1、不同量级下激光功率测量方法探讨与研究 田健 邓念平 吴传昕 张俊 湖北航天技术研究院计量测试技术研究所 摘 要： 对于常规量限的激光功率, 不同量级的激光功率具有不同的测量方法和测量仪器, 且各具有不同的优缺点和应用领域。但对于激光功率达到数十万瓦的高能激光器, 激光计量测试技术却已滞后于激光器技术的发展。本文重点针对高能激光功率的测量问题, 提出了一种基于积分球原理的测量方法, 介绍了积分球测量原理和积分球测量法工作原理, 并对该方法的测量不确定度来源进行了定性分析。关键词： 激光功率; 高能激光; 测量; 不确定度; 作者简介：田健, 男, 硕士, 工程师。工作单位:湖北航天技术研究院计量
2、测试技术研究所。作者简介：邓念平, 湖北航天技术研究院计量测试技术研究所 (孝感 432000) 。作者简介：吴传昕, 湖北航天技术研究院计量测试技术研究所 (孝感 432000) 。作者简介：张俊, 湖北航天技术研究院计量测试技术研究所 (孝感 432000) 。收稿日期：2017-07-10Study on Laster Power Measurement Method Under Different Orders of Magnitude and ResearchTian Jian Deng Nianping Wu Chuanxin Zhang Jun Received： 2017-07
3、-101 引言自 1960 年世界上第一台激光器诞生至今, 激光技术不断发展进步同时向各个领域日益扩展, 与此相应的激光参数计量测试技术也是日益得到重视和长足发展。关于中小功率的激光, 国内外激光计量测试技术已经相当成熟, 国内相关研究院所已建立了相应的计量标准, 对于大功率激光器也已研制了相应的测量设备。但对于激光功率达到数十万瓦的高能激光器, 激光计量测试技术却已滞后于激光器技术的发展。近些年来, 高能光纤激光器的异军突起, 特别是其在军工领域的应用, 不仅在整个激光器行业领域产生了很大的影响, 同时对激光计量测试水平提出了更高的要求和挑战。本文介绍了常规功率量限的激光功率测量方法, 重点
4、针对高能激光功率的测量方法, 提出了一种基于积分球原理的测量方法, 并对该方法的测量不确定度来源进行了定性分析。2 常规功率量限激光测量为解决不同功率量级的激光功率测量而提出了各种测量方法, 按照工作方式的不同, 可将现有的激光功率测量方法分成光电型、热释电型、光辐射计型、体吸收型和流水式等。2.1 光电型光电型激光功率计利用光电探测器进行探测, 因此其工作原理与一般的光电探测器工作原理相同, 均基于光电探测材料的光电效应, 也就是光子产生过剩电子和空穴, 从而形成电流。激光照射探测器, 探测器产生与入射光强度成正比的电流输出。2.2 热释电型热释电型激光功率能量计利用材料热释电效应进行探测。
5、探测器的热敏单元通常为热电晶体, 晶体的两个表面镀金属膜, 吸收所有入射激光能量, 相应输出与入射光束形状或位置无关, 热释电效应产生的所有电荷都被收集起来, 通过相应电路输出。2.3 光辐射计型光辐射计型激光功率计利用辐射度学中绝对辐射计技术实现激光功率测量。绝对辐射计是测量光源辐射度的仪器, 在激光功率探测中, 通常为光热型绝对辐射计, 利用辐射加热和电加热的等效性来测量辐射功率。2.4 体吸收型激光入射金属材料表面后, 被很薄的一层区域吸收。体吸收型激光能量计利用体吸收材料吸收激光能量, 将激光能量分散在吸收体内, 避免造成损伤, 因此, 可承受较高的激光辐射功率。2.5 流水式流水式测
6、量法适合于特大激光功率能量的测量, 其测量原理是激光能量被激光功率计吸收腔吸收后转换成热, 为避免吸收腔温度过高而造成热损伤, 利用绕制在吸收腔外壁的循环水冷却装置将热能带走, 通过测量流入与流出端水温的变化量得到入射激光功率能量值。2.6 各测量方法的优缺点分析各种常规功率量限激光测量方法的优缺点和应用领域的分析详情见表 1 所示。表 1 各测量方法的优缺点分析 下载原表 3 高能激光测量方法研究高能量激光的显著特点是输出功率极强, 足以造成材料的熔化损伤以及气化损伤, 在设计高功率激光测试装置时, 必须确保吸收表面可以承受激光辐射而不受到损伤, 同时保证吸收体必须几乎吸收所有入射的激光。下
