本发明属于激光能量测量，尤其涉及一种高能激光功率测量装置及方法。
背景技术：
1、高能激光器是激光技术发展的热点，在激光武器、激光加工、激光推进等领域有广泛的应用。对于低功率激光，可使用商业激光功率计直接进行测量，但对于千瓦、万瓦以上的高能激光功率如何快速直接测量是亟待解决的一个问题。
2、对于高功率激光的测量主要有积分球法和功率计测量法，积分球法作为一种光收集器，其内壁涂层材料的能带间隙很高，对光能量几乎不会产生吸收，因此没有光损失。当被测光源安装在积分球中心位置时，光线在球内经过多次反射及漫反射后，将均匀地分布在球的内壁上。通过测量积分球内壁某一小块面积的光能量，就可以计算出光源所散发的全部光能量。但随着激光功率的增大，积分球体积急剧增大且溯源复杂，不宜操作。功率计测量按照不同的原理和材料分为热电堆型、光电二极管型等，在测量中，随着激光功率的增大，一般会对大功率激光进行衰减或分光，通过测量一小部分激光的功率，再根据衰减比或分光比来计算初始激光功率，但此方法非直接测量，此外，对于不确定的评定比较复杂。
3、因此，对于大功率激光而言，迫切需要一种高效且使用方便的激光功率测量装置及方法。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提出一种高效且使用方便的高能激光功率测量装置及方法，利用扭摆测力机构对激光光压产生的推力进行测量，根据推力测量结果获得入射激光功率。该方法具有精度高、响应速度快等优势，并且能根据扭摆测力的精度，对激光功率测量精度进行判定，极大提高功率测量的准确性。
2、光子不仅具有能量，而且具有动量，设光速为c，频率为ν，波长为λ，则光子的能量e和动量分别为
3、e＝hν
4、
5、式中，h为普朗克常量，当光子与物体发生作用，光子被物体吸收或反射，光子的动量会交换给物体，产生对物体的作用力，表现为光压，光压f与动量的关系为
6、
7、通过测量光压f，即可得到入射激光的功率p＝fc。
8、为实现对光压f的测量，本发明利用扭摆测力机构，光压f产生的推力水平作用在横梁上，横梁在回复力和阻尼的作用下在水平面内发生往复摆动，最终趋于新的平衡位置，通过测量平衡位置下横梁的摆动角度，对光压进行测量。由动量矩定理可得，扭摆横梁的运动方程为：
9、
10、式中，θ为横梁摆角，j为转动惯量，ξ为测量系统的阻尼系数，k为扭转刚度系数，fl为光压产生的力矩，l为光压力臂。在光压f的推力作用下，扭摆测力机构中的横梁趋于平衡，此时为0，也为0，因此光压f＝kθ/l，根据标定得到的扭转刚度系数k，光压力臂l，以及测量得到的横梁摆角θ，即可得到光压f。根据光压f，最终计算得到激光功率p。
11、本发明提出一种高能激光功率测量装置，该装置包括扭摆测力机构和数据处理模块，其中扭摆测力机构包括放置在真空罩箱内的扭摆机构、角度测量单元和高能激光吸收池，其中
12、所述扭摆机构包括横梁以及固定在真空罩箱内的c型框，该横梁在中心位置具有竖梁，竖梁在上、下两端分别通过枢轴安装在c型框上；在横梁两端设置有中心对称的正面反射镜和背面反射镜、以及轴对称的第一电磁力标定头和第二电磁力标定头；在真空罩箱内还安装有对准第一电磁力标定头的电磁力标定座，由第一电磁力标定头和电磁力标定座构成的电磁力标定装置测定扭摆机构的扭摆刚度系数k；
13、激光源发出的入射激光束在水平面内以入射角β射到正面反射镜上，反射激光束被高能激光吸收池吸收，由所述角度测量单元测量出平衡状态下的横梁摆角θ，则由数据处理模块计算出激光源的激光功率p为：
14、p＝ckθ/2lrcosβ
15、其中，c为光速，l为光压力臂，r为正面反射镜的反射率。
16、有利地，所述角度测量单元包括固定在真空罩箱内的电容式位移传感器以及在横梁一端上对准电容式位移传感器的第一位移测量头，在横梁另一端对称位置具有第二位移测量头，当横梁摆角θ≤5°时，激光源的激光功率p为：
17、p＝ckd/2rllcosβ
18、其中，d为第一位移测量头的摆动位移，测量臂l为第一位移测量头到横梁中心的距离。
19、有利地，所述第一电磁力标定头和第二电磁力标定头内包括永磁铁，所述电磁力标定座内包括多匝线圈，通过对多匝线圈通电使其产生磁场从而对永磁铁产生吸引力或斥力，扭摆系统产生振动，以此来标定扭摆刚度系数k。
20、有利地，所述反射率r大于等于99.9％。
21、有利地，所述真空罩箱1内的洁净度大于等于万级标准。
22、有利地，竖梁在上、下两端分别通过上枢轴和下枢轴安装在c型框上，上枢轴和下枢轴是无摩擦弹性元件，为扭摆机构提供回复力。
