飞焦级脉冲激光能量测量方法研究

陈 娟，杨鸿儒，俞 兵，薛战理，吴宝宁，韩战锁

(西安应用光学研究所，陕西 西安 710065)

引言

目前，对500 pJ～1 fJ的微弱激光脉冲能量的准确测量比较困难[1]。美国NIST(national institute of standards and technology)研制了用于飞焦级脉冲激光能量测量的APD900型激光辐射计，激光测量波长为1 064 nm、脉冲宽度测量范围为15 ns～250 ns、能量范围为4 fJ～10 pJ、测量不确定度为U=8%(k=2)[2-3]。本文针对1 fJ～1 pJ的微弱脉冲激光能量测量问题，提出了一种基于时域波形积分的飞焦级激光脉冲能量测量方法。该方法采用光电倍增管(PMT)获得飞焦级激光脉冲的响应信号，该微弱响应信号经放大、校准与激光脉冲波形积分后实现飞焦级脉冲激光能量测量。根据该方法设计了飞焦级脉冲激光能量测量装置，并分析了该装置的测量不确定度。实验表明，该装置实现了波长1 064 nm、脉冲宽度5 ns～1 μs、能量范围1 fJ～1 pJ的激光脉冲光源的能量测量，测量不确定度为15.8%，灵敏度是APD900的16倍[4]。

1 测量原理

基于时域波形积分法的飞焦级脉冲激光能量测量装置原理框图如图1所示。该测量装置主要由光学系统、探测器组件、信号处理电路和采集处理组件组成。光学系统用于将待测飞焦级激光光源完全汇聚到PMT探测器光敏面上，探测器组件将微弱脉冲激光信号转化为电信号，信号处理电路用于放大PMT输出的微弱电信号，采集处理组件用于高速模拟信号采集、计算等，脉冲信号积分计算并且标定后，得到被测激光能量输出。

图1 飞焦级脉冲激光能量测量装置总体方案图Fig.1 Total project diagram of femto-Joule level pulse laser energy measurement system

利用国防科技工业光学一级计量站建立的激光微能量标准[5]装置校准激光微能量计；微能量计校准标准皮焦级激光光源，该光源经过衰减倍数为1 000倍(可调)的标准衰减片后输出飞焦级激光，用于校准本装置。激光微能量量传体系如图2所示。

图2 激光微能量量传体系图Fig.2 Diagram of laser micro-energy calibrating system

2 飞焦级脉冲激光能量探测装置的设计

飞焦级脉冲激光能量探测装置组成如图3所示。

图3 飞焦级脉冲激光能量测量装置组成图Fig.3 Constituting diagram of femto-Joule level pulse laser energy measurement system

该测量装置由会聚镜组件、探测器、驱动电路、微弱信号放大电路、采集处理组件组成。其中汇聚镜组件包括窄带滤光片和会聚透镜组，窄带滤光片中心波长为1 064 nm，带宽为20 nm；探测器为R5108型PMT；驱动电路包括可调高压电路、分压网络和滤波网络；微弱信号放大电路包括直流电源、电流电压转换电路、第1至第4级电压放大电路，电流电压转换器及第1至第4级电压放大电路采用AD8009超低失真运算放大器；采集处理组件包括TG-X3600型超高速数据采集系统、计算机及控制处理软件。

针对波长为1 064 nm、能量为1 fJ～1 pJ、脉宽为5 ns～1μs的脉冲激光，需要飞焦级脉冲激光能量测量装置有较高的灵敏度和较快的响应速度。因此，PMT探测组件需具备很高的灵敏度和信噪比，放大处理电路须具备较高的放大倍数以及极高的截止带宽。

2.1 PMT探测组件的设计

PMT探测组件主要由PMT探测器及其驱动电路组成。图4为R5108型PMT在普通分压网络驱动下，增益随电压以及暗电流随电压的变化曲线，工作电压越高增益越大，同时暗电流也随之增大，该分压网络各极间压差相等。

驱动电路决定PMT的总灵敏度和信噪比，本文设计的PMT驱动电路原理如图5所示。(其中K为光电阴极；P为阳极、PY1～PY9为打拿极；R1～R10为分压电阻；C1～C5为滤波电容；N1为高压模块；a1～a8为N1的8个外部管脚)

PMT在图5所示的电路驱动下，其总增益的计算如公式(1)所示，各打拿级间增益如公式(2)所示[6]。

A=G1G2…Gm…G9

(1)

(2)

式中：f为第1倍增极对阴极发射电子的收集率；k为常数；VD为极间电压；n为倍增极级数。

图4 R5108型PMT的电压-增益、电压-暗电流曲线Fig.4 Voltage-gain and voltage-dark current curves of R5108 type PMT

图5 PMT驱动电路原理图Fig.5 Schematics of PMT driving circuit

在PMT驱动电路设计中，将探测器的各打拿级间压差设计约为115 V，探测器的光电阴极K与第1打拿级PY1之间的压差约为200 V，此种分压模式作用于探测器后，在匹配的滤波网络作用下，能有效提高探测器的增益并大幅度减小阳极输出暗电流。通过调试后，PMT探测组件实现了很高的增益，总灵敏度在750 A/W左右，阳极暗电流能恒定控制在1×10-7A以下，能实现30倍以上的信噪比。