7、面介绍一种基于积分球测量原理的方法, 通过积分球内部结构设计以及吸收体的选择很好的解决了上面的两个难题。3.1 积分球测量原理积分球测量法原理如图 1 所示, 利用积分球作为激光的衰减器, 经积分球的多次反射使激光均匀地分布在积分球内表面, 通过均匀分布在积分球外表面的温度传感器测量吸收体的温升, 进而推算出激光入射的总能量。通过在积分球内表面正对激光入射窗口的位置制作一个全反射凸面镜, 可以将入射集中的激光能量分散至其它地方, 保护吸收体不受激光辐射破坏。图 1 积分球测量原理图 下载原图3.2 积分球测量法工作原理激光进入积分球内, 在激光束照射到积分球内表面之前, 先用凸面反射镜将入射强
8、激光分散反射进而衰减, 使激光束照到球壳时的功率密度有效降低。通过均匀安装在球壳表面的温度传感器测量该区域的温升, 进而推算出入射激光的总能量。再通过安装在积分球入射窗口处的光感应器, 配合计时器计算激光入射时间, 由激光入射总能量除以入射时间即可得到激光入射平均功率。最后通过指示器将测量结果显示出来。将吸收体 n 等分, 在这 n 个小吸收体上分别安装温度传感器, 以其中任一小吸收体 1 为例, 计算其吸收的激光能量。式中:Q 1吸收体 1 吸收的激光能量, 单位为 J;M吸收体质量, 单位为 kg;CP吸收体材料的比热, 单位为 J/kg.C;T 1吸收体 1 的温升, 单位为。则进入积分
9、球吸收腔的激光总能量为:式中:Q进入吸收腔激光能量, 单位为 J; () 吸收腔吸收系数。记录激光入射时间, 即可得到激光入射平均功率:式中:P激光入射平均功率, 单位为 W;t激光入射时间。3.3 不确定度来源定性分析由式 (3) 可知, 影响激光功率测量不确定度的因素有:吸收体质量、吸收体材料的比热、吸收系数、测温准确度、计时准确度和其他因素。(1) 吸收体质量:吸收体质量由计量单位测量后给出, 现有质量测量准确度很高, 此项因素影响非常小。(2) 吸收体材料的比热:采用标准文献资料给出的比热测量结果或比热值, 可计算出测量相对不确定度。(3) 吸收系数:对球内部进行发黑处理, 形成吸收面
10、, 几乎可以全部吸收所有入射的激光。因此, 此项因素影响非常小。(4) 测温准确度:温度传感器测量不准确引入的不确定度;积分球吸收腔由内至外形成的温度差引入的不确定度。(5) 计时准确度:现有计时器精度达到 ms 以上, 相对于 5s 至 10s 的测量时间, 计时引入的测量不确定度非常小。(6) 其他因素:以上介绍的几种不确定度源可以通过计量单位精确计量后, 直接进行分析和计算。而造成高能激光能量测量偏差的重要因素为吸收腔的热损失和后向散射能量损失, 热损失是由于吸收腔温度高于环境温度引起的, 主要包括热辐射、热传导和热对流三种热量交换造成的热损失;后向散射能量损失是指入射进入吸收腔的激光经
11、过单次或多次反射后从吸收腔开口处射出, 从而造成入射能量损失。4 总结本文介绍了常规功率量限的激光功率测量方法, 并对各种测量方法的优缺点和应用领域进行了分析。重点针对高能激光功率的测量方法, 提出了一种基于积分球原理的测量方法, 介绍了积分球测量原理和积分球测量法工作原理, 并对该方法的测量不确定度来源进行了定性分析, 其中, 吸收腔的热损失和后向散射能量损失是造成高能激光能量测量偏差的重要因素。参考文献1谢永杰, 段刘华, 戢运峰, 等.高能激光量热式能量探头的研制J.红外与激光工程, 2006, 35 (Z) :8084. 2魏继锋, 张凯, 何均章, 等.流水式量热计温度测量技术研究J
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