CN105424180A - 一种太赫兹激光功率计的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹激光功率计的校准方法，包括以下步骤：步骤一：使用可调式直流稳压电源代替热电堆探测器，为太赫兹激光功率计提供稳定的可调谐输入电压信号，记录太赫兹激光功率计的输入电压以及对应的示值电压；步骤二：计算太赫兹激光功率计输入电压与示值电压之间的线性关系；步骤三：测试热电堆探测器在太赫兹波段的绝对光谱响应度；步骤四：根据步骤二中太赫兹激光功率计的输入电压与示值电压的线性关系，以及步骤三中热电堆探测器在太赫兹波段的绝对光谱响应度，计算太赫兹激光功率计测量的功率值。本发明提高了校准效率，减小了校准不确定度。

Description

一种太赫兹激光功率计的校准方法

技术领域

本发明涉及激光功率计的校准领域，具体涉及一种太赫兹激光功率计的校准方法。

背景技术

太赫兹是指0.1THz～10THz的电磁波，频率范围宽。目前，能够在室温下对全频率范围内的连续太赫兹激光功率测试的探测器主要是热电堆探测器，针对使用热电堆探测器制作的太赫兹激光功率计的校准，现有技术存在校准时间长、校准不确定度大的缺点。

激光功率计研制完成之后，必须经过校准才能实现激光功率的准确测试。激光功率计的校准一般采用标准探测器测试激光器的输出功率，研究测量标准提供的量值与激光功率计示值之间的关系。热电堆探测器的上升时间较长，从而获得稳定输出信号的时间更长，一般大于60s，则太赫兹激光功率计获得稳定的示值时间也较长。另外，太赫兹激光器的输出功率一般在设置30分钟后才能稳定。在太赫兹激光功率计校准过程中，需要多次调节太赫兹激光器的输出功率，记录不同输出功率以及对应的太赫兹激光功率计示值，用于计算入射太赫兹激光功率与太赫兹激光功率计示值之间的线性关系。每次调节太赫兹激光器的输出功率之后，都需要等待至少30分钟，才能获得相对稳定的输出功率。因此，采用现有技术校准太赫兹激光功率计，需要很长时间，校准效率较低，而且现有技术对太赫兹激光器输出功率的稳定性要求非常高。

目前，还没有非常稳定的太赫兹激光器，现有的太赫兹激光器输出功率的稳定性是1％，用B类方法评定，假设服从均匀分布，置信因子k取则太赫兹激光器输出功率不稳定引入的标准不确定度是0.5774％。另外，用于测试入射太赫兹激光功率的标准太赫兹探测器的测量不确定度是6.4％，置信因子k取2，则标准太赫兹探测器引入的标准不确定度是3.2％。综上所述，采用现有技术对太赫兹激光功率计进行校准，引入的校准不确定度至少是6.5％(k＝2)，测量误差较大。

在现有技术中，使用热电堆探测器制作的太赫兹激光功率计存在校准时间长、校准不确定度大的缺点。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种针对热电堆探测器制作的太赫兹激光功率计的校准方法，缩短校准时间，提高校准不确定度。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种太赫兹激光功率计的校准方法，包括以下步骤：

步骤一：把热电堆探测器与太赫兹激光功率计分离，将可调式直流稳压电源接入太赫兹激光功率计的信号输入端，使用可调式直流稳压电源代替热电堆探测器，为太赫兹激光功率计提供稳定的可调谐输入电压信号，记录太赫兹激光功率计的输入电压以及对应的示值电压；

步骤二：计算可调式直流稳压电源提供给太赫兹激光功率计的输入电压与太赫兹激光功率计示值电压之间的线性关系；

步骤三：测试热电堆探测器在太赫兹波段的绝对光谱响应度；

步骤四：把热电堆探测器接入太赫兹激光功率计，根据步骤二中太赫兹激光功率计的输入电压与示值电压之间的线性关系，以及步骤三中热电堆探测器在太赫兹波段的绝对光谱响应度，计算太赫兹激光功率计测量的示值电压对应的功率值。

进一步的，所述步骤二中，使用最小二乘法计算可调式直流稳压电源提供给太赫兹激光功率计的输入电压与太赫兹激光功率计示值电压之间的线性关系：

V_入＝a·V_示+b(1)