23、有利地，所述入射角β为入射激光束与法线之间的角度，在5°至45°之间。
24、有利地，所述激光源发出的入射激光束是连续激光或高重频准激光，高重频激光的重复频率大于等于500hz。
25、本发明还提出一种高能激光功率测量方法，该方法利用上述的高能激光功率测量装置，包括以下步骤：
26、s1、对扭摆机构的扭转刚度系数k和光压力臂l进行标定与测量
27、通过由第一电磁力标定头和电磁力标定座构成的电磁力标定装置测定扭转刚度系数k，光压力臂l为正面反射镜的中心距离横梁中心的距离；
28、s2、将待测激光源发出的入射激光束在水平面内以入射角β射到正面反射镜上，反射激光束被高能激光吸收池吸收；
29、s3、等待横梁达到平衡状态时，由所述角度测量单元测量出横梁摆角θ；
30、s4、由数据处理模块计算出激光源的激光功率p为：
31、p＝ckθ/2lrcosβ
32、其中，c为光速，l为光压力臂，r为正面反射镜的反射率。
33、有利地，所述角度测量单元采用电容式位移传感器的情况下，当横梁摆角θ≤5°时，步骤s3中的横梁摆角θ为：
34、θ≈arctan(d/l)≈d/l
35、其中，d为第一位移测量头的摆动位移，测量臂l为第一位移测量头到横梁中心的距离；
36、s4中由数据处理模块计算出激光源的激光功率p为：
37、p＝ckd/2rllcosβ。
38、有益效果：
39、1、本发明可用于对大功率激光的直接测量，改变了现有技术方案中的利用一定的衰减比或反射比，通过测量一小部分光功率，再根据衰减比或反射比计算入射激光功率的方法；
40、2、本发明方法简单且效率高，通过扭摆测力机构得到待测激光产生的光压，再利用光压得到待测激光功率，由于扭摆测力机构测力范围大，因而对待测激光功率而言范围也较大；
41、3、本发明方法精度高，相比较于现有技术方案中测量误差难以溯源的不足，本发明中的误差主要来源于反射镜的反射率误差以及扭摆测力机构的误差，反射镜反射率误差可以通过精确标定得到，扭摆测力机构的误差主要来源于扭摆刚度系数，而扭摆刚度系数误差可通过高精度电子天平标定得到。
42、因此，本发明实现的高能激光功率测量具有直接测量、测量范围大、效率高和精度高的效果。
43、已经讨论的特征、功能和优点可在各种示例中独立实现，或者可以在其他示例中进行组合。
1.一种高能激光功率测量装置，其特征在于：该装置包括扭摆测力机构和数据处理模块，其中扭摆测力机构包括放置在真空罩箱(1)内的扭摆机构(2)、角度测量单元和高能激光吸收池(4)，其中
2.根据权利要求1所述的高能激光功率测量装置，其特征在于：所述角度测量单元包括固定在真空罩箱(1)内的电容式位移传感器(3)以及在横梁(201)一端上对准电容式位移传感器(3)的第一位移测量头(211)，在横梁(201)另一端对称位置具有第二位移测量头(212)，当横梁摆角θ≤5°时，激光源(7)的激光功率p为：
3.根据权利要求1或2所述的高能激光功率测量装置，其特征在于：所述第一电磁力标定头(209)和第二电磁力标定头(210)内包括永磁铁，所述电磁力标定座(208)内包括多匝线圈，通过对多匝线圈通电使其产生磁场从而对永磁铁产生吸引力或斥力，扭摆系统产生振动，以此来标定扭摆刚度系数k。
4.根据权利要求1或2所述的高能激光功率测量装置，其特征在于：所述反射率r大于等于99.9％。
5.根据权利要求1或2所述的高能激光功率测量装置，其特征在于：所述真空罩箱(1)内的洁净度大于等于万级标准。
6.根据权利要求1或2所述的高能激光功率测量装置，其特征在于：竖梁(202)在上、下两端分别通过上枢轴(203)和下枢轴(204)安装在c型框(205)上，上枢轴(203)和下枢轴(204)是无摩擦弹性元件，为扭摆机构提供回复力。
7.根据权利要求1或2所述的高能激光功率测量装置，其特征在于：所述入射角β为入射激光束(5)与法线之间的角度，在5°至45°之间。
8.根据权利要求1或2所述的高能激光功率测量装置，其特征在于：所述激光源(7)发出的入射激光束(5)是连续激光或高重频准激光，高重频激光的重复频率大于等于500hz。
9.一种高能激光功率测量方法，其特征在于：该方法利用如权利要求1-9中任一项所述的高能激光功率测量装置，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的高能激光功率测量方法，其特征在于：所述角度测量单元采用电容式位移传感器(3)的情况下，当横梁摆角θ≤5°时，步骤s3中的横梁摆角θ为：
