测量不确定度约为5.8%(k=2),采用现场比对方法验证该测量不确定度的合理性。     

大口径高能量激光测量中后向散射能量研究

锥形吸收腔高能量激光能量计测量过程中的后向散射能量分布是影响测量准确度的一个关键参量.依据锥形腔能量计内表面与入射激光相互作用的光学定律,推导了能量计内入射激光光束能量的分布函数;并结合复化辛普森数值计算方法,计算分析了当能量计反射系数一定,而入射激光光束直径与吸收腔直径之比不同时,锥形吸收腔开口处光功率密度分布和后向散射总功率.计算结果表明,对于大口径高能量激光,后向散射能量损失将达到0.5%至2.5%左右.根据后向散射光功率密度分布计算得到后向散射总能量,对测量结果进行修正,将有效改善高能量激光能量测量准确度.     

激光等离子体相互作用中量子电动力学效应对激光能量吸收的影响

为了研究强激光与等离子体相互作用中的量子电动力学(QED)效应对激光能量吸收的影响,用理论方法对强度为I>10^22wcm^-2、反方向传播的两束圆极化强激光与等离子体固体靶相互作用过程进行研究。探讨经典和QED情况下的辐射阻尼效应对激光能量吸收的影响。结果表明,在QED情况下,在相互作用过程中能够产生高能电子和高能辐射。这些高能电子集体振荡过程中的辐射阻尼导致激光能量的强吸收。QED情况比经典情况具有更好的实际应用价值。     

高能固体热容激光器大气热晕效应数值分析

气溶胶粒子从高能激光光束中吸收了能量,通过热传导加热空气,造成空气在光束内形成了温度的不均匀分布,产生对激光波面的影响,从而影响高能激光的传输.对单个和群体气溶胶粒子在单脉冲和多脉冲作用下的行为进行了详细分析;在粒子间距小于高能固体热容激光器的热传导特征半径时,只引起光的散射,而在粒子间距大于高能固体热容激光器的热传导特征半径时,可等效于分子吸收所致热晕.通过数值计算,在一定的简化计算条件下,热晕对高能固体热客激光器大气传输影响不大.     

不锈钢激光搭接焊接头温度场数值模拟及分析

温度场是影响激光焊接焊缝成形质量的关键因素。针对非熔透型激光搭接焊接头焊缝成"钉头"状的特点,通过分析焊接时材料吸收激光能量的分布情况,提出了高斯面热源加线性递增式柱热源的复合体热源模型。模型考虑板间接触热阻的影响,并将计算结果和试验结果进行了对比,发现模拟出的焊缝形状和试验吻合较好;此外基于本模型对焊缝各处的热循环与焊缝组织形貌及显微硬度的关系进行了分析。结果表明,焊缝组织形貌及显微硬度除与加热和冷却速率有关外,峰值温度对其也有重要影响;在热循环基本一致的情况下焊缝的性能相似。该模型较准确地模拟了薄板激光深熔焊接熔池温度场,对研究激光深熔焊接温度场问题和激光工艺参数的优化选择具有参考价值。     

水循环式激光能量计温度响应建模

随着激光技术的飞速发展,激光的输出能量越来越高,带来了激光能量参数测量方面的新问题。为了研究水冷却技术在能量计中的应用,对水循环式激光能量计的热传导过程进行了分析,将非稳态的传热过程离散成连续反馈的微型稳态传热过程,建立了一个计算模型。模型的计算结果表明,能量计输出温度曲线出现了类阻尼振荡特征。探索了曲线特征成因,得到类阻尼振荡现象的主要影响因素为激光辐照区域与无热源区域的比例。根据模型参数搭建模拟装置,通过实验验证了计算得到的曲线特征。     

高能激光量热式能量探头的研制

针对输出功率数千瓦的连续波激光能量测量需要,研制了一种量热式高能激光能量探头.该探头主要由高纯石墨激光能量吸收体、测温热电偶、绝热陶瓷等组成.重点介绍了探头的研制和通过探头温升回推激光能量的计算方法研究,以及探头测量标定工作.所研制的能量探头耐受激光破坏能力强、结构紧凑,可以组装成阵列,用于大面积高能激光束的能量分布测量.     

中红外高能激光光斑探测器

为定量测量中红外高能激光的总能量和功率密度时空分布,采用热吸收和光电量热复合相结合的测量方法,通过热吸收体温度场分布数值计算和探测器结构设计,研制了可用于长脉冲中红外高能激光测量的光斑探测器.探测器由量热堆、光电量热复合探测阵列、测温单元、数据采集单元和信号处理单元等儿部分组成.有效测量面积为12 cm×12 cm,光斑测量空间分辨率为2.4 cm,时间分辨率为25 Hz,总能最测晟不确定度小于10%,功率密度测量不确定度小于7%.实验表明,该探测器可测量最大能量超过50 kJ的数秒级脉冲中红外激光,采用该方法,可实现大面积、高能最和高空间分辨的高能激光光斑测量.     

基于压力传感器的脉冲微波量热计

设计了一种基于固定体积液体吸收微波能量后温度升高、压力增大原理的脉冲微波量热计.采用纯水作为吸收介质, 压阻传感器作为传感装置, 具有对液体热学性能参数要求低、量程大和灵敏度高的优点.实验结果表明:该型量热计的能量分辨率为0.5 J, 量程大于180 J, 证明了该方法用于大功率脉冲微波能量测量的可行性.同时, 在对吸收腔体表面的场分布进行优化设计后, 也可用于高功率微波能量测量, 为用于高功率微波能量测量的量热计设计提供了一种新的技术思路.     

