一种基于无畸变取样的高能激光能量计校准装置

2015-12-14 13:20王艳茹冉铮惠
中国测试 2015年12期
关键词:高能光学元件

王艳茹,徐 德,冉铮惠

(中国工程物理研究院计量测试中心,四川 绵阳 621900)

一种基于无畸变取样的高能激光能量计校准装置

王艳茹,徐德,冉铮惠

(中国工程物理研究院计量测试中心,四川 绵阳 621900)

为解决传统的全吸收型激光能量计存在的量值上限问题,提出一种采用无畸变取样的新型激光能量校准装置。该装置主要由透射式光学元件及标准探测器组成,利用透射式化学元件反射的弱光以降低校准系统对标准探测器的量程要求。文中给出该校准装置实现高能激光能量测量装置校准的原理和方法,并给出该套校准装置的不确定度评定方法。该校准装置一方面可以测量激光器的输出能量,另一方面可以校准现场用的其他高能激光能量测量设备。

高能激光系统;激光能量计;校准;无畸变取样

0 引 言

在高能激光的研究和应用领域中[1-3],高能激光器输出功率或能量的大小是衡量高能激光系统的一个重要指标。因此,准确测量高能激光的输出功率或能量变得越来越迫切[4-6]。

由于高能激光系统输出功率和能量很高,传统的激光功率计、能量计已不能满足高能激光输出的测量。在各种高能激光能量计的研制中,高准确度的高能激光能量测量装置主要采用绝对式测量方法,该方法利用了高能激光吸收腔将入射的激光能量转换为吸收腔的热能。目前,国内开展高能激光能量计研制的单位主要有西安应用光学研究所、中国工程物理研究院应用电子学研究所等单位。西安205所的相关科研人员采用了相对透明、吸收层相对较厚、热敏面不易损伤的激光吸收材料,满足了恶劣条件下的高能激光能量现场测量[7]。随后开展了现场校准方法的实验研究工作,得到了能量计灵敏度系数与环境温度的函数关系,为激光能量计现场测试校准技术的研究提供了一种可靠的新途径[8]。西安205所的相关科研人员研究了矩形和环形光斑情况下,后向散射总功率以及其对能量测量结果的影响[9]。中物院应用电子学研究所研制的全吸收型高能激光能量计的能量测量范围覆盖较宽,同时建立了高能激光在线测试系统中激光能量测量的数学模型,并分析了不确定来源[10]。在现场校准的3种方法中,推荐采用交叉比对法,可有效消除光学元件分光比的影响,同时具有较高的测量准确度,测量结果的不确定度最小[11]。

在上述全吸收激光能量计的研究中,主要围绕提高全吸收能量计的测量不确定度而展开工作。但全吸收型激光能量计存在固有缺陷即量值上限的问题,无法扩展其量程范围。随着高能激光系统的不断发展,激光器的输出功率能量不断提高,需要不断研制与之量程相匹配的全吸收激光能量计。本论文主要讨论一种采用无畸变取样的方式来实现高能激光能量计现场校准的方法以及同时可以测量激光器输出能量,该套装置最大的优势在于扩展了输出激光能量的测量范围。

1 校准装置的原理分析

校准系统的组成如图1所示,在入射光路上依次排列第1光学镜片(反射率为R1)、第2光学镜片(反射率为R2)、第3光学镜片(反射率为R3)。第1、第2光学镜片为正交放置,以消除被测激光的偏振特性对取样测量的影响;第3光学镜片的放置方向与第1光学镜片相同。其中,光路中第1、2、3镜片的法线与入射激光束方向成45°放置。激光器出射的激光束(能量P)经过第1光学镜片,第1探测器接收反射部分的能量为P1,透射的光束(能量P2)入射到第2光学镜片,第2探测器接收到第2光学镜片反射的激光能量P3,从第2光学镜片透射的光束(能量P4)入射到第3光学镜片,第3探测器接收到第3光学镜片反射的激光能量为P5,透过第3反射镜的能量为P6。根据光路图,可以得到如下的方程组。

图1 校准系统组成原理框图

同时在校准原理中要求第1和第3光学反射片的光谱特性一致,也即光学反射率相同。

通过求解式(1)和式(2),可以得到如下结果:

入射激光总功率P为

出射激光功率P6为

第1和第3光学元件反射率计算表达式为

第2光学反射片的反射率为

采用图1所示的校准装置进行现场校准的过程为:沿入射光路入射到校准装置的激光能量为P,依次通过3片高透过率(在入射激光波长处的透过率>99%)的光学镜片后分别将入射的高能量激光反射为弱光信号,使得入射在第1、第2和第3探测器上的激光能量值P1、P3、P5大大减小。根据公式(3)~式(6),在标准探测器的测量值P1、P3、P5准确测量的基础上,可以同时得到激光器的输出能量P,以及实现对现场测量设备P6进行校准。同时,还可以获得3片光学元件的光谱特性参数即光学元件的反射率参数R1、R2和R3。其中P1、P3和P5的量值准确性通过对标准探测器1、标准探测器2和标准探测器3进行量值溯源来保障。

2 校准装置的组建

依据上述图1的设计原理和思路,设计加工了一套基于无畸变取样原理的高能激光能量测量系统。该套校准装置主要由:光学元件及光路系统、标准探测器系统以及机械支撑结构3部分组成。

