本发明涉及激光能量计吸收体温度特性测量、高能激光输出能量/功率测量等领域，特指一种基于金属化光纤传感的吸收体温度特性瞬态测量装置。
背景技术：
激光输出能量/功率是评价高能激光系统品质和研制水平的一项重要指标。在高能激光系统的试验评估以及诸多工程应用中，对激光能量/功率准确测定的需求越来越迫切。激光能量计是测量高能激光系统输出能量的重要手段，为提高测量精度，通常采用基于量热法的全吸收式激光能量计。吸收体作为激光能量计的重要组成部分，对其温度特性的理解掌握及快速准确测量，直接关乎到能量计的整体设计与测量性能。
目前，现有激光能量计大多采用热电偶、热电阻等电学温度传感器来测量吸收体温度变化。电学温度传感单元技术成熟、应用广泛。一方面，热电偶、热电阻通常作为点式传感器使用，仅能反映测量点附近局部区域的温度信息；在测量吸收体的大范围温度场时，需采用密集的传感器阵列。以全固态吸收型能量计为例，合理的热电偶阵列布局常包含数十至上百个测温单元；在水流冷却型能量计中，为提高测量灵敏度，常将多个热电偶串联组成热电堆进行测温，以增强对微小温差的分辨能力。这些测温方式均会导致结构复杂、一致性低、耗费空间等问题。另一方面，热电偶、热电阻的温度响应时间一般在百毫秒至秒量级，无法实时响应快速变化的温度场或平均温度，进而难以瞬态测量分析吸收体的热响应特性。在水流吸收型激光能量计中，通常采用各种强制热交换的措施加快水流的热交换，降低水流的温度梯度、保证水流温度尽可能均匀，使其温度分布在到达热电偶阵列之前处于一种准稳态，用以一定程度解决慢响应温度传感器与快速变化温度信号之间的测量矛盾。名称为《大能量长脉冲激光能量计吸收体温度特性》的现有技术中(李南等，红外与激光工程，2018，47(4))，对大能量长脉冲激光辐照下的吸收体温度周期振荡特性进行了理论研究与数值分析，但缺乏一种与之相匹配可行的快响应温度测量手段。
迄今，尚未见一种基于金属化光纤传感的吸收体温度特性瞬态测量装置，可适用于提升吸收体平均温变快速测定能力，并为新型快响应激光能量计技术开发提供借鉴。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构紧凑、原理简单、操作方便、兼具快速响应与温度场物理平均优势的基于金属化光纤传感的吸收体温度特性瞬态测量装置。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于金属化光纤传感的吸收体温度特性瞬态测量装置，包括：泵浦激光器、光纤波分复用器、掺铒光纤、金属化光纤测温阵列、光纤滤波器、2×2光纤耦合器、光纤隔离器、1×2光纤耦合器、法珀腔扫描干涉仪、高速光电探测器和频谱分析与时频分析模块；
所述泵浦激光器的输出端与光纤波分复用器的输入端连接，用于输入泵浦激光信号；
所述光纤波分复用器的两输出端分别与掺铒光纤和金属化光纤测温阵列连接，分别输出激光信号；
所述掺铒光纤的输入端与光纤波分复用器上远离泵浦激光器的输出端连接，掺铒光纤的输出端与2×2光纤耦合器连接；所述掺铒光纤作为增益介质；
所述金属化光纤测温阵列的输入端与光纤波分复用器上靠近泵浦激光器的输出端连接，金属化光纤测温阵列的输出端与光纤滤波器连接；所述金属化光纤测温阵列包含n路结构相同且串联相接的金属化光纤测温探头，n≥3；
