激光束远场参数高精度测量技术研究

摘要

激光束经过大气传输后，其远场参数的高精度测量对于准确评估激光大气传输特性和激光系统的综合性能具有重要作用。本文以大尺寸激光束参数高精度测量技术为研究内容，全面分析了激光束远场参数测量的影响因素，获得了远场参数高精度测量对测量设备的技术要求。基于对漫透射光分布特性的研究提出了激光束漫透射空间取样方法，设计了漫透射取样靶面，研究了取样靶面与光电二极管阵列或成像器件构成阵列探测器技术，研制了相应的测量设备并获得了高精度测量结果。
　　研究了激光束远场参数高精度测量对测量设备的技术要求。从激光束强度分布测量方法出发，分析了经空间取样后的激光强度时空分布测量不确定度及其来源。从激光束空间取样出发，通过理论计算或数值模拟分析了激光束远场参数测量对测量设备的探测口径、动态范围、空间分辨力以及空间占空比的要求；从测量过程和数学表达式出发，分析了取样光斑参数的测量不确定度。根据上述结果，获得了激光束远场参数高精度测量的技术要求。
　　根据高精度测量要求，基于对漫透射光分布特性的研究提出漫透射空间取样方法，设计了漫透射取样靶面，实现了对激光束高分辨力和高占空比空间取样，在大角度范围内（±30°）取样激光功率基本保持不变。采用光学追迹法研究了漫透射材料的角度响应特性，获得了漫透射光分布与入射光角度无关的结论，据此提出了漫透射取样方法。对取样材料散射特性进行了实验研究。对常用取样单元结构的角度响应特性进行了理论分析和数值模拟，获得了取样孔结构及其表面特性的最佳组合方式。分析了取样靶面的角度响应特性，获得了最大功率取样误差与激光入射角度、分辨力以及占空比关系的数学表达式。
　　研究了漫透射取样靶面与光电二极管阵列构成高精度强激光阵列探测器技术。1）取样强激光衰减技术研究。提出了取样光衰减单元结构，推导了衰减倍率计算公式，分析了取样单元内光斑强度分布以及衰减器侧壁反射光对光电探测器接收光强的影响，对光强衰减倍率计算公式进行了实验验证。通过改变衰减器结构参数或通过两级衰减组合可实现任意倍率的强激光衰减。2）抗强光损伤技术研究。采用耐高温漫透射材料作为强激光取样材料。提出紫铜喷砂镀金技术对非取样强激光进行高反射率漫反射，大大提高了相关设备的抗强光损伤能力；采用有限元分析软件 Ansys对取样靶面温度场分布进行模拟计算，为取样靶面的优化设计提供依据。3）设计了探测单元响应系数（非一致性系数）和阵列探测器功率响应系数校准方法并分析了它们的不确定度。4）研制了高能激光阵列探测器并获得了高精度测量结果。阵列探测器空间分辨力5mm（探测口径Ф300mm），空间占空比20％，测量动态范围大于104倍，使用角度±30°（功率响应值变化2.5%以内），探测单元响应面非均匀性（rms）1%以内，功率重复性误差约1%，功率测量结果与光学一级计量站测量结果误差3.0%以内，最高测量能量密度大于10kJ/cm2。
　　研究了漫透射取样靶面与 CCD成像器件构成成像型阵列探测器技术。1）系统集成技术研究，利用平面镜成像原理对测量组件进行集成。2）光斑几何形状畸变校正技术研究。分析了光斑形状畸变原因，提出建立探测单元—取样单元对应的 CCD像素—输出图像单元三者映射关系的方法，采用图像处理技术合并 CCD像素实现了光斑形状的实时准确复原。3）光斑强度分布畸变校正技术研究。分析了光斑强度分布畸变产生的原因，根据成像理论推导了倾斜物体的像面照度分布公式；采用均匀光斑对光斑强度分布畸变进行全系统校正，校正后探测单元响应面非均匀性低于1%（rms）。4）设计了激光功率响应系数定标方法。5）给出了该技术在多波长激光参数测量中的应用，可实现多波长激光参数的同时测量。6）研制了CCD成像型阵列探测器并获得了高精度测量结果。探测器分辨力3mm（探测口径Ф198mm），占空比34.9%，功率测量误差5%以内。
　　该论文研究成果已得到成功应用，为多项大型科研实验提供了大量科学数据，提高了激光束远场参数测量能力和测量精度，对于激光大气传输特性分析和激光系统综合性能诊断与评估发挥了重要作用，对促进相关激光系统的研制和发展具有重要意义。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 激光束远场参数测量的国内外研究历史与现状

1.3 本文的主要内容

第二章 激光束远场参数及其测量要求

2.1 激光束远场强度时空分布

2.2 激光强度时空分布测量

2.3 激光束远场参数及计算

2.4 激光束远场参数测量要求

2.5 实验验证

2.6 本章小结

第三章 激光束高精度取样方法研究

3.1 现有激光束取样方法

3.2 漫透射取样方法

3.3 漫透射取样方法的应用

3.4 本章小结

第四章 高能激光高精度阵列探测器技术研究

4.1 高能激光阵列探测技术

4.2 高能激光取样衰减单元设计

4.3 靶面耐强光设计

4.4 探测器单元设计

4.5 信号、数据处理系统介绍

4.6 响应非均匀性校正技术

4.7 功率系数标定

4.8 高能激光阵列探测器实验研究

4.9 本章小结

第五章 CCD成像型阵列探测器技术研究

5.1 引言

5.2 基本组成及原理

5.3 系统集成技术

5.4 光斑形状畸变及其校正

5.5 光斑强度分布畸变及校正技术

5.6 功率系数校准

5.7 多波长激光CCD成像测量技术

5.8 实验研究

5.9 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果