式中，V_入、V_示分别是可调式直流稳压电源提供给太赫兹激光功率计的输入电压和太赫兹激光功率计的示值电压，a和b是拟合系数。

进一步的，所述步骤三中，测试热电堆探测器在太赫兹波段的绝对光谱响应度的具体过程为：

测试热电堆探测器的吸收材料在太赫兹波段的反射率R(λ)，测量不确定度是0.5％，置信因子k取1，则它的标准不确定度是0.5％；

测试热电堆探测器的吸收材料在可见或近红外波长点的反射率R₀，测量不确定度是0.3％，置信因子k取2，则它的标准不确定度是0.15％；

测试热电堆探测器在可见或近红外波长点的绝对响应度S₀，测量不确定度是0.05％，置信因子k取2，则它的标准不确定度是0.025％；

根据热电堆探测器在不同波长处的热电转换率相等的原则，计算热电堆探测器在太赫兹波段的绝对光谱响应度：

$S\left(\mathrm{\λ}\right)=S_0\frac{1-R\left(\mathrm{\λ}\right)}{1-R_0}---\left(2\right).$

进一步的，所述的可见、近红外波长点是指488nm、514nm、632.8nm、785nm、852nm、980nm、1064nm中的一个。

可见或近红外激光器输出功率的稳定度通过稳功仪控制，使其小于或等于万分之一，也就是说：使用可见或近红外激光器测试热电堆探测器在该波长点的绝对响应度S₀，通过稳功仪控制激光器的输出功率稳定性小于或等于万分之一。

进一步的，所述步骤四中，设定太赫兹激光器的输出功率，使太赫兹激光垂直照射到热电堆探测器上，则使用太赫兹激光功率计测试的太赫兹激光功率是：

使用公式(1)、公式(2)和公式(3)计算得到的太赫兹激光功率，它的测量重复性引入的标准不确定度约是0.006％。

本发明的有益效果：

本发明使用可调式直流稳压电源代替太赫兹激光器和热电堆探测器，为太赫兹激光功率计提供稳定的输入电压信号，不仅降低了太赫兹激光器输出功率不稳定引入的标准不确定度，而且解决了太赫兹激光器输出功率稳定时间长和热电堆探测器得到稳定电压时间长的缺陷，节约了测试时间。

采用本发明对太赫兹激光功率计进行校准，校准不确定度是1.2％(k＝2)，减小了太赫兹激光功率计的测量误差。

附图说明

图1是本发明的校准流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

技术背景说明：太赫兹激光器是用于输出激光，太赫兹激光功率计是用于测试太赫兹激光器输出激光功率大小的。

太赫兹激光器照射到热电堆探测器上，使热电堆探测器产生电压信号，该电压信号与太赫兹激光功率的大小成正比。热电堆探测器接入太赫兹激光功率计之后，热电堆探测器产生的电压信号提供给太赫兹激光功率计，太赫兹激光功率计根据此电压信号计算示值电压以及对应的功率值。可调式直流稳压电源可以直接输出电压，能够代替热电堆探测器，为太赫兹激光功率计提供输入电压信号，用于校准。本发明所述的电压信号并不是供电用的电源。

本发明针对使用热电堆探测器制作的太赫兹激光功率计，提出一种校准方法，如图1所示，技术方案如下：

步骤(1)：把热电堆探测器与太赫兹激光功率计分离，将可调式直流稳压电源接入太赫兹激光功率计的信号输入端，使用可调式直流稳压电源代替太赫兹激光器和热电堆探测器，为太赫兹激光功率计提供稳定的可调谐输入电压信号，记录太赫兹激光功率计的输入电压以及对应的示值电压。可调式直流稳压电源的输出电压稳定，电压指示精度是±0.5％，用B类方法评定，假设服从均匀分布，置信因子k取则可调式直流稳压电源引入的标准不确定度是0.29％。使用可调式直流稳压电源代替太赫兹激光器和热电堆探测器，为太赫兹激光功率计提供稳定的输入电压信号，不仅降低了太赫兹激光器输出功率不稳定引起的标准不确定度，而且解决了太赫兹激光器输出功率稳定时间长和热电堆探测器得到稳定电压时间长的缺陷，节约了测试时间。

步骤(2)：使用最小二乘法计算可调式直流稳压电源提供给太赫兹激光功率计的输入电压与太赫兹激光功率计示值电压之间的线性关系：

V_入＝a·V_示+b(1)

式中，V_入、V_示分别是可调式直流稳压电源提供给太赫兹激光功率计的输入电压和太赫兹激光功率计的示值电压，a和b是拟合系数。

步骤(3)：测试热电堆探测器在太赫兹波段的绝对光谱响应度S(λ)，具体过程是：

测试热电堆探测器的吸收材料在太赫兹波段的反射率R(λ)，测量不确定度是0.5％，置信因子k取1，则它的标准不确定度是0.5％。

测试热电堆探测器的吸收材料在632.8nm的反射率R₀，测量不确定度是0.3％，置信因子k取2，则它的标准不确定度是0.15％。

使用632.8nm的激光器测试热电堆探测器在632.8nm的绝对响应度S₀，通过稳功仪控制激光器的输出功率稳定性达到万分之一，测量不确定度是0.05％，置信因子k取2，则它的标准不确定度是0.025％。选择波长为632.8nm，原因是：目前，只有可见、近红外波段的测量不确定度较小。

