专利名称：一种高能激光的阵列衰减器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种高能激光的阵列衰减器及其制造方法，尤其是一种用于高能激光的金属阵列衰减器及其制造方法。
背景技术：
在高能激光参数测量中，经常采用光电探测器阵列取样方法来获取激光光斑功率密度时空分布信息。由于测试位置处的激光功率密度一般都较高，直接利用光电探测器阵列进行测量存在较大难度，因此在实际测试中需要对被测的激光功率密度进行合理的衰减以满足光电探测器的量程范围。理想的光学衰减方法应该与入射激光的波长、入射角度和偏振态等参数不相关，仅仅对入射激光的幅值进行相应的衰减，并且在一定范围内衰减是线性的。目前常用的光学衰减方法主要有滤光片吸收衰减法、漫反射衰减法和光阑孔取样法。吸收型滤光片法是在对某些光学材料掺杂或在光学材料基底上镀制吸收膜吸收大部分入射激光，从而实现光学衰减的目的，但是在实际强激光测量中容易因为滤光片温度过高造成损伤；漫反射衰减法是利用器件漫反射表面对入射激光进行漫反射，实现对激光功率密度的衰减，再利用探测器对反射激光进行测量，故其结构难以做到紧凑；光阑孔取样法是在光束的截面上放置一定光阑孔，对入射激光进行小面积空间取样，从而实现对入射激光总能量/功率的衰减，光阑孔取样法仅仅减少了通过光阑或狭缝的激光总能量/功率，并不能实现入射激光功率密度的衰减。中国工程物理研究院2000年硕士学位论文“强快靶测量的理论分析与实验”中公开了一种利用石墨积分球阵列实现对大面积高能激光功率密度的大倍数衰减的方法，在上下两块石墨板上分别加工有直径相等的半球空腔，每只半球空腔的边沿处垂直于石墨板处方向加工有一只激光耦合孔，试验中将上下两块石墨板上叠加在一起，使得相应的半球空腔倒扣在一起形成积分球腔，且两只激光耦合孔分别位于球腔的两侧，形成激光入射孔和激光出射孔。试验中激光从入射孔耦合进积分球腔内，在腔内经过多次的吸收和反射后，最后只有小部分光从出射孔射出，实现对强激光功率密度的衰减。如果在大面积石墨板上加工有多只上述的积分球衰减器阵列，则可以实现对大面积激光束的衰减取样。这种衰减器存在的问题是在取样衰减中石墨材料自身对入射激光的吸收率较高，一般用于对激光功率 10_5倍的高倍数衰减，难以用于10_3倍左右中等倍数的激光功率密度衰减；此外这种衰减器难以用于强激光斜入射时的参数测量，当激光以一定的角度斜入射进激光入射孔时，石墨材料的孔壁对激光吸收较高，且对应不同的入射角度时孔壁对入射激光的吸收系数差异较大，故难以用于斜入射时激光光强衰减及参数测量，限制了这种方法的应用范围。
发明内容
本发明目的是是提供一种高能激光的阵列衰减器及其制造方法，可实现高能激光的中等倍数的衰减且当激光在一定的入射角度范围斜入射时，衰减器的衰减系数基本不变。本发明的技术解决方案是—种高能激光的阵列衰减器，包括前面板、后面板和若干只衰减单元，其特殊之处是所述的衰减单元包括漫透射光学窗、激光入射孔、积分球内腔、激光出射孔；所述积分球内腔由分别设置在前面板和后面板上的两个半球空腔扣合而成；所述激光入射孔设置在前面板上，其平行于激光入射方向且与前面板上半球空腔的最大直径处相切；所述激光出射孔设置在后面板上，其平行于激光入射方向且与后面板上半球空腔的最大直径处相切； 所述激光入射孔和激光出射孔分别位于积分球内腔的相对两侧；所述漫透射光学窗设置在激光入射孔入口处；所述前面板和后面板的材料为金属。上述漫透射光学窗沿激光入射方向的前表面为光滑面，其后表面为漫透射面；所述前面板迎光面为漫反射面。上述漫透射光学窗沿激光入射方向的前表面，其后表面均为漫透射面；所述前面板迎光面为漫反射面。上述前面板和后面板的两侧均设置有定位用的固定螺钉孔。上述前面板和后面板材料为铝或铜；所述漫透射光学窗材料为石英、硅、碳化硅或
