激光功率能量计量方法研究

文章编号!"##$%$#&$’$##()*+%##,"%#(激光功率能量计量方法研究王雷-黎高平-杨照金-杨鸿儒-梁燕熙’西安应用光学研究所国防科工委光学计量一级站西安."##(,)摘要!激光功率能量的准确计量对激光技术的发展至关重要-不同类型的激光器其输出的测量方法也不同/回顾了激光功率能量测量的发展历史-为解决激光功率能量测量问题-介绍了各种实用的测试方法及测试仪器/重点介绍了现有激光功率能量计量标准中实现高精度激光功率能量计量而采取的方法以及各种测量方法的工作原理和适用范围-并提供了激光功率能量标准的校准方法-最后给出了激光功率和能量计量的发展趋势和发展方向/关键词!激光功率0激光能量0计量技术中图分类号!12.,,34%5,文献标志码!67898:;<=>?@8A ;>B >C D @8A =>EF >;B :98;G >H 8;:?E8?8;C DI6J K L M N -L O K P Q %R N S T -U 6J K V W P Q %X N S -U 6J K 2Q S T %Y Z -L O 6J K U P S %[N’+R \N ]P ^_M \Y Q ^Q T ‘L P a Q Y P \Q Y ‘-b N c P SO S d \N \Z \M Q e 6R R ^N M f+R \N ]d -b N c P S ."##(4-g W N S P)h i 9A ;:<A !1W MR Y M ]N d N Q S j M \Y Q ^Q T ‘e Q Y^P d M YR Q k M YP S f M S M Y T ‘N dM [P ]\^‘N j R Q Y \P S \\Q \W M f M l M ^Q R j M S \Q e ^P d M Y \M ]W S Q ^Q T ‘-a Z \f N e e M Y M S \m N S f dQ e ^P d M Y dW P l Mf N e e M Y M S \j M \W Q f de Q Y \W M N Y Q Z \R Z \j M P d Z Y M j M S \31W MW N d \Q Y ‘Q e^P d M YQ Z \R Z \j M P d Z Y M j M S \N dY M l N M k M f N S \W M R P R M Y 3_M P d Z Y M j M S \j M \W Q f d P S fM n Z N R j M S \d e Q Y P d d M d d j M S \Q e ^P d M Y R Q k M Y P S fM S M Y T ‘P Y M N S \Y Q f Z ]M f \Qd Q ^l M\W Mj M P d Z Y M j M S \R Y Q a ^M j dQ e ^P d M Y R Q k M Y P S fM S M Y T ‘31W Mk Q Y m N S TR Y N S ]N R ^MP S f\W M d ]Q R M Q e P R R ^N ]P \N Q SQ e j M \W Q f d N SP l P N ^P a ^M j M \Y Q ^Q T ‘d \P S f P Y f d e Q Y W N T W %R Y M ]N d N Q Sj M \Y Q ^Q T ‘Q e \W M ^P d M Y R Q k M Y P S f M S M Y T ‘P Y M R Y M d M S \M f 3o M l M ^Q R j M S \\Y M S f e Q Y ^P d M Y Q Z \R Z \j M \Y Q ^Q T ‘N d T N l M S N S\W M M S f3p 8DH >;E 9!^P d M Y R Q k M Y 0^P d M Y M S M Y T ‘0j M \Y Q ^Q T ‘\M ]W S Q ^Q T ‘引言激光功率能量的计量是伴随着激光技术的发展而发展的/早在$#世纪(#年代-伴随着第一台激光器的产生和发展-就提出了量化激光器输出的要求-随即激光参数计量技术便被提到了议事日程q "r 5s/伴随着新型光源激光的出现-人们迅速发现很难量化激光器的输出/许多早期的激光器工作在脉冲模式下-脉冲输出能量约"t -峰值功率为几十兆瓦-这些数值足以使绝大多数的光电探测器输出饱和/而其他类型的激光器-如g +$激光器输出几瓦的连续功率-该功率值极易对常规的探测器造成损伤/在多数情况下-基于标准非相干光源的常规辐射探测技术被证明不再适用于激光输出测量/激光功率和能量这两个基本参数是相互联系的-从原理上讲-功率是能量对时间的微分-而能量是功率对时间的积分/因此-通过测量功率和对时间积分-就能够得到激光能量值0通过测量能量和对时间求平均-就可以获得激光平均率值/通常而言-光功率是指连续激光平均功率-而激光能量则是指单脉冲激光能量/收稿日期!