专利名称：激光束能量的光压测定法及仪器的制作方法
技术领域：
本发明用于测量激光束的能量，属于激光技术领域。
当前较大能量的短脉冲和超短脉冲激光束输出的激光器不断研制成功，为了提高激光器的性能和扩大激光器的应用，需要寻求一种对极短脉冲激光束能量测量、方便有效的量计。目前使用的测量激光束能量的仪器、通常分为二类一种是光热效应类型如炭斗热电偶式;另一种是光电效应类型如硅光电池、光电管等。它们都必须经过校准定标。对于光热效应量计，测量时热传导至热电偶需要一定的反应时间;对于光电效应量计，测量时与激光束波段有关。它们对于小能量激光束的测量，无疑是有效和方便的，但是对于具有较大能量的激光束，特别是极短脉冲激光束的能量测量则往往带来不稳定性和有较大的误差，消除这些误差需要一些辅助校正机构和设备。人们知道光束可以看作一束具有动量的光子流。当光照射到一个物体表面上时，光将会施加给物体一个压力-光压。这已由爱因斯坦的光量子理论所阐明并为列别捷夫的光压实验所证实。当然光压是非常微弱的，可是在激光出现后，光压的测量将不是十分困难之事。1964年，M.Stimler等人〔M.Stimler，Z.T.SlawskyandR.F.Granthan.R.S.IVol35，P311(1964)〕设计了＜TorsionPendulumPhotometer＞，利用光压来测量光束的能量，但这种设计在测量上十分不方便，实用性差，以致没有成为测量激光束能量的实际使用的计量仪器。
本发明的目的在于提供一种利用光压测量激光束能量的新方法，它通过专门设计的激光光压能量计，而使测量简便。
本发明的特点在于通过专门设计的激光光压能量计，将激光光压转换成一个转动系统的转动，由转动系统中的线圈切割磁力线转换成感应电动势，测得感应电动势在外电路电阻R上的电压降Vmax，由激光束能量E与Vmax的关系式可得出激光束能量E，它与Vmax成正比，即E＝AVmax，比例系数A反应能量计的灵敏度，与能量计的某些力学和电磁学等参量有关。在测量短脉冲激光束能量(脉冲激光束的脉宽＜＜转动系统的自由振荡周期)时，如果只考虑激光光压能量计入射窗的透射系数T1(它接近于全透射或者透射系数很高)，而不考虑出射窗的反射(透射系数很高，反射很小)，当平面全反镜与框架平面成45°角时，比例系数A= (CI(r+R))/(NBS1T1(2+R1R2-R1)R)式中C为光速，I为转动系统的转动惯量，r为线圈的内阻，R为外电路的电阻，N为线圈的匝数，S为线圈所包围的面积，B为线圈所处位置均匀磁场的磁感应强度，R1和R2为平面全反镜M1和M2的反射系数，l为全反镜到转动系统中心轴的距离(M1和M2间距的一半)。当同时考虑能量计入射窗的透射系数T1和出射窗的一次反射系数R3时，比例系数A可由下式表示A= (CI(r+R))/(NBS1T1[(2+R1R2-R1)+R1R2R3(2+R1R2-R2)]R)本发明的激光光压能量计由框架、线圈、透射窗和平面全反镜组成，其特点在于可绕中心轴旋转的非磁性框架与线圈联接，线圈被置于磁场中，框架两侧安置两个平行相对的平面全反镜，它们与框架平面成45°角，框架中心轴上下两端用两根弹性扭丝张紧。当一个脉冲激光束通过入射窗T1透射并垂直于框架平面入射到第一个全反镜M1后，经M1反射到第二个全反镜M2，然后由M2反射到出射窗T2出射，在脉冲激光束作用时，使转动系统从激光束中获得转动力矩，框架的转动使线圈切割磁力线而产生感应电动势，并在外电路电阻上产生电压降。
本发明不需要将激光光压能量计置于真空状态使用，测量时只需直接测量输出电压值，因此使用十分方便。本发明具有以下特点1.可以自校准定标;2.测量反应时间迅速，特别适用于毫微秒、微微秒甚至更短的脉冲激光束的能量测量;3.测量时不遮断光束，由于在测量中激光束能量损失很小，故测量时激光束仍然可以使用;4.测量与激光束波段无关。激光光压能量计既可用于激光束能量测量，如果配置旋转体光闸，也可以用于连续激光束的功率测量。本发明的能量计结构设计方法，还可以用于测定微力矩、微振动和脉冲气流量等。
图1是转动系统示意图;图2是激光光压能量计示意图。
本发明可采用如下方案实施按照图1和图2所示的结构制作激光光压能量计，把两个平面全反镜M1和M2平行相对地固定在转动系统的非磁性框架(1)的两侧，最好是使全反镜平面与框架(1)的平面成45°角，框架(1)的下侧与线圈(2)相联接，线圈(2)的两端分别与转动系统中心轴两端的弹性扭丝(3)和(4)相连，以便与外电路的电阻R实现电连接，线圈(2)置于均匀磁场中，均匀磁场可由铁芯(5)和磁铁(6)构成。整个转动系统用带有入射窗D1和出射窗D2的外壳(7)封闭，可以抽真空，也可以不抽真空。测量激光束能量时，只要测出线圈外电路电阻R两端产生的第一个最大脉冲电压Vmax，即可由E＝AVmax的关系式得到激光束能量E，比例系数A反映了激光光压能量计的灵敏度，它仅仅与激光光压能量计结构中的各个参量有关，这些参量都是力学和电磁学的基本量，可以用精密仪器测定。激光光压能量计的灵敏度可以做到每焦耳有几十微伏电压输出。它的测量误差决定于参量和电压的测量误差，激光光压能量计的测量下限为数十毫焦耳，测量上限决定于全反射镜和透射窗的透射镜所能承受的激光束能量密度或功率密度。
权利要求
1.一种用于测定激光束能量的测量方法，其特征在于将激光束光压转换成转动系统框架的转动，再通过固定在框架上的线圈切割磁力线而转换成感应电动势，测出感应电动势在外电路电阻R上的电压降Vmax，则可由E=AVmax得出激光束能量E，其中比例系数A反映测量设备的灵敏度。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于作为测量设备的激光光压能量计由框架、线圈、透射窗和平面全反镜组成，可绕中心轴旋转的非磁性框架与线圈联接，线圈被置于磁场中，框架两侧安置两个平行相对的平面全反镜，它们与框架平面成45°角，框架中心轴上下两端用两根弹性扭丝张紧。
3.根据权利要求1或2所述的测量方法，其特征在于激光光压能量计的整个转动系统用带有入射窗D1和出射窗D2的外壳封闭，线圈(2)的两端通过转动系统中心轴两端的弹性扭丝(3)和(4)与外电路电阻R相连接。
4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于激光光压能量计中的线圈(2)所处的均匀磁场由铁芯(5)和磁铁(6)形成。
全文摘要
激光束能量的光压测定法及仪器用于测量脉冲激光束的能量，属于激光技术，它是以激光束入射到物体表面产生光压为依据，制成的一种新型的测量激光束能量的量计。它可自校准定标，反应时间迅速，不遮断光束，与测量激光束无关。适用于测量较高能量的极短脉冲激光束的能量；在配置旋转体光闸可以用来测量较大的激光束功率，测量结果直接由电压量表示，结构简单、实用。
文档编号G01J1/56GK1030476SQ8810543
公开日1989年1月18日 申请日期1988年7月18日 优先权日1988年7月18日
发明者袁一鹏 申请人:东南大学