高愛華， 張 偉， 沈雁華

（西安工業(yè)大學(xué)陜西省薄膜技術(shù)與光學(xué)檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710032）

0 引言

隨著光電子技術(shù)的快速發(fā)展，激光技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，其應(yīng)用涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)療和科學(xué)技術(shù)等各個(gè)方面，與此相應(yīng)的激光參數(shù)計(jì)量測(cè)試日益受到各國的重視［1-5］。

美國NIST計(jì)量機(jī)構(gòu)在激光功率方面處于國際領(lǐng)先水平，其激光功率標(biāo)準(zhǔn)的波長范圍為193～0.02 nm，功率量程為0.05～200 kW，覆蓋波長和量限在國際上首屈一指。英國NPL計(jì)量機(jī)構(gòu)的激光功率標(biāo)準(zhǔn)波長范圍為0.514 ～10.6 μm，功率量程為 1 ～100 W，測(cè)量不確定度為1% ～2.5%，其計(jì)量水平居國際領(lǐng)先。

自上世紀(jì)90年代開始，我國著手建立激光功率標(biāo)準(zhǔn)，到今已建立了波段和量限比較齊全的標(biāo)準(zhǔn)體系，如低溫輻射計(jì)計(jì)量功率標(biāo)準(zhǔn)、激光小功率計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和激光中大功率計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)等，在測(cè)量波長范圍、功率量程和不確定度方面都有一定的提高。中國計(jì)量院光學(xué)處已建立了相對(duì)完備的激光功率標(biāo)準(zhǔn)體系，其計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的功率范圍為0.1 mW ～2 kW，波長范圍為0.3～10.6 μm，測(cè)量不確定度為 1% ～2.0%［6-8］。

在專業(yè)的計(jì)量部門，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和要求很高，一個(gè)普通實(shí)驗(yàn)室用的激光器專門去計(jì)量部門測(cè)試，不僅需要額外的費(fèi)用，還加大了工作量。結(jié)合實(shí)際情況，本文提出了一種在計(jì)算機(jī)LabVIEW環(huán)境下實(shí)現(xiàn)激光功率測(cè)量的測(cè)試系統(tǒng)［9-10］，該系統(tǒng)主要由激光器、光電探測(cè)器、鎖相放大器、采集卡和測(cè)試軟件構(gòu)成［11-14］，誤差分析表明，測(cè)量系統(tǒng)的信噪比可達(dá)106數(shù)量級(jí)。適合諸如實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下準(zhǔn)確測(cè)量激光功率。

1 測(cè)試系統(tǒng)的工作原理

測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)框圖

本文以測(cè)量He-Ne激光器（波長632.8 nm）和LD激光器（波長635 nm）的功率為例，依據(jù)圖1測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出He-Ne激光器和LD激光器的功率測(cè)試框圖，分別如圖2和3所示。

圖2 He-Ne激光器功率測(cè)試框圖

圖3 LD激光器功率測(cè)試框圖

He-Ne激光器發(fā)出的光通過機(jī)械斬波器調(diào)制為具有一定頻率的交變光，交變光通過衰減器（光比較強(qiáng)時(shí)加上）被光電探測(cè)器接收，被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)由鎖相放大器實(shí)現(xiàn)相關(guān)檢測(cè)，消除與調(diào)制頻率不同的背景光和電路中夾雜的噪聲，實(shí)現(xiàn)高信噪比的信號(hào)輸出，之后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集送入計(jì)算機(jī)，在LabVIEW平臺(tái)上顯示所測(cè)得的數(shù)據(jù)和波形。

LD激光器功率測(cè)試工作原理與He-Ne激光器基本相同，因而可以采用和He-Ne激光器相同的功率測(cè)試系統(tǒng)，也可以采用圖3的方式測(cè)量功率。由于He-Ne激光器屬于氣體激光器，體積比較大，不容易使用電調(diào)制去調(diào)制光信號(hào)，只能借助機(jī)械斬波器或其他如聲光調(diào)制器等對(duì)其實(shí)現(xiàn)外部調(diào)制。機(jī)械斬波器不僅體積大，而且價(jià)格也很高。LD激光器屬半導(dǎo)體激光器，價(jià)格低，體積小，可以采用內(nèi)部調(diào)制（控制驅(qū)動(dòng)電流）實(shí)現(xiàn)調(diào)制，這樣不僅節(jié)約了成本，而且大大提高了測(cè)試系統(tǒng)的集成度，使得整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)緊湊實(shí)用。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

依據(jù)圖2所示的He-Ne激光器功率測(cè)試框圖，搭建好實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，整個(gè)測(cè)試過程只需要對(duì)光電探測(cè)器進(jìn)行屏蔽，無需在暗室環(huán)境下進(jìn)行，便可實(shí)現(xiàn)光功率的測(cè)量。在實(shí)驗(yàn)中使用的He-Ne激光器參數(shù)已被標(biāo)定過，其波長632.8 nm，功率（1±1.6%）mW。任意調(diào)節(jié)機(jī)械斬波器輸出一定頻率（本實(shí)驗(yàn)中選擇177 Hz），但一般不選擇50 Hz的倍數(shù)，以屏蔽交流電干擾。為了防止過強(qiáng)的信號(hào)光進(jìn)入探測(cè)器，在光電探測(cè)器前加一衰減片（衰減倍數(shù)根據(jù)實(shí)際情況決定，本實(shí)驗(yàn)選擇0.1%的衰減片）。選擇的探測(cè)器探測(cè)波長為320～1 060 nm，632.8 nm波長處的電流靈敏度為0.43 mA/mW。經(jīng)探測(cè)器轉(zhuǎn)換后的光電流信號(hào)進(jìn)入鎖相放大器放大，并通過相關(guān)檢測(cè)原理消除與調(diào)制頻率不同的背景光和測(cè)試電路中的噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。最后信號(hào)被數(shù)據(jù)采集卡采集，送入計(jì)算機(jī)，通過LabVIEW編寫的程序?qū)崿F(xiàn)顯示電壓的波形和數(shù)據(jù)。實(shí)測(cè)的波形和數(shù)據(jù)圖如圖4所示。

