CN102393247B - 激光微能量标准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光微能量标准装置，属于光学计量领域，用于激光微能量计的标定。该标准装置包括标准激光光源、脉冲发生器组件、测量组件和计算机系统。脉冲发生器组件含有两个转速不同、通光孔径不同的斩波器，从而使标准激光光源输出的连续激光被斩波成低重复频率、低占空比的脉冲激光；测量组件用两个不同的探测器分别测量脉冲激光的激光功率和脉冲宽度，计算机系统通过其内置软件采集测量组件和带标定微能量计的测量信号，并采用相应的计算公式获得标定参量。本发明实现了激光微能量的量值复现和量值传递，可保证对1μJ～0.1pJ的激光能量进行精确复现。

Description

激光微能量标准装置

技术领域

本发明属于光学计量领域，主要涉及一种激光能量标准装置，尤其涉及一种可对激光微能量计进行标定的激光微能量标准装置。

背景技术

激光微能量是评价激光接收系统及激光微能量检测标准器具的重要参数，采用激光微能量计进行测量。为了量值的准确和统一，需要激光微能量标准装置对激光微能量计进行标定。传统的激光微能量测量装置采用的测量方法主要有楔形分束镜法、声光晶体调制法、高重复频率脉冲激光法和标准衰减器衰减法。

楔形分束镜法溯源于激光能量量值，采用在楔形分束镜的两个表面多次反(透)射所产生的不同级次的反(透)射光，根据菲涅耳定律和楔形分束镜的材料折射率计算获得各个级次反(透)射光的分束比。其具体测量方法是，首先发射一束激光脉冲，用标准激光能量计测量0级透射光或-1级反射光的激光能量，同时用待标定激光微能量计测量其他级次的激光能量，用分束比计算获得其他级次反(透)射光的标准激光能量值，比对实现对待标定激光微能量计的标定。这种方法对激光偏振度、楔形分束镜的角度、楔形分束镜的材料折射率及其折射率温度系数、激光的入射角、标准激光能量诸参数的测量不确定度要求很高，量值传递环节多，实际测量结果与理论计算偏差较大。

声光晶体调制法溯源于激光功率量值，采用声光晶体将连续激光调制成高重复频率脉冲激光，通过对调制激光脉冲的频率、等效功率测量，换算出每一个激光脉冲的能量值，这种标定方法不适用于对测量工作模式为低重复频率、低占空比的激光微能量计进行标定，且其测量不确定度较大。

高重复频率脉冲激光法溯源于激光功率量值，采用高重复频率、低占空比的脉冲激光，通过平均功率、脉冲重复频率测量，获得每一个激光脉冲的平均能量。这种平均能量与激光微能量计测量输出的单个激光能量没有直接比对关系，且每一个激光脉冲能量的稳定性较差，测量不确定度较大，不适用于对低重复频率、低占空比的激光微能量计进行标定。

标准衰减器衰减法是溯源于激光能量量值，已知能量的脉冲激光穿过已知衰减倍数的标准衰减器，复现激光微能量量值，用激光微能量计测量，比对实现对激光微能量计的标定。这种方法在实际测量时存在激光信号与电磁噪声、杂散光噪声难以分离的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有激光微能量测量装置的不足，提供一种能够进行激光能量量值复现，且对测量工作模式为低重复频率、低占空比的激光微能量计进行标定的激光微能量标准装置。

为解决上述技术问题，本发明提供的激光微能量标准装置包括标准激光光源、脉冲发生器组件、测量组件、内置有激光微能量标定软件包的计算机系统，其特征在于：所述脉冲发生器组件含有聚焦透镜、第一斩波器、第二斩波器、准直透镜，在第一斩波器中，黑色的第一圆片带有偏心的第一通光孔且第一直流电机固连在第一圆片的中心，在第二斩波器中，黑色的第二圆片带有偏心的第二通光孔且第二直流电机固连在第二圆片的中心，所述第一通光孔的孔径大于所述第二通光孔的孔径，第二圆片位于聚焦透镜的像方焦面上，第一圆片位于聚焦透镜和第二圆片之间且紧邻第二圆片，准直透镜的物方焦点与聚焦透镜的像方焦点重合，当第一、第二圆片静止且所述第一、第二通光孔偏离聚焦透镜的光轴时，准直透镜的输出为测量背景光，当第一、第二圆片静止且所述第一、第二通光孔位于聚焦透镜的光轴时，所述标准激光光源输出的连续激光经过第一、第二通光孔后由准直透镜进行准直输出，当第一、第二圆片转动时，所述标准激光光源输出的连续激光被第一、第二圆片斩波成低重复频率、低占空比的脉冲激光后由准直透镜进行准直输出；

