基于光压原理的大功率激光功率测量

于东钰，俞 兵，吕春莉，董再天，杨 科，宫经珠，段园园，陈 超，张魁甲，黎高平，郑 波

（1.西安应用光学研究所，陕西 西安 710065；2.西安航天动力技术研究所，陕西 西安 710025）

引言

光纤激光器由于具有聚焦能力强、输出功率大、体积小、重量轻、寿命长、成本低等优势，在激光切割加工等方面有着广泛的应用。目前，大功率光纤激光器技术已取得重大突破，单模掺镱光纤激光器单元最大输出功率已达到万瓦量级。我国大功率激光测量方法主要分为积分球法和量热法[1-2]两种。积分球法：随着激光功率的增大，积分球体积急剧增大且溯源复杂，不宜操作；量热法研制的激光功率能量计体积大、重量重，分项溯源，不确定度评定复杂。所以大功率激光器的研制、生产、装备单位，对操作简单使用方便的激光功率测量设备具有迫切需求。光压法是用于测量大功率激光测量的理想方法，具有精度高、重量轻、响应时间快等优点。而且直接溯源到力学标准，拓展了激光功率的溯源途径，极大地提高了高能激光功率的测量不确定度，测量精度有望从量热法的3%改善到2%以内[1-7]。

1 测量原理

光是由光子组成的，光子不仅具有能量，而且具有动量。设光速为c，频率为ν，波长为 λ，则光子的能量E和动量分别为

当光子与物质发生相互作用被物体吸收或反射时，光子把它的动量传给物体，因此它将对物体施加力的作用，这就表现为光压。光压F与动量P的关系为

如果光以θ入射角入射到反射镜上，则垂直作用于反射镜上的力为

所以，光功率可以写为

式中：F为垂直于镜面上的力；P为光功率；c为光速；θ为入射角；r=R+(1-R)α/2，R为镜面反射率，α为镜面吸收率[5-8]。

2 测量装置组成

按照光压与功率的关系，测量光对物体表面的力就可以测出入射光功率。如果镜子为理想反射体即反射率为1，则功率与力的转换系数为2/c=6.67×10-9N/W，1 000 W 激光正入射到物体表面，对应的光压力为6.67×10-6N。1/105精度天平理论压力分辨率为0.1×10-6N，可以实现1 000 W 激光功率测量。所以基于1/105精度天平，搭建了1 000 W激光功率测量装置。装置包括用于入射激光角度调节的反射镜1，用于天平测量的反射镜2，用于功率比较的量热激光功率计[9-13]，如图1 所示。

图 1 测量装置组成示意图Fig.1 Schematic diagram of measuring device composition

工作原理为：大功率激光器经过反射镜1 调整光束角度，使光束以45°角入射到天平上的测量反射镜，测量反射镜再将光束以45°角反射出去，进入到量热法激光功率。量热法功率计和光压法功率计的测量结果可以相互验证。激光器使用海富光子1 000 W/1 080 nm 波长激光器，天平使用沈阳龙腾公司1/105精度天平，实际分度值为0.01 mg，应用在本系统中，理论可分辨激光功率为20 W。量热法功率计为国防科技工业光学一级计量站研制，功率测量精度为3%。

3 实验结果与分析

3.1 反射率测量实验

反射镜直接承接大功率激光时，面损伤概率最大。为了防止损伤，反射镜需要具备较高的反射率，将加工的反射镜利用光学一级计量站研制的高反射率测量装置进行反射率测量，该装置测量重复性可以达到0.01%。反射率的测量光路如图2所示，先由1 064 nm 激光器发射激光，激光功率为0.5 mW 左右。经稳功率仪后，可得到稳定的偏振光，经1/2 波片后变为线偏光。激光经分束镜后分为2 束激光，其中一束激光的功率直接被监视探测器记录，另一束激光经待测反射镜反射后被测量探测器记录，测量探测器安装于圆形导轨上，可以运动到圆弧上的任意位置。放入待测反射镜前，需要测量主光路中的激光功率。放入待测反射镜后，需要测量被反射镜反射的主光路功率，并计算2 次激光功率的比值，可获得待测反射镜在该波长下的反射率。稳功率仪可以将激光功率稳定在0.1%以内，不满足高精度反射比的测量要求。所以引入了分束镜，利用分束镜及监测探测器来监视激光功率的变化，并通过同步采样的方式得到测量探测器与监视探测器的比值，从而消除激光功率变化对反射比测量的影响，结果如表1 所示。