$##(%#.%"#0修回日期!$##(%#&%#4作者简介!王雷’"u .(v)-女-陕西榆林人-博士-主要从事光学计量测试研究工作/w %j P N ^!k P S T ^M N x"$(3]Q j第$.卷特刊$##(年""月应用光学t Q Z Y S P ^Q e 6R R ^N M f+R \N ]dy Q ^3$.-’*Z R 3)J Q l 3-$##(为了实现对激光辐射的测量!计量工作者改用热探测方式!用量热器测量激光辐射造成的温度升高!电替代方式实现标定"#$%&!以此完成激光功率和能量的测量’此外!还发展了实用的测量方法以及测量原理"($)*&’*+世纪%+年代后期!随着激光功率能量测量理论研究的不断完善和测试技术的不断提高!研制了不同类型的激光功率能量计’本文对现有的各类激光功率能量测量装置进行了详细介绍!重点介绍了高精度功率能量测量的实现方法!并指出激光功率和能量计量的发展趋势)激光功率能量计量为满足不同激光输出的测量和激光功率及能量计的标定!研究开发了不同类型的激光功率和能量计!以满足不同类型,如功率-能量范围不同!脉冲或连续工作方式不同等.激光功率能量的计量要求’目前!已发展成熟的激光功率能量计主要有光电型-热释电型和量热型等’)/)光电型光电型激光功率计利用光电探测器实现探测!其工作原理与一般光电探测器工作原理相同!均基于光电探测器材料的光电效应!即用激光照射探测器产生与入射光强度成正比的电流输出’对于普通的光电二极管!功率线性范围为纳瓦至毫瓦量级!因此!光电型激光功率计主要用于激光小功率和微能量的检测’计量基准的激光功率计以光陷阱型绝对式量子探测器为代表!其基本工作原理是0利用各种结构的光陷阱吸收近)++1的入射激光辐射!光电探测器输出与入射激光功率成正比的电流!由已知的光电灵敏度值!根据输出的电流信号值即可准确得到输入的光功率值’由于光陷阱的光吸收率接近)!因此!利用该技术可实现探测器的自校准’图)所示是一种基于硅光电二极管的光陷阱型激光功率基准器结构原理图’该装置采用2只反射型硅光电二极管组成有特殊结构的硅光电二极管组!入射光束在其内共经历3次反射!恰好旋转24+5’该设计不仅保证了光陷阱型二极管组的总吸收比超过#个(!减少了原单只硅光电二极管校准中的反射比测量误差!而且还消除了光的偏振对测量数据的影响’图)光陷阱探测器工作原理图678/)9:;<7=8>;7=?7>@A:B:>C7?D@C;D>E A C A?C:;实现光陷阱功能的结构有多种!如半球反射!表面形成空楔的探测器对!以及其他多次反射的探测结构’图*给出了几种常见的实现)++1吸收的光陷阱探测器结构")2&’图*几种!""#吸收的光陷阱探测器结构678/*F C;G?C G;A:B:>C7?D@C;D>E A C A?C:;H7C I!""#D J K:;J C7:=)/*热释电型热释电型激光功率能量计是利用材料热释电效应进行探测的")#&’探测器的热敏单元通常为热电晶体!它可产生与吸收热量成正比的电荷’晶体的*个表面镀金属膜!用于吸收所有入射激光能量!其响应输出与入射光束形状或位置无关’收集热释电效应产生的所有电荷并通过相应电路输出’图2所示是电标定的热释电探测单元工作原理图’图2热释电探测单元678/2L M;:A@A?C;7?E A C A?C7=8G=7C热释电探测器虽然对测量重复脉冲大于3+++ N O的激光非常有用!但这类探测器耐用性差!因P*#P应用光学*++4!*Q,特刊.王雷!等0激光功率能量计量方法研究此!只要不是测量单脉冲激光能量!且激光平均功率满足要求!建议不使用此类探测器"在激光功率能量计中!这类探测器的作用是扩展主基准的量程#探测器被主基准标定后作为传递标准而使用$%&’%()*"%+,体吸收型体吸收型激光能量计主要用于短脉冲激光能量的测量!尤其适用于脉冲时间为几十微秒或更短的激光"由于激光脉冲的持续时间非常短!热量在很短时间内堆积起来!致使在脉冲持续的时间内热量无法传导出去"而金属材料对激光的吸收为表面吸收!因此!热能将全部积累在材料表面很薄的一层范围内!从而造成材料的损伤"体吸收是解决这一问题的非常有效的手段"体吸收材料可以是气体-液体和固体中的任何一种!其优缺点不尽相同"气体和液体吸收材料的优点是激光造成的损伤可逆!缺点是需要封装!且会导致窗口的反射损失"固体吸收体的优点是不需要外加窗口!但激光造成的损伤是不可逆的"图.