所述测量组件包括平移台，含有陷阱探测器、直流放大器和数字电压表的激光功率测量部件，含有快速光电探测器和数字示波器的脉冲宽度测量部件，陷阱探测器通过对应的多维可调支架放置在平移台的位置点I，快速光电探测器通过对应的多维可调支架放置在平移台的位置点II，待标定激光能量计通过对应的多维可调支架放置在平移台的位置点III，当平移台的位置点I位于测量光路中，陷阱探测器探测所述脉冲发生器组件输出的测量背景光和连续激光的功率，光信号经光电转换后先经直流放大器放大再由数字电压表转换成测量电压V_j和背景电压V_0j，j＝1，2……，N且N≥60；当平移台的位置点II位于测量光路中，快速光电探测器探测所述脉冲发生器组件输出的脉冲激光并将其转换成电脉冲信号后送入数字示波器，数字示波器计算该脉冲信号中的脉冲宽度τ_b，b＝1，2……，M且M≥6，当平移台的位置点III位于测量光路中，待标定激光能量计接收所述脉冲发生器组件输出的脉冲激光并计算激光脉冲的微能量值E_h，h＝1，2……，Q且Q≥6；

所述激光微能量标定软件包含有驱动控制模块、数据采集模块、存储与显示模块、激光能量计算模块和修正系数标定模块：驱动控制模块通过相应的驱动控制电路控制第一、第二直流电机的运转和停运，控制第一、第二通光孔的位置，控制平移台的移动，以使位置点I、位置点II、位置点III分别位于测量光路中；数据采集模块采集数字电压表输出的测量电压V_j和背景电压V_0j，采集数字示波器输出的脉冲宽度τ_b，采集待标定激光能量计输出的激光脉冲微能量值E_h；激光能量计算模块根据数据采集模块获得的采样值和相应的算法公式，计算n次测量后的标准激光能量Es及其相应的扩展不确定度U₁，n≥6；修正系数标定模块根据采集模块获得的采样值和相应的算法公式计算n次测量后待标定激光微能量计的修正系数C及其相应的扩展不确定度U₂；存储与显示模块存储测量过程中采集模块采集的电压测量值、背景电压值、脉冲宽度值和激光微能量值，并将激光能量计算模块和修正系数标定模块获得的计算结果分别送入计算机系统的存储器和显示器进行存储和显示。

本发明的有益效果体现在以下几个方面。

(一)本发明激光微能量标准装置中采用了标准激光光源和含有两个斩波器的脉冲发生器组件，两个斩波器采用了不同的转速和不同直径的通光孔，从而使标准激光光源输出的连续激光被斩波成低重复频率、低占空比的脉冲激光，且该脉冲激光具有波形稳定，脉冲功率和脉冲宽度稳定性高的特点，此外，这种机械斩波方案，与电路调制脉冲方法相比，避免了高带宽信号引入的高频噪声，优化了激光微能量的复现环境，实现了小于1pJ激光脉冲微能量量值的直接准确复现，从而降低了测量的不确定度。

(二)本发明采用了含有陷阱探测器、快速光电探测器和数字示波器的测量组件，陷阱探测器完成背景光功率和测量光功率的测量，而快速光电探测器对脉冲激光进行测量并通过数字示波器获得脉冲光宽度，这三个测量值相互独立，实现了激光微能量量值的准确复现和传递。

(三)本发明中的脉冲发生器组件与激光波长、功率不相关，且通过调整两个斩波器的转速和通光孔，可以实现对复现脉冲激光脉冲宽度的调整，进而实现对复现激光脉冲的能量调整，从而扩大了本发明的测量范围。

