CN112082737A - 一种太赫兹脉冲激光能量校准装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹脉冲激光能量校准装置与方法，属于脉冲激光技术领域。本发明所述方法包括如下步骤：设置函数发生器使CO2激光器输出重复频率和占空比均满足测量要求的脉冲激光、将两个标准红外探测器放入光路、根据数据采集与处理系统的测量值计算分束镜的分束比、移入太赫兹热释电探测器并记录太赫兹热释电探测器的噪声电压Vn、移出挡光片并记录太赫兹热释电探测器的测试电压Vs和标准红外探测器的测试能量值Js、计算太赫兹热释电探测器在波长为10.6μm时的响应度、测试太赫兹热释电探测器在波长为10.6μm时和工作波长范围的吸收特性、计算太赫兹热释电探测器在波长为λ时的响应度、计算入射太赫兹脉冲激光能量值。

Description

一种太赫兹脉冲激光能量校准装置与方法
技术领域
本发明公开了一种太赫兹脉冲激光能量校准装置与方法，属于脉冲激光技术领域。
背景技术
太赫兹脉冲激光器输出脉冲激光能量是衡量激光器性能的重要指标，为了准确表达太赫兹脉冲激光能量的大小，需要对其输出的太赫兹脉冲激光能量进行校准。目前，能够对太赫兹脉冲激光能量进行校准的探测器主要是太赫兹热释电探测器，太赫兹热释电探测器的响应度与入射太赫兹脉冲激光能量具有对应的关系，因此只要确定太赫兹热释电探测器的响应度，即可实现太赫兹脉冲激光能量的校准。
太赫兹热释电探测器主要由热释电材料和吸收材料组成，对热释电材料性能起决定性作用的是自身的热释电系数和温度变化率，与太赫兹脉冲激光波长无关；吸收材料一般在不同波长的吸收系数是不相同的，相同能量的太赫兹脉冲激光入射到吸收材料产生的热量不同，从而导致太赫兹热释电探测器输出电压不同，即太赫兹热释电探测器在不同波长的响应度是不同的。因此，为了实现不同波长太赫兹脉冲激光能量校准，需要在不同波长对太赫兹热释电探测器响应度进行校准。
目前，通常使用太赫兹脉冲激光器与标准太赫兹探测器对太赫兹热释电探测器的响应度进行校准，通过调节太赫兹脉冲激光器参数，使其分别输出波长为λ1、λ2、…λN(λ1<λ2<…λN)的激光，在每个波长处单独进行校准，然后采用插值算法计算两个校准波长点之间的响应度。太赫兹脉冲激光器主要有太赫兹气体激光器、太赫兹量子级联激光器、太赫兹自由电子激光器，这些太赫兹脉冲激光器具有体积大、开机操作复杂、激光稳定度差等缺点，一般需要几个小时完成开机，激光稳定度约为2％/h。因此，现有校准装置与校准方法，在完成多个波长点校准时，一般需要一天甚至几天的时间，导致太赫兹热释电探测器响应度的校准效率低。而且现有的标准太赫兹探测器的不确定度约为4％(k＝2)，导致太赫兹热释电探测器响应度的校准不确定度大。另外，现有技术无法确定波长小于λ1、大于λN的响应度校准因子，不能满足太赫兹热释电探测器的实际应用需求。
发明内容
本发明公开了一种太赫兹脉冲激光能量校准装置与方法，以解决现有技术中太赫兹脉冲激光能量校准时间长、校准不确定度大、波长校准范围窄的缺点。
一种太赫兹脉冲激光能量校准装置，包括以下组成部分：函数发生器、CO2激光器、挡光板、衰减器、分束镜、标准红外探测器1号、标准红外探测器2号、数据采集与处理系统、太赫兹热释电探测器、示波器。
函数发生器的作用是控制CO2激光器输出重复频率和占空比均满足测量要求的脉冲激光；CO2激光器的作用是输出重复频率和占空比均满足测量要求的脉冲激光；挡光板的作用是禁止激光通过；衰减器的作用是衰减激光能量；分束镜的作用是将脉冲激光分成两束；标准红外探测器1号和标准红外探测器2号的作用是接收分束镜的折射光线与透射光线；数据采集与处理系统的作用是自动记录标准红外探测器的测量值；太赫兹热释电探测器为待测探测器；示波器的作用是测量太赫兹热释电探测器的输出电压。