图 2 反射率测量原理图Fig.2 Schematic diagram of reflectance measurement

表 1 反射率测量值Table 1 Measurement results of reflectance

3.2 损伤实验

由于反射镜的反射率并不是100%，所以必然有光线会通过反射膜进入反射镜内部。部分光功率被基底吸收，产生热效应，从而造成反射镜损伤破裂。由于反射镜具有较高的反射率，所以要造成损伤则需要较大的激光功率[14-15]。考虑到安全性及实验条件，将损伤实验分为两部分：第一部分为基底损伤实验，利用未镀膜GaAs 基底进行损伤实验，测出基底的损伤阈值，可以通过透过率计算出不考虑膜层损伤时高反射率镜的损伤阈值；第二部分为膜层损伤实验，利用现有激光器将激光光斑缩束，从而观察膜层损伤情况。以膜层和基底损伤所需的最小激光功率为准，确保整个反射镜可以安全地进行未来的实验。

如图3 所示，基底损伤实验利用光斑大小约为5 mm 的1.064 μm 激光照射镜GaAs 为基底，当激光功率达到32 W 的时候基底碎裂。因为激光光斑空间近似为高斯分布，所以GaAs 基底可以承受的激光功率密度约为326.11 W/cm2。按照反射率为99.98%计算，即便入射光斑大小为5 mm，反射镜仍可以承受约1.6 MW 的激光入射，所以GaAs材料作为高反射镜基底可以满足使用需求。

图 3 基底损伤实验实物图Fig.3 Physical photo of substrate damage experiment

膜层损伤实验利用激光功率为1.5 万W 的激光器，激光器波长为1 080 nm，光斑大小为50 mm，利用缩束系统将光斑大小缩小到9 mm 左右，如图4（a）所示。对2 个反射镜同时进行照射，实际光路如图4（b）所示。进行长达20 s 的照射后，2 个反射镜的膜层无损伤，考虑激光光斑为高斯光束，反射镜可以承受的光功率密度为94 361 W/cm2，所以研制的反射镜可以满足目前大部分激光器的功率测试需求。

图 4 膜层损伤实验实物图Fig.4 Physical photo of membrane damage experiment

3.3 功率测量实验

由于光压属于微小力测量，因此震动、空气对流等环境变化对测量结果的影响都很大。按照前期对沈阳龙腾天平的使用经验，人员走动、呼气等均会对测量结果造成影响。所以精确测量光压需要严格地控制环境，如果有条件可以在真空环境中进行实验，实验时应保证光学平台没有较大的晃动。

目前，由于实验条件限制，没有对空气对流等环境影响作良好的隔离。为了防止大功率激光对空气造成较强的热效应从而导致实验失败，所以只做了1 000 W 及500 W 的激光功率测量实验，实验现场如图5 所示。激光水平入射，利用第1 个高反射镜调整激光入射角度，使激光以近乎45°角入射到天平反射镜上，出射光被热电功率计吸收测量。

图 5 实验现场图Fig.5 Experimental site

实验时，天平的玻璃舱盖均为关闭状态，这样可以消除部分外界空气对流的影响。但是由于天平玻璃是普通玻璃、对激光吸收较强，长时间的照射极有可能造成玻璃破裂等安全事故，同时玻璃升温后也会导致玻璃舱内部空气产生热对流，所以实验时照射时间控制在10 s 左右，照射完成后待玻璃温度下降到室温后进行下一次测量。

利用500 W 激光进行10 s 左右的照射后停止，连续进行6 次，实验结果如图6 所示。

图 6 500 W 激光功率测量结果图Fig.6 Measurement results diagram of 500 W laser power

利用1 000 W 激光进行10 s 左右的照射后停止，连续进行6 次，实验结果如图7 所示。

图 7 1 000 W 激光功率测量结果图Fig.7 Measurement results diagram of 1 000 W laser power

地球的重力加速度g=9.8 N/kg，天平重量与力对应的关系为F=m×g，光速常数c=3×108m/s，由于反射率较高r≈1，取每次光入射前与入射后的差值，按照（5）式计算光功率，得到结果如表2 所示。

表 2 激光功率测量值Table 2 Measurement results of laser power

4 结论

本文通过搭建光压法实验平台，得到了光压测光功率的测量结果。测量结果表明，千瓦级别的激光功率可以通过1/105精度天平进行测量。但是实验选用的国产天平进行千瓦级别的激光功率相对测量标准差为9.0%，与国外报道水平还有一定差距。

激光功率相对测量标准差较大主要有3 个原因：一是测量环境较差，由于大功率激光会对空气、反射镜等有一定的热效应导致产生微弱的空气扰动，进而影响测量结果；二是天平重复性较差，1/105天平是国内目前最高精度天平，其重复性、抗环境干扰能力，与国外天平相比还有一定差距；三是测量激光功率较小，激光功率小、光压值接近天平的测量精度极限，从而导致测量精度偏低。

下一步我们将改进实验装置，对空气对流等环境影响进行屏蔽，对更大功率的激光进行测量，期望取得更好的实验结果。但相比于量热法，光压法在大功率激光测量中还是具有优势。光压法将光学功率直接溯源到力学量，简化了溯源途径，提高了测量不确定度，这将会极大地提高大功率激光功率测量水平，并在大功率激光测量领域产生较大的进步。