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(cè)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(píng)定脈沖激光對(duì)靶材的毀傷效能時(shí)，靶材對(duì)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(lái)測(cè)量鋁板對(duì)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(guò)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(guò)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(duì)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(zhǎng)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(wú)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(lái)測(cè)量毫秒脈沖的吸收比，即通過(guò)測(cè)量靶材對(duì)激光的反射比來(lái)推算激光的吸收比。由于測(cè)量的是正入射激光脈沖，所以反射光強(qiáng)度在空間承軸對(duì)稱分布，所以只要測(cè)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(guò)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(guò)光纖將激光反射光導(dǎo)入到CCD中，通過(guò)CCD采樣圖片的灰度值來(lái)計(jì)算能量強(qiáng)度，所以首先要對(duì)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(guò)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(guò)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(guò)分光鏡分為兩束，一束分通過(guò)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(cè)量，根據(jù)分光鏡的分光系數(shù)凸透鏡的透過(guò)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(guò)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(cè)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(duì)半球面上任意一條子午線上的多點(diǎn)的能量值進(jìn)行測(cè)量。圖2為測(cè)量裝置的示意圖。

其中，激光波長(zhǎng)為1.06μm，CCD前衰減片的衰減系數(shù)，光纖透過(guò)率，接收端光纖直徑d=1mm，分光鏡的分光比，凸透鏡的透過(guò)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(cè)量從5°到85°每5°角測(cè)量一次反射光的能量值，各個(gè)接收點(diǎn)通過(guò)CCD測(cè)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(guò)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(guò)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(guò)接收點(diǎn)的能量密度，利用Matlab對(duì)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(duì)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(cè)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(yǔ)

通過(guò)光纖陣列法，我們得到鋁板對(duì)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(duì)波長(zhǎng)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(duì)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(lái)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(cè)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。

參考文獻(xiàn)：

［1］陳彥北，陸建，倪曉武等.3種吸收率模型金屬激光加熱數(shù)值研究比較［J］.激光技術(shù)，2009，30（6）:622-625.

CHEN Y B，LU J，NI X W，et al.Three kinds of metal laser heat absorption model numerical comparison［J］.Laser Technology， 2009，30（6）:622-625.（in Chinese）

［2］孫承緯等.激光輻照效應(yīng)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2002:18-25.

Sun C W， et al， The Effect of Laser Irradiation［M］.Beijing: National Defence Industry Press，2002:18～25（in Chinese）

［3］陸建，倪曉武，賀安之.激光與材料相互作用物理學(xué)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，1996，19-22.

LU J，NI X W，HE A Zh.Interaction physics between laser and materials［M］.Bejing:National Defense Industry Press，1996，19～22 （in Chinese）.

［4］M.Bruckner， J.H.Scafer， J.Uhlenbusch. Ellipsometric measurement of the optical constants of solid and molten aluminum and copper atλ=10.6μm ［J］.J.Appl.Phys.，1989，66（3）:1326～1332

［5］Zhang Kexing ， Liu Cangli ， Zhang Ning et al，The thermalcoupling effects of CW/ COIL radiation to LF6M aluminum alloy plates ［J］. High Power Laser and Particle Beams （強(qiáng)激光與粒子束） ， 1994 ，6 （4）:501～508 （in Chinese）.

［6］Lin Xiuchuan ，Shao Tianmin. Lumped method for themeasurement of laser absorptance of materials ［J］.ActaPhysica Sinica （物理學(xué)報(bào)） ，2001，50（5）:856～859 （ inChinese）.

［7］A. Frenk， A.F.A.Hoadley， J.D.Wagniere.In-situtechnique for measuring the absorption during laser surface remelting［J］. MetallurgicalTransactionsB，1989 ，22B:139～142.

［8］任駒，趙建林.基于半球空間光纖陣列的雙向反射分布測(cè)量［J］.中國(guó)激光，2009，36（11）:3011-3014.

［9］趙建林，任駒.一種測(cè)量散射光場(chǎng)三維分布的裝置.ZL200820028 165.X，西北工業(yè)大學(xué)，2008.

［10］陸建，倪曉武，賀安之.激光與材料相互作用物理學(xué)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，1996，20.LU J，NI X W，HE A Zh.Interaction physics between laser and materials［M］.Bejing:National Defense Industry Press，1996，20（in Chinese）.

【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(jiǎn)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。