一种太赫兹脉冲激光能量校准方法，使用所述的太赫兹脉冲激光能量校准装置，包括以下步骤：
S1.设置函数发生器，使CO2激光器输出重复频率和占空比均满足测量要求的脉冲激光；
S2.将两个标准红外探测器放入光路；
S3.根据数据采集与处理系统的测量值计算分束镜的分束比；
S4.移入太赫兹热释电探测器并记录其噪声电压Vn；
S5.移出挡光片，并记录太赫兹热释电探测器的测试电压Vs和标准红外探测器的测试能量值Js；
S6.计算太赫兹热释电探测器在波长为10.6μm时的响应度；
S7.测量太赫兹热释电探测器在波长为10.6μm时和工作波长范围的吸收率；
S8.计算太赫兹热释电探测器在波长为λ时的响应度；
S9.计算入射激光波长为λ时，太赫兹脉冲激光能量值。
步骤S2中两个标准红外探测器分别接收分束镜的折射光线与透射光线，分别位于分束镜的下侧与右侧；步骤S3中的数据采集与处理系统能够自动记录两个标准红外探测器的测试值；计算标准红外探测器2号与标准红外探测器1号的测量值之比即为分束镜的分束比，重复测试三组分束比数据，把三组数据的平均值作为分束镜的分束比r。
步骤S4中，移入太赫兹热释电探测器前，需移去标准红外探测器2号并移入挡光板；步骤S6中，太赫兹热释电探测器在波长为10.6μm时的响应度R(λ0)的计算公式为：
Figure BDA0002645693830000021
步骤S8中，太赫兹热释电探测器在波长为λ时的响应度R(λ)的计算公式为：
Figure BDA0002645693830000022
式中，A(λ)、A(λ0)分别是太赫兹热释电探测器在波长λ、λ0的吸收率。
步骤S9中，入射太赫兹脉冲激光能量值E的计算公式为：
Figure BDA0002645693830000023
式中，V是波长λ的太赫兹脉冲激光入射到太赫兹热释电探测器产生的输出电压。
本发明公开了一种太赫兹脉冲激光能量校准装置与方法，在单一波长点对太赫兹热释电探测器响应度进行校准，使用太赫兹光谱仪测试太赫兹热释电探测器全波段吸收特性，从而在全波段完成太赫兹热释电探测器光谱响应度测试，本发明提高了校准效率，减小了校准不确定度，扩展了波长校准范围，解决了太赫兹脉冲激光能量校准问题。
附图说明
图1为太赫兹脉冲激光能量校准装置示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步说明。
一种太赫兹脉冲激光能量校准方法，使用如图1所示的太赫兹脉冲激光能量校准装置，包括以下步骤：
S1.设置函数发生器，使CO2激光器输出重复频率和占空比均满足测量要求的脉冲激光；
S2.将两个标准红外探测器放入光路；
S3.根据数据采集与处理系统的测量值计算分束镜的分束比；
S4.移入太赫兹热释电探测器并记录其噪声电压Vn；
S5.移出挡光片，并记录太赫兹热释电探测器的测试电压Vs和标准红外探测器的测试能量值Js；
S6.计算太赫兹热释电探测器在波长为10.6μm时的响应度；
S7.测量太赫兹热释电探测器在波长为10.6μm时和工作波长范围的吸收率；
S8.计算太赫兹热释电探测器在波长为λ时的响应度；
S9.计算入射激光波长为λ时，太赫兹脉冲激光能量值。
步骤S1中函数发生器的作用是，控制CO2激光器输出重复频率和占空比均满足测量要求的脉冲激光，实施例中，CO2激光器输出重复频率为10Hz、占空比为0.5的脉冲激光。
步骤S2中两个标准红外探测器分别接收分束镜的折射光线与透射光线，分别位于分束镜的下侧与右侧。
