一种实时监测非链式脉冲化学激光器能量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种实时监测非链式脉冲化学激光器能量方法及装置，实现了高功率高重频非链式化学激光器无插入能量监测，方法主要包括首先根据被测激光器中气体分子的特征谱线调节可调谐窄线宽激光参数；其次，将可调谐窄线宽激光分束后分别同时照射被测激光器的增益区及非增益区；最后，分别采集经过被测激光器增益区及非增益区的激光强度，获得激光器增益区及非增益区的吸收光谱曲线，并计算得到激光器重频运行过程中各个脉冲的能量。利用光学非接触方法测量激光器单个脉冲形成的激活物质(HF分子)的浓度，计算得到非链式脉冲化学激光器的脉冲能量，避免了在激光器输出光路中引入其它分光元件，简化激光输出光路的同时实现激光能量的实时监测。

A Real-time Monitoring Method and Device for Energy of Non-Chain Pulsed Chemical Laser

【技术实现步骤摘要】
一种实时监测非链式脉冲化学激光器能量方法及装置
本专利技术涉及非链式脉冲化学激光
，尤其涉及高功率高重频非链式气体化学激光能量实时监测方法及装置。
技术介绍
非链式脉冲化学激光器可高重频运行，且具有峰值功率高、结构紧凑等特点，是目前倍受关注的红外激光源。激光能量是衡量激光器运行状态和输出性能的重要参数，需要实时监测。通常采用能量计监测激光能量，该种方法必须对激光光束进行分光处理，这将对激光的传输造成一定的影响，当激光器运行频率达到10kHz以上的高重频时，采用能量计监测激光能量已十分困难。对于高重频运行状态，现行方法是采用功率计监测激光器的平均能量，但是这无法实时反应激光脉冲能量的变化情况。另外，激光脉宽短、峰值功率高、能量大，激光器高重频运行时，为了避免损坏能量计需要在测量光加入衰减元件，引入了测量误差。针对上述问题，本专利技术提供一种基于气体分子浓度监测化学激光器脉冲能量的方法和装置，避免对激光传输光路的影响，可适用于高重频HF等化学激光器能量监测，具有十分重要的意义。
技术实现思路
为了实现高功率高重频非链式化学激光器无插入能量监测，本专利技术提供一种基于气体分子浓度实时监测脉冲化学激光器能量方法及装置。本专利技术的技术解决方案是：一种实时监测非链式脉冲化学激光器能量方法，包括以下步骤：步骤一、根据被测激光器中气体分子的特征谱线调节可调谐窄线宽激光参数，保证可调谐窄线宽激光的扫描波长范围仅覆盖待测气体分子的一条特征谱线；步骤二、将步骤一可调谐窄线宽激光分束后分别同时照射被测激光器的增益区及非增益区；步骤三、分别采集经过激光器增益区及非增益区的激光强度，获得激光器增益区及非增益区的吸收光谱曲线(具体，通过激光器输出光谱连续调节，扫描待测气体的吸收光谱，测量经过气体后的激光光强，获得的强度曲线，处理可得吸收光谱曲线)，按照下述过程，计算得到激光器重频运行过程中各个脉冲的能量；3.1)、利用激光器增益区的吸收光谱曲线，采用公式得出激光器增益区内的待测气体分子浓度N0；其中，I0为未经增益区混合气体吸收的激光光强，I为经过增益区混合气体吸收后的激光光强，S(T)为吸收线的强度cm/molecule，L0为激光在增益区内吸收介质中的传播距离cm，ν为激光波长(cm-1)；3.2)、利用非激活区的吸收光谱曲线，采用公式计算出激光器内气体分子本底浓度N1；I1为未经非增益区气体吸收的激光光强，I为经过非增益区混合气体吸收后的激光光强，S(T)为吸收线的强度cm/molecule，L1为激光在非增益区内吸收介质中的传播距离cm，ν为激光波长cm-1；3.3)、求得单次激励过程产生的Ns，Ns＝N0-N1；3.4)、利用公式E＝Ns×η×α计算得出此次激光脉冲能量；其中η为待测分子产生光子效率；式中α为常数；α由输出激光中心波长和激光器参数决定，α＝0.5Vln(1/R1R2)*hν，V增益区体积，R1、R2为谐振腔的的反射率，ν为中心波长频率，h为普朗克常数；3.5)、针对每个脉冲，重复3.1)～3.4)步，可获得激光器重频运行过程中各个脉冲的能量，实时监测激光器重频输出性能。