所示为基于液体体吸收效应的激光能量计的核心部件"图.液体吸收盒式激光能量计/01+.2345657561895:56;0:<=0>?0@3A 4B 6A 07A B @8该部件的量能器为液体吸收盒!窗口为石英玻璃!盒内盛放液态C D E F .!它吸收红宝石激光器和G H 玻璃激光器的激光脉冲"吸收液中加入少量墨水!可提高光谱吸收范围"在吸收液中埋置有热电偶和电加热器!热电偶用来测量吸收激光能量引起的吸收体温度升高I 电加热器用来标定器件的响应输出"脉冲激光能量可以根据液体盒的比热和温升计算出来!也可以通过已知能量的电脉冲加热液体并与由激光造成的温度上升相比较!根据电能量得到光能量"目前使用的体吸收型激光能量计当中!体吸收探头通常由中性玻璃与热传导金属基底两部分构成一个整体"由于中性玻璃按指数规律吸收激光辐射!吸光的范围为%J J K,J J !而不是在%L J 的范围内"因此!即使在短脉冲条件下!光和热也将在金属基底内沉积一定深度"图&与图(所示分别为基于该原理建立的高功率脉冲激光能量计剖面图和吸收腔剖面图$%M )"其体吸收材料为中密度玻璃!系统配置有呈(N O 角的两块吸收体!第二块吸收体吸收来自第一块吸收体费涅尔反射的激光!通过能量计吸收全部入射激光能量"利用热电堆测量吸收体温升可得到入射激光能量"图&能量计的剖面图/01+&P 5Q :0B 73=R 05;B S =345657561895:56图(能量计吸收腔侧面和横截面剖面图/01+(P 0@5R 05;Q 6B 4445Q :0B 7B S 3A 4B 6A 071Q 3R 0:8B S 57561895:56该装置可测量从可见到近红外波长范围的激光能量!测量激光能量密度的上限为,T U V J W"%+.量热计型量热计型激光功率能量计主要应用于高功率连续波激光测量!其工作原理也是激光的热效应"吸收体吸收全部入射激光辐射后!产生温升!通过测量吸收体的温度升高!利用相应的计算公式来获得激光功率能量值"图M 所示是采用该原理建立的激光能量计$%X )!主要用于低-中功率激光输出测量!测量波长范围为可见和近红外!功率水平为%J Y K%Y !测量不确定度约为N +W &Z"[,.[应用光学W N N (!W M #特刊*王雷!等\激光功率能量计量方法研究图!量热式卡计外观图"#$%!&’()*+,-*./,0#1)+)0-,0/.’)0)2)0$3图4为功率计剖面图5功率计的核心部件是包围着温控壳的圆柱形吸收腔6其作用是提供绝热7恒温8环境5吸收腔与壳层之间安装有真空窗口6窗口稍微有一定的楔角6以消除相干光源的干涉效应5吸收腔末端有一定角度6激光辐射进入后6绝大多数能量被吸收6未被吸收的光功率反射至第二个吸收表面5吸收的光能量转换为热能导致吸收腔温度升高6温升值用热探测器测量5吸收腔外壁安置电加热器6通过注入已知数量的电能量实现仪器标定5图4量热计剖面图"#$%49)*+#,2./:#);,-*./,0#1)+)0国家计量院的激光中功率基准器与基准激光能量计也采用相同的工作原理6其基准结构如图<所示5图<激光中功率基准"#$%<=.’)01)>#?1@(,;)0>.+?1基准采用锥形接收腔6以便于解决普通圆锥腔尖端反射问题5在腔底部设计了A B C 斜面反射的D E F G G 腔体开口6半径角约为E E C 的内消光吸收腔5吸收腔为镜面6其主体为纯铜6内壁镀有镍层形成镜面反射5接收口径D A B G G 6锥顶角约为E H C 6壁厚约为B %A G G 5入射激光经多次反射后逐渐被吸收6从而能够承受较高的激光功率密度5E %I 流水式流水式激光功率能量计是针对特大功率的激光器而设计的6激光能量被吸收后转换成热5为避免吸收体温度过高造成热损伤6在吸收腔外壁绕制循环水冷却装置将能量带走6通过测量流入与流出端水温的改变量得到入射激光功率能量值5图E E 为J K L M 设计的功率计N E <O5它采用的就是流水冷却的工作方式6其可测量功率大于E B B P Q 的连续波激光输出5图E B 激光能量计装置外观图"#$%E B &’()*+,-*./,0#1)+)0-,0/.’)0)2)0$3该装置的吸收腔结构示意图如图E R 所示5吸收腔为多边形结构6采用方斗状入口6用以避免圆锥形入口可能产生的线聚焦6而且方斗的内表面镀金6可形成高反射膜5入射激光主要照射在镀金的柱面反射镜上6并以发散的方式投射在邻近的平面反射镜或喷沙的镀金铜板上6后者把光辐射散射于量热计的内腔面5图E E 吸收腔结构示意图"#$%E E "0.1);,0S,-.T ’,0T #2$*.:#+3该激光能量计可测量E U G V E E U G 波长范围的激光能量值7测量能量上限为E B !W85系统采用电定标方式复现量值6整个仪器重约I B B P X 5该仪器原型的测量时间为R B G Y Z6不确定度为E A %R [6冷却时\H H \应用光学R B B F 6R !7特刊8王雷6等]激光功率能量计量方法研究间长达!"