LHAASO-WFCTA激光能量测量系统的性能研究

高海拔宇宙线观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO)位于四川省稻城县海子山,平均海拔4410 m。激光标定系统是LHAASO的广角切伦科夫望远镜阵列(Wide Field-of-view Cherenkov Telescope Array,WFCTA)的组成部分之一,用于标定广角切伦科夫望远镜阵列接收的光子数的绝对增益。激光标定系统中的激光能量测量系统由能量探头(Energy sensor)、能量计(Energy meter)和温控系统3部分组成,主要用于精确测量发射向广角切伦科夫望远镜阵列视场内的脉冲激光束的能量。主要对能量探头进行了相对标定和性能研究,并设计开发了保温系统来保证能量探头在环境恶劣的高海拔地区正常工作。通过能量探头之间的相对标定,可以提高激光能量测量的准确性。能量探头的性能测试结果表明,在以能量探头中心为圆心、直径为8 mm的圆形区域内,其不均匀度小于1.5%。激光束的入射角对能量探头测量激光脉冲能量几乎没有影响,但是垂直入射时能量探头反射的激光会损坏激光器,因此需要避免激光束垂直入射能量探头。此外,能量探头具有较强的温度效应。因此,独立开发了保温系统来保证能量探头的正常工作,以满足实验的要求。这些研究工作是激光标定系统进行正常工作和运行的基础。

高重复频率脉冲激光能量测量(英文)

设计了一种用于高重复频率脉冲激光能量测量的峰值保持电路。电路由电荷积分器、2阶低通滤波器、时间延迟触发器和峰值保持器组成,通过将光电流脉冲转换成电压脉冲,电压脉冲的峰值与对应电流脉冲所包含的能量成正比。实验测量结果表明:该电路可以测量脉宽<10 ns,重复频率≥2 kHz的重频窄脉冲激光的脉冲能量,且工作稳定,其线性动态范围≥140倍。该电路可应用于光电阵列探测系统中,能实现较高的空间分辨力。

用于多波长高功率激光能量测量的体吸收能量计

叙述体吸收激光能量计的原理及物理模型，给出其性能参数及测试方法，分析它在神光Ⅱ装置中对三种波长激光能量测量的取样方式及测量精度。

大口径高功率激光能量测量吸收体研究

高峰值功率能量测量中吸收体的选择,将影响到高功率激光能量计测量准确性。设计了一种大口径高峰值功率体吸收型激光能量测量探头,利用有限元软件,对激光能量测量光热转换的相关过程进行了模拟研究,研究表明对400 mm×400 mm口径、1053 nm波长、3 nm脉宽、3000 J量级单脉冲激光能量测量,选择吸收系数在400～600 m-1的玻璃作为吸收体最为合理。

大口径高能量激光测量中后向散射能量研究

锥形吸收腔高能量激光能量计测量过程中的后向散射能量分布是影响测量准确度的一个关键参量。依据锥形腔能量计内表面与入射激光相互作用的光学定律,推导了能量计内入射激光光束能量的分布函数;并结合复化辛普森数值计算方法,计算分析了当能量计反射系数一定,而入射激光光束直径与吸收腔直径之比不同时,锥形吸收腔开口处光功率密度分布和后向散射总功率。计算结果表明,对于大口径高能量激光,后向散射能量损失将达到0.5%至2.5%左右。根据后向散射光功率密度分布计算得到后向散射总能量,对测量结果进行修正,将有效改善高能量激光能量测量准确度。

远场激光能量的多通道同步测量系统设计

设计了一个基于DSP的远场激光能量多通道同步测量系统。系统采用DSP芯片TMS320F2812作为核心数字信号处理器,结合CPLD控制A/D转换芯片采集信号并完成数字信号阈值判别、寻峰、数据处理等任务,从而提高了系统的处理速度和处理能力,满足了实时处理入射激光信号的要求。

神光Ⅱ装置高功率激光能量测量

在惯性约束聚变实验及X光激光研究中,激光驱动器的激光能量测量是一项十分重要的课题.准确测定打靶激光能量对实验数据分析处理、得出正确的物理规律具有非常重要的意义.神光Ⅱ装置是具有基频(1ω)、二倍频(2ω)及三倍频(3ω)三种波长激光能量输出的国内最大的高功率激光物理实验装置.激光脉宽分纳秒、100 ps、20 ps及皮秒4档可调.在不同脉宽条件下,有不同量级的激光能量输出,当物理实验要求激光脉宽为纳秒量级时,1ω激光能量输出大于4.8 kJ,2ω激光能量输出大于3.0 kJ,3ω激光能量输出大于2.0 kJ.在整个神光Ⅱ装置中共设置了68个激光能量测量网点,包括十项测量内容.在这些测量中,有的信息量很大,有的信息量很小,有的大光斑取样,有的小光束测量.为了适应神光Ⅱ装置激光能量测量的需要,在调研国内外有关资料的基础上,采用了热电堆焊接的新工艺、成对设计的差分结构、双层热屏蔽的隔离外壳等措施,使研制的体吸收激光能量计在灵敏度、均匀性、稳定性等方面都有大幅度提高,经中国计量院标定测试,其性能超过原设计指标要求,达到或超过美国阿波罗激光公司(Apollo Laser Inc.)制造的同类型激光能量计的水平,满足了神光Ⅱ装置多波长高功率激光能量测量的需要.(PG3)

碲镉汞光导探测器在中红外激光测量中的热问题

为了准确测量中红外高能激光系统的远场功率密度时空分布等参数,分析了室温光导型碲镉汞(HgCdTe)探测器在环境温度变化和光热效应情况下存在的探测器光敏元温升等热问题,并分别给出了应对措施。从HgCdTe的电学参数经验公式和光导型探测器工作原理出发,分析了暗电阻和响应率与光敏元工作温度的相关性。建立了计入接触热阻和自然对流效应的光导型HgCdTe探测器热分析模型,并对模型进行了实验验证。分析了光敏元与环境温度间的热平衡时间特性,提出了连续激光测量中的环境温度校正模型。讨论了激光辐照下探测器的动态响应特性,给出了激光加热探测器光敏元导致的附加光热信号的修正方法,该方法在典型应用条件下可将测量系统的单通道测量不确定度降低2%以上。目前,所述方法均已成功应用于多套远场激光光斑定量测量系统。

高能激光计后向散射能量损失补偿方法研究

针对锥形腔高能激光计后向散射能量损失补偿问题,系统分析了均匀分布激光入射强漫反射面情况下的锥形吸收腔的后向散射问题,进而针对不同高能量激光的输出光斑形状,建立了锥形吸收腔开口处光功率密度分布和后向散射总功率的数学模型,在此基础上对测量结果进行了补偿和修正,有效改善了高能量激光能量测量准确度.

光探测器脉冲激光响应度温度特性测量与分析

在高精度控制环境温度条件下测量光电型、热偶型和热释电型三种光探测器的激光脉冲能量响应度温度特性。采用对入射激光正交取样的方法以消除测量时激光能量和偏振态变化对测量结果的影响,通过对硅光电探测器等效电参数和能量测量方法的分析,指出光电探测器响应度随温度变化的原因,并提出减小影响的方法。

纳秒级脉冲激光自动跟踪积分式测量方法

介绍了一种纳秒级脉冲激光光斑能量分布测量电路的设计方法,采用自动跟踪积分方式,根据预测先将脉冲光电流积分并保存,然后用速度较低的A/D芯片进行A/D转换,该方法避免了采用高速A/D芯片,且可以获得较高的采样分辨率,特别是在需要采集的通道数较多时具有明显优势。