專利名稱：一種高能激光的陣列衰減器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高能激光的陣列衰減器及其制造方法，尤其是一種用于高能激光的金屬陣列衰減器及其制造方法。
背景技術(shù)：
在高能激光參數(shù)測量中，經(jīng)常采用光電探測器陣列取樣方法來獲取激光光斑功率密度時空分布信息。由于測試位置處的激光功率密度一般都較高，直接利用光電探測器陣列進(jìn)行測量存在較大難度，因此在實際測試中需要對被測的激光功率密度進(jìn)行合理的衰減以滿足光電探測器的量程范圍。理想的光學(xué)衰減方法應(yīng)該與入射激光的波長、入射角度和偏振態(tài)等參數(shù)不相關(guān)，僅僅對入射激光的幅值進(jìn)行相應(yīng)的衰減，并且在一定范圍內(nèi)衰減是線性的。目前常用的光學(xué)衰減方法主要有濾光片吸收衰減法、漫反射衰減法和光闌孔取樣法。吸收型濾光片法是在對某些光學(xué)材料摻雜或在光學(xué)材料基底上鍍制吸收膜吸收大部分入射激光，從而實現(xiàn)光學(xué)衰減的目的，但是在實際強激光測量中容易因為濾光片溫度過高造成損傷；漫反射衰減法是利用器件漫反射表面對入射激光進(jìn)行漫反射，實現(xiàn)對激光功率密度的衰減，再利用探測器對反射激光進(jìn)行測量，故其結(jié)構(gòu)難以做到緊湊；光闌孔取樣法是在光束的截面上放置一定光闌孔，對入射激光進(jìn)行小面積空間取樣，從而實現(xiàn)對入射激光總能量/功率的衰減，光闌孔取樣法僅僅減少了通過光闌或狹縫的激光總能量/功率，并不能實現(xiàn)入射激光功率密度的衰減。中國工程物理研究院2000年碩士學(xué)位論文“強快靶測量的理論分析與實驗”中公開了一種利用石墨積分球陣列實現(xiàn)對大面積高能激光功率密度的大倍數(shù)衰減的方法，在上下兩塊石墨板上分別加工有直徑相等的半球空腔，每只半球空腔的邊沿處垂直于石墨板處方向加工有一只激光耦合孔，試驗中將上下兩塊石墨板上疊加在一起，使得相應(yīng)的半球空腔倒扣在一起形成積分球腔，且兩只激光耦合孔分別位于球腔的兩側(cè)，形成激光入射孔和激光出射孔。試驗中激光從入射孔耦合進(jìn)積分球腔內(nèi)，在腔內(nèi)經(jīng)過多次的吸收和反射后，最后只有小部分光從出射孔射出，實現(xiàn)對強激光功率密度的衰減。如果在大面積石墨板上加工有多只上述的積分球衰減器陣列，則可以實現(xiàn)對大面積激光束的衰減取樣。這種衰減器存在的問題是在取樣衰減中石墨材料自身對入射激光的吸收率較高，一般用于對激光功率 10_5倍的高倍數(shù)衰減，難以用于10_3倍左右中等倍數(shù)的激光功率密度衰減；此外這種衰減器難以用于強激光斜入射時的參數(shù)測量，當(dāng)激光以一定的角度斜入射進(jìn)激光入射孔時，石墨材料的孔壁對激光吸收較高，且對應(yīng)不同的入射角度時孔壁對入射激光的吸收系數(shù)差異較大，故難以用于斜入射時激光光強衰減及參數(shù)測量，限制了這種方法的應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是是提供一種高能激光的陣列衰減器及其制造方法，可實現(xiàn)高能激光的中等倍數(shù)的衰減且當(dāng)激光在一定的入射角度范圍斜入射時，衰減器的衰減系數(shù)基本不變。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是—種高能激光的陣列衰減器，包括前面板、后面板和若干只衰減單元，其特殊之處是所述的衰減單元包括漫透射光學(xué)窗、激光入射孔、積分球內(nèi)腔、激光出射孔；所述積分球內(nèi)腔由分別設(shè)置在前面板和后面板上的兩個半球空腔扣合而成；所述激光入射孔設(shè)置在前面板上，其平行于激光入射方向且與前面板上半球空腔的最大直徑處相切；所述激光出射孔設(shè)置在后面板上，其平行于激光入射方向且與后面板上半球空腔的最大直徑處相切； 所述激光入射孔和激光出射孔分別位于積分球內(nèi)腔的相對兩側(cè)；所述漫透射光學(xué)窗設(shè)置在激光入射孔入口處；所述前面板和后面板的材料為金屬。