一种大口径激光能量计的实现

雷俊杰，王 亮，段园园，谷 衡，刘晓英

（西安应用光学研究所 陕西 西安 710065）

随着激光技术的进步及其应用的进展，激光功率能量计作为激光器参数测试的主要应用仪器，在激光器及其相关光电产业的一切领域包括在工农业生产[1]、国防建设[2]、科学研究[3]、医疗卫生及服务行业[4]等许多领域都得到广泛的应用。作为一种光学测试仪器，他在技术上不是最复杂的，但确是种类最多，应用领域最大，具备最大的产业规模，和发展潜力。激光的能量测试的原理通常是通过测量探测器表面的热沉积完成的，精确可靠测试的关键在于探测器的表面的吸收体设计，其精确测试是建立在重复使用而不会发生校准的改变。为了保证激光器在出射的激光能量能够满足工作需求，所以需要对激光器出射的激光能量进行监控，为调整激光器出射激光能量提供依据。

1 系统组成

大口径激光能量计由热释电传感器，采集电路、处理电路、人机界面及连接电缆组成，如图1所示。热释电传感器为热电转换传感器，将激光能量转换为电压信号；采集电路为以AD为核心的电路组成，主要完成模拟信号到数字信号的转换；处理电路为以AVR单片机为核心的电路组成，主要完成数字信号中脉冲峰值的判别和输出，完成激光能量脉冲峰值的获取；人机界面的作用是沟通操作者和仪器之间的联系，可采用触摸屏设计完成仪器的操作和输出显示；通过连接电缆完成供电和数据的传输。

图1 激光能量计系统组成Fig.1 The composition of Laser energy meter

2 各部件描述

2.1 热释电探测器

热释电探测器是一种利用某些晶体材料自发极化强度随温度变化所产生的热释电效应制成的新型热探测器[5]。晶体受辐射照射时，由于温度的改变使自发极化强度发生改变，结果在垂直于自发极化方向的晶体两个外表面之间出现感应电荷，利用感应电荷的变化可测量光辐射的能量，因为热释电探测器的电信号正比于探测器温度随时间的变化率，不像其他热探测器需要有个热平衡过程，所以其响应速度比其他热探测器快得多，一般热探测器的时间常数典型值为1~0.01 s范围，而热释电探测器的有效时间常数抵达10-4到10-5s，虽然目前热释电探测器在灵敏度和响应速度等方面还不及光电探测器，但由于他还具有光谱响应范围宽，较大的频响带宽，室温工作无需制冷，可以有大面积均匀的光敏面，工作无需偏压，使用方便等特点，而得到日益广泛的应用。

钽酸锂热释电探测器是一种性能极其优良的热释电探测器，具有工作频率高、探测率高、性能稳定，使用方便，可以设计均匀大面积探测面等特点。

如图2示，热脉冲与相应的光学脉冲比展宽了，当热脉冲流过热释电晶体，产生了在幅度上更宽的电压，光学计测量输出起始到脉冲峰值间的电压，通过与探测器灵敏度（单位V/J）的修正，得出相应能量值。

图2 热释电探测器热电响应Fig.2 The thermal response of pyroelectric detector

最小口径需要为（84毫米，考虑到对准误差及裕度设计，最终选定激光能量探测器口径为 （100毫米钽酸锂热释电探测器。图3为热释电探测器实物图。

2.2 AD采集电路

热释电探测器将激光信号转化成电信号后由数据采集板采集。其工作原理是将热释电探测器转换的电信号进行采集，得到信号的峰值。相对热释电探测器输出ms级的信号，采用较低的采样率就能实现对信号的采集。图4为AD采集电路图。这里采用了linear公司出品的高精度采用芯片LTC1279，该AD为采用12位，600 ksps采样率的并行输出电路。对于这些的采用速率，一次采集所用的时间精度为1.6μs，对于一个脉宽为3 ms的电信号，可以有1 875个点可供采集处理，故这样的采样速率能够满足系统要求。

图3 热释电探测器实物图Fig.3 The practicality of pyroelectric detector

对于低能量的测试，需要进行档位切换，这里选择不同增益放大器AD8253，可以通过电位变化来实现增益为1倍、10倍、100倍、1000倍的变化，满足不同输入信号的需求。

