CN111678594B - 一种激光功率测试仪响应线性的对数校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光功率测试仪响应线性的对数校准方法，首先确定待校准激光功率测试仪的测试功率线性校准范围；利用倍增叠加法在所述线性校准范围内测试非线性系数；计算所得到的非线性系数的平均值；获得所述待校准激光功率测试仪在示数为P_{1_s}时对应的线性修正系数；基于倍增叠加法对修正后响应曲线的线性进行评估，如果线性不能达到要求，则重复上述操作进行线性修正，直到满足要求为止。上述方法能够方便快捷的实现激光功率测试仪响应线性的校准。

Description

一种激光功率测试仪响应线性的对数校准方法

技术领域

本发明涉及激光功率测试仪技术领域，尤其涉及一种激光功率测试仪响应线性的对数校准方法。

背景技术

激光功率测试仪是将待测激光转换为电流或电压信号，通过信号读出系统给出待测激光功率的仪器，根据转换信号的不同，激光功率测试仪可以分为电流型和电压型两大类，电流型的激光功率测试仪是将待测激光转换为电流信号，然后放大、滤波、AD转换等电路，将电流信号通过下位机的显示屏或通过连接上位机读出，在这种类型的激光功率测试仪中，实现激光到电信号转换的器件主要为光电二极管；电压型激光功率测试仪是将激光转换为电压信号，经过后续处理电路对电压信号进行处理后，由下位机的显示屏或上位机给出示数，得到待测激光功率的值，光电转换常用的方法是将光信号转换为热信号，再将热信号转换为电压信号，实际中常通过热电偶或热电堆得到电压信号。

无论是电流型还是电压型的激光功率测试仪，都要求工作在线性区，但由于光电转换器件不可能严格是线性的，所以会存在非线性，需要进行线性校准，现有技术的方法是利用标准功率计和待校准功率计进行对比校准测试，改变入射激光的功率值，获得多个校准点，给出每个校准点对应的待测激光功率测试仪的响应值，在不同校准点之间，采用线性内插的方法进行线性校准。但现有技术的这种方式对标准激光功率计的线性要求很高，线性校准的结果依赖于标准功率计，而对于标准功率计没有覆盖的功率范围，则无法进行直接的对比校准。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光功率测试仪响应线性的对数校准方法，该方法能够方便快捷的实现激光功率测试仪响应线性的校准，适用于基于光电二极管的电流型激光功率测试仪以及基于热电堆或热电偶的电压型激光功率测试仪的线性校准。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种激光功率测试仪响应线性的对数校准方法，所述方法包括：

步骤1、确定待校准激光功率测试仪的测试功率线性校准范围，分别对应下限P_{1_min}和上限P_{1_max}；

步骤2、利用倍增叠加法在所述线性校准范围内测试非线性系数；

步骤3、计算步骤2所得到的非线性系数的平均值；

步骤4、获得所述待校准激光功率测试仪在示数为P_{1_s}时对应的线性修正系数；

步骤5、基于倍增叠加法对修正后响应曲线的线性进行评估，如果线性不能达到要求，则重复步骤1-4的操作进行线性修正，直到满足要求为止。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法能够方便快捷的实现激光功率测试仪响应线性的校准，适用于基于光电二极管的电流型激光功率测试仪以及基于热电堆或热电偶的电压型激光功率测试仪的线性校准。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的激光功率测试仪响应线性的对数校准方法流程示意图；

图2为本发明实施例所述倍增叠加法的实施示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的激光功率测试仪响应线性的对数校准方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、确定待校准激光功率测试仪的测试功率线性校准范围，分别对应下限P_{1_min}和上限P_{1_max}；

在该步骤中，待校准激光功率测试仪可以为电流型测试仪或电压型测试仪，所述电流型测试仪将入射激光转换为电流信号，所述电流型测试仪的示数是对所述电流信号大小的反映；所述电压型测试仪将入射激光转换为电压信号，所述电压型测试仪的示数是对所述电压信号大小的反映。

所述测试功率线性校准范围位于所述待校准激光功率测试仪的线性区，所述测试功率线性校准范围内的非线性不能太大。

具体实现中，待校准激光功率测试仪的测试功率线性校准范围确定方式可以分为两种，一种是借助标准功率计，激光器输出的激光直接入射标准激光功率计，调整激光输出功率，使得入射标准激光功率计的激光功率为线性校准范围的下限，即P_min，将标准激光功率计更换为待校准激光功率测试仪，记录激光功率测试仪的读数，即P_{1_min}，同样的方法，确定线性校准范围的上限P_max和P_{1_max}；

另外一种是不借助标准激光功率计，直接利用待校准激光功率测试仪确定线性校准范围的下限P_{1_min}和上限P_{1_max}，由于待校准激光功率测试仪非线性的影响，下限P_{1_min}和上限P_{1_max}会与真实值有所偏离，但因为激光功率测试仪均工作在光电传感器的线性区，所以非线性会比较小，P_{1_min}和P_{1_max}与真实值偏离不会太大。