上述漫透射光學(xué)窗沿激光入射方向的前表面為光滑面，其后表面為漫透射面；所述前面板迎光面為漫反射面。上述漫透射光學(xué)窗沿激光入射方向的前表面，其后表面均為漫透射面；所述前面板迎光面為漫反射面。上述前面板和后面板的兩側(cè)均設(shè)置有定位用的固定螺釘孔。上述前面板和后面板材料為鋁或銅；所述漫透射光學(xué)窗材料為石英、硅、碳化硅或
二氧化硅。上述高能激光的陣列衰減器的加工方法，包括以下步驟[1]對前面板、后面板毛坯進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，去除材料?nèi)部的殘余應(yīng)力；[2]按照理論模擬計算得到的衰減器尺寸和表面反射率要求，加工積分球內(nèi)腔和激光入射/出射孔；[3]對積分球內(nèi)腔及表面進(jìn)行噴砂處理；[4]對清潔后的積分球內(nèi)腔及加工表面進(jìn)行氧化處理；[5]對前面板的激光入射面進(jìn)行磨砂處理，形成漫反射面并清潔；[6]對光學(xué)窗口進(jìn)行漫透射處理，并將其安裝在前面板的激光入射孔前；[7]將前面板和后面板整體安裝固定。上述積分球內(nèi)腔噴砂處理中的細(xì)砂尺度為Imm左右。本發(fā)明具有的有益效果有1、本發(fā)明衰減器的積分球內(nèi)腔采用金屬制成，與同樣尺寸的石墨相比，對激光功率的吸收率較小，故可用于10_3倍左右中等倍數(shù)的激光功率密度衰減；2、本發(fā)明的衰減器在激光入射孔前安裝有漫透射光學(xué)窗，使得經(jīng)過光學(xué)窗的激光多角度耦合進(jìn)激光入射孔，同時前面板材料為金屬材料，對激光的吸收較小，使得激光在一定角度范圍內(nèi)斜入射時，衰減器的衰減系數(shù)基本不變；3、本發(fā)明前面板激光入射表面采用漫反射處理，提高了表面反射率，同時防止了反射的高能激光損壞光路上的其它元器件；4、本發(fā)明在面板的兩側(cè)設(shè)計定位用的固定螺釘孔，確保了兩塊面板上半球空腔的安裝精度，最終確保了積分球單元衰減系數(shù)的一致性。


圖1為本發(fā)明積分球衰減器單元結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明積分球陣列衰減器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明積分球衰減器陣列外表面示意圖；其中1-前面板；2-后面板；3-積分球內(nèi)腔；4-激光入射孔；5-激光出射孔；6_光學(xué)窗；7-固定螺釘孔；8-前面板激光入射面。
具體實施例方式如圖1所示，在金屬的前面板1和后面板2上分別加工有直徑相等的半球空腔和激光耦合孔，并將兩塊面板疊加在一起，使得相應(yīng)的半球空腔倒扣在一起形成積分球內(nèi)腔 3，且兩只激光耦合孔分別位于球腔的相對兩側(cè)，與半球空腔的最大直徑處相切，形成激光入射孔4和激光出射孔5。試驗中激光沿圖1中箭頭的方向從激光入射孔4經(jīng)過光學(xué)窗6耦合進(jìn)積分球內(nèi)腔3，在腔內(nèi)經(jīng)過多次的吸收和反射后，最后只有小部分光從激光出射孔5射出，實現(xiàn)對強激光功率密度的衰減。如圖2所示在大面積面板上加工有多只上述的積分球衰減器陣列，則可以實現(xiàn)對大面積激光束的衰減取樣，為了保證兩塊面板上半球空腔的安裝精度，在面板的兩側(cè)設(shè)計定位用的固定螺釘孔7，以確保積分球單元衰減系數(shù)的一致性。