光学元件和光路系统部分主要由3片方形镜、6片圆形镜组成。其中,所有光学元件的材质选择为康宁0A级7980型石英玻璃。3片方形镜均在沿着入射光路方向的后表面单面镀增透膜,在入射激光波长处的透过率为99.7%,在光路中主要利用高透光学镜片反射的弱光以降低对探测器量程范围的要求。考虑到在方形镜片中前表面的入射角度为45°,经过玻璃折射后入射在后表面的入射角已经不再是45°,根据折射定律计算其入射角度为28.5°(假设石英玻璃的折射率为1.5),因此在后表面镀增透膜时的角度也应该针对28.5°的入射角。圆形镜片的材质同样为康宁石英玻璃,双面镀增透膜,使用角度为0°,在入射激光波长处的透过率为99.7%。圆形镜片作为窗口玻璃,主要起到滤掉杂散光的作用,避免杂散光对测量结果的影响。考虑到所有光学元件都要在强光系统下进行激光辐照实验,因此所有光学元件镀膜后应具备较高的抗激光损伤阈值。考虑到石英玻璃对入射激光的吸收,光学元件的厚度应尽可能小。

在校准装置的设计中,入射激光束是以45°角度入射在3片光学元件上,此时偏振效应最为明显。根据光波场的电磁理论,通过分析入射激光束经过光学元件后的偏振态变化,可以得到第1和第2光学镜片应正交放置,第3片光学元件与第1片光学元件放置方向相同,采取这种放置方式能最大程度上减小偏振效应对测量结果的影响。

探测器系统主要由3个量程范围较小量热型标准探测器组成。标准探测器主要由铝基板上喷镀黑色类金刚石涂层,外面采用聚四氟乙烯隔热装置。由于3个标准探测器测量的是入射激光反射的弱光信号,因此要求探测器响应稳定性好,测量重复性高,以消除式(3)和式(4)中分母(P1-P5)不稳定带来的测量误差。考虑到标准探测器非线性对测量结果的影响,在标准探测器的设计中既要保证线性温度传感器的信号强度,又要减小非线性特性的影响;同时热传导体材料的热导率随温度的变化因素也需要考虑。

3 校准装置的不确定度评定

对于出射激光总能量P6,其测量不确定度分析如下:

测量的数学模型为

各输出量P1、P3、P5的灵敏度系数分别为

其二阶混合偏导为

根据图1的测试原理可以知道:P1、P3、P5存在一定的正相关性,当一个分量变化时,另外一个也随之改变。那么合成标准不确定度为

换算成相对合成不确定度为

根据图1的校准原理可知,由于3片光学元件均镀高透过率的增透膜,因此P1、P3、P5量值数量级基本一致,同时相关系数r13(P1,P3),r15(P1,P5),r35(P1,P5)认为等于1,那么式(15)还可以进一步简化为

出射激光总能量P6的扩展不确定度:

标准探测器P3的不确定度来源为:

影响3个标准探测器P1、P3、P5的不确定度来源主要有:光学元件的反射比变化、标准探测器的非均匀性、探测器的电校准误差、测量重复性。

a)光学元件的反射比变化引入的不确定度分度u1;

b)标准探测器非均匀性引入的不确定度分量u2;

c)标准探测器的电校准误差所引入的不确定度分量u3;

d)由多次测量重复性引入的相对不确定度分量u4。

由于上述4个不确定度来源互不相关,那么探测器的合成标准不确定分量为

因此出射激光总能量P6的扩展不确定度为

4 结束语

本文提出了一种基于无畸变取样的原理实现高能激光能量测量系统的校准方案。该套校准装置主要由3片透射式光学元件及3个标准探测器组成。利用透射式光学元件反射的弱光以降低校准系统对3个标准探测器的量程要求。同时给出了利用该套校准装置实现高能激光系统出光能量测量以及实现对现场其他能量测量设备的校准过程。从理论上对整套校准装置的不确定来源和大小进行了分析,该理论分析为下一步校准装置的组建提供了一定的技术依据。

[1]王明东,窦志国.高能激光在武器装备中的应用[J].装备指挥技术学院学报,2004,15(2):108-112.

[2]杜祥琬.影响高能激光系统核心特征量的要求[J].强激光与粒子束,2010,22(5):945-947.

[3]苏毅,万敏.高能激光系统[M].北京:国防工业出版社,2004:1-9.

[4]刘国荣,吴洪才.高能激光能量计校准方法研究[J].光子学报,2007,36(6):982-985.

[5]于洵,王慧,聂亮,等.高能激光计后向散射能量损失补偿方法研究[J].光子学报,2009,38(5):1052-1057.

[6]赵法林,徐军,许毅玢,等.高能激光能量计吸收腔的温度特性[J].红外与激光工程,2009,38(5):825-829.

[7]杨冶平,黎高平,杨斌,等.现场激光能量计量技术的研究[J].应用光学,2007,28(4):508-512.

[8]杨冶平,黎高平,杨斌,等.现场用激光能量计校准方法的实验研究[J].应用光学,2008,29(1):141-143.

[9]王雷,杨照金,黎高平,等.锥形腔高能量激光能量计后向散射问题研究[J].宇航计测技术,2005,25(3):59-64.

[10]魏继锋,张凯,钱绍圣.高能激光能量在线测试中的不确定度分析[J].强激光与粒子束,2007,19(7):1102-1107.

[11]魏继峰,关有光,周山,等.高能激光能量测量装置的现场标定方法[J].中国激光,2009,36(9):2399-2403.

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

王艳茹(1983-),女,陕西渭南市人,高级工程师,博士,主要从事光学计量与检测方面的工作。

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