本专利技术还提供一种实时监测非链式脉冲化学激光器能量的装置，其特殊之处在于：包括信号光源、分光单元、本底信号探测单元、浓度信号探测单元、数据采集处理单元和同步控制器；所述信号光源为可调谐窄线宽激光源，在测量时，可调谐窄线宽激光源的波长调谐范围仅覆盖被测分子吸收光谱的某一支谱线；所述同步控制器产生延时可调节的脉冲信号，用于控制被测激光器和信号光源同步运行；所述分光单元用于将信号光源输出的信号光分为两路，其中一路经过被测激光器非增益区后进入本底信号探测单元，另一路经过被测激光器增益区后进入浓度信号探测单元；所述本底信号探测单元用于测量经过被测激光器非增益区的信号光强度；所述浓度信号探测单元用于测量经过被测激光器增益区后信号光强度；所述数据采集处理单元储存计算机程序，计算机程序在处理器中运行时，执行以下过程：S1、采集浓度信号探测单元及本底信号探测单元输出的电信号；处理得到激光器增益区及非增益区的吸收光谱曲线；S2、利用激光器增益区的吸收光谱曲线，采用公式得出激光器增益区内的待测分子浓度N0)其中，其中，I0为未经增益区混合气体吸收的激光光强，I为经过增益区混合气体吸收后的激光光强，S(T)为吸收线的强度cm/molecule，L0为激光在增益区内吸收介质中的传播距离cm，ν为激光波长(cm-1)；S3、利用非激活区的吸收光谱曲线，采用公式计算出激光器内待测分子本底浓度N1；I1为未经非增益区气体吸收的激光光强，I为经过非增益区混合气体吸收后的激光光强，S(T)为吸收线的强度cm/molecule，L1为激光在非增益区内吸收介质中的传播距离cm，ν为激光波长cm-1；S4、求得单次激励过程产生的Ns，Ns＝N0-N1；S5、利用公式E＝Ns×η×α计算得出此次激光脉冲能量；其中η为待测分子产生光子效率；式中α为常数；α由输出激光中心波长和激光器参数决定，α＝0.5Vln(1/R1R2)*hν，V增益区体积，R1、R2为谐振腔的的反射率，ν为中心波长频率，h为普朗克常数；S6、针对每个脉冲，重复S2～S5，可获得激光器重频运行过程中各个脉冲的能量，实时监测激光器重频输出性能。进一步地，所述分光单元为光纤分束器，其输入端通过光纤与信号光源连接，信号光通过分光单元的两路输出端分别进入被测激光器的非增益区及增益区。进一步地，该装置还包括腔体上开有通气孔的气体吸收池，测量时，所述气体吸收池位于被测激光器的非增益区，且与被测激光器密封安装；气体吸收池相对两端分别设有第一光纤准直器与第一光纤耦合器；所述第一光纤准直器通过光纤与分光单元的一路输出端连接，所述第一光纤耦合器通过光纤与本底探测单元输入端连接。进一步地，所述本底信号探测单元包括第一光电探测器；用于采集从第一光纤耦合器出射的激光强度，第一光电探测器的输出端通过光纤与数据采集处理单元输入端连接。进一步地，该装置还包括设置在被测激光器玻璃窗处并且指向增益区的第二光纤准直器；第二光纤准直器通过光纤与分光单元的另一路输出端连接；所述浓度信号探测单元包括第二光纤耦合器、传输光纤与第二光电探测器，所述第二光纤耦合器安装在被测激光器玻璃窗处，与第二光纤准直器对准；所述第二光电探测器用于采集从第二光纤耦合器出射的激光强度，第二光电探测器的输出端通过光纤与数据采集处理单元输入端连接。进一步地，所述气体吸收池通过法兰与被测激光器密封连接，位于增益区上方，与增益区不接触。进一步地，所述浓度信号探测单元还包括设置在第二光纤耦合器与被测激光器玻璃窗之间的窄带红外滤光片，窄带红外滤光片的通光波长与信号光源输出波长对应。进一步地，进入被测激光器增益区的信号光光轴与被测激光器光轴之间有夹角；第一光电探测器为DET50B光电探测器；第二光电探测器为PIN、InGaAs或光电倍增管。本专利技术还提供利用上述装置实时监测非链式脉冲化学激光器能量的方法，其特征在于，包括以下步骤：1】、搭建上述装置；将气体吸收池封装入被测激光器的非增益区；2】、根据被测激光器中气体分子的特征谱线调节可调谐窄线宽激光参数，保证可调谐窄线宽激光的扫描波长范围仅覆盖待测气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实时监测非链式脉冲化学激光器能量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、根据被测激光器中气体分子的特征谱线调节可调谐窄线宽激光参数，保证可调谐窄线宽激光的扫描波长范围仅覆盖待测气体分子的一条特征谱线；步骤二、将步骤一可调谐窄线宽激光分束后分别同时照射被测激光器的增益区及非增益区；步骤三、分别采集经过被测激光器增益区及非增益区的激光强度，获得激光器增益区及非增益区的吸收光谱曲线，按照下述过程，计算得到激光器重频运行过程中各个脉冲的能量；3.1)、利用激光器增益区的吸收光谱曲线，采用公式