前面板1和后面板2材料可以是鋁或銅，與同樣尺寸的石墨相比，其積分球內(nèi)腔3 對激光功率的吸收率較小，故可用于10_3倍左右中等倍數(shù)的激光功率密度衰減。光學(xué)窗6選用對該波長的激光高透的材料如石英、硅、碳化硅或二氧化硅制成，光學(xué)窗6的前后兩個面均進(jìn)行漫透射處理，這樣以來無論是正入射的激光或斜入射的激光經(jīng)過光學(xué)窗6后多角度耦合進(jìn)激光入射孔4，由于孔壁的材料為金屬，對激光的吸收較小，使得激光在一定角度范圍內(nèi)斜入射時，衰減器的衰減系數(shù)基本不變。作為實施方式的一種變換形式，也可以只對沿激光入射方向的光學(xué)窗后表面進(jìn)行漫透射處理，前表面仍為光滑表面，這樣在滿足漫透射的前提下，光滑的前表面便于灰塵擦拭。為了增加前面板1的抗激光輻照能力，同時防止鏡面反射后的高能激光損壞光路上的其它元器件，如圖3所示，對前面板1的激光入射表面也進(jìn)行了漫反射處理。上述陣列衰減器的具體制造步驟如下一、利用數(shù)值模擬計算得到所需衰減系數(shù)對應(yīng)的積分球陣列衰減器結(jié)構(gòu)尺寸、定位精度及所選結(jié)構(gòu)材料表面反射率參數(shù)等參數(shù)，再根據(jù)模擬計算的結(jié)果進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計；二、將所選擇的金屬材料進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，去除材料?nèi)部的殘余應(yīng)力，避免材料在加工及耐受激光輻照過程中出現(xiàn)變形情況；三、按照設(shè)計圖紙進(jìn)行機(jī)械加工，對加工后的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行修整及去除毛刺處理， 去毛刺過程中應(yīng)避免破壞積分球衰減器結(jié)構(gòu)；四、對機(jī)械加工后的進(jìn)行清洗及噴砂處理。選擇的砂粒不應(yīng)太細(xì)，太細(xì)會導(dǎo)致后期氧化過程中漫反射效果較差；選擇的砂粒也不應(yīng)過粗，砂粒過粗會導(dǎo)致衰減器一致性較差。 根據(jù)多次的經(jīng)驗，實際加工過程中噴砂選用Imm左右細(xì)砂處理；噴砂完畢后利用干凈的細(xì)毛刷對噴砂面進(jìn)行潔凈處理，去除表面殘留的細(xì)砂；五、對噴砂后的積分球前半球單元1、積分球后半球單元2進(jìn)行氧化處理，避免其在使用過程中因為氧化而導(dǎo)致表面反射率變化，進(jìn)而影響測量結(jié)果。氧化過程中的時間控制應(yīng)在3-5min之內(nèi)，時間過長會腐蝕掉噴砂表面，時間過短會導(dǎo)致氧化不充分，噴砂表面氧化不均勻；氧化完畢后采用壓縮空氣或氮氣迅速將氧化后的加工件，使其迅速風(fēng)干，避免噴砂表面留有水漬；六、對前面板激光入射面8進(jìn)行漫反射處理，可采用細(xì)砂紙磨砂、拋光或拉毛處理提高其表面反射率，同時防止反射的高能激光損壞光路上的其它元器件；七、對光學(xué)窗的待處理表面進(jìn)行漫透射處理，可采用拉毛處理；八、將光學(xué)窗粘接在前面板的激光入射孔前；九、將前面板和后面板整體安裝固定，擰緊固定螺釘；十、采用激光器對每只衰減器衰減系數(shù)逐一進(jìn)行標(biāo)定后即可以用于實際激光參數(shù)測量系統(tǒng)中。上述積分球陣列衰減器在高能激光功率密度時空分布測量裝置中得到成功應(yīng)用， 在該測量裝置中，積分球陣列衰減器采用硬鋁LY12材料制成，與光電探測器陣列配合完成激光功率密度時空分布的測量。在測量裝置中共計安裝有IOX 10只積分球衰減探測單元， 通過更換不同種類的探測器可以用于不同波長的高能激光光束測量。
權(quán)利要求