2.2 微弱信号放大电路设计

针对被测脉冲激光设计的微弱信号放大电路，需具备较高的放大倍数和极高的截止频率，通过PMT探测组件输出信号计算，放大倍数需达到4 000倍以上，截止频率达200 MHz。经过放大器设计选型，在微弱信号放大电路中选择低失真的超高速运算放大器AD8009。对于运算放大器，增益频率积为

C=AudfT

(3)

式中：增益频率积C近似为常数；Aud是放大器增益；fT是放大器截止频率；Aud与fT为近似反比关系。对于AD8009超低失真运算放大器，由公式(3)可知，在截止频率为200 MHz时，其放大倍数为8倍。为满足微弱信号放大电路的高速高倍率的要求，该电路设计为四级级联放大路，原理如图6所示，其中：R为电阻；C为电容，K为开关。

图6 微弱信号放大电路原理图Fig.6 Schematics of weak signal amplification circuit

微弱信号放大电路的总增益计算如下式所示[7-8]：

(4)

该放大电路在换档电路的配合使用下，可以实现的放大倍数为64倍、512倍或4 096倍，最终的输出电压信号范围约为300 mV～4 800 mV，可满足采集处理组件的输入电压范围要求。高增益探测组件配备该放大电路，可实现能量为1 fJ～1 pJ、脉宽为5 ns～1 μs激光能量测量。

3 能量计算过程

在飞焦级脉冲激光能量测量装置中，采集处理组件采用的TG-X3600型超高速数据采集系统，其最高采样率为3.6 GB/s，采样位数为12位。1 s内最高可采集1.8 G个采样点，采样间隔Δt的最小值为0.56 ns，脉冲宽度为5 ns时，采集点也在20个以上，能够准确采样窄脉冲波形；脉冲宽度在5 ns～1 μs之间时，可选择采集卡的采样率进行数据采集，准确采集输出波形，通过计算机数据处理得出积分值，通过能量标定系数的修正，得出被测脉冲激光能量值。图7为本装置测试某脉冲激光光源的输出波形。

图7 本装置对某激光光源的测试波形Fig.7 Test wave of some laser by this device

在得到时域波形的情况下，进行曲线积分，可以得到准确的脉冲激光能量，计算公式如公式(5)，实际计算公式如公式(6)[9]：

(5)

(6)

式中：Δt为硬件采样的最小间隔；V(t)为飞焦级纳秒脉冲激光时域波形；V(i)为采样点的电压值；k为能量标定系数；E′为飞焦级纳秒脉冲激光能量探测值。

4 实验结果及测量不确定度分析

4.1 实验结果

实验中，利用本测量装置对标准的飞焦级激光光源进行测试，飞焦级标准激光光源能输出可调的标准能量值，并且脉冲宽度可调。实验中，选择标准光源脉冲宽度为10 ns、50 ns、100 ns，并将能量分别调节为5 fJ 、500 fJ，测试结果如表1所示。

在实验过程中，针对5 fJ能量测试时，测量装置放大电路的放大倍数为4 096倍，500 fJ能量测试时，放大倍数为64倍，实测的输出噪声保持在5 mV以下。从表1输出峰值电压值可以看出，500 fJ能量测试时，测量装置能输出较强响应和很高的信噪比，5 fJ能量测试时，测量装置也能有较强输出和较高的信噪比。脉冲宽度测试值基本可以准确反映被测光源的脉宽，但脉宽变窄，测试准确性变差。

表1 测试结果Table 1 Test results

4.2 不确定度分析

对实验结果进行统计分析，利用贝塞尔法对能量测量结果进行不确定度评定，不确定度计算公式如公式(7)、(8)所示[10]。

(7)

(8)

飞焦级脉冲激光能量探测装置输出的激光能量，其测量不确定度来源主要有：激光微能量标准装置引入的不确定度分量u1=4%、标准激光微能量计引入的不确定度分量u2=2%、飞焦级标准激光光源引入的不确定度分量u3=4%、飞焦级脉冲激光能量探测装置引入的不确定度分量即为上文计算所得uc=u4=1.4%、能量重复测量误差引入的不确定度分量u5=5%。由于上述各不确定度分量之间独立，且不相关，因此得到激光能量合成测量不确定度为

(9)

激光能量扩展测量不确定度为U1=kuc1=15.8% (k=2)，满足我国现有的飞焦级能量测量要求。

5 总结

本文提出了一种飞焦级脉冲激光能量探测方法，即采用PMT探测器直接探测脉冲激光时域波形的方式，在PMT探测组件设计和微弱信号放大电路设计的基础上，研制了飞焦级脉冲激光能量探测装置，并介绍了能量计算方法和测量不确定度分析的方法。通过实验验证，探测装置实现了能量为1 fJ～1 pJ、脉冲宽度为5 ns～1 μs的1 064 nm激光的能量探测；但实验中同时发现，在脉宽小于150 ns时，本装置输出脉冲波形开始发生轻微畸变，而在脉冲宽度小于40 ns时，输出脉冲波形的畸变开始相对明显，波形畸变对能量测试的影响以及怎样校正畸变波形，需要进一步进行更加深入的研究。

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