二氧化硅。上述高能激光的阵列衰减器的加工方法，包括以下步骤[1]对前面板、后面板毛坯进行高温热处理，去除材料内部的残余应力；[2]按照理论模拟计算得到的衰减器尺寸和表面反射率要求，加工积分球内腔和激光入射/出射孔；[3]对积分球内腔及表面进行喷砂处理；[4]对清洁后的积分球内腔及加工表面进行氧化处理；[5]对前面板的激光入射面进行磨砂处理，形成漫反射面并清洁；[6]对光学窗口进行漫透射处理，并将其安装在前面板的激光入射孔前；[7]将前面板和后面板整体安装固定。上述积分球内腔喷砂处理中的细砂尺度为Imm左右。本发明具有的有益效果有1、本发明衰减器的积分球内腔采用金属制成，与同样尺寸的石墨相比，对激光功率的吸收率较小，故可用于10_3倍左右中等倍数的激光功率密度衰减；2、本发明的衰减器在激光入射孔前安装有漫透射光学窗，使得经过光学窗的激光多角度耦合进激光入射孔，同时前面板材料为金属材料，对激光的吸收较小，使得激光在一定角度范围内斜入射时，衰减器的衰减系数基本不变；3、本发明前面板激光入射表面采用漫反射处理，提高了表面反射率，同时防止了反射的高能激光损坏光路上的其它元器件；4、本发明在面板的两侧设计定位用的固定螺钉孔，确保了两块面板上半球空腔的安装精度，最终确保了积分球单元衰减系数的一致性。
图1为本发明积分球衰减器单元结构示意图2为本发明积分球阵列衰减器结构示意图；图3为本发明积分球衰减器阵列外表面示意图；其中1-前面板；2-后面板；3-积分球内腔；4-激光入射孔；5-激光出射孔；6_光学窗；7-固定螺钉孔；8-前面板激光入射面。
具体实施例方式如图1所示，在金属的前面板1和后面板2上分别加工有直径相等的半球空腔和激光耦合孔，并将两块面板叠加在一起，使得相应的半球空腔倒扣在一起形成积分球内腔 3，且两只激光耦合孔分别位于球腔的相对两侧，与半球空腔的最大直径处相切，形成激光入射孔4和激光出射孔5。试验中激光沿图1中箭头的方向从激光入射孔4经过光学窗6耦合进积分球内腔3，在腔内经过多次的吸收和反射后，最后只有小部分光从激光出射孔5射出，实现对强激光功率密度的衰减。如图2所示在大面积面板上加工有多只上述的积分球衰减器阵列，则可以实现对大面积激光束的衰减取样，为了保证两块面板上半球空腔的安装精度，在面板的两侧设计定位用的固定螺钉孔7，以确保积分球单元衰减系数的一致性。前面板1和后面板2材料可以是铝或铜，与同样尺寸的石墨相比，其积分球内腔3 对激光功率的吸收率较小，故可用于10_3倍左右中等倍数的激光功率密度衰减。光学窗6选用对该波长的激光高透的材料如石英、硅、碳化硅或二氧化硅制成，光学窗6的前后两个面均进行漫透射处理，这样以来无论是正入射的激光或斜入射的激光经过光学窗6后多角度耦合进激光入射孔4，由于孔壁的材料为金属，对激光的吸收较小，使得激光在一定角度范围内斜入射时，衰减器的衰减系数基本不变。作为实施方式的一种变换形式，也可以只对沿激光入射方向的光学窗后表面进行漫透射处理，前表面仍为光滑表面，这样在满足漫透射的前提下，光滑的前表面便于灰尘擦拭。为了增加前面板1的抗激光辐照能力，同时防止镜面反射后的高能激光损坏光路上的其它元器件，如图3所示，对前面板1的激光入射表面也进行了漫反射处理。上述阵列衰减器的具体制造步骤如下一、利用数值模拟计算得到所需衰减系数对应的积分球阵列衰减器结构尺寸、定位精度及所选结构材料表面反射率参数等参数，再根据模拟计算的结果进行机械结构设计；二、将所选择的金属材料进行高温热处理，去除材料内部的残余应力，避免材料在加工及耐受激光辐照过程中出现变形情况；三、按照设计图纸进行机械加工，对加工后的机械结构进行修整及去除毛刺处理， 去毛刺过程中应避免破坏积分球衰减器结构；四、对机械加工后的进行清洗及喷砂处理。选择的砂粒不应太细，太细会导致后期氧化过程中漫反射效果较差；选择的砂粒也不应过粗，砂粒过粗会导致衰减器一致性较差。 根据多次的经验，实际加工过程中喷砂选用Imm左右细砂处理；喷砂完毕后利用干净的细毛刷对喷砂面进行洁净处理，去除表面残留的细砂；五、对喷砂后的积分球前半球单元1、积分球后半球单元2进行氧化处理，避免其在使用过程中因为氧化而导致表面反射率变化，进而影响测量结果。