B9_信息光學(xué)實驗室激光能量計的改進_10級

1、一，背景激光作為一種新技術(shù)在我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)、科學(xué)研究及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。如工業(yè)上的激光加工(打孔、焊接、切割、熱處理等);農(nóng)業(yè)上的激光育種;國防工程上的激光雷達、激光通訊;科研上的激光全息、激光同位素分離、激光核聚變;醫(yī)療衛(wèi)生上的激光診斷、激光手術(shù)、激光治療等等。要研究激光和應(yīng)用激光就必須能夠?qū)す獾奶匦詤?shù)進行準確測量。對激光器主要參數(shù)的計量測試是激光技術(shù)發(fā)展的一個重要方面。對一臺激光器來說，人們最關(guān)心的是有沒有激光能量，有多少激光能量。比如在激光治療中，就有激光有效劑量、無效劑量及危害(破壞)劑量的闌值問題;在激光育種試驗中，就有選擇增產(chǎn)效果好和抗病蟲害能力強的最佳

2、激光劑量間題;在激光防護工作中，為了確保人身安全，特別要搞清損傷人眼的激光闌值問題;在激光核聚變中，需要多少能量才能打出中子、才能實現(xiàn)熱核反應(yīng)等等。這些都需要精確測量激光能量，沒有精確測量激光能量就達不到研究的預(yù)期目的。因此，對激光能量的準確測量顯得愈發(fā)重要。隨著激光新技術(shù)的不斷發(fā)展，測量激光能量的工具(儀器)也不斷改進和更新。六十年代初，激光一出現(xiàn)，人們曾用透鏡聚焦激光束能打穿多少刀片來估算激光能量，這是非常粗略測定激光能量的方法。后來采用石墨作成碳斗能量計來接收激光能量，用檢流計來顯示激光能量，這也不是精確測定激光能量的方法。特別對高功率激光來說，由于它的功率密度很高，采用石墨做成的碳斗能

3、量計其表面很容易被強激光打壞。還有一些激光脈沖能量測試常用的方法是使用能量卡計，其工作原理是將光能轉(zhuǎn)換成熱能，通過測量熱量帶來的溫度變化而實現(xiàn)對光能量的測量。可是當(dāng)激光脈沖能量很低時，溫度變化極小，且受環(huán)境影響很大，采用這種方法也無法實現(xiàn)準確測量。對大多數(shù)傳感器而言，由于可能受到損傷而不能直接測量高能激光光束，因此需要獲得低功率樣品光束。另外，為滿足激光實時監(jiān)測的要求，也需要對光束進行取樣。光束取樣不僅需要保證樣品光束強度低于監(jiān)測傳感器的損壞閾值，同時還需要保證樣品光束在幾何形狀、波前、偏振態(tài)、光譜特性和時間特性等方面的保真度。典型的取樣技術(shù)包括：部分透射/反射式取樣技術(shù)和高功率反射鏡漫散射取

4、樣技術(shù)。部分透射/反射式取樣技術(shù)在激光光路中設(shè)置高透射反射比或高反射透射比的光學(xué)元件，經(jīng)取樣元件，從主光束中分出極少部分光，測量取樣光的能量和功率分布。在測量高能激光強度分布時，可采用漫反射屏。激光打在漫反射屏上，成像探測器接收漫反射光。長期以來,國內(nèi)對脈沖激光器能量測量,由于其能量計無采樣、記錄裝置,所測量的激光器能量、脈寬、前沿、重復(fù)頻率等重要數(shù)據(jù)指標(biāo),一直是靠人眼讀數(shù)方式完成,其智能化程度低、測量誤差大、人為干擾因素多、獲取數(shù)據(jù)單一,不能進行數(shù)據(jù)及圖形處理,從而難以客觀、準確、直觀地反映激光器的制造水平,特別是對于重復(fù)頻率大于20Hz的高重頻激光器,國內(nèi)尚無相應(yīng)檢測儀器能測量其每個脈沖能

5、量。因此，研究開發(fā)智能化、自動化程度高的激光能量密度測試系統(tǒng)顯得非常迫切。二，激光功率能量計量的分類及其工作原理為滿足不同激光輸出的測量和激光功率及能量計的標(biāo)定!研究開發(fā)了不同類型的激光功率和能量計，以滿足不同類型（如功率、能量范圍不同、脈沖或連續(xù)工作方式不同等）激光功率能量的計量要求。目前，已發(fā)展成熟的激光功率能量計主要有光電型、熱釋電型和量熱型等。2.1 光電型光電型激光功率計利用光電探測器實現(xiàn)探測，其工作原理與一般光電探測器工作原理相同，均基于光電探測器材料的光電效應(yīng)!即用激光照射探測器產(chǎn)生與入射光強度成正比的電流輸出。對于普通的光電二極管，功率線性范圍為納瓦至毫瓦量級，因此，光電型激光

