王艷茹，徐　德，冉錚惠

（中國工程物理研究院計量測試中心，四川 綿陽 621900）

一種基于無畸變?nèi)拥母吣芗す饽芰坑嬓恃b置

王艷茹，徐德，冉錚惠

（中國工程物理研究院計量測試中心，四川 綿陽 621900）

為解決傳統(tǒng)的全吸收型激光能量計存在的量值上限問題，提出一種采用無畸變?nèi)拥男滦图す饽芰啃恃b置。該裝置主要由透射式光學元件及標準探測器組成，利用透射式化學元件反射的弱光以降低校準系統(tǒng)對標準探測器的量程要求。文中給出該校準裝置實現(xiàn)高能激光能量測量裝置校準的原理和方法，并給出該套校準裝置的不確定度評定方法。該校準裝置一方面可以測量激光器的輸出能量，另一方面可以校準現(xiàn)場用的其他高能激光能量測量設備。

高能激光系統(tǒng)；激光能量計；校準；無畸變?nèi)?/p>

0　引　言

在高能激光的研究和應用領域中[1-3]，高能激光器輸出功率或能量的大小是衡量高能激光系統(tǒng)的一個重要指標。因此，準確測量高能激光的輸出功率或能量變得越來越迫切[4-6]。

由于高能激光系統(tǒng)輸出功率和能量很高，傳統(tǒng)的激光功率計、能量計已不能滿足高能激光輸出的測量。在各種高能激光能量計的研制中，高準確度的高能激光能量測量裝置主要采用絕對式測量方法，該方法利用了高能激光吸收腔將入射的激光能量轉(zhuǎn)換為吸收腔的熱能。目前，國內(nèi)開展高能激光能量計研制的單位主要有西安應用光學研究所、中國工程物理研究院應用電子學研究所等單位。西安205所的相關科研人員采用了相對透明、吸收層相對較厚、熱敏面不易損傷的激光吸收材料，滿足了惡劣條件下的高能激光能量現(xiàn)場測量[7]。隨后開展了現(xiàn)場校準方法的實驗研究工作，得到了能量計靈敏度系數(shù)與環(huán)境溫度的函數(shù)關系，為激光能量計現(xiàn)場測試校準技術的研究提供了一種可靠的新途徑[8]。西安205所的相關科研人員研究了矩形和環(huán)形光斑情況下，后向散射總功率以及其對能量測量結(jié)果的影響[9]。中物院應用電子學研究所研制的全吸收型高能激光能量計的能量測量范圍覆蓋較寬，同時建立了高能激光在線測試系統(tǒng)中激光能量測量的數(shù)學模型，并分析了不確定來源[10]。在現(xiàn)場校準的3種方法中，推薦采用交叉比對法，可有效消除光學元件分光比的影響，同時具有較高的測量準確度，測量結(jié)果的不確定度最小[11]。

在上述全吸收激光能量計的研究中，主要圍繞提高全吸收能量計的測量不確定度而展開工作。但全吸收型激光能量計存在固有缺陷即量值上限的問題，無法擴展其量程范圍。隨著高能激光系統(tǒng)的不斷發(fā)展，激光器的輸出功率能量不斷提高，需要不斷研制與之量程相匹配的全吸收激光能量計。本論文主要討論一種采用無畸變?nèi)拥姆绞絹韺崿F(xiàn)高能激光能量計現(xiàn)場校準的方法以及同時可以測量激光器輸出能量，該套裝置最大的優(yōu)勢在于擴展了輸出激光能量的測量范圍。

1　校準裝置的原理分析

校準系統(tǒng)的組成如圖1所示，在入射光路上依次排列第1光學鏡片（反射率為R1）、第2光學鏡片（反射率為R2）、第3光學鏡片（反射率為R3）。第1、第2光學鏡片為正交放置，以消除被測激光的偏振特性對取樣測量的影響；第3光學鏡片的放置方向與第1光學鏡片相同。其中，光路中第1、2、3鏡片的法線與入射激光束方向成45°放置。激光器出射的激光束（能量P）經(jīng)過第1光學鏡片，第1探測器接收反射部分的能量為P1，透射的光束（能量P2）入射到第2光學鏡片，第2探測器接收到第2光學鏡片反射的激光能量P3，從第2光學鏡片透射的光束（能量P4）入射到第3光學鏡片，第3探測器接收到第3光學鏡片反射的激光能量為P5，透過第3反射鏡的能量為P6。根據(jù)光路圖，可以得到如下的方程組。

圖1　校準系統(tǒng)組成原理框圖

同時在校準原理中要求第1和第3光學反射片的光譜特性一致，也即光學反射率相同。

通過求解式（1）和式（2），可以得到如下結(jié)果：

入射激光總功率P為

出射激光功率P6為

第1和第3光學元件反射率計算表達式為

第2光學反射片的反射率為

采用圖1所示的校準裝置進行現(xiàn)場校準的過程為：沿入射光路入射到校準裝置的激光能量為P，依次通過3片高透過率（在入射激光波長處的透過率＞99%）的光學鏡片后分別將入射的高能量激光反射為弱光信號，使得入射在第1、第2和第3探測器上的激光能量值P1、P3、P5大大減小。根據(jù)公式（3）～式（6），在標準探測器的測量值P1、P3、P5準確測量的基礎上，可以同時得到激光器的輸出能量P，以及實現(xiàn)對現(xiàn)場測量設備P6進行校準。同時，還可以獲得3片光學元件的光譜特性參數(shù)即光學元件的反射率參數(shù)R1、R2和R3。其中P1、P3和P5的量值準確性通過對標準探測器1、標準探測器2和標準探測器3進行量值溯源來保障。

