大口徑高能脈沖激光參量測(cè)量裝置的精度研究

趙琦1,孟慶安1,蔣澤偉1,胡紹云1,耿旭2,高明偉3

(1.西南技術(shù)物理研究所， 成都 610041; 2.南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院, 南京 210094; 3.北京理工大學(xué) 光電學(xué)院，北京 100081)

摘要：為了研究高能激光外場(chǎng)特性，研制了一套用于測(cè)量大口徑高能量脈沖激光參量的測(cè)量裝置。該裝置包括一套自校準(zhǔn)系統(tǒng)，能夠?qū)ζ渲饕禂?shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。采用理論分析和實(shí)驗(yàn)研究的方法，對(duì)裝置的測(cè)量原理、性能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了描述，并對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行了理論分析，證明了該裝置能夠同時(shí)測(cè)量高能激光光強(qiáng)分布和能量值，最后采用校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行了驗(yàn)證和分析。該裝置對(duì)激光脈沖能量和光強(qiáng)分布的測(cè)量誤差分別為4.5%和5%。結(jié)果表明，該裝置有較高的測(cè)量精度和可靠性，能廣泛用于大口徑高能量脈沖激光外場(chǎng)測(cè)試。

關(guān)鍵詞：測(cè)量與計(jì)量；高能激光；實(shí)驗(yàn)方法； 成像

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引言

脈沖激光被廣泛的使用在激光雷達(dá)、激光測(cè)距、激光成像和激光武器等方面[1]。對(duì)激光光斑遠(yuǎn)場(chǎng)特性的測(cè)量，包括光強(qiáng)分布和能量值的測(cè)量技術(shù)也被廣泛研究[1-3]。要同時(shí)測(cè)量該兩種參量，目前主要方法包括光電陣列測(cè)量[4-5]和成像測(cè)量等。光電陣列測(cè)量的主要特點(diǎn)是原理清晰、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、測(cè)量頻率高，但是其空間分辨率低、對(duì)入射角有要求、體積大、重量大，不適用于外場(chǎng)測(cè)量；漫反射成像測(cè)量過(guò)去被廣泛用于光強(qiáng)分布測(cè)量，通過(guò)漫反射板上鑲嵌能量計(jì)后被用于同時(shí)測(cè)量光強(qiáng)分布和能量[6]。測(cè)量能量需要通過(guò)擬合、插值計(jì)算，當(dāng)光強(qiáng)分布畸變較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，而且因?yàn)楣鈱W(xué)成像畸變和散斑[7]的影響，其測(cè)量精度也一直鮮有詳細(xì)的研究報(bào)道。

對(duì)于高能大口徑脈沖激光參量的測(cè)量一直是脈沖激光技術(shù)研究中的一個(gè)難題，本文中描述了一套基于漫反射成像技術(shù)的大口徑高能脈沖激光參量測(cè)量裝置，該自行設(shè)計(jì)的裝置能夠方便、高精度地對(duì)高能大口徑脈沖激光參量進(jìn)行測(cè)量。首先對(duì)裝置的測(cè)量原理、性能、組成和測(cè)量精度進(jìn)行了分析；然后將裝置主要參量進(jìn)行了標(biāo)定和溯源，并對(duì)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)給出了解釋；最后通過(guò)使用已校準(zhǔn)的儀器，對(duì)研制的裝置進(jìn)行比對(duì)研究，與理論值進(jìn)行了比較[8],并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出理論分析。實(shí)驗(yàn)證明，該裝置有較高的測(cè)量精度和測(cè)量重復(fù)性，能夠廣泛地用于各種脈沖激光的實(shí)驗(yàn)室和外場(chǎng)測(cè)量。該裝置已被使用于激光大氣傳輸?shù)耐鈭?chǎng)科研試驗(yàn)，能廣泛應(yīng)用于各種大氣光學(xué)傳輸變換的研究和武器裝備性能評(píng)估[8-10]。

1測(cè)量原理與裝置組成

測(cè)量裝置主要用于測(cè)量大口徑脈沖激光能量值和光強(qiáng)分布，測(cè)量裝置包括漫反射板、光電能量計(jì)、光學(xué)系統(tǒng)、校準(zhǔn)光源、成像CCD和旋轉(zhuǎn)器，如圖1所示。測(cè)量原理為通過(guò)漫反射板將待測(cè)激光漫反射，采用光學(xué)系統(tǒng)和成像CCD對(duì)漫反射板上光斑進(jìn)行成像；再利用漫反射靶面中鑲嵌具有漫反射表面的能量計(jì)對(duì)固定區(qū)域的入射光能量進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)將部分光漫反射后成像，將得到的能量值和能量計(jì)表面的成像光斑結(jié)果進(jìn)行擬合，以及CCD上單位像素的能量值，以及光斑的能量分布絕對(duì)值結(jié)果。

Fig.1　Schematic diagram of setup

測(cè)量前使用校準(zhǔn)光源照射漫反射板，將光學(xué)系統(tǒng)置于漫反射板后10m～100m范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)焦組和CCD 位置，使得光斑成像在CCD靶面中心。通過(guò)下式獲得光強(qiáng)分布校準(zhǔn)值:

