基于电校准的大口径强激光能量测量技术的研究

摘要

近二十年来，ICF驱动器研究得到了快速发展，激光装置的输出能量和功率水平大幅度提高，为了实现对装置的束间功率平衡，需要对大口径激光束的能量进行实时精密测量。体吸收型激光能量计具有波长适应范围宽、激光损伤阈值高、测量能量范围广等特点，被广泛应用于激光测试之中。由于目前国内没有标准高功率激光能量的标准装置，对大型激光装置的校准过程中只能进行不确定度的传递，在传递过程中，测量不确定度逐渐增大，由2％增大至6％～7％，难以达到束间能量平衡的要求，因此，研究以电能量替代激光能量对激光能量计进行校准，对于满足ICF对大口径强激光能量测量的需求很有必要。本论文提出了一种新型的带电校准的大口径激光能量计设计方案，以Bi2Te3—Sb2Te3构成的半导体热电堆作为能量转换器件，进行了以电能量为替代能量来实现对激光能量计的校准技术研究，重点开展了吸收体和热电偶对于能量计测量与校准技术理论和实验研究。本论文的主要工作和研究成果如下:
　　一、基于电能量和激光能量加热等效的思想，提出了一种新的带电校准装置的能量测量探头设计方案，对此探头进行了原理研究和热力学边界条件分析;
　　二、研究了吸收体吸收系数和双光子吸收效应对于能量测量的影响。在有限元分析软件中模拟了吸收体吸收系数对能量测量的影响，结果表明:对于大口径单脉冲激光能量的测量，采用吸收系数为400～600m-1的吸收体最为适当;模拟了双光子吸收系数对能量测量的影响，结果表明:双光子吸收效应把体吸收压缩成了面吸收，在吸收体表面形成一个很高的温度峰值，对能量测量不利。研究了热电偶的性能，结果表明:热电偶温升-电压转换效率为13mV/℃，标准差为0.13％;电压-电流关系为U=2.05792×I-0.03684;
　　三、模拟以及实验研究了能量测量探头对于电能量和激光能量的响应特性，模拟结果表明:在所设计的能量测量探头中，温度测量区对于激光和电能量都有良好的线性响应;实验结果表明:能量测量探头对激光能量具有线性响应，而对电能量只是局部线性响应;
　　四、完成了带自校准功能的大口径激光能量测量系统的设计，给出了能量校准平台、电路框图、测量和校准软件流程设计。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 ICF对大口径强激光能量测量的要求

1．1．1 激光聚变的基本概念

1．1．2 激光聚变对激光装置的基本性能要求

1．1．3 激光聚变对激光能量测量的要求

1．1．4 我国目前ICF激光能量测量现状

1．2 国内外大口径高功率激光能量测量校准现状

1．3 本论文主要特色以及主要研究内容

第二章 基于电校准大口径强激光能量测量结构研究

2．1 探头结构简介

2．1．1 光电等效条件研究

2．1．2 基本结构与原理分析

2．2 探头结构热力学分析

2．3 本章小结

第三章 大口径强激光能量测量材料性能研究

3．1 吸收体的研究

3．1．1 吸收系数的研究

3．1．2 双光子吸收效应的研究

3．2 热电偶性能的研究

3．2．1 热电偶特性原理研究

3．2．2 热电偶能量转换等效性实验研究

3．3 热匀体材料研究

3．4 本章小结

第四章 大口径强激光能量计的电校准研究

4．1 建模研究

4．1．1 模型建立

4．1．2 计算结果与分析讨论

4．2 能量测量的实验研究

4．2．1 激光能量测量实验研究

4．2．2 电能量较准实验研究

4．3 本章小结

第五章 基于电校准大口径激光能量计总体设计

5．1 基本设计思路

5．1．1 总体设计

5．1．2 算法研究

5．2 电路和软件设计

5．2．1 校准平台设计

5．2．2 软件流程设计

5．2．3 电路设计

5．3 小结

第六章 全文总结

6．1 本论文主要研究工作以及特色

6．2 论文进一步研究工作

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表论文、参加会议情况