所述2×2光纤耦合器的输入端分别与掺铒光纤和光纤滤波器连接，所述2×2光纤耦合器中靠近掺铒光纤一侧的光纤尾端与光纤隔离器连接，用于输出激光信号；所述光纤隔离器的输出端与1×2光纤耦合器连接；所述1×2光纤耦合器的输出端分别与法珀腔扫描干涉仪和高速光电探测器连接；通过法珀腔扫描干涉仪检测输出激光的纵模结构；所述高速光电探测器的输出端与频谱分析与时频分析模块连接，激光信号在高速光电探测器中进行光电转换后，再输入频谱分析与时频分析模块，以实现温度传感信号解调，完成吸收体平均温度变化的瞬态测量。
作为本发明的进一步改进，每路所述金属化光纤测温探头包括光纤环形器和金属化光纤；通过所述光纤环形器实现激光信号在环形腔内单向传输，所述金属化光纤用作激光传输和温敏介质。
作为本发明的进一步改进，所述泵浦激光器与光纤波分复用器、掺铒光纤、金属化光纤测温阵列、光纤滤波器、2×2光纤耦合器、光纤隔离器共同构成谐振腔内嵌套n段金属化光纤的掺铒光纤环形激光器，用于实现多纵模激光输出；所述掺铒光纤环形激光器输出的多纵模激光相互之间产生拍频信号，通过检测分析拍频信号随平均温度变化的频移量，即可提取所感知的温度信息。
作为本发明的进一步改进，多纵模激光拍频随平均温度变化的基本规律为：
式(1)中，vb表示掺铒光纤环形激光器输出的模式群落中任意两个纵模之间的拍频，为纵模间隔的整数倍；δvb表示多纵模激光拍频vb随温度变化的漂移量；
作为本发明的进一步改进，将n段金属化光纤在空间上沿轴向细分成k等份，各等份金属化光纤上温度分布均匀且相应的温度变化量为δti，则式(1)转化为：
作为本发明的进一步改进，所述金属化光纤测温阵列用于检测n段金属化光纤传输路径上温度场的平均值瞬态变化；所述金属化光纤的涂覆层材料为金属薄膜。
作为本发明的进一步改进，所述光纤环形器包括第①、第②和第③尾端，所述第①和第③尾端分别作为金属化光纤测温探头的输入端和输出端，所述第②尾端与金属化光纤连接；所述金属化光纤上远离所述第②尾端的端部镀制高反膜，用于腔内激光反射。
作为本发明的进一步改进，所述光纤波分复用器、光纤滤波器、第一光纤耦合器、光纤隔离器和光纤环形器均为保偏器件；所述掺铒光纤和金属化光纤均为保偏光纤。
作为本发明的进一步改进，所述光纤滤波器的3db带宽大于所述掺铒光纤环形激光器的纵模间隔，所述光纤滤波器的3db带宽≥0.2nm，透射中心波长处于1530～1560nm。
作为本发明的进一步改进，所述光纤滤波器的3db带宽大于所述掺铒光纤环形激光器的纵模间隔的1000倍。
本发明的基于金属化光纤传感的吸收体温度特性瞬态测量装置工作原理为：在自由运转的多纵模掺铒光纤环形激光器基础上，通过法珀腔扫描干涉仪监测输出激光的纵模结构与多纵模动态，以谐振腔内的金属化光纤测温阵列为温敏元件，根据实测需求设置金属化光纤测温阵列内嵌于待测吸收体的空间布局，利用n段柔性金属化光纤对沿其传输路径的空间内分布的所有点随时间快速变化的温度信息进行自组织扫描取样再积分，并完成物理平均后直接输出。掺铒光纤环形激光器输出的多纵模相互之间产生光学差拍信号，经高速光电转换后变为“电频梳”信号，再通过频谱分析与时频分析模块在线检测电频梳信号的频漂量，以对温度传感信号进行实时解调，最终实现吸收体平均温度变化的瞬态测量。