#$改进型的测量时间缩短为!%&’("激光功率和能量的电校准在激光功率能量测量当中$另一个重要的问题就是功率能量计的校准(以上介绍的各类激光功率能量计$其光子型探测器均利用激光在探测器内的多次反射和吸收$吸收率近)**+$因此通过精确获得探测器光电灵敏度可实现自校准(而光热型探测器均采用电校准的方法实现量值的复现$校准方法分为"类,一类为直流电能法-另一类为电容放电法(校准电路分别见图)"和图)!所示(图)"直流电校准线路图./01)"2/345/67/80389:;37/3<464533<=648>/?386/;=图)!电容放电校准线路图./01)!2/345/67/80389:;348@84/68=4<7/A 4B 830<48>/?386/;=直流电能法是把可测算的直流电能输入能量计进行电校准的(这种方法适且于对时间常数较长的绝对型能量计进行高精密的电校准(电容放电法是将充电后的电容储能输入能量计进行电校准的$仅用于时间常数较短的绝对型激光能量计$以检验其时间常数和性能稳定性等(!结束语激光功率能量的准确计量对激光技术的发展至关重要$新类型激光器的出现对激光功率能量探测提出了新的要求(目前激光功率能量的探测中急需解决两方面问题,一是如何提高激光功率能量计量精度-二是如何解决激光微功率C 微能量计量及大功率C大能量的准确计量(激光技术的发展对大功率和大能量以及微功率能量计量提出了新的要求(大功率激光器D 主要为化学激光器E输出功率达数十万焦耳以上$极易对材料造成损伤$普通的激光能量计无法对其进行探测(若用传统的卡计量$需要!FG 量级的精密衰减器$因此难以保证测量精度(而在激光告警C 激光测距等方面则急需解决微弱功率和能量的准确计量$因此$大功率以及微弱激光输出的准确计量是目前需要解决的一个重要问题(此外$如何进一步提高激光功率与能量计量准确度也是目前各发达国家普遍探索的一个问题$而其中一个非常有效的途径就是将功率或能量计溯源至低辐射计(低温辐射计的工作原理与常温下的辐射计工作原理相同$不同之处在于低温辐射计工作在液氦温度下(在低温条件下$光电等效性得到了极大改善$因此低温辐射计测量不确定度水平极高$在测量低功率的连续波激光辐射中$低温辐射计能提供最低的测量不确定度(建立低温辐射计与激光功率计的联系$将是提高激光功率能量计量水平的一个重要途径(参考文献,H )I J K LM N K OPQ 1M R S T ’U T V UW T X Y V &%Z S Z V[Y V\]X R Z UX T R Z V R H P I 1P ^#_R &W R J ,O W &Z ’S &[&W ‘’R S V ]%Z ’S R $)a b c $d ,e e !f e e c 1H "I g ‘N h i j j 1k T X Y V &%Z S Z V[Y VX T R Z VZ ’Z V l _%Z T Rf ]V Z %Z ’S R H P I 1M \\m \S$)a b )$)*D )E ,)!"f )!c 1H !I O j‘n o N p $N q O O J p p n L $k M O J L J 1M W T Xf Y V &%Z S Z V [Y V #&l #f \Y r Z V k L X T R Z V R H P I 1‘J J Jn V T ’R ‘’R S V ]%jZ T R $)a b "$‘j f",G !G f G !d 1H G I LJ O n JK $k M O JL J $N M O jq O O J s M p 1M V Z [f Z V Z ’W Z W T X Y V &%Z S Z V[Y VX T R Z VZ ’Z V l _%Z T R ]V Z %Z ’S R H P I 1P N Z R s T Sg ]V O S T ’U $)a b "$b e M ,)!f "e 1H c I O jM n o J N OOJ $Q J m N Q JjT t R _%Y ’t Y 1k T X Y V &%fZ S V &W %Z T R ]V Z %Z ’S Y [Y \S &W T X\Y r Z V [V Y %\]X R Z U X T R Z V R H P I 1‘J J J n V T ’R‘’R S V ]%jZ T R $)a b "$‘j f ")D G E ,!"G f !!