步骤2、利用倍增叠加法在所述线性校准范围内测试非线性系数；

在该步骤中，如图2所示为本发明实施例所述倍增叠加法的实施示意图，采用分束-合束的方法，即入射激光10经分光镜1后分为功率基本相等的两束光11和12，光束11经全反射镜2反射进入合束镜4，光束12经全反射镜3反射后进入合束镜4，经合束镜后的光13入射线性待校准激光功率测试仪5，挡光板6用于对光路11挡光，控制光路11是否进入合束器4，挡光板7用于对光路12挡光，控制光路12是否进入合束器4。

具体来说，将功率为P_i的入射光分为功率大致相等的两束，经分光镜1后分出的两束光11和12的功率大致相等，分别为P_i-1,1、P_i-1,2，且满足：

P_i、P_i-1,1、P_i-1,2对应待校准激光功率测试仪的示数分别为P_{1_i}、P_{1_i-1,1}、P_{1_i-1,2}，即开启挡光板6，闭合挡光板7，光路12被遮挡，光路11不被遮挡，这种情况下，只有激光束11进入合束器4，经合束器4后进入线性待校准激光功率测试仪5，激光功率测试仪5的读数记为P_{1_i-1,1}，同样的道理，开启挡光板7，闭合挡光板8，光路11被遮挡，光路12不被遮挡，这种情况下，只有激光束12进入合束器4，经合束器4后进入线性待校准激光功率测试仪5，激光功率测试仪5的读数记为P_{1_i-1,2}，当挡光板6和挡光板7均开启，激光束11和激光束12均能够进入合束器4，经合束器4后进入线性待校准激光功率测试仪5，激光功率测试仪5的读数记为P_{1_i}，如果待校准激光功率测试仪为线性理想的，则满足：

P_{1_i}＝P_{1_i-1,1}+P_{1_i-1,2}

由于存在非线性，导致上式不成立，引入非线性系数表示偏离线性的程度，从P_i-1～P_i的非线性系数满足：

在步骤1所得到的上下限[P_{1_min},P_{1_max}]的范围内进行倍增叠加，取P_{1_0}≤P_{1_min}、P_{1_n}≥P_{1_max}，分别计算P_{1_0}～P_{1_1}、P_{1_1}～P_{1_2}……P_{1_n-1}～P_{1_n}对应的非线性系数Δ_NL(P_{1_1}:P_{1_0})、Δ_NL(P_{1_2}:P_{1_1})……Δ_NL(P_{1_n-1}:P_{1_n})。

另外，倍增叠加时可能出现上限会超出线性校准范围很多的情况，比如线性校准范围为[1mW,200mW]，从1mW进行倍增叠加，则有1mW～2mW，2mW～4mW，4mW～8mW，8mW～16mW，16mW～32mW，32mW～64mW，64mW～128mW，128mW～256mW，可见最后一次叠加到了256mW，远远超出了线性校准范围，有可能会落到光电传感器的非线性区域，引起较强的非线性，造成线性校准效果不佳，为了避免这种情况，最后一次叠加时，需要保证叠加后的值既大于等于线性校准范围的上限，又不能偏离太远，即在满足P_{1_n}≥P_{1_max}的前提下，使P_{1_n}接近于P_{1_max}。

对于相邻两次倍增叠加法，为保证覆盖整个线性校准范围，后一次的两个功率分量小于前一次的功率值，即满足：

且考虑到整个倍增叠加过程需要对激光功率测试仪的线性校准范围全覆盖，所以倍增叠加的初始功率需要小于等于线性校准范围的下限，即：

另外，上述倍增叠加法中，需要保证测试中P_i、P_i-1,1、P_i-1,2可以分别单独测试，并且P_i≈2P_i-1,1≈2P_i-1,2。

步骤3、计算步骤2所得到的非线性系数的平均值；

在该步骤中，具体是在整个线性校准范围内，所有的Δ_NL(P_{1_i-1}:P_{1_i})求平均值，得到非线性系数的平均值

计算公式为：

步骤4、获得所述待校准激光功率测试仪在示数为P_{1_s}时对应的线性修正系数；

在该步骤中，具体利用如下公式获得所述待校准激光功率测试仪在示数为P_{1_s}时对应的线性修正系数：

式中，

为非线性系数的平均值；

P_{1_s}对应的修正值P_{2_s}为：P_{2_s}＝η_sP_{1_s}。

步骤5、基于倍增叠加法对修正后响应曲线的线性进行评估，如果线性不能达到要求，则重复步骤1-4的操作进行线性修正，直到满足要求为止。

在该步骤中，线性校准不需要无限逼近于理想状态，只要线性引入的不确定度小于等于线性测试本身的不确定度即可，这里对基于倍增叠加法的线性和线性测试本身的不确定度分析如下：

