光纖陣列法測量毫秒脈沖激光正入射鋁板吸收比

范文瑞　任鋼　夏惠軍　何衡湘　任駒（西南技術(shù)物理研究，四川成都　610041）

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光纖陣列法測量毫秒脈沖激光正入射鋁板吸收比

范文瑞任鋼夏惠軍何衡湘任駒
（西南技術(shù)物理研究，四川成都610041）

【摘 要】在評定脈沖激光對靶材的毀傷效能時(shí)，靶材對激光的吸收比是非常重要的因素，本文設(shè)計(jì)了一種方法來測量鋁板對正入射毫秒脈沖激光的吸收比。利用光纖將激光入射方向半徑為0.2m半球面上一條子午線上多點(diǎn)的反射光導(dǎo)入到CCD中，通過計(jì)算BeamGage軟件產(chǎn)生圖片的灰度值，推算出每一點(diǎn)接收的能量密度.再通過數(shù)據(jù)擬合得到一條子午線上激光反射光的能量分布，并積分得到毫秒脈沖激光反射光的總能量，進(jìn)而算出靶材吸收激光的能量，得出毫秒脈沖吸收比。

【關(guān)鍵詞】激光物理吸收比光纖陣列法毫秒脈沖數(shù)據(jù)擬合

毫秒激光脈沖與靶材相互作用時(shí)，靶材對激光的吸收比是一個(gè)非常重要的參數(shù)［1］。影響激光吸收比的因素有很多，除了激光波長具有顯著的影響外，與作用金屬材料的溫度、入射角度、表面情況（粗糙度、氧化情況和有無涂層等）、表面物態(tài)（融化和汽化）及金屬成分等因素均有著密切的關(guān)系［2-3］。目前確定材料吸收比的方法比較多［4-7］，本文采用光纖陣列法［8，9］來測量毫秒脈沖的吸收比，即通過測量靶材對激光的反射比來推算激光的吸收比。由于測量的是正入射激光脈沖，所以反射光強(qiáng)度在空間承軸對稱分布，所以只要測得反射光半球面上任意一條子午線上多個(gè)點(diǎn)的反射光能量密度，就可以通過數(shù)據(jù)擬合和積分得到半球面上反射光的能量分布。

1　實(shí)驗(yàn)方案

1.1灰度值標(biāo)定

本實(shí)驗(yàn)的核心是通過光纖將激光反射光導(dǎo)入到CCD中，通過CCD采樣圖片的灰度值來計(jì)算能量強(qiáng)度，所以首先要對灰度值能量進(jìn)行標(biāo)定。

圖1為灰度值能量標(biāo)定裝置示意圖，其中衰減片的衰減系數(shù)，凸透鏡的透過率，分光鏡的分光比，毫秒脈沖激光的脈寬為1.3ms。實(shí)驗(yàn)中，數(shù)控電路板控制毫秒脈沖激光器與CCD同時(shí)觸發(fā)，通過計(jì)算機(jī)將CCD的積分時(shí)間調(diào)為20ms（大于脈沖激光脈寬）。脈沖激光通過分光鏡分為兩束，一束分通過凸透鏡和衰減片入射到CCD中，另一束被能量計(jì)接收，可以實(shí)時(shí)測量，根據(jù)分光鏡的分光系數(shù)凸透鏡的透過率以及衰減片的衰減系數(shù)可以算出入射到CCD中光束的能量強(qiáng)度Q。同時(shí)，CCD的采樣圖片傳入計(jì)算機(jī)，圖2為CCD灰度值標(biāo)定采樣圖片。通過Matlab軟件，計(jì)算采樣圖片的灰度值N，根據(jù)公式（1）就可以算出單位灰度值代表的能量強(qiáng)度。

表1　接收點(diǎn)的灰度值以及光照密度Tab.1 Grey value and energy of accept points

1.2測量脈沖激光反射比

灰度值所代表的能量標(biāo)定之后，就可以對半球面上任意一條子午線上的多點(diǎn)的能量值進(jìn)行測量。圖2為測量裝置的示意圖。

其中，激光波長為1.06μm，CCD前衰減片的衰減系數(shù)，光纖透過率，接收端光纖直徑d=1mm，分光鏡的分光比，凸透鏡的透過率為92%。光纖接收端放在1/4圓尺距離激光與靶材作用點(diǎn)20cm的圓上，分別測量從5°到85°每5°角測量一次反射光的能量值，各個(gè)接收點(diǎn)通過CCD測得的灰度值為，接收的能量密度可根據(jù)公式（2）計(jì)算：

2　數(shù)據(jù)處理

通過5次灰度值能量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，獲得數(shù)值取平均值，得到單位灰度值所代表的能量大小為0.24042nJ。

通過反射光接收實(shí)驗(yàn)，獲得各個(gè)角度接收點(diǎn)的灰度值以及能量密度如表1所示。

通過接收點(diǎn)的能量密度，利用Matlab對數(shù)值進(jìn)行擬合，得到反射半球面子午線上的能量密度的擬合多項(xiàng)式，由于反射光半球域內(nèi)光照密度呈軸對稱，進(jìn)行積分得到反射光的總能量為。

實(shí)驗(yàn)中脈沖激光能量有一定的浮動(dòng)，測量10次，取平均值，根據(jù)公式（3），可以算出毫秒脈沖激光吸收比。

3　結(jié)語

通過光纖陣列法，我們得到鋁板對正入射毫秒脈沖激光的吸收比為0.142，前人文獻(xiàn)中提出光潔鋁板對波長為1.06μm激光的吸收比為0.08［10］，由于我們實(shí)驗(yàn)中的鋁板表面比較粗糙，鋁板對激光吸收比相應(yīng)得要高一些，所以所得結(jié)果比較合理。另外由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及環(huán)境的影響，給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來了一定的實(shí)驗(yàn)誤差，首先是實(shí)驗(yàn)雖然是在暗室中進(jìn)行，但是在CCD測量能量時(shí)，受到自然光的微弱影響，其次激光器每次發(fā)射脈沖激光時(shí)，能量有微小浮動(dòng)，浮動(dòng)在0.02J左右。

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【Abstract】The absorption is a very important factor in the evaluation of pulse laser to damage efficiency of a target material. In this study， a method is used to measure the absorption of normal incidence millisecond pulse laser. The reflected light of some points on a meridian of the 0.2 meter-radius semi-sphere is imported to CCD by fiber. Calculating the gray value of the image produced by the software BeamGage， we have calculated the light density of each point. The laser energy distribution of the reflected light is obtained by data fitting， and the total energy of millisecond pulse laser is obtained by integration， so we can calculate the total laser energy absorption of the target and the absorption of millisecond pulse laser.

【Key words】laser physics； absorption； optical fiber array method； millisecond pulse； data fitting

作者簡介：范文瑞（1989—），男，漢族，吉林白城人，在讀碩士，西南技術(shù)物理研究所，研究方向：激光與物質(zhì)相互作用。