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明的基于金属化光纤传感的吸收体温度特性瞬态测量装置，通过泵浦激光器、光纤波分复用器、掺铒光纤、金属化光纤测温阵列、光纤滤波器、光纤耦合器和光纤隔离器共同构成了谐振腔内嵌套n段金属化光纤的掺铒光纤环形激光器，并且以多纵模掺铒光纤环形激光器腔内的金属化光纤测温阵列作为温敏元件。所采用的金属化光纤具有良好的热物理和力学特性，可依据待测温度场特性呈三维柔性铺设嵌入吸收体。本发明的基于金属化光纤传感的吸收体温度特性瞬态测量装置通过自组织光物理机制，能够直接、快速地拾取金属化光纤传输路径上温度场的平均变化量，具有测量触面广、热响应快、灵敏度高、可焊接性、结构轻质紧凑等特点，尤其适用于金属球形腔、循环水流等激光能量计吸收体的平均温变瞬态测量，测量空间范围涵盖所有与柔性金属化光纤接触的吸收体部位及其附近区域。
2.本发明的基于金属化光纤传感的吸收体温度特性瞬态测量装置，相对于常规电学温度传感手段，对吸收体的热响应时间可从亚秒量级降至毫秒、亚毫秒量级，为新型快响应高能激光能量计的技术开发提供借鉴，有望给重频序列大能量长脉冲激光的单脉冲能量测量与试验评估带来新的技术方案。
3.本发明的基于金属化光纤传感的吸收体温度特性瞬态测量装置，具有极强的通用性，作为温敏元件的金属化光纤测温阵列结构可依据实际的测量需求设计制定，既适用于激光能量计吸收体温度特性瞬态测量，又可为强激光与物质相互作用冲击效应表征、激光毁伤与防护效能评估等方向基础科研及工程应用提供可借鉴的测试方法。
附图说明
图1为本发明的基于金属化光纤传感的吸收体温度特性瞬态测量装置的结构原理示意图。
图2为多纵模之间拍频信号的功率谱(高频部分未示出)，图中fsr表示纵模间隔。
图3为泵浦调制下多纵模掺铒光纤环形激光器输出某一纵模的时频图，图中acqtime和rbw分别表示采样周期和分辨率带宽。
图例说明：1、泵浦激光器；2、光纤波分复用器；3、掺铒光纤；4、金属化光纤测温阵列；5、光纤滤波器；6、2×2光纤耦合器；7、光纤隔离器；8、1×2光纤耦合器；9、法珀腔扫描干涉仪；10、高速光电探测器；11、频谱分析与时频分析模块；12、光纤环形器；13、金属化光纤；14、高反膜。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例
如图1所示，本发明的基于金属化光纤传感的吸收体温度特性瞬态测量装置，包括：泵浦激光器1、光纤波分复用器2、掺铒光纤3、金属化光纤测温阵列4、光纤滤波器5、2×2光纤耦合器6、光纤隔离器7、1×2光纤耦合器8、法珀腔扫描干涉仪9、高速光电探测器10和频谱分析与时频分析模块11。
泵浦激光器1的输出端与光纤波分复用器2的输入端连接，用于输入泵浦激光信号。进一步的，本实施例中，泵浦激光器1为980nm半导体激光器。
光纤波分复用器2的两输出端分别与掺铒光纤3和金属化光纤测温阵列4连接，分别输出激光信号。本实施例中，光纤波分复用器2为980/1550nm波分复用器。
掺铒光纤3的输入端与光纤波分复用器2上远离泵浦激光器1的输出端连接，掺铒光纤3的输出端与2×2光纤耦合器6连接。掺铒光纤3作为增益介质。泵浦激光器1的输出光经光纤波分复用器2输入，为掺铒光纤3提供泵浦激励。
金属化光纤测温阵列4的输入端与光纤波分复用器2上靠近泵浦激光器1的输出端连接，金属化光纤测温阵列4的输出端与光纤滤波器5连接。金属化光纤测温阵列4包含3路结构相同且串联相接的金属化光纤测温探头(本实施例中，n＝3)。