(四)本发明采用陷阱探测器测量激光功率，由于陷阱探测器可直接溯源到国际最高辐射标准低温辐射计，减少了量值溯源链中的过渡环节，进而减少了测量不确定度分量，提高了激光微能量标定的准确性。

附图说明

图1是本发明激光微能量标准装置的组成示意图。

图2是脉冲发生器组件所产生的脉冲波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

根据图1所示，本发明优选实施例中的激光微能量标准装置包括标准激光光源1、脉冲发生器组件2、测量组件3、驱动电路4、装有激光微能量标定软件包的计算机系统5，标准激光光源1、脉冲发生器组件2、测量组件3放置在接地光学平台上。标准激光光源1选用波长1.06μm连续激光器，或者波长为0.532μm、0.905μm、10.6μm等其他波长的连续激光器。

脉冲发生器组件2含有聚焦透镜2-1、第一斩波器2-2、第二斩波器2-3、准直透镜2-4、保护罩2-5、直流电机驱动和控制电路。聚焦透镜2-1的焦距为150mm，针对可见光波段的激光光源，聚焦透镜2-1选用石英材料，针对中长波红外激光光源，选用锗或硒化锌材料。第一斩波器2-2含有第一圆片和第一直流电机，第一圆片通常选用外径为100mm的硬铝板制作，且表面闷光发黑处理，且带有一个孔径为0.5mm的第一通光孔，第一通光孔中心位于第一圆片的直径为90mm的圆周上，第一圆片中心与第一直流电机转轴固连，没有穿过第一通光孔的激光能量被第一圆片吸收且随着第一圆片的转动以散热形式离开激光光路。第二斩波器2-3含有第二圆片和第二直流电机，第二圆片选用外径为160mm的硬铝板或铜板料闷光发黑料制作且带有一个孔径为0.2mm的第二通光孔，且表面闷光发黑处理，第二通光孔中心位于第二圆片直径为150mm的圆周上，第二圆片中心与第二直流电机转轴固连，没有穿过第二通光孔的激光能量被第二圆片吸收且随着第二圆片的转动以散热形式离开激光光路。第一圆片、第二圆片垂直于激光光轴，且第一圆片、第二圆片的中心分别位于激光光轴的两边，有利于第一、第二圆片的散热。第一通光孔中心位于聚焦透镜2-1的像方焦平面附近，第二通光孔中心位于聚焦透镜2-1的像方焦点处，第一、第二通光孔的直径略大于所在位置的激光光斑。第二斩波器2-3的转速是第一斩波器2-2转速的整数倍，以使第一斩波器2-2所形成的脉冲宽度小于第二斩波器2-3所形成脉冲的脉冲间隔；第一、第二直流电机通过直流电机驱动和控制电路对第一、第二直流电机进行驱动和控制，驱动电压值分别可调，即第一斩波器2-2、第二斩波器2-3的转速分别在10转/秒到2000转/秒之间可调。本实施例中，第一、第二斩波器2-2、2-3优选Maxon直流电动机，第二斩波器2-3的转速优选86转/秒，第一斩波器2-2的转速优选1转/秒。准直透镜2-4选用焦距为150mm石英材料的凸透镜，对中长波红外激光选用锗或硒化锌材料。准直透镜2-4与聚焦透镜2-1的光轴重合，且准直透镜2-4的物方焦点与聚焦透镜2-1的像方焦点重合，以将复现的激光光束准直为平行光。保护罩2-5选用厚度为2mm的铜质板材制成U型方壳且与光学平台固连，其侧壁在光路位置上带有直径为20mm通光孔，保护罩2-5开盖时可使第一、第二直流电机断电，从而实现对第一斩波器2-2、第二斩波器2-3的安全防护。当第一、第二圆片静止且所述第一、第二通光孔偏离聚焦透镜2-1的光轴时，准直透镜2-4的输出为测量背景光，当第一、第二圆片静止且第一、第二通光孔位于聚焦透镜2-1的光轴时，标准激光光源1输出的连续激光经过第一、第二通光孔后由准直透镜2-4进行准直输出，当第一、第二圆片转动时，标准激光光源1输出的连续激光被第一、第二圆片斩波成重复频率1Hz、脉冲宽度为25μs的低占空比1∶40000的脉冲激光(参见图2中的c波形)后由准直透镜2-4进行准直输出。