【技术特征摘要】
1.一种实时监测非链式脉冲化学激光器能量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、根据被测激光器中气体分子的特征谱线调节可调谐窄线宽激光参数，保证可调谐窄线宽激光的扫描波长范围仅覆盖待测气体分子的一条特征谱线；步骤二、将步骤一可调谐窄线宽激光分束后分别同时照射被测激光器的增益区及非增益区；步骤三、分别采集经过被测激光器增益区及非增益区的激光强度，获得激光器增益区及非增益区的吸收光谱曲线，按照下述过程，计算得到激光器重频运行过程中各个脉冲的能量；3.1)、利用激光器增益区的吸收光谱曲线，采用公式得出激光器增益区内的待测气体分子浓度N0；其中，I0为未经增益区混合气体吸收的激光光强，I为经过增益区混合气体吸收后的激光光强，S(T)为吸收线的强度cm/molecule，L0为激光在增益区内吸收介质中的传播距离cm，ν为激光波长(cm-1)；3.2)、利用非激活区的吸收光谱曲线，采用公式计算出激光器内气体分子本底浓度N1；I1为未经非增益区气体吸收的激光光强，I为经过非增益区混合气体吸收后的激光光强，S(T)为吸收线的强度cm/molecule，L1为激光在非增益区内吸收介质中的传播距离cm，ν为激光波长cm-1；3.3)、求得单次激励过程产生的Ns，Ns＝N0-N1；3.4)、利用公式E＝Ns×η×α计算得出此次激光脉冲能量；其中η为待测分子产生光子效率；式中α为常数；α由输出激光中心波长和激光器参数决定，α＝0.5Vln(1/R1R2)*hν，V增益区体积，R1、R2为谐振腔的的反射率，ν为中心波长频率，h为普朗克常数；3.5)、针对每个脉冲，重复3.1)～3.4)步，可获得激光器重频运行过程中各个脉冲的能量，实时监测激光器重频输出性能。2.一种实时监测非链式脉冲化学激光器能量的装置，其特征在于：包括信号光源(9)、分光单元(10)、本底信号探测单元(6)、浓度信号探测单元(5)、数据采集处理单元(7)和同步控制器(8)；所述信号光源(9)为可调谐窄线宽激光源；所述同步控制器(8)用于控制被测激光器和信号光源(9)同步运行；所述分光单元(10)用于将信号光源(9)输出的信号光分为两路，其中一路经过被测激光器非增益区后进入本底信号探测单元(6)，另一路经过被测激光器增益区后进入浓度信号探测单元(5)；所述本底信号探测单元(6)用于测量经过被测激光器非增益区的信号光强度；所述浓度信号探测单元(5)用于测量经过被测激光器增益区后信号光强度；所述数据采集处理单元储存计算机程序，计算机程序在处理器中运行时，执行以下过程：S1、采集浓度信号探测单元及本底信号探测单元输出的电信号；处理得到激光器增益区及非增益区的吸收光谱曲线；S2、利用激光器增益区的吸收光谱曲线，采用公式得出激光器增益区内的待测分子浓度N0)其中，其中，I0为未经增益区混合气体吸收的激光光强，I为经过增益区混合气体吸收后的激光光强，S(T)为吸收线的强度cm/molecule，L0为激光在增益区内吸收介质中的传播距离cm，ν为激光波长(cm-1)；S3、利用非激活区的吸收光谱曲线，采用公式计算出激光器内待测分子本底浓度N1；I1为未经非增益区气体吸收的激光光强，I为经过非增益区混合气体吸收后的激光光强，S(T)为吸收线的强度cm/molecule，L1为激光在非增益区内吸收介质中的传播距离cm，ν为激光波长cm-1；S4、求得单次激励过程产生的Ns，Ns＝N0-N1；S5、利用公式E＝Ns×η×α计算得出此次激光脉冲能量；其中η为待测分子产生光子效率；式中α为常数；α由输出激光中心波长和激光器参数决定，α＝0.5Vln(1/R1R2)*hν，V增益区体积，R1、R2为谐振腔的的反射率，ν为中心波长频率，h为普朗克常数；S6、针对每个脉冲，重复S2～S5，可获得激光器重频运行过程中各个脉冲的能量，实时监测激光器重频输出性能。3.根据权利要求2所述的实时监测非链式脉冲化学激光器能量的装置，其特征在于：所述分光单元(10)为光纤分束器，其输入端通过光纤与信号光源(9)连接，信号光通...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄珂，黄超，朱峰，陶蒙蒙，沈炎龙，陶波，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61