半导体制冷片制作的高能激光靶屏

　　高能激光束一般具有较高的平均功率和总能量,对材料有很强的破坏作用,给光束参数尤其是空间强度分布的测量带来了很大的困难,是高能激光领域一直存在的难点之一[1]。而光强分布对于激光器的设计、光束的传输控制、光束的应用都有非常重要的意义,是光束质量评价的重要参数[2]。目前常用的测量方法主要有能量烧蚀法、漫反射成像法[3]、扫描取样法[4]、阵列探测法[5]和量热法[6-7]等。其中量热法在能量定量测量中具有优势,且对波长的依赖性小,是目前比较认可的高能激光能量测试手段,但是其时间分辨力差,若测光强分布,则需要布局量热器阵列[8-9],增加了系统的复杂性和成本,且空间分辨力有限。然而,随着辐射热成像技术的发展,使具有较高时间、空间分辨力的温度测量技术日渐成熟,量热阵列可以用整块靶屏代替,热像仪直接测量激光辐照面的温度分布,减少了热电偶、数据采集等模块,大大精简了测量系统。文献[10]从理论上证明了这种/热图法0重构光强时空分布的可行性,并以铝板为靶屏进行了数值仿真。但是,目前已制作完成的靶屏鲜见报道。本文提出以半导体制冷片作为靶屏,建立激光辐照加热模型,通过数值仿真,获取其温度特性和光强的关系,并且根据测量需要研制了一种由制冷片组装的靶屏,介绍了其具体的结构和工作方式。

　　1 制冷片的结构和加热模型

　　1.1 制冷片的结构和工作原理

　　半导体制冷片是利用半导体材料的温差电效应(帕尔帖效应)制成的热泵,帕尔帖半导体(碲化铋)在通直流电后能将一端的热量转移到另一端。如图1所示,制冷片由两块材质为96%氧化铝陶瓷基片封装,内部排列了若干对半导体热电偶,加直流电后工作,将热量从冷面均匀搬运到热面,搬运方向取决于电流的流向。假设单块制冷片尺寸为W*W,额定电压U,额定电流I,电热转化效率为q,则制冷功率密度Ps=UIq/W2。参照目前市场上的半导体制冷片,仿真参数如表1所示。

　　1.2 加热模型

　　建立激光辐照靶屏的加热模型。基于热传导理论,具有内热源和瞬态3维温度场的固体导热方程为

　　式中:T为物体的瞬态温度;Q,c,k分别为靶屏材料的密度、比热容、导热系数,均作为常数处理;Q为内热源密度。为简化模型,假定激光强度函数I(r)轴向对称且和时间无关,靶屏为厚h、半径R的圆盘,激光辐照在迎光面被全部吸收,即Q=0。考虑到整个系统轴向对称,故建立柱坐标系(r,H,z),如图2所示,固体导热方程和H无关,故改写式(1)为

　　在激光辐照面(z=0处,制冷片的冷端)

　　在强制水冷面(z=h处,制冷片的热端)