2×2光纤耦合器6的输入端分别与掺铒光纤3和光纤滤波器5连接，2×2光纤耦合器6中靠近掺铒光纤3一侧的光纤尾端与光纤隔离器7连接。光纤隔离器7主要用以消除后向散射光的影响，且光纤隔离器7的输出端与1×2光纤耦合器8连接。1×2光纤耦合器8的输出端分别与法珀腔扫描干涉仪9和高速光电探测器10连接，高速光电探测器10的输出端与频谱分析与时频分析模块11连接。从光纤隔离器7输出的激光信号进入1×2光纤耦合器8后被分为两束输出光，其中一束进入法珀腔扫描干涉仪9，通过法珀腔扫描干涉仪9检测输出激光的纵模结构；另一束进入高速光电探测器10中完成光电转换后，再输入频谱分析与时频分析模块11，以实现温度传感信号解调，完成吸收体平均温度变化的瞬态测量。
如图1所示，本实施例中，每路金属化光纤测温探头包括一个光纤环形器12和一段金属化光纤13；通过光纤环形器12实现激光信号在环形腔内单向传输，金属化光纤13用作激光传输和温敏介质。进一步的，本实施例中，光纤环形器12包括第①、第②和第③尾端；第①和第③尾端分别作为金属化光纤测温探头的输入端和输出端，第②尾端与金属化光纤13连接；金属化光纤13上远离第②尾端的端部镀制高反膜14，用于腔内激光反射。
本实施例中，金属化光纤测温阵列4用于检测3段金属化光纤13全部传输路径上温度场的平均值瞬态变化。金属化光纤13的涂覆层材料为铜质薄膜。
本实施例中，光纤波分复用器2、光纤滤波器5、第一光纤耦合器6、光纤隔离器7和光纤环形器12均为保偏器件；掺铒光纤3和金属化光纤13均为保偏光纤。
本实施例中，泵浦激光器1与光纤波分复用器2、掺铒光纤3、金属化光纤测温阵列4、光纤滤波器5、2×2光纤耦合器6、光纤隔离器7共同构成了谐振腔内嵌套3段金属化光纤13的掺铒光纤环形激光器，用于实现多纵模激光输出。掺铒光纤环形激光器输出的多纵模激光相互之间产生拍频信号，通过检测分析拍频信号随平均温度变化的频移量，即可提取所感知的温度信息。进一步的，光纤滤波器5的3db带宽远大于掺铒光纤环形激光器的纵模间隔，以利于多纵模激光起振。本实施例中，光纤滤波器5的3db带宽大于掺铒光纤环形激光器的纵模间隔的1000倍，光纤滤波器5采用带通式光纤滤波器，3db带宽为0.3nm，中心波长在1550nm附近。
本实施例中，通过泵浦激光器1、光纤波分复用器2、掺铒光纤3、金属化光纤测温阵列4、光纤滤波器5、光纤耦合器6和光纤隔离器7共同构成了谐振腔内嵌套3段金属化光纤13的掺铒光纤环形激光器，并以多纵模掺铒光纤环形激光器腔内的金属化光纤测温阵列4作为温敏元件。所采用的金属化光纤13具有良好的热物理和力学特性，可依据待测温度场特性呈三维柔性铺设嵌入吸收体。本发明的基于金属化光纤传感的吸收体温度特性瞬态测量装置通过自组织光物理机制，能够直接、快速地拾取金属化光纤传输路径上温度场的平均变化量，具有测量触面广、热响应快、灵敏度高、可焊接性、结构轻质紧凑等特点，尤其适用于金属球形腔、循环水流等激光能量计吸收体的平均温变瞬态测量，测量空间范围涵盖所有与柔性金属化光纤接触的吸收体部位及其附近区域。
本实施例中，将本发明用于激光能量计吸收体瞬态平均温度变化测量的主要工作过程如下：
首先，将基于金属化光纤传感的吸收体温度特性瞬态测量装置的测量对象拟定为激光能量计的铜质球形腔吸收体(积分球结构，壁厚设计为5mm)。进一步的，金属化光纤测温阵列4中的3段金属化光纤13拟分别沿过球心的三个正交圆方向全部缠绕焊接在铜质球形腔吸收体的外表面，且单段金属化光纤13不重叠交叉。