测量组件3含有激光功率测量部件、脉冲宽度测量部件、待标定激光能量计3-5、屏蔽罩3-1、平移台3-2、驱动电路4、若干多维调整架。激光功率测量部件含有陷阱探测器3-3、直流放大器、数字电压表，用于测量激光功率，陷阱探测器3-3优选滨松公司的S1337型号硅光电二极管制成的三片式陷阱型探测器，放大器选用英国NPL制作的VINCULUM E779直流放大器，数字电压表选用Keithley公司的2002型数字多用表。脉冲宽度测量部件含有快速光电探测器3-4、示波器，用于测量脉冲激光的时域波形、脉冲宽度τ，快速光电探测器3-4选用上升时间小于1ns的硅光电探测器，对中长波红外激光选用碲铬汞探测器，示波器选用Tek公司的SCD1000。屏蔽罩3-1为金属板材制成U型方壳且与光学平台固连，屏蔽罩3-1上设有走线孔且在光路位置上设有通光孔，其作用是对杂散光辐射和电磁辐射进行屏蔽。平移台3-2和若干多维调整架用于陷阱探测器3-3、快速光电探测器3-4、待标定激光能量计3-5的承载和光路对准调整，平移台3-2含有承载台和步进电机，驱动电源4用于对平移台3-2的步进电机驱动，平移台3-2上的位置点I、位置点II、位置点III。当平移台3-2的位置点I位于测量光路中，陷阱探测器3-3探测脉冲发生器组件2输出的测量背景光和连续激光，光信号经光电转换后先经直流放大器放大再由数字电压表转换成测量电压V_j和背景电压V_0j，j＝1，2……，N且N≥60；当平移台3-2的位置点II位于测量光路中，快速光电探测器3-4探测所述脉冲发生器组件2输出的脉冲激光并将其转换成电脉冲信号后送入数字示波器，数字示波器计算该脉冲信号中的脉冲宽度τ_b，b＝1，2……，M且M≥6，当平移台3-2的位置点III位于测量光路中，待标定激光能量计3-5接收所述脉冲发生器组件2输出的脉冲激光并计算激光脉冲的微能量值E_h，h＝1，2……，Q且Q≥6。

激光微能量标定软件包含有驱动控制模块、数据采集模块、存储与显示模块、激光能量计算模块和修正系数标定模块。

驱动控制模块通过直流电机驱动和控制电路控制第一、第二直流电机的运转和停运，通过驱动电路4控制平移台3-2的移动，以使位置点I、位置点II、位置点III分别位于测量光路中。

数据采集模块在第一斩波器2-2、第二斩波器2-3均静止，平移台3-2的位置点I位于测量光路时，分别在第一、第二通光孔均透激光和均不透激光的情况下采集数字电压表输出的测量电压V_j和背景电压V_0j，j＝1，2……，N；在第一斩波器2-2、第二斩波器2-3均转动，平移台3-2的位置点II位于测量光路时，采集数字示波器输出的脉冲宽度τ_b，b＝1，2……，M；在第一斩波器2-2、第二斩波器2-3均转动，平移台3-2的位置点III位于测量光路时，采集待标定激光能量计3-5输出的激光脉冲微能量值E_h，h＝1，2……，Q。

激光能量计算模块根据以下一组公式分别计算标准激光能量Es及其相应的扩展不确定度U₁：

${\mathrm{Es}}_i=\frac{(\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^N{V}_{\mathrm{ij}}-\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^N{V}_{0\mathrm{ij}})\×\left(\frac{1}{M}{\mathrm{\Σ}}_{b=1}^M{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ib}}\right)}{\mathrm{\α}{R}^{\′}}---\left(1\right)$

$E_s=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{E}_{s_i}}{n},i=\mathrm{1,2},\·\·\·\·\·\·,n---\left(2\right)$