式中,k1的是光強(qiáng)分布校準(zhǔn)系數(shù)，I1(x,y)是校準(zhǔn)光在靶面的實(shí)際光強(qiáng)分布，使用口徑為?6mm的功率計(jì)在漫反射板位置移動(dòng)獲得功率值，功率計(jì)移動(dòng)步長(zhǎng)2mm，實(shí)驗(yàn)方案如圖2所示。I2(x,y)是放入漫反射板后，CCD測(cè)量的光強(qiáng)分布，用像素絕對(duì)值表示。

測(cè)量時(shí)將功率計(jì)換為能量計(jì)，CCD調(diào)制為脈沖觸發(fā)模式。將測(cè)量時(shí)CCD得到的像素值代入下式得到光強(qiáng)分布真實(shí)值

Fig.2　Schematic diagram of experiment

式中,I(x,y)是漫反射靶面上的理論真值，I3(x,y)是CCD測(cè)量得到的光強(qiáng)分布值。利用得到的能量值和光強(qiáng)分布可以得到能量分布的真實(shí)值I4(x,y)，如下式所示:

式中,I5(x,y)是能量計(jì)漫反射表面成像的灰度值，其位置和大小在系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)確定,E1是能量計(jì)測(cè)量得到的能量值。

實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量指標(biāo)如下：光斑口徑測(cè)量范圍為?70mm～?1000mm，能量測(cè)量范圍為100pJ~100J，測(cè)量波長(zhǎng)為0.8μm～1.1μm，最大光強(qiáng)分辨率為1.2mm，能量測(cè)量不確定度為5%(包含因子k=1)。

(1)漫反射板為800mm×800mm,表面平行度優(yōu)于5′，表面粗糙度為0.5μm，表面為可加工陶瓷微粒。

(2)光電能量計(jì)的有效測(cè)量面積?9mm；測(cè)量最大重頻1kHz、最大脈寬10ms；測(cè)量范圍為70pJ到100mJ(對(duì)應(yīng)1.06μm)。

(3)采用1/3″靶面CCD，自制電路，最大測(cè)量頻率15Hz,通過(guò)像素閾值觸發(fā)。

(4)光學(xué)系統(tǒng)包括能量計(jì)光學(xué)系統(tǒng)和成像光學(xué)系統(tǒng)兩部分，兩光學(xué)系統(tǒng)共用1組物鏡，并對(duì)雜散光抑制進(jìn)行了設(shè)計(jì)[11]。

成像光學(xué)系統(tǒng)變焦焦距為70mm~1100mm，入瞳口徑為?90mm，光圈數(shù)為1∶2.6~1∶12，70mm和1100mm焦距時(shí)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(modulus of transfer function，MTF)如圖3所示,圖中TS DIFF.LIMIT表示理論衍射極限，其余表明不同角度下的調(diào)制函數(shù)。

(5)校準(zhǔn)光源的波長(zhǎng)1.06μm,功率22mW,發(fā)散角為15°。

Fig.3　Results of MTF

(6)標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)靶面10mm×10mm,測(cè)量誤差1.6%，表面噴涂與漫反射板相同的可加工陶瓷微粒。

2裝置標(biāo)定

本裝置采用校準(zhǔn)光源進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，對(duì)于能量測(cè)量的標(biāo)定誤差ue，可以通過(guò)不確定度測(cè)量公式來(lái)獲得，如下式所示:

ue=

本裝置中采用熱電功率計(jì)，通過(guò)送檢得到功率計(jì)的測(cè)量不確定度ΔE2/E2=0.8%(k=1)，k為包含因子；功率計(jì)面積S1通過(guò)固定光闌控制，光闌金屬材料經(jīng)發(fā)黑處理，半徑誤差為0.2%，則面積測(cè)量誤差ΔS1/S1=0.4%;光斑面積S2的誤差ΔS2/S2和校準(zhǔn)光源不均勻性系數(shù)k2的誤差Δk2/k2用實(shí)驗(yàn)的方法獲得，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)共完成9次，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性誤差為1.1%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4a所示，有效區(qū)域即光斑直徑為645mm，誤差為±2mm，在有效區(qū)域內(nèi)光強(qiáng)起伏標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.1%。為了驗(yàn)證不同分辨率情況下的光強(qiáng)分布均勻性，功率計(jì)口徑從0.6mm~4mm變化，結(jié)果如圖4b所示，對(duì)光強(qiáng)分布的測(cè)量誤差主要來(lái)源于CCD的測(cè)量誤差和校準(zhǔn)參量k1，CCD采用圖像處理的方法濾除噪聲[12]。通過(guò)前面的計(jì)算和CCD測(cè)量誤差的報(bào)告，可以計(jì)算得到光強(qiáng)分布的測(cè)量誤差為5%。

Fig.4　The result and design of experiment

a—thestandarddeviationofcalibratedlasersourceb—thestandarddeviationversusradiusofpower-meter

3實(shí)驗(yàn)