*1H e I Q q s s O S V T V S N 1M S ]u ]X T V W T X Y V &%Z S Z V [Y V #&l #\Yf r Z VX T R Z V\]X R Z R H P I 1N Z vO W &‘’R S V $)a b "$G !D )*E ,)c "!f )c "e 1H b I J jjm s i K k $g q s s Pk O 1M ’T u R Y X ]S ZW T X Y Vf &%Z S Z V [Y V S #Z %Z T R ]V Z %Z ’S Y [k m "X T R Z V \Y r Z V H P I 1P ^#_R &W R J ,O W &‘’R S V ]%$)a b e $a ,e ")f e ""1H d I Q q s O S ]T V S N 1k T X Y V &%Z S V &W %Z T R ]V Z %Z ’S R Y [X T R Z VZ ’Z V l _T ’U \Y r Z V H P I 1^#_R &W R J ,O W &Z ’S &[&W ‘’R S V ]%Z ’S R$)a b d $e ,)*c f ))G 1wc G w 应用光学"**e $"b D特刊E 王雷$等,激光功率能量计量方法研究!"#$%&’(%)*+,’-.//01.23/.145-/5-3/.6517839 231:51;06<3=6.<31<!*#,*)/7>-<2108?@"A B?C C DE F G9E F E,!@H#I$J J K L I M’,’/.651783231:517-:1.913=6.<31 ;5N3183.<01383-2!*#,*O P Q<7/<$?@"A"?R S R T DF B B9F B E,!@@#)U(>L I$(*?(K V*,’:.<213<;5-<32P7-:768 N.2283231:5183.<01383-2<5:L K R6.<31!*#,(3W)/7,>-<2108?@"B R?C F S E T D@@A E9@@B@,!@R#)$X Y>Z M**?)$+Y>Z[’?Z’U M’I,);79 --7-\N.231:768;5N3183231:51P7\P9;5N31L&6.<31<!*#,(3W)/7>-<2108?@"E G?G B S R T D@E G9@E", !@F#J$M V’Z*J,O Q15363/217/21.;=323/251:51<;39 /21.613<;5-<7472Q83.<01383-2<!*#,’;;6K;2?@""B?F A S R T D"B9@H H,!@C#M’VV$(>L M V.=<?K6.:<<5-’17,’W31<.2763?65N9/5<2;Q15363/217/6.<31;5N3185-7251:512P368&25G H&1.-\3!*#,*O P Q<$D)/7>-<2108?@"E E?R@D E H9E F,!@G#O M$J’Z(*?L K K I’(,$63/217/.66Q/.6741.23= ;Q15363/217/5;27/.691.=7.275-=323/251!*#,’;;6K;2?@"B F?@R D R C B C9R C B E,!@A#+>$)U*?]J$[>Z&(,L P5;;319<2.4767^3=-0661.=75832314.<3=0;5-.-363/217/.66Q/.6741.23=;Q15363/217/=323/251!*#,’;;6K;2?@"B F?@R D R G F R9R G F A,!@B#_(’Z‘$Z%J?)L M V>%U J],’4<5602313:39 13-/3/.651783231:5183.<017-\P7\P;5N316.<31;06<3<!*#,’;;6K;2?@"B A?@G D F@@G9F@R R,!@E#&$)U$%?L M Y(Z$a I J,U P351Q5:7<5;317456 /.65178321Q:516.<31;5N313-31\Q83.<01383-2<!*#,*’;;6O P Q<?@"B H?C@D R B H G9R B@R,!@"#L M’V]$(J’>Z+$?)>VO)K Z O’?)V>U M( J,>8;15W383-2<7-./.651783231:51P7\P9;5N31L&6.<31<!*#,>$$$U1.-<>-<2108V3.<?@"B E?>V9R B D E@9E A,bACb应用光学R H H A?R B S特刊T王雷?等D激光功率能量计量方法研究。