$u_{E_s}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{(E_{s_i}-E_s)}^2}{n(n-1)}}---\left(3\right)$

$U_1=2\sqrt{u_{E_s}^2+u_V^2+u_{\mathrm{\τ}}^2+u_{R^{,}}^2+u_{\mathrm{\α}}^2}---\left(4\right)$

上式中，N为电压值采样次数，M为脉冲宽度采样次数，Q为激光微能量值采样次数，n为重复测量次数，V_ij为陷阱探测器3-3在第i次测量中的第j个测量电压值，V_0ij为陷阱探测器3-3在第i次测量中的第j个背景电压值，τ_ib为快速光电探测器3-4在第i次测量中的第b个脉冲宽度测量值，E_ih为待标定激光微能量计3-5的第i次测量中的第h个激光微能量测量值，α为直流放大器的放大倍数，R′为陷阱探测器3-3的响应灵敏度，U₁为标准激光能量Es的扩展不确定度，u_V为数字电压表溯源引入的测量不确定度，u_τ为数字示波器时间扫描溯源引入的测量不确定度，u_R’为陷阱探测器3-3的响应灵敏度溯源引入的测量不确定度，u_α为直流放大器的放大倍数溯源引入的测量不确定度。通常，N≥60，M≥6，Q≥6，n≥6，在本优选实施例中，取N＝100，M＝10，Q＝10，n＝6。

修正系数标定模块根据以下一组公式计算待标定激光微能量计3-5的修正系数C及其相应的扩展不确定度U₂：

$C_i=\frac{{\mathrm{Es}}_i}{\frac{1}{Q}{\mathrm{\Σ}}_{h=1}^Q{E}_{\mathrm{ih}}}---\left(5\right)$

$C=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{C}_i}{n}---\left(6\right)$

$u_C=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{(C_i-C)}^2}{n(n-1)}}---\left(7\right)$

$U_2=2\sqrt{u_C^2+u_V^2+u_{\mathrm{\τ}}^2+u_{R^{,}}^2+u_{\mathrm{\α}}^2}---\left(8\right)$

存储与显示模块的功能是：存储在测量过程中采集模块采集的电压测量值、背景电压值、脉冲宽度值和激光微能量值。将激光能量计算模块和修正系数标定模块获得的计算结果分别送入计算机系统的存储器和显示器中进行存储和显示。

采用本发明进行激光微能量计标定时，首先，标准激光光源1输出连续激光，然后分以下测试步骤完成标定：

(1)第一斩波器2-2、第二斩波器2-3静止且第一、第二通光孔处于激光光路中，计算机系统5控制平移台3-2的位置点I进入测量光路，陷阱探测器3-3探测脉冲发生器组件2输出的连续激光并被计算机系统5采集100次，之后，使第一、第二通光孔偏离激光光路，陷阱探测器3-3探测背景光并被计算机系统5采集100次；

(2)计算机系统5控制第一斩波器2-2、第二斩波器2-3均转动，然后控制平移台3-2的位置点II进入测量光路，快速光电探测器3-4探测脉冲发生器组件2输出的脉冲激光(参见图2c)并转换成脉冲电信号，该脉冲电信号经示波器测量获得其脉冲波形，再经数字示波器测量获得10个脉冲宽度值并被计算机系统5采集；

(3)计算机系统5控制第一斩波器2-2、第二斩波器2-3均转动，然后控制平移台3-2的位置点III进入测量光路，待标定激光微能量计3-5接收脉冲激光，测量10个激光脉冲微能量值并送入计算机系统5。

(4)重复(1)～(3)步骤6次后，计算机系统5通过内置的能量标定软件包计算出标准激光能量Es及其相应的扩展不确定度U₁，待标定激光微能量计3-5的修正系数C及其相应的扩展不确定度U₂。

Claims (2)