采用倍增叠加法对在[P_{1_min},P_{1_max}]的范围内的非线性进行评估，假设一共测试m_l组，每组测试n_l次，对于第m_{l_j}组测试中的第i次倍增，考虑到每组测试为n_l次，对应的非线性系数可以表示为：

式中，Δ_{NL_j_i_k}表示第j组测试第i次倍增中，第k次测试对应的非线性系数Δ_NL(P_{1_i}:P_{1_i-1})；

第i次倍增对应的非线性系数可以表示为：

第i次倍增对应的标准不确定度分量表示为：

式中，stdev(Δ_{NL_j_i_k})为Δ_{NL_j_i_k}的样本标准偏差；

整个测试范围内的标准不确定度为：

对应的扩展不确定度(k＝2)为：

整个测试范围内，响应度的非线性可以表示为：

对应的扩展不确定度(k＝2)为：

非线性带来的扩展不确定度取U_NL和U_FL二者中的最大值，可见受测试本身带来的不确定度影响，当U_FL≤U_NL时，再降低非线性系数Δ_NL就没有意义了，所以Δ_NL存在最小值。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

综上所述，本发明实施例所述方法基于倍增叠加法对激光功率测试仪的响应进行对数校准，不需要借助标准功率计或已知功率的激光源进行多点比对测试，避免了标准功率计或已知功率的激光源本身的非线性对线性校准结果的限制。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种激光功率测试仪响应线性的对数校准方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、确定待校准激光功率测试仪的测试功率线性校准范围，分别对应下限P_{1_min}和上限P_{1_max}；

步骤2、利用倍增叠加法在所述线性校准范围内测试非线性系数；

步骤3、计算步骤2所得到的非线性系数的平均值；

步骤4、获得所述待校准激光功率测试仪在示数为P_{1_s}时对应的线性修正系数；

在步骤4中，具体利用如下公式获得所述待校准激光功率测试仪在示数为P_{1_s}时对应的线性修正系数：

式中，

为非线性系数的平均值；

P_{1_s}对应的修正值为：P_{2_s}＝η_sP_{1_s}；

步骤5、基于倍增叠加法对修正后响应曲线的线性进行评估，如果线性不能达到要求，则重复步骤1-4的操作进行线性修正，直到满足要求为止。

2.根据权利要求1所述激光功率测试仪响应线性的对数校准方法，其特征在于，

在步骤1中，所述测试功率线性校准范围位于所述待校准激光功率测试仪的线性区。

3.根据权利要求1所述激光功率测试仪响应线性的对数校准方法，其特征在于，在步骤2中，所述倍增叠加法的具体过程为：

将功率为P_i的入射光分为功率大致相等的两束，分别为P_i-1,1、P_i-1,2，且满足：

P_i、P_i-1,1、P_i-1,2对应待校准激光功率测试仪的示数分别为P_{1_i}、P_{1_i-1,1}、P_{1_i-1,2}，从P_i-1～P_i的非线性系数满足：

在步骤1所得到的上下限[P_{1_min},P_{1_max}]的范围内进行倍增叠加，取P_{1_0}≤P_{1_min}、P_{1_n}≥P_{1_max}，分别计算P_{1_0}～P_{1_1}、P_{1_1}～P_{1_2}、 ……P_{1_n-1}～P_{1_n}对应的非线性系数Δ_NL(P_{1_1}:P_{1_0})、Δ_NL(P_{1_2}:P_{1_1})、 ……Δ_NL(P_{1_n-1}:P_{1_n})。

4.根据权利要求1所述激光功率测试仪响应线性的对数校准方法，其特征在于，在步骤2中，对于相邻两次倍增叠加法，为保证覆盖整个线性校准范围，后一次的两个功率分量小于前一次的功率值，即满足：

且考虑到整个倍增叠加过程需要对待校准激光功率测试仪的线性校准范围全覆盖，所以倍增叠加的初始功率需要小于等于线性校准范围的下限，即：

5.根据权利要求1所述激光功率测试仪响应线性的对数校准方法，其特征在于，所述步骤3的过程为：

在整个线性校准范围内，所有的Δ_NL(P_{1_i-1}:P_{1_i})求平均值，得到非线性系数的平均值

计算公式为：

6.根据权利要求1所述激光功率测试仪响应线性的对数校准方法，其特征在于，所述待校准激光功率测试仪为电流型测试仪或电压型测试仪，所述电流型测试仪将入射激光转换为电流信号，所述电流型测试仪的示数是对电流信号大小的反映；

所述电压型测试仪将入射激光转换为电压信号，所述电压型测试仪的示数是对电压信号大小的反映。

Images