6、功率計主要用于激光小功率和微能量的檢測。計量基準的的激光功率計以光陷阱型絕對式量子探測器為代表，其基本工作原理是：利用各種結(jié)構(gòu)的光陷阱吸收近100%的入射激光輻射，光電探測器輸出與入射激光功率成正比的電流，由已知的光電靈敏度值，根據(jù)輸出的電流信號值即可準確得到輸入的光功率值。由于光陷阱的光吸收率接近1，因此，利用該技術(shù)可實現(xiàn)探測器的自校準。圖1所示是一種基于硅光電二極管的光陷阱型激光功率基準器結(jié)構(gòu)原理圖。該裝置采用3只反射型硅光電二極管組成有特殊結(jié)構(gòu)的硅光電二極管組，入射光束在其內(nèi)共經(jīng)歷5次反射，恰好旋轉(zhuǎn)360。該設(shè)計不僅保證了光陷阱型二極管組的總吸收比超過4個9，而且減少了原單只硅光電二極管

7、校準中的反射比測量誤差，而且還消除了光的偏振對測量數(shù)據(jù)的影響。實現(xiàn)光陷阱功能的結(jié)構(gòu)有多種!如半球反射，表面形成空楔的探測器對!以及其他多次反射的探測結(jié)構(gòu)。圖2給出了幾種常見的實現(xiàn)100%吸收的光陷阱探測器結(jié)構(gòu)。2.2熱釋電型熱釋電型激光功率能量計是利用材料熱釋電效應(yīng)進行探測的。探測器的熱敏單元通常為熱電晶體，它可產(chǎn)生與吸收熱量成正比的電荷。晶體的2個表面鍍金屬膜，用于吸收所有入射激光能量，其響應(yīng)輸出與入射光束形狀或位置無關(guān)。收集熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的所有電荷并通過相應(yīng)電路輸出。圖3所示是電標(biāo)定的熱釋電探測單元工作原理圖。熱釋電探測器雖然對測量重復(fù)脈沖大于5000HZ的激光非常有用，但這類探測器耐用性

8、差，因此，只要不是測量單脈沖激光能量，且激光平均功率滿足要求，建議不使用此類探測器。在激光功率能量計中，這類探測器的作用是擴展主基準的量程（探測器被主基準標(biāo)定后作為傳遞標(biāo)準而使用）。2.3體吸收型體吸收型激光能量計主要用于短脈沖激光能量的測量，尤其適用于脈沖時間為幾十微秒或更短的激光。由于激光脈沖的持續(xù)時間非常短，熱量在很短時間內(nèi)堆積起來，致使在脈沖持續(xù)的時間內(nèi)熱量無法傳導(dǎo)出去。而金屬材料對激光的吸收為表面吸收。因此，熱能將全部積累在材料表面很薄的一層范圍內(nèi)，從而造成材料的損傷。體吸收是解決這一問題的非常有效的手段。體吸收材料可以是氣體、液體和固體中的任何一種，其優(yōu)缺點不盡相同。氣體和液體吸收

9、材料的優(yōu)點是激光造成的損傷可逆，缺點是需要封裝，且會導(dǎo)致窗口的反射損失。固體吸收體的優(yōu)點是不需要外加窗口，但激光造成的損傷是不可逆的。圖.4所示為基于液體體吸收效應(yīng)的激光能量計的核心部件。該部件的量能器為液體吸收盒，窗口為石英玻璃，盒內(nèi)盛放液態(tài)CuSO4，它吸收紅寶石激光器和Nd玻璃激光器的激光脈沖。吸收液中加入少量墨水，可提高光譜吸收范圍。在吸收液中埋置有熱電偶和電加熱器，熱電偶用來測量吸收激光能量引起的吸收體溫度升高；電加熱器用來標(biāo)定器件的響應(yīng)輸出。脈沖激光能量可以根據(jù)液體盒的比熱和溫升計算出來，也可以通過已知能量的電脈沖加熱液體并與由激光造成的溫度上升相比較，根據(jù)電能量得到光能量。目前使

