[发明专利]基于光纤光栅的高能激光光束参数诊断方法及诊断仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光能量参数的测量方法和装置，尤其涉及一种基于光纤光测温原理的高能激光光束参数诊断方法和装置。

背景技术

高能激光器是指平均功率大于万瓦，持续时间达到数秒以上，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。高能激光的能量及能量密度分布是表征激光效力的重要参数，通常采用阵列单元热吸收法对高能激光的输出能量参数进行绝对测量，其原理是将量热石墨等单元布成面阵结构，激光入射能量被吸收体单元吸收后，光能转换为热能，通过测量吸收体温度探头的温升计算出入射到热吸收体的高能激光的能量，对整个面阵处理，得到高能激光的能量密度分布和高能激光的总能量。

在测量系统实际测量中，热吸收单元在应用中存在着容易被激光烧蚀的缺点，而且因热平衡时间较长，给测量带来不便，现有的采用水循环散热或空气对流散热的方法，只能在一定程度上有所改善，随着高能激光输出功率的提高，该测量方法的使用必然会受到限制。此外基于热吸收原理的测量装置在使用中将激光能量全部吸收或者阻挡，无法满足实验中对激光光束在线监测的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种针对大面积高能激光能量和能量密度分布参数测量方法和装置，在使用中不遮挡光束，可实现对激光束在线监测。透过测量系统后的光束可以用作高能激光效应实验，可大大提高实验效费比。

本发明的技术解决方案为：

基于光纤光栅的高能激光光束参数诊断方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1】在高能激光束传播路径上设置多只在空间上排布成面阵结构的光纤光栅，其中光纤光栅通过光纤与远离高能激光束的波长解调设备联接；

2】标定每只光纤光栅波长漂移值与辐照至光纤光栅激光功率的对应关系；

3】高能激光辐照下光纤光栅吸热产生温升，引起光纤光栅的波长漂移；

4】波长解调设备测量得到每只光纤光栅的波长漂移值；

5】根据波长漂移值与辐照至光纤光栅激光功率的对应关系，计算得到辐照到每只光纤光栅的激功率密度；

6】对所有光纤光栅探测点进行空间积分，得到激光总功率。

上述步骤2】中每只光纤光栅波长漂移值与辐照至光纤光栅激光功率对应关系的标定方法是：将功率密度已知且可调的标定光源依次入射到每只光纤光栅栅区，测量光纤光栅的波长漂移值，得到功率密度与波长漂移值的对应关系；所述标定光源的光束覆盖光纤光栅的栅区，所述被测高能激光的功率密度包含在标定光源的功率密度可调范围内。

基于光纤光栅的高能激光光束参数诊断仪，其特殊之处在于：包括波长解调设备、对高能激光束空间传播不遮挡的机壳和多只在空间上排布成面阵结构的光纤光栅；所述光纤光栅设置在光纤上并固定在机壳上；所述光纤光栅通过光纤与远端的波长解调设备连接。

上述的多只光纤光栅设置在同一根光纤上，该光纤采用弯曲盘绕在机壳上，或者采用纤轴横向和纤轴纵向相互交错的排布方式盘绕在机壳上；所述的多只光纤光栅还可设置在不同的光纤上，采用沿光束方向前后各布置两个面阵取样，其中一个面阵为纤轴横向排布，另一个面阵为纤轴纵向排布的方式。

上述的光纤光栅的纤轴方向与入射高能激光入射方向夹角为45至90度；所述光纤光栅栅区在高能激光束方向上的投影长度与相邻光纤光栅之间的间距一致。

上述的光纤光栅直接刻蚀在光纤上或融接在光纤上。

上述机壳上设置有对高能激光高透射的入射窗口和出射窗口，所述入射窗口和出射窗口位于高能激光束入射和出射方向并与机壳构成密封结构。

上述的波长解调设备由光纤环路器、宽谱光源以及光纤光栅解调仪组成。

上述光纤光栅的栅区长度为2至10mm。

上述入射窗口和出射窗口的材料为石英、硅或碳化硅。

本发明具有以下的有益效果：

1、本发明实现了大面积高能激光能量和能量密度分布参数的绝对测量，且测量方法与被测激光的波长不相关，具有广泛的适用性。

2、本发明利用光纤对激光的吸收系数和吸收面积小，而且拥有极大的表面积体积比，因此它能够很快的散失吸收的热量，从而迅速达到热平衡，可实现对激功率密度参数瞬态变化的测量。

3、本发明的测量方法和装置在使用中石英光纤本身对激光吸收较少，对光束遮断较少，实现了高能激光基本无扰动传输的在线测量，提高了实验的效费比。

4、本发明的测量方法和装置利用光纤光栅测温原理实现，由于石英光纤承受激光辐照能力较强，故可用于很高功率的激光参数测量。