氧化过程中的时间控制应在3-5min之内，时间过长会腐蚀掉喷砂表面，时间过短会导致氧化不充分，喷砂表面氧化不均勻；氧化完毕后采用压缩空气或氮气迅速将氧化后的加工件，使其迅速风干，避免喷砂表面留有水渍；六、对前面板激光入射面8进行漫反射处理，可采用细砂纸磨砂、抛光或拉毛处理提高其表面反射率，同时防止反射的高能激光损坏光路上的其它元器件；七、对光学窗的待处理表面进行漫透射处理，可采用拉毛处理；八、将光学窗粘接在前面板的激光入射孔前；九、将前面板和后面板整体安装固定，拧紧固定螺钉；十、采用激光器对每只衰减器衰减系数逐一进行标定后即可以用于实际激光参数测量系统中。上述积分球阵列衰减器在高能激光功率密度时空分布测量装置中得到成功应用， 在该测量装置中，积分球阵列衰减器采用硬铝LY12材料制成，与光电探测器阵列配合完成激光功率密度时空分布的测量。在测量装置中共计安装有IOX 10只积分球衰减探测单元， 通过更换不同种类的探测器可以用于不同波长的高能激光光束测量。
权利要求
1.一种高能激光的阵列衰减器，包括前面板、后面板和若干只衰减单元，其特征在于 所述的衰减单元包括漫透射光学窗、激光入射孔、积分球内腔、激光出射孔；所述积分球内腔由分别设置在前面板和后面板上的两个半球空腔扣合而成；所述激光入射孔设置在前面板上，其平行于激光入射方向且与前面板上半球空腔的最大直径处相切；所述激光出射孔设置在后面板上，其平行于激光入射方向且与后面板上半球空腔的最大直径处相切；所述激光入射孔和激光出射孔分别位于积分球内腔的相对两侧；所述漫透射光学窗设置在激光入射孔入口处；所述前面板和后面板的材料为金属。
2.根据权利要求1所述的高能激光的阵列衰减器，其特征在于所述漫透射光学窗沿激光入射方向的前表面为光滑面，其后表面为漫透射面；所述前面板迎光面为漫反射面。
3.根据权利要求1所述的高能激光的阵列衰减器，其特征在于所述漫透射光学窗沿激光入射方向的前表面，其后表面均为漫透射面；所述前面板迎光面为漫反射面。
4.根据权利要求1或2或3所述的高能激光的阵列衰减器，其特征在于所述前面板和后面板的两侧均设置有定位用的固定螺钉孔。
5.根据权利要求4所述的高能激光的阵列衰减器，其特征在于所述前面板和后面板材料为铝或铜；所述漫透射光学窗材料为石英、硅、碳化硅或二氧化硅。
6.权利要求1所述高能激光的阵列衰减器的加工方法，其特征在于，包括以下步骤[1]对前面板、后面板毛坯进行高温热处理，去除材料内部的残余应力；[2]按照理论模拟计算得到的衰减器尺寸和表面反射率要求，加工积分球内腔和激光入射/出射孔；[3]对积分球内腔及表面进行喷砂处理；[4]对清洁后的积分球内腔及加工表面进行氧化处理；[5]对前面板的激光入射面进行磨砂处理，形成漫反射面并清洁；[6]对光学窗口进行漫透射处理，并将其安装在前面板的激光入射孔前；[7]将前面板和后面板整体安装固定。
7.根据权利要求6所述的高能激光的阵列衰减器的加工方法，其特征在于所述的积分球内腔喷砂处理中的细砂尺度为Imm左右。
全文摘要
一种高能激光的阵列衰减器及其制造方法，包括沿激光入射方向设置的前面板、后面板，若干个由两只半球空腔拼接而成的积分球内腔阵列，每只积分球内腔边沿处设置有激光入射孔和激光出射孔，其中前面板、后面板材料为金属，在激光入射孔处安装有漫透射光学窗。本发明衰减器与同样尺寸的石墨相比，对激光功率的吸收率较小，故可用于中等倍数的激光功率密度衰减，同时在激光入射孔前安装有漫透射光学窗，使得经过光学窗的激光多角度耦合进激光入射孔，故激光在一定角度范围内斜入射时，衰减器的衰减系数基本不变。
文档编号G01J1/04GK102410875SQ20111023325
公开日2012年4月11日 申请日期2011年8月15日 优先权日2011年8月15日
发明者冯刚, 冯国斌, 张磊, 杨鹏翎, 王振宝, 闫燕, 陈绍武 申请人:西北核技术研究所