10、用的體吸收型激光能量計當(dāng)中，體吸收探頭通常由中性玻璃與熱傳導(dǎo)金屬基底兩部分構(gòu)成一個整體。由于中性玻璃按指數(shù)規(guī)律吸收激光輻射，吸光的范圍為1mm3mm,而不是在1um的范圍內(nèi)。因此，即使在短脈沖條件下，光和熱也將在金屬基底內(nèi)沉積一定深度。2.4 量熱計型量熱計型激光功率能量計主要應(yīng)用于高功率連續(xù)波激光測量!其工作原理也是激光的熱效應(yīng)。吸收體吸收全部入射激光輻射后，產(chǎn)生溫升，通過測量吸收體的溫度升高，利用相應(yīng)的計算公式來獲得激光功率能量值。圖7所示是采用該原理建立的激光能量計，主要用于低、中功率激光輸出測量，測量波長范圍為可見和近紅外!功率水平為1mW1W,測量不確定度約為0.25%。三，DD.1

11、0-145系列激光能量計3.1 介紹DD.10-145系列激光能量計采用了北京光電技術(shù)研究所獨創(chuàng)的專利技術(shù),具有極高的抗激光損傷能力。用戶在使用時不用過多考慮探測器表面被強激光損傷的問題,適用于高功率密度、高能量密度及高峰值功率密度的強激光能量測試。DD.10-145系列激光能量計所采用的熱釋電光電轉(zhuǎn)換器件具有相當(dāng)快的響應(yīng)速度,峰值保持功能的設(shè)計使儀器能夠在重復(fù)頻率小于40Hz的脈沖激光測試中保持一個單脈沖能量。DD.10-145系列激光能量計由量程范圍不同的A、B、C三個型號組成。主要技術(shù)指標(biāo)顯示雙極性3-1/2位數(shù)字顯示光譜范圍400nm 3um校準波長1064nm (根據(jù)用戶要求可附帶5

12、32nm)量程A型 200mJ、2J、20JB型 2J、20J、200JC型 20mJ、200mJ、2000mJ光敏面尺寸20mm最大激光能量密度70J/cm2最大激光峰值功率密度1GW/cm2不確定度5%1字電源交流 220V10%, 50 Hz 15W適用于脈沖寬度1mS，重復(fù)頻率40Hz的脈沖激光串中抽測單脈沖可以長時間保持捕獲的脈沖能量值3.2 存在的問題本次研究的實驗對象為DD.10-145系列激光能量計A型。存在的主要問題有2個：1. 在探測器未接受激光的情況下，儀表器上的有示值且較大，無法忽略不計。2. 探測器與儀表器的連接處，稍有觸碰，儀表器上的示值有較大波動。四，問題分析本次

13、研究的實驗對象為DD.10-145系列激光能量計A型。屬于熱釋電型激光功率能量計。主要部件為熱釋電陶瓷。4.1 熱釋電陶瓷（鈦酸鉛）熱釋電陶瓷是具有由于溫度變化而引起自發(fā)極化強度發(fā)生變化現(xiàn)象的陶瓷。熱釋電效應(yīng)的大小由熱釋電系數(shù)(P)衡量，熱釋電系數(shù)越大，隨溫度變化產(chǎn)生的電壓變化就越大。熱釋電陶瓷種類主要有PbTi03和PZT（PbZrO3和PbTiO3的固溶體）等，應(yīng)用于控測紅外輻射、遙測表面溫度及熱再生熱釋電熱機等領(lǐng)域。以鈦酸鉛(PbTiO3)為主晶相的陶瓷材料。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。具有居里溫度高(約490)，相對介電常數(shù)較低(約為200)，泊松比低(約為0.20)，機械強度較高等特性。純鈦酸鉛可用

14、四氧化三鉛和二氧化鈦為原料合成，但燒結(jié)困難，不易極化，故常加入少量改性添加物，如二氧化錳、三氧化二鑭、二氧化鈰、五氧化二鈮、三氧化二硼等。經(jīng)高溫?zé)Y(jié)成制品?？捎糜谥谱鞲哳l陶瓷濾波器振子，高溫換能元件和熱釋電探測器等。鈦酸鉛(PbTiO3)是一種淺黃棕色固體，密度為 797gcm3，溶于濃鹽酸及氫氟酸，不溶于稀硝酸、水和 堿。它具有鐵電性、壓電性、熱釋電性、介電性等特性。鈦 酸鉛是一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電體，其居里點為490，順電 相和鐵電相點群分別為m3m和4mm，室溫時晶格常數(shù)為： a=03902nm；c=04156nm。鈦酸鉛晶體結(jié)構(gòu)的特點是由02-離子和Pb2+離子共同近似按立方密堆積排列，