圖4 He-Ne激光器波形數(shù)據(jù)圖

在He-Ne激光器功率測(cè)試系統(tǒng)中，鎖相放大器的靈敏度變化范圍為105～3.33×109，時(shí)間常數(shù)的變化范圍為0.003～10 s，最大輸出電壓為10 V。靈敏度的選擇以鎖相放大器輸出電壓最大但不飽和為原則，時(shí)間常數(shù)的選擇與調(diào)制頻率有關(guān)，如果調(diào)制頻率較高可以適當(dāng)減小時(shí)間常數(shù)，較大的時(shí)間常數(shù)去噪效果好，但不易測(cè)出激光功率的波動(dòng)。

如圖4中，采用的靈敏度為3.33×106，時(shí)間常數(shù)是4 s。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)實(shí)際輸出電壓對(duì)其做相應(yīng)的調(diào)整。

LD激光器功率測(cè)試系統(tǒng)和He-Ne激光器功率測(cè)試系統(tǒng)大致上是一樣的，不同之處為：波形發(fā)生器提供具有一定頻率的方波（幅值為5 V，頻率為177 Hz，占空比為50%），通過驅(qū)動(dòng)電路使LD激光器發(fā)出交變光。之后，采用與He-Ne激光器一樣的測(cè)試方法，顯示與功率成線性關(guān)系的電壓波形和數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 LD激光器波形數(shù)據(jù)圖

采用上述相同的實(shí)驗(yàn)方法，在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，對(duì)He-Ne激光器和LD激光器各測(cè)量7次，其輸出電壓值和最大誤差分別如表1所示。

表1 兩種激光器的輸出電壓和最大誤差

在表1中，所得的數(shù)據(jù)是根據(jù)A/D數(shù)據(jù)采集卡連續(xù)采集1 024個(gè)點(diǎn)，顯示最大值和最小值，并計(jì)算出每次的平均值及測(cè)量的最大誤差（最大誤差=0.5（最大值－最小值）/平均值）。

任取一個(gè)He-Ne激光器的平均值（如1.572 V），依據(jù)光電流靈敏度和設(shè)置的鎖相放大器電流靈敏度，計(jì)算得出激光功率，與廠家提供的數(shù)據(jù)吻合。

3 系統(tǒng)誤差分析

如圖1所示，造成測(cè)量系統(tǒng)的誤差主要有：背景光產(chǎn)生的、光電探測(cè)器的、鎖相放大器的、數(shù)據(jù)采集卡的誤差以及環(huán)境灰塵散射和溫濕度等變化產(chǎn)生的誤差，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，短時(shí)間內(nèi)后者造成的誤差可以忽略不計(jì)。下面主要分析其他部分產(chǎn)生的噪聲誤差。

在信號(hào)進(jìn)入鎖相放大器后，先由其跨阻前置放大器將微弱的信號(hào)電流放大轉(zhuǎn)換為待處理的電壓信號(hào)，然后進(jìn)行一系列的去噪處理，所以鎖相放大器的噪聲主要是由其跨阻前置放大器電路產(chǎn)生的，也即是由跨阻前置放大電路的跨阻（Rs）產(chǎn)生的，前置放大器的輸入噪聲電壓（En）和電流（In）分別為12 nV/Hz1/2和13 pA/Hz1/2，實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇的鎖相放大器靈敏度為3.33×106，即 Rs=3.33 MΩ。根據(jù)噪聲估計(jì)方法［15-16］，得出：

電阻Rs熱噪聲電流為

En產(chǎn)生的噪聲電流為

In產(chǎn)生的噪聲電流為光電探測(cè)器的暗電流為

式中：k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10－23J/K;T為絕對(duì)溫度（K），取室溫T=290 K;Δf為測(cè)試系統(tǒng)的帶寬（Hz），即斬波器的調(diào)制頻率，取Δf=177 Hz。

得出總噪聲電流為

本文選取的光電探測(cè)器的電流靈敏度S=0.43 mA/mW，He-Ne激光器的輸出功率Φ=1 mW，則探測(cè)器的光電流為

電流信噪比為

由計(jì)算結(jié)果可知，電流信噪比高，噪聲電流極小，即鎖相放大器和光電探測(cè)器產(chǎn)生的測(cè)量誤差可以忽略不計(jì)。

4 結(jié)語

本文構(gòu)建了一種低噪聲的激光功率測(cè)量系統(tǒng)，通過對(duì)激光的調(diào)制結(jié)合鎖相放大處理來消除背景光、放大電路零點(diǎn)漂移的影響，通過對(duì)組成測(cè)量系統(tǒng)的鎖相放大器、光電探測(cè)器和數(shù)據(jù)采集卡的噪聲誤差分析，表明測(cè)量系統(tǒng)本身產(chǎn)生的誤差很小，可以忽略不計(jì)。

本文分別測(cè)試了波長為632.8 nm的氦氖激光器以及波長為635 nm半導(dǎo)體激光器的功率，誤差范圍與廠家提供的數(shù)據(jù)吻合。如果需要測(cè)量其他波長的激光功率，只需跟換不同響應(yīng)波長的光電探測(cè)器即可完成;對(duì)于不同功率的激光測(cè)量可以通過增加激光功率衰減片來實(shí)現(xiàn)。

本測(cè)試系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和一些對(duì)激光功率測(cè)量要求較高的場(chǎng)合。

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