Transient plasma shielding effects during pulsed laser ablation of materials

The absorption of laser energy by the plasma during pulsed laser deposition of thin films has been analyzed theoretically. The amount of laser energy absorbed in the plasma termed as the “plasma shielding factor” is a function of the incident laser wavelength, and time dependent plasma dimensions and electron density. Due to time varying parameters, a quantitative analysis of the plasma absorption is difficult. A model which takes into account the absorption of laser energy by the plasma has been developed. In this model, the time-dependent plasma dimension is replaced by the time dependent ablation depth. Using simulated absorption coefficient values, the ablation characteristics of silicon and high T_c superconductors are computed and compared with experimental results. The plasma shielding factor was found to vary approximately linearly with absorbed laser energy. The calculations also showed that the plasma shielding was strongly dependent on the laser fluence but varies very weakly with the simulated plasma absorption coefficient values. Experimental results on plume shielding showed good agreement with the calculations.     

室温脉冲Fe2+:ZnSe中红外激光特性研究

处于3~5m波段的激光源在遥感、环境保护、医疗、通信和红外对抗等民用和军用领域都有广阔的应用前景。Fe2+:ZnSe晶体由于在材料特性和光学特性等方面都具有明显优势,是3~5m波段极具潜力的激光介质之一。在室温条件下利用自制非链式脉冲HF激光器作为泵浦光源,对晶体直径为10 mm,厚度1 mm,Fe2+离子掺杂浓度为31019/cm3的Fe2+:ZnSe晶体进行了研究,获得了中心波长4 295 nm、最大输出能量78.8 mJ的中红外激光输出。输出激光能量相对于晶体吸收泵浦能量的转换效率为27.7%,斜率效率达28.8%。采用小角度（3）斜入射的方案很好地解决了Fe2+:ZnSe激光器谐振腔镜镀膜问题。     

漫反射聚光腔灯泵Nd:YAG激光器

分析了漫反射聚光腔的特点,从实验上证实采用漫反射聚光腔可实现灯泵Nd:YAG调Q激光器高能量、高效率输出.     

纳秒激光毫米级光斑辐照典型金属材料冲量耦合特性

利用纳秒脉冲激光器对典型金属材料在毫米级烧蚀光斑尺寸下的冲量耦合特性进行了实验研究。基于典型扭摆测量系统测量激光烧蚀产生的冲量特性,采用局部最小二乘法平移拟合的方法,对扭摆振动产生的微小位移实验数据进行了预处理,避免了噪声对冲量测量的干扰。设计了一种毫米量级烧蚀光斑尺寸测量方法。在此基础上,实验获得了毫米量级光斑辐照金属靶材Al 5A06、TC₄、30CrMnSiA的冲量,研究结果表明,在相同能量密度的情况下,钛合金TC₄对应的冲量最大,TC₄获得的最大冲量耦合系数大于Al 5A06和30CrMnSiA,其对应的最优能量密度却是三种材料中最小的。为了分析烧蚀羽流对冲量耦合特性的影响,估算了不同能量密度对应的羽流透射率,计算结果表明,当羽流透射率低于0.3时,大量的入射激光能量被羽流吸收,导致冲量耦合系数的下降。     

声光调制系统驱动器的研制

超短脉冲激光调制系统包括腔倒空驱动器、匹配网络和声光换能器。研制的激光脉冲调制系统运用锁相技术,采用单片、集成锁相环代替分立元件,实现了片内鉴频和鉴相,解决了高频信号传输的难题。研制的腔倒空驱动器能输出4 MHz、800 kHz、400 kHz、80 kHz、40 kHz、800 Hz、400 Hz等不同重复频率的脉冲信号,输出功率达到瓦级,满足了声光布喇格池的要求。匹配网络的加入使声光换能器充分吸收腔倒空驱动器输出的功率,增加衍射效率。激光脉冲调制系统已应用在皮秒时间相关单光子计数光谱仪系统中,在实际应用中取得了理想的效果。     

重频Cr,Tm, Ho:YAG激光器输出特性的实验研究

根据对2.1μm波长Cr,Tm,Ho:YAG激光器输出特性的实验研究,详细分析了腔长、输出镜透过率、全反镜曲率半径和水温等因素对激光器输出的影响。在镀银腔情况下,重频5Hz时,激光阈值为47J,斜效率为1.3%,输入能量为144J时,最大输出为7.9W。重频10Hz时,激光阈值为45J,斜效率为1.1%,输入能量为121J时,最大输出为9.7W。     

MOPA结构准分子激光电源的高精度电压控制研究

为了减小激光器双腔放电时间的相对抖动、稳定激光器输出能量,采用闭环控制回路电压泄放方法,设计了一套主振荡功率放大结构准分子激光谐振充电高精度电压控制方案。通过对电容电压取样处理,动态监测储能电容电压,当电容电压大于目标电压时,由泄放电路泄放电压至目标值,得到高精度的充电电压,使用此电压控制方案后,充电电压的波动由1.67减小到0.83。结果表明,该方案很好地提高了谐振电源储能电容上的电压精度,减小了激光器双腔放电时间的相对抖动,并为后期的激光器能量输出稳定控制打下良好基础。