在自由运转的多纵模掺铒光纤环形激光器基础上，通过法珀腔扫描干涉仪9监测输出激光的纵模结构与多纵模动态，以谐振腔内嵌的金属化光纤测温阵列4作为测温元件，利用3段柔性金属化光纤13对沿其传输路径上空间分布所有点随时间快速变化的温度信息进行自组织扫描取样再积分，并完成物理平均后直接输出。
掺铒光纤环形激光器输出的多纵模相互之间产生光学差拍信号，即输出的模式群落中任意两个纵模之间均产生拍频信号，经高速光电探测器10进行光电转换后变为“电频梳”信号，通过频谱分析和时频分析模块11测得拍频信号的功率谱。如图2所示，图中各分立谱线所对应的频点等于纵模间隔整数倍，进而推算出掺铒光纤环形激光器的等效腔长l。然后，通过频谱分析与时频分析模块11在线检测“电频梳”信号的漂移量，即多纵模激光拍频信号的频漂量，以对温度传感信号进行实时解调，最终实现吸收体平均温度变化的瞬态测量。
本实施例中，多纵模激光拍频随待测平均温度变化的基本规律由下列表达式描述：
式(1)～(4)中，vb表示掺铒光纤环形激光器输出的模式群落中任意两个纵模之间的拍频，为纵模间隔δv0的整数倍；δvb表示多纵模激光拍频vb随温度变化的漂移量；
为更好地阐释平均温度变化量
由式(1)～(7)可知，拍频信号随平均温度的升高向频率减小方向呈线性漂移，系统的温度传感灵敏度
从测量应用角度来看，本发明的测量装置无需关注多纵模掺铒光纤环形激光器频域内复杂的纵模结构演化细节，通过频谱分析与时频分析模块在线绘制“电频梳”信号的时频图，提取拍频信号的频漂量，即可实现温度信号解调。图3为泵浦调制条件下多纵模掺铒光纤环形激光器输出某一纵模的时频图，泵浦光强调制诱发各纵模的光频被同步调制(调制频率为50hz)，图中时频分析的单帧信号采样周期(acqtime)约为0.1ms。根据图3结果可知，本发明的测量装置利用已有时频分析手段可实现亚毫秒量级平均温变信号的实时解调；另外，图3中的分辨率带宽(rbw)可根据测量需求进一步降低，进而对应提升温度信号解调分辨率。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
1.一种基于金属化光纤传感的吸收体温度特性瞬态测量装置，其特征在于，包括：
泵浦激光器(1)、光纤波分复用器(2)、掺铒光纤(3)、金属化光纤测温阵列(4)、光纤滤波器(5)、2×2光纤耦合器(6)、光纤隔离器(7)、1×2光纤耦合器(8)、法珀腔扫描干涉仪(9)、高速光电探测器(10)和频谱分析与时频分析模块(11)；
所述泵浦激光器(1)的输出端与光纤波分复用器(2)的输入端连接，用于输入泵浦激光信号；
所述光纤波分复用器(2)的两输出端分别与掺铒光纤(3)和金属化光纤测温阵列(4)连接，分别输出激光信号；
所述掺铒光纤(3)的输入端与光纤波分复用器(2)上远离泵浦激光器(1)的输出端连接，掺铒光纤(3)的输出端与2×2光纤耦合器(6)连接；所述掺铒光纤(3)作为增益介质；
所述金属化光纤测温阵列(4)的输入端与光纤波分复用器(2)上靠近泵浦激光器(1)的输出端连接，金属化光纤测温阵列(4)的输出端与光纤滤波器(5)连接；所述金属化光纤测温阵列(4)包含n路结构相同且串联相接的金属化光纤测温探头，n≥3；