2.3 峰值捕捉

首先测定一个电压值，跟参考电压进行比较[6]，高于比较电压则将此电压存储下来，后续采集到的电压值分别和前面的电压值进行比较，采用冒泡法，最终将峰值保留下来。通过单片机对AD进行控制，输出每一个峰值数据，供后续统计处理。

具体流程图如图5所示，开机上电后，首先等待接收上位机的使能信号，没有使能信号不工作，当使能信号到来时，进入下一步；等待上位机的阈值信号，阈值设置是为了滤除电路中的噪声信号，只有大于阈值才能算有效数据，进入下一步，无效数据进行丢弃，不进行统计；复合使能和阈值条件后，采集数据Ai，和前一个数据Ai-1进行比较，选择其中最大的一个赋值给峰值v，做循环采集，得到一个最大值，便是峰值，输出这个脉冲的峰值；对每一个脉冲进行这样的处理便可以得到激光发射的峰值，便于进行后期统计。

2.4 人机界面

人机界面是目的是借助终端的图形图像处理能力，将测控过程及结果用直观的图形或图像输出代替数字输出，实现将测试过程涉及的与产生的数字信息转变为以图像或图形表示的物理现象后呈现在人们面前，使操作者一目了然的获得被测对象的状态、变化规律及分布情况。

人机界面操作过程体现了便利性，实用性。图6为人机界面操作流程。上电后首先进行开机自检，以保证传感器正确连接，如果未连接正确，则无法进入使用界面，而会跳到参数和帮助界面，当连接正确时，进入应用界面。可以通过按键进行操作，根据测试类型，进行单次测量和连续测量。参数设置界面可以对系统时间、设备灵敏度、设备的阈值进行设置。

图4 AD采集电路Fig.4 The circuit of AD acquisition

图5 峰值捕捉流程图Fig.5 The flow of peak capture

图6 人机界面流程Fig.6 The flow of man-machine interface

3 实验结果

3.1 能量计调试结果

通过电缆将设备连接，按照要求进行上电和自检操作。使用一台能量大约为75 m J的激光器进行连续照射。测试结果如图7所示。该设备不仅能够测量激光的能量值，而且可以对测试的数据进行相应的统计，显示数组的最大值、最小值、平均值以及该数组的稳定性。对衡量激光器的出射激光的参数有很好的衡量作用。

图7 测量结果Fig.7 The result of measurement

3.2 线性分析

能量计线性是能量计功能中最重要的因素，因为作为一个用于检测激光发射能量值的计量检测设备，必须经过光学计量站的标定，标定标准源头上溯到国家计量院，而不同设备需要在不同级别的计量站进行标定[7]，本设备在光学二级计量站进行标定，标定系数的标定精度为±5%。计量站的标定只能针对单脉冲能量值，通过和标准能量计比对，获得设备的标定系数。计量站的标定只能反映激光能量计在某个能量值附近的标定系数，而在实际使用过程中，激光能量计需要测试的激光器在输出能量方面与标定时的激光能量不同，这就涉及到一个设备的线性问题，这就是目前国内很多激光能量计都有国家计量站的标定证书，但是测同一个激光器有不同的输出结果的原因所在。故激光能量计的线性分析很重要。

实验中使用镭宝公司生产的高能量激光器，波长为1 064 nm，输出能量可以通过改变衰减片来更改输出的能量，用来检测能量计的线性。得到的结果如表1所示，可以看到从能量45.4 m J到416.5 m J，能量计能保存良好的线性，能够满足在大量程范围内保持足够的线性度和准确性。

表1 能量计实验数据Tab.1 The experimental data of energy m eter

4 结 论

通过这样的设计，得到的大口径激光能量计能够满足使用的功能性能要求，在量程内，测量得到激光能量测量的线性度为4.1%，满足低于5%的要求，具有良好的线性。利用口径为100 mm的热释电探测器作为光电转换的传感器，解决了激光发射半径大导致的激光无法完全接收的难题，大口径激光光束的能量检测再也不需要通过透镜会聚了，减小了由于透镜会聚导致的透过率损耗。有很好的实用价值。

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