1.一种激光微能量装置，包括标准激光光源(1)、脉冲发生器组件(2)、测量组件(3)、内置有激光微能量标定软件包的计算机系统(5)，其特征在于：所述脉冲发生器组件(2)含有聚焦透镜(2-1)、第一斩波器(2-2)、第二斩波器(2-3)、准直透镜(2-4)，在第一斩波器(2-2)中，黑色的第一圆片带有偏心的第一通光孔且第一直流电机固连在第一圆片的中心，在第二斩波器(2-3)中，黑色的第二圆片带有偏心的第二通光孔且第二直流电机固连在第二圆片的中心，所述第一通光孔的孔径大于所述第二通光孔的孔径，第二圆片位于聚焦透镜(2-1)的像方焦面上，第一圆片位于聚焦透镜(2-1)和第二圆片之间且紧邻第二圆片，准直透镜(2-4)的物方焦点与聚焦透镜(2-1)的像方焦点重合，当第一、第二圆片静止且所述第一、第二通光孔偏离聚焦透镜(2-1)的光轴时，准直透镜(2-4)的输出为测量背景光，当第一、第二圆片静止且所述第一、第二通光孔位于聚焦透镜(2-1)的光轴时，所述标准激光光源(1)输出的连续激光经过第一、第二通光孔后由准直透镜(2-4)进行准直输出，当第一、第二圆片转动时，所述标准激光光源(1)输出的连续激光被第一、第二圆片斩波成低重复频率、低占空比的脉冲激光后由准直透镜(2-4)进行准直输出；

所述测量组件(3)包括平移台(3-2)，含有陷阱探测器(3-3)、直流放大器和数字电压表的激光功率测量部件，含有快速光电探测器(3-4)和数字示波器的脉冲宽度测量部件，陷阱探测器(3-3)通过对应的多维可调支架放置在平移台(3-2)的位置点I，快速光电探测器(3-4)通过对应的多维可调支架放置在平移台的位置点II，待标定激光能量计(3-5)通过对应的多维可调支架放置在平移台(3-2)的位置点III，当平移台(3-2)的位置点I位于测量光路中，陷阱探测器(3-3)探测所述脉冲发生器组件(2)输出的测量背景光和连续激光的功率，光信号经光电转换后先经直流放大器放大再由数字电压表转换成测量电压V_j和背景电压V_0j，j＝1，2……，N且N≥60；当平移台(3-2)的位置点II位于测量光路中，快速光电探测器(3-4)探测所述脉冲发生器组件(2)输出的脉冲激光并将其转换成电脉冲信号后送入数字示波器，数字示波器计算该脉冲信号中的脉冲宽度τ_b，b＝1，2……，M 且M≥6，当平移台(3-2)的位置点III位于测量光路中，待标定激光能量计(3-5)接收所述脉冲发生器组件(2)输出的脉冲激光并计算激光脉冲的微能量值E_h，h＝1，2……，Q且Q≥6；

所述激光微能量标定软件包含有驱动控制模块、数据采集模块、存储与显示模块、激光能量计算模块和修正系数标定模块：驱动控制模块通过相应的驱动控制电路控制第一、第二直流电机的运转和停运，控制第一、第二通光孔的位置，控制平移台(3-2)的移动，以使位置点I、位置点II、位置点III分别位于测量光路中；数据采集模块采集数字电压表输出的测量电压V_j和背景电压V_0j，采集数字示波器输出的脉冲宽度τ_b，采集待标定激光能量计(3-5)输出的激光脉冲微能量值E_h；激光能量计算模块根据数据采集模块获得的采样值和相应的算法公式，计算n次测量后的标准激光能量Es及其相应的扩展不确定度U₁，n≥6；修正系数标定模块根据采集模块获得的采样值和相应的算法公式计算n次测量后待标定激光微能量计(3-5)的修正系数C及其相应的扩展不确定度U₂；存储与显示模块存储测量过程中采集模块采集的电压测量值、背景电压值、脉冲宽度值和激光微能量值，并将激光能量计算模块和修正系数标定模块获得的计算结果分别送入计算机系统(5)的存储器和显示器进行存储和显示。

2.根据权利要求1所述的激光微能量装置，其特征在于：所述第一直流电机的转速为86转/秒，所述第二直流电机的转速为1转/秒，所述第一通光孔的孔径为0.5mm，所述第二通光孔的孔径为0.2mm。

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