15、Pb2+離子位于02-離子八面體空隙中；Ti4+離子的配位數(shù)是6，形成的TiO6八面體以頂角 相連，Pb2+又處于八面體TiO6空隙中，Pb2+離子的配位數(shù)是12，如圖所示。理想的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)應(yīng)為立方晶系，但鈦酸鉛晶體常溫下畸變?yōu)樗姆骄到Y(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度高于 居里溫度時，鈦酸鉛晶體為立方晶系，如圖所示。鈦酸鉛材料最早于1936年人工合成，但由于它在居里點495以下的結(jié)晶各向異性大，燒結(jié)后的晶粒容易在晶界 處分離，得不到致密的、機械強度高的陶瓷；同時由于矯頑 場(coercive field)大、極化困難。純鈦酸鉛的壓電性能較 低，而且純鈦酸鉛陶瓷很難燒結(jié)，當(dāng)冷卻通過居里點時，由 于晶格畸變，就會碎

16、裂為粉末。但一般通過適當(dāng)?shù)膿诫s，用 普通工藝即可制得高致密度的鈦酸鉛陶瓷。鈦酸鉛與鈦酸鋇一樣均屬鈣鈦礦型的鐵電體，但介電常 數(shù)比鈦酸鋇小一個數(shù)量級，其居里溫度高，頻率溫度系數(shù)和 時間穩(wěn)定性好。在極化時，其位于TiO6八面體的Ti4+離子 可能會產(chǎn)生兩種可能的偏離中心的位置，比原來Ti4+的位 置高或者低，如圖所示，從而產(chǎn)生極化，導(dǎo)致壓電 現(xiàn)象。為了開發(fā)利用鈦酸鉛材料，人們進行了很多努力，日本 的上田等人，通過在鈦酸鉛中同時添加TiO2和MnO2等改 性劑，獲得了密度高、機械強度大，可進行高溫高電場極化 處理的具有高電阻率的陶瓷 陶瓷熱釋電材料應(yīng)用很廣，目前最主要的應(yīng)用是作為熱釋電探測器，其基本

17、結(jié)構(gòu)如圖 所示。在金屬管座中央，固定金屬導(dǎo)電基座，再于導(dǎo)電基座的中央用特種導(dǎo)電膠固定 熱釋電晶片。晶片厚度為50m，晶片表面上鍍上電極。由于晶片為高阻抗，所以用場效應(yīng) 管(FET)進行阻抗變換。為了減少噪聲影響，F(xiàn)ET裝在金屬殼內(nèi)，金屬殼上固定著硅或者 鍺窗口。熱釋電探測器的工作過程為：1.接收輻射(紅外輻射)產(chǎn)生溫升；2.由于溫升而引起熱釋電晶片表面電荷的變化(極化變化)；3.由于晶片表面電荷變化引起晶片上、下表面電勢差的變化，通過放大器使其轉(zhuǎn)換成電壓或電流進行測量。熱釋電探測器比光探測器適用于更寬的頻帶范圍，從X光射線到微波范圍均可適用；熱釋電探測器工作時，不必達到熱乎衡，這就使它既可在室

18、溫下工作，又具有響應(yīng)快的特點；熱釋電探測器的響應(yīng)速度非?？欤芴綔y一些相當(dāng)快的信號，如測出脈沖激光器的脈沖等；其時間常數(shù)已容易達到納秒級，甚至有的可達皮秒級。4.2 接口DD.10-145系列激光能量計A型采用的是同軸電纜接口（BNC）。同軸電纜是傳輸線的一種，所謂同軸是指傳輸線的內(nèi)導(dǎo)體的軸線與外導(dǎo)體的軸線相同。同軸電纜是由內(nèi)、外導(dǎo)體組成，兩個導(dǎo)體同軸布置，傳輸信號完全限制在外導(dǎo)體內(nèi)，外導(dǎo)體接地作為屏蔽層傳輸線，從而保證其屏蔽性能好、傳輸損耗低小、抗干擾性強、使用頻帶寬。常被用于頻率較高的信號的傳輸。BNC頭主要分兩種，一種是傳輸編解碼安裝時附配的推壓式接頭，另一種是市面常見的焊接式。（如圖）制作方法與L9頭基本相同，另外注意線纜直徑大小來選用不同型號的BNC頭