通過(guò)使用脈沖激光器對(duì)已校準(zhǔn)的測(cè)量裝置的誤差進(jìn)行評(píng)估，激光器采用1.06μm固體Nd∶YAG激光器，能量1J、脈寬2.5ms、重頻1Hz，能量真實(shí)值由監(jiān)視能量計(jì)給出。激光器前放置一個(gè)反高斯膜衰減片，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示,其中校準(zhǔn)光源改為1.06μm固體Nd∶YAG激光器。激光器距離靶面8m，部分光束通過(guò)分光鏡進(jìn)入監(jiān)視能量計(jì)，能量測(cè)量誤差優(yōu)于3%。為了抑制散斑效應(yīng)，開(kāi)啟旋轉(zhuǎn)器使漫反射板以40°/s旋轉(zhuǎn)。漫反射板上光斑真實(shí)分布由圖1的方法測(cè)量。

不同測(cè)量距離下光強(qiáng)分布的測(cè)量結(jié)果如圖5a所示，測(cè)量裝置測(cè)量結(jié)果與能量計(jì)擬合結(jié)果有高度相似性。測(cè)量距離為12m位置測(cè)量的光強(qiáng)分布更加的平滑，但輪廓有部分失真；隨著測(cè)量距離的增加，測(cè)量的輪廓更接近真實(shí)值，但是光斑會(huì)出現(xiàn)明顯的“顆?！睜?。通過(guò)在激光器前放置光闌，研究了在不同光斑尺寸在各測(cè)量距離下的光斑尺寸的測(cè)量結(jié)果，測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了多項(xiàng)式擬合后如圖5b所示,說(shuō)明對(duì)于不同的光斑尺寸，CCD到漫反射板的測(cè)量距離的最優(yōu)值不同，光斑尺寸測(cè)量誤差隨著距離的增加從4.4%下降到2%。能量測(cè)量結(jié)果隨光斑尺寸和距離的變化情況如圖5c所示，隨著距離的增加能量測(cè)量誤差增大，測(cè)量誤差與光斑尺寸有關(guān)系，但是能量測(cè)量誤差均小于3.5%，考慮到測(cè)量重復(fù)性和標(biāo)準(zhǔn)光源的能量值誤差等因素，與設(shè)計(jì)指標(biāo)一致。

Fig.5　Results of calibrated experiment

a—thedistributionoflaserbeamversusmeasuringdistanceb—theerrorsofradiusoflaserbeamversusdistancebetweendiffuserandCCDc—theerrorsofenergyoflaserbeamversusdistancebetweendiffuserandCCD

4結(jié)論

為同時(shí)測(cè)量大口徑脈沖激光能量和光強(qiáng)分布，研制了一套基于漫反射成像的大能量激光參量測(cè)量裝置。通過(guò)校準(zhǔn)光源和標(biāo)準(zhǔn)能量計(jì)的標(biāo)定以及對(duì)系統(tǒng)的誤差分析表明，該裝置對(duì)激光脈沖能量和光強(qiáng)分布的測(cè)量誤差分別為4.5%和5%，能夠?qū)す夤獍吆湍芰窟M(jìn)行外場(chǎng)高精度測(cè)量。

通過(guò)已標(biāo)定的激光器對(duì)大能量激光參量測(cè)量裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)不同光斑尺寸的光束，在不同測(cè)量距離下有不同的測(cè)量精度，測(cè)量最大誤差優(yōu)于3.5%。該實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)光強(qiáng)分布的測(cè)量誤差隨測(cè)量距離變化，最大測(cè)量誤差為4.4%，通過(guò)距離的選擇最優(yōu)測(cè)量誤差能到達(dá)1.2%。

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Study on parameter measurement precision of high

energy laser beam with large aperture

ZHAOQi1,MENGQing’an1,JIANGZewei1,HUShaoyun1,GENGXu2,GAOMingwei3

(1.Southwest Institute of Technical Physics，Chengdu 610041, China; 2.Electronic Engineering and Optoelectronic Technology, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; 3.School of Optoelectronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Abstract：In order to study the field characteristics of high energy laser, a device for measuring parameters of large-caliber high energy pulsed laser was developed. The device includes a set of autocalibration system that can conduct on-site calibration of its main coefficients. The measuring principle, performance and structure of the device were described, and the measurement error was analyzed by theoretical analysis and experimental verification. The equipment can simultaneously measure the laser energy and intensity distribution. Finally, measurement errors were verified and analyzed by the method of calibration experiments. Measurement errors of laser energy and intensity distribution are 4.5% and 5% respectively. The results show that the equipment has excellent precision，reliability and stability, which could be used in field measurement.

Key words:measurement and metrology; high energy laser; experimental method; image

收稿日期：2014-01-09；收到修改稿日期：2014-01-26

作者簡(jiǎn)介：趙琦(1985-)，碩士,工程師，主要從事激光測(cè)量、應(yīng)用研究，以及光波前和相干性測(cè)量?jī)x器的研究及計(jì)量科研工作。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目( 61205016；60908009)

中圖分類號(hào)：TN247

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.01.020

文章編號(hào)：1001-3806(2015)01-0100-04