所述2×2光纤耦合器(6)的输入端分别与掺铒光纤(3)和光纤滤波器(5)连接，所述2×2光纤耦合器(6)中靠近掺铒光纤(3)一侧的光纤尾端与光纤隔离器(7)连接，用于输出激光信号；所述光纤隔离器(7)的输出端与1×2光纤耦合器(8)连接；所述1×2光纤耦合器(8)的输出端分别与法珀腔扫描干涉仪(9)和高速光电探测器(10)连接；通过法珀腔扫描干涉仪(9)检测输出激光的纵模结构；所述高速光电探测器(10)的输出端与频谱分析与时频分析模块(11)连接，激光信号在高速光电探测器(10)中进行光电转换后，再输入频谱分析与时频分析模块(11)，以实现温度传感信号解调，完成吸收体平均温度变化的瞬态测量。
2.根据权利要求1所述的基于金属化光纤传感的吸收体温度特性瞬态测量装置，其特征在于，每路所述金属化光纤测温探头包括光纤环形器(12)和金属化光纤(13)；通过所述光纤环形器(12)实现激光信号在环形腔内单向传输，所述金属化光纤(13)用作激光传输和温敏介质。
3.根据权利要求2所述的基于金属化光纤传感的吸收体温度特性瞬态测量装置，其特征在于，所述泵浦激光器(1)与光纤波分复用器(2)、掺铒光纤(3)、金属化光纤测温阵列(4)、光纤滤波器(5)、2×2光纤耦合器(6)、光纤隔离器(7)共同构成谐振腔内嵌套n段金属化光纤(13)的掺铒光纤环形激光器，用于实现多纵模激光输出；所述掺铒光纤环形激光器输出的多纵模激光相互之间产生拍频信号，通过检测分析拍频信号随平均温度变化的频移量，即可提取所感知的温度信息。
4.根据权利要求3所述的基于金属化光纤传感的吸收体温度特性瞬态测量装置，其特征在于，多纵模激光拍频随平均温度变化的基本规律为：
式(1)中，vb表示掺铒光纤环形激光器输出的模式群落中任意两个纵模之间的拍频，为纵模间隔的整数倍；δvb表示多纵模激光拍频vb随温度变化的漂移量；
5.根据权利要求4所述的基于金属化光纤传感的吸收体温度特性瞬态测量装置，其特征在于，将n段金属化光纤(13)在空间上沿轴向细分成k等份，各等份金属化光纤上温度分布均匀且相应的温度变化量为δti，则式(1)转化为：
6.根据权利要求2所述的基于金属化光纤传感的吸收体温度特性瞬态测量装置，其特征在于，所述金属化光纤测温阵列(4)用于检测n段金属化光纤(13)传输路径上温度场的平均值瞬态变化；所述金属化光纤(13)的涂覆层材料为金属薄膜。
7.根据权利要求2所述的基于金属化光纤传感的吸收体温度特性瞬态测量装置，其特征在于，所述光纤环形器(12)包括第①、第②和第③尾端，所述第①和第③尾端分别作为金属化光纤测温探头的输入端和输出端，所述第②尾端与金属化光纤(13)连接；所述金属化光纤(13)上远离所述第②尾端的端部镀制高反膜(14)，用于腔内激光反射。
8.根据权利要求2所述的基于金属化光纤传感的吸收体温度特性瞬态测量装置，其特征在于，所述光纤波分复用器(2)、光纤滤波器(5)、第一光纤耦合器(6)、光纤隔离器(7)和光纤环形器(12)均为保偏器件；所述掺铒光纤(3)和金属化光纤(13)均为保偏光纤。
9.根据权利要求4至6中任意一项所述的基于金属化光纤传感的吸收体温度特性瞬态测量装置，其特征在于，所述光纤滤波器(5)的3db带宽大于所述掺铒光纤环形激光器的纵模间隔，所述光纤滤波器(5)的3db带宽≥0.2nm，透射中心波长处于1530～1560nm。
技术总结