根据热电堆探测器在不同波长处的热电转换率相等的原则，计算热电堆探测器在太赫兹波段的绝对光谱响应度：

$S\left(\mathrm{\λ}\right)=S_0\frac{1-R\left(\mathrm{\λ}\right)}{1-R_0}---\left(2\right)$

采用本发明提出的热电堆探测器在太赫兹波段的绝对光谱响应度的测试方法，综合考虑所有因素，它的合成标准不确定度是0.5226％。

步骤(4)：把热电堆探测器接入太赫兹激光功率计，设定太赫兹激光器的输出功率，使太赫兹激光垂直照射到热电堆探测器上，则使用太赫兹激光功率计测试的太赫兹激光功率是：

使用公式(1)、公式(2)和公式(3)计算得到的太赫兹激光功率，它的测量重复性引入的标准不确定度约是0.006％。

综上所述，采用本发明对太赫兹激光功率计进行校准，校准不确定度是1.2％(k＝2)。本发明提高了校准效率，减小了校准不确定度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种太赫兹激光功率计的校准方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：把热电堆探测器与太赫兹激光功率计分离，将可调式直流稳压电源接入太赫兹激光功率计的信号输入端，使用可调式直流稳压电源代替热电堆探测器，为太赫兹激光功率计提供稳定的可调谐输入电压信号，记录太赫兹激光功率计的输入电压以及对应的示值电压；

步骤二：计算可调式直流稳压电源提供给太赫兹激光功率计的输入电压与太赫兹激光功率计示值电压之间的线性关系；

步骤三：测试热电堆探测器在太赫兹波段的绝对光谱响应度；

步骤四：把热电堆探测器接入太赫兹激光功率计，根据步骤二中太赫兹激光功率计的输入电压与示值电压之间的线性关系，以及步骤三中热电堆探测器在太赫兹波段的绝对光谱响应度，计算太赫兹激光功率计测量的示值电压对应的功率值。

2.如权利要求1所述的一种太赫兹激光功率计的校准方法，其特征是，所述步骤二中，使用最小二乘法计算可调式直流稳压电源提供给太赫兹激光功率计的输入电压与太赫兹激光功率计示值电压之间的线性关系：

V_入＝a·V_示+b(1)

式中，V_入、V_示分别是可调式直流稳压电源提供给太赫兹激光功率计的输入电压和太赫兹激光功率计的示值电压，a和b是拟合系数。

3.如权利要求2所述的一种太赫兹激光功率计的校准方法，其特征是，所述步骤三中，测试热电堆探测器在太赫兹波段的绝对光谱响应度的具体过程为：

测试热电堆探测器的吸收材料在太赫兹波段的反射率R(λ)，测量不确定度是0.5％，置信因子k取1，则它的标准不确定度是0.5％；

测试热电堆探测器的吸收材料在可见或近红外波长点的反射率R₀，测量不确定度是0.3％，置信因子k取2，则它的标准不确定度是0.15％；

测试热电堆探测器在可见或近红外波长点的绝对响应度S₀，测量不确定度是0.05％，置信因子k取2，则它的标准不确定度是0.025％。

4.如权利要求3所述的一种太赫兹激光功率计的校准方法，其特征是，所述的可见、近红外波长点是指488nm、514nm、632.8nm、785nm、852nm、980nm、1064nm中的一个。

5.如权利要求3所述的一种太赫兹激光功率计的校准方法，其特征是，使用可见或近红外激光器测试热电堆探测器在该波长点的绝对响应度S₀，通过稳功仪控制激光器的输出功率稳定性小于或等于万分之一。

6.如权利要求3所述的一种太赫兹激光功率计的校准方法，其特征是，根据热电堆探测器在不同波长处的热电转换率相等的原则，计算热电堆探测器在太赫兹波段的绝对光谱响应度S(λ)：

$S\left(\mathrm{\λ}\right)=S_0\frac{1-R\left(\mathrm{\λ}\right)}{1-R_0}---\left(2\right).$

7.如权利要求6所述的一种太赫兹激光功率计的校准方法，其特征是，所述步骤四中，设定太赫兹激光器的输出功率，使太赫兹激光垂直照射到热电堆探测器上，则使用太赫兹激光功率计测试的太赫兹激光功率P(λ)是：

使用公式(1)、公式(2)和公式(3)计算得到的太赫兹激光功率，它的测量重复性引入的标准不确定度约是0.006％。