2　校準裝置的組建

依據(jù)上述圖1的設計原理和思路，設計加工了一套基于無畸變?nèi)釉淼母吣芗す饽芰繙y量系統(tǒng)。該套校準裝置主要由：光學元件及光路系統(tǒng)、標準探測器系統(tǒng)以及機械支撐結(jié)構(gòu)3部分組成。

光學元件和光路系統(tǒng)部分主要由3片方形鏡、6片圓形鏡組成。其中，所有光學元件的材質(zhì)選擇為康寧0A級7980型石英玻璃。3片方形鏡均在沿著入射光路方向的后表面單面鍍增透膜，在入射激光波長處的透過率為99.7%，在光路中主要利用高透光學鏡片反射的弱光以降低對探測器量程范圍的要求。考慮到在方形鏡片中前表面的入射角度為45°，經(jīng)過玻璃折射后入射在后表面的入射角已經(jīng)不再是45°，根據(jù)折射定律計算其入射角度為28.5°（假設石英玻璃的折射率為1.5），因此在后表面鍍增透膜時的角度也應該針對28.5°的入射角。圓形鏡片的材質(zhì)同樣為康寧石英玻璃，雙面鍍增透膜，使用角度為0°，在入射激光波長處的透過率為99.7%。圓形鏡片作為窗口玻璃，主要起到濾掉雜散光的作用，避免雜散光對測量結(jié)果的影響?？紤]到所有光學元件都要在強光系統(tǒng)下進行激光輻照實驗，因此所有光學元件鍍膜后應具備較高的抗激光損傷閾值?？紤]到石英玻璃對入射激光的吸收，光學元件的厚度應盡可能小。

在校準裝置的設計中，入射激光束是以45°角度入射在3片光學元件上，此時偏振效應最為明顯。根據(jù)光波場的電磁理論，通過分析入射激光束經(jīng)過光學元件后的偏振態(tài)變化，可以得到第1和第2光學鏡片應正交放置，第3片光學元件與第1片光學元件放置方向相同，采取這種放置方式能最大程度上減小偏振效應對測量結(jié)果的影響。

探測器系統(tǒng)主要由3個量程范圍較小量熱型標準探測器組成。標準探測器主要由鋁基板上噴鍍黑色類金剛石涂層，外面采用聚四氟乙烯隔熱裝置。由于3個標準探測器測量的是入射激光反射的弱光信號，因此要求探測器響應穩(wěn)定性好，測量重復性高，以消除式（3）和式（4）中分母（P1-P5）不穩(wěn)定帶來的測量誤差。考慮到標準探測器非線性對測量結(jié)果的影響，在標準探測器的設計中既要保證線性溫度傳感器的信號強度，又要減小非線性特性的影響；同時熱傳導體材料的熱導率隨溫度的變化因素也需要考慮。

3　校準裝置的不確定度評定

對于出射激光總能量P6，其測量不確定度分析如下：

測量的數(shù)學模型為

各輸出量P1、P3、P5的靈敏度系數(shù)分別為

其二階混合偏導為

根據(jù)圖1的測試原理可以知道：P1、P3、P5存在一定的正相關性，當一個分量變化時，另外一個也隨之改變。那么合成標準不確定度為

換算成相對合成不確定度為

根據(jù)圖1的校準原理可知，由于3片光學元件均鍍高透過率的增透膜，因此P1、P3、P5量值數(shù)量級基本一致，同時相關系數(shù)r13（P1，P3），r15（P1，P5），r35（P1，P5）認為等于1，那么式（15）還可以進一步簡化為

出射激光總能量P6的擴展不確定度：

標準探測器P3的不確定度來源為：

影響3個標準探測器P1、P3、P5的不確定度來源主要有：光學元件的反射比變化、標準探測器的非均勻性、探測器的電校準誤差、測量重復性。

a）光學元件的反射比變化引入的不確定度分度u1；

b）標準探測器非均勻性引入的不確定度分量u2；

c）標準探測器的電校準誤差所引入的不確定度分量u3；

d）由多次測量重復性引入的相對不確定度分量u4。

由于上述4個不確定度來源互不相關，那么探測器的合成標準不確定分量為

因此出射激光總能量P6的擴展不確定度為

4　結(jié)束語

本文提出了一種基于無畸變?nèi)拥脑韺崿F(xiàn)高能激光能量測量系統(tǒng)的校準方案。該套校準裝置主要由3片透射式光學元件及3個標準探測器組成。利用透射式光學元件反射的弱光以降低校準系統(tǒng)對3個標準探測器的量程要求。同時給出了利用該套校準裝置實現(xiàn)高能激光系統(tǒng)出光能量測量以及實現(xiàn)對現(xiàn)場其他能量測量設備的校準過程。從理論上對整套校準裝置的不確定來源和大小進行了分析，該理論分析為下一步校準裝置的組建提供了一定的技術依據(jù)。

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A calibration equipment of high-energy laser energy meter based on distortionless sampling method

WANG Yanru，XU De，RAN Zhenghui
（Metrology and Testing Center of China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China）

In order to resolve the problem of traditional all-absorption energy meter has limited mearsurement range，a novel calibration setup of laser energy meter is proposed.The principle and method to achieve the calibration of testing apparatus is provided，meanwhile the evaluation of uncertainty for this calibration setup is also analyzed.This setup can both measure the output energy of lasers and calibrate other laser energy meters on site.

high energy system；laser energy meter；calibration；distortionless sampling

A

1674-5124（2015）12-0079-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.12.020

2015-01-11；

2015-03-17

王艷茹（1983-），女，陜西渭南市人，高級工程師，博士，主要從事光學計量與檢測方面的工作。