1.一種高能激光的陣列衰減器，包括前面板、后面板和若干只衰減單元，其特征在于 所述的衰減單元包括漫透射光學(xué)窗、激光入射孔、積分球內(nèi)腔、激光出射孔；所述積分球內(nèi)腔由分別設(shè)置在前面板和后面板上的兩個半球空腔扣合而成；所述激光入射孔設(shè)置在前面板上，其平行于激光入射方向且與前面板上半球空腔的最大直徑處相切；所述激光出射孔設(shè)置在后面板上，其平行于激光入射方向且與后面板上半球空腔的最大直徑處相切；所述激光入射孔和激光出射孔分別位于積分球內(nèi)腔的相對兩側(cè)；所述漫透射光學(xué)窗設(shè)置在激光入射孔入口處；所述前面板和后面板的材料為金屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高能激光的陣列衰減器，其特征在于所述漫透射光學(xué)窗沿激光入射方向的前表面為光滑面，其后表面為漫透射面；所述前面板迎光面為漫反射面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高能激光的陣列衰減器，其特征在于所述漫透射光學(xué)窗沿激光入射方向的前表面，其后表面均為漫透射面；所述前面板迎光面為漫反射面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的高能激光的陣列衰減器，其特征在于所述前面板和后面板的兩側(cè)均設(shè)置有定位用的固定螺釘孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高能激光的陣列衰減器，其特征在于所述前面板和后面板材料為鋁或銅；所述漫透射光學(xué)窗材料為石英、硅、碳化硅或二氧化硅。
6.權(quán)利要求1所述高能激光的陣列衰減器的加工方法，其特征在于，包括以下步驟[1]對前面板、后面板毛坯進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚コ牧蟽?nèi)部的殘余應(yīng)力；[2]按照理論模擬計算得到的衰減器尺寸和表面反射率要求，加工積分球內(nèi)腔和激光入射/出射孔；[3]對積分球內(nèi)腔及表面進(jìn)行噴砂處理；[4]對清潔后的積分球內(nèi)腔及加工表面進(jìn)行氧化處理；[5]對前面板的激光入射面進(jìn)行磨砂處理，形成漫反射面并清潔；[6]對光學(xué)窗口進(jìn)行漫透射處理，并將其安裝在前面板的激光入射孔前；[7]將前面板和后面板整體安裝固定。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高能激光的陣列衰減器的加工方法，其特征在于所述的積分球內(nèi)腔噴砂處理中的細(xì)砂尺度為Imm左右。
全文摘要
一種高能激光的陣列衰減器及其制造方法，包括沿激光入射方向設(shè)置的前面板、后面板，若干個由兩只半球空腔拼接而成的積分球內(nèi)腔陣列，每只積分球內(nèi)腔邊沿處設(shè)置有激光入射孔和激光出射孔，其中前面板、后面板材料為金屬，在激光入射孔處安裝有漫透射光學(xué)窗。本發(fā)明衰減器與同樣尺寸的石墨相比，對激光功率的吸收率較小，故可用于中等倍數(shù)的激光功率密度衰減，同時在激光入射孔前安裝有漫透射光學(xué)窗，使得經(jīng)過光學(xué)窗的激光多角度耦合進(jìn)激光入射孔，故激光在一定角度范圍內(nèi)斜入射時，衰減器的衰減系數(shù)基本不變。
文檔編號G01J1/04GK102410875SQ20111023325
公開日2012年4月11日 申請日期2011年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月15日
發(fā)明者馮剛, 馮國斌, 張磊, 楊鵬翎, 王振寶, 閆燕, 陳紹武 申請人:西北核技術(shù)研究所