光纤阵列法测量毫秒脉冲激光正入射铝板吸收比

范文瑞　任钢　夏惠军　何衡湘　任驹（西南技术物理研究，四川成都　610041）



光纤阵列法测量毫秒脉冲激光正入射铝板吸收比

范文瑞任钢夏惠军何衡湘任驹
（西南技术物理研究，四川成都610041）

【摘 要】在评定脉冲激光对靶材的毁伤效能时，靶材对激光的吸收比是非常重要的因素，本文设计了一种方法来测量铝板对正入射毫秒脉冲激光的吸收比。利用光纤将激光入射方向半径为0.2m半球面上一条子午线上多点的反射光导入到CCD中，通过计算BeamGage软件产生图片的灰度值，推算出每一点接收的能量密度.再通过数据拟合得到一条子午线上激光反射光的能量分布，并积分得到毫秒脉冲激光反射光的总能量，进而算出靶材吸收激光的能量，得出毫秒脉冲吸收比。

【关键词】激光物理吸收比光纤阵列法毫秒脉冲数据拟合

毫秒激光脉冲与靶材相互作用时，靶材对激光的吸收比是一个非常重要的参数［1］。影响激光吸收比的因素有很多，除了激光波长具有显著的影响外，与作用金属材料的温度、入射角度、表面情况（粗糙度、氧化情况和有无涂层等）、表面物态（融化和汽化）及金属成分等因素均有着密切的关系［2-3］。目前确定材料吸收比的方法比较多［4-7］，本文采用光纤阵列法［8，9］来测量毫秒脉冲的吸收比，即通过测量靶材对激光的反射比来推算激光的吸收比。由于测量的是正入射激光脉冲，所以反射光强度在空间承轴对称分布，所以只要测得反射光半球面上任意一条子午线上多个点的反射光能量密度，就可以通过数据拟合和积分得到半球面上反射光的能量分布。

1　实验方案

1.1灰度值标定

本实验的核心是通过光纤将激光反射光导入到CCD中，通过CCD采样图片的灰度值来计算能量强度，所以首先要对灰度值能量进行标定。

图1为灰度值能量标定装置示意图，其中衰减片的衰减系数，凸透镜的透过率，分光镜的分光比，毫秒脉冲激光的脉宽为1.3ms。实验中，数控电路板控制毫秒脉冲激光器与CCD同时触发，通过计算机将CCD的积分时间调为20ms（大于脉冲激光脉宽）。脉冲激光通过分光镜分为两束，一束分通过凸透镜和衰减片入射到CCD中，另一束被能量计接收，可以实时测量，根据分光镜的分光系数凸透镜的透过率以及衰减片的衰减系数可以算出入射到CCD中光束的能量强度Q。同时，CCD的采样图片传入计算机，图2为CCD灰度值标定采样图片。通过Matlab软件，计算采样图片的灰度值N，根据公式（1）就可以算出单位灰度值代表的能量强度。

表1　接收点的灰度值以及光照密度Tab.1 Grey value and energy of accept points

1.2测量脉冲激光反射比

灰度值所代表的能量标定之后，就可以对半球面上任意一条子午线上的多点的能量值进行测量。图2为测量装置的示意图。

其中，激光波长为1.06μm，CCD前衰减片的衰减系数，光纤透过率，接收端光纤直径d=1mm，分光镜的分光比，凸透镜的透过率为92%。光纤接收端放在1/4圆尺距离激光与靶材作用点20cm的圆上，分别测量从5°到85°每5°角测量一次反射光的能量值，各个接收点通过CCD测得的灰度值为，接收的能量密度可根据公式（2）计算：

2　数据处理

通过5次灰度值能量标定实验，获得数值取平均值，得到单位灰度值所代表的能量大小为0.24042nJ。

通过反射光接收实验，获得各个角度接收点的灰度值以及能量密度如表1所示。

通过接收点的能量密度，利用Matlab对数值进行拟合，得到反射半球面子午线上的能量密度的拟合多项式，由于反射光半球域内光照密度呈轴对称，进行积分得到反射光的总能量为。

实验中脉冲激光能量有一定的浮动，测量10次，取平均值，根据公式（3），可以算出毫秒脉冲激光吸收比。

3　结语

通过光纤阵列法，我们得到铝板对正入射毫秒脉冲激光的吸收比为0.142，前人文献中提出光洁铝板对波长为1.06μm激光的吸收比为0.08［10］，由于我们实验中的铝板表面比较粗糙，铝板对激光吸收比相应得要高一些，所以所得结果比较合理。另外由于实验设备以及环境的影响，给实验结果带来了一定的实验误差，首先是实验虽然是在暗室中进行，但是在CCD测量能量时，受到自然光的微弱影响，其次激光器每次发射脉冲激光时，能量有微小浮动，浮动在0.02J左右。

参考文献：

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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

作者简介：范文瑞（1989—），男，汉族，吉林白城人，在读硕士，西南技术物理研究所，研究方向：激光与物质相互作用。