步骤S3中的数据采集与处理系统能够自动记录两个标准红外探测器的测试值；计算标准红外探测器2号与标准红外探测器1号的测量值之比即为分束镜的分束比，重复测试三组分束比数据，把三组数据的平均值作为分束镜的分束比r。分束镜的三次分束比测试过程中，标准红外探测器2号的测量值分别是0.19、0.20、019，标准红外探测器1号的测量值分别是0.20、0.21、0.20，则分束镜的分束比平均值是0.95:1。
步骤S4中，移入太赫兹热释电探测器前，需移去标准红外探测器2号并移入挡光板，此时无太赫兹脉冲激光入射，测量的太赫兹热释电探测器噪声电压是0.23mV。
步骤S5中，移出挡光板，太赫兹脉冲激光入射到太赫兹热释电探测器，测量的太赫兹热释电探测器输出电压是1.12V，标准红外探测器1号的测量值是0.34mJ。
步骤S6中，太赫兹热释电探测器在波长为10.6μm时的响应度R(λ0)的计算公式为：
Figure BDA0002645693830000041
实施例中，计算太赫兹热释电探测器在10.6μm的响应度是：
Figure BDA0002645693830000042
步骤S7中，使用太赫兹傅立叶光谱仪测试太赫兹热释电探测器在工作波长范围与10.6μm的反射率，太赫兹热释电探测器的吸收率＝1-反射率。
步骤S8中，太赫兹热释电探测器在波长为λ时的响应度R(λ)的计算公式为：
Figure BDA0002645693830000043
式中，A(λ)、A(λ0)分别是太赫兹热释电探测器在波长λ、λ0的吸收率，实施例中，根据太赫兹热释电探测器在10.6μm、119μm的反射率，获得太赫兹热释电探测器在10.6μm、119μm的吸收率分别是99.4％、99.2％，计算太赫兹热释电探测器在119μm的响应度是：
Figure BDA0002645693830000044
步骤S9中，入射太赫兹脉冲激光能量值的计算公式为：
Figure BDA0002645693830000045
式中，V是波长λ的太赫兹脉冲激光入射到太赫兹热释电探测器产生的输出电压。实施例中，使用太赫兹热释电探测器测试波长119μm的太赫兹脉冲激光能量时，产生的输出电压为1.3V，计算入射太赫兹脉冲激光能量是：
Figure BDA0002645693830000046
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种太赫兹脉冲激光能量校准装置，其特征在于，包括以下组成部分：函数发生器、CO2激光器、挡光板、衰减器、分束镜、标准红外探测器1号、标准红外探测器2号、数据采集与处理系统、太赫兹热释电探测器、示波器。
2.根据权利要求1所述的太赫兹脉冲激光能量校准装置，函数发生器的作用是控制CO2激光器输出重复频率和占空比均满足测量要求的脉冲激光；CO2激光器的作用是输出重复频率和占空比均满足测量要求的脉冲激光；挡光板的作用是禁止激光通过；衰减器的作用是衰减激光能量；分束镜的作用是将脉冲激光分成两束；标准红外探测器1号和标准红外探测器2号的作用是接收分束镜的折射光线与透射光线；数据采集与处理系统的作用是自动记录标准红外探测器的测量值；太赫兹热释电探测器为待测探测器；示波器的作用是测量太赫兹热释电探测器的输出电压。
3.一种太赫兹脉冲激光能量校准方法，使用如权利要求1所述的太赫兹脉冲激光能量校准装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1.设置函数发生器，使CO2激光器输出重复频率和占空比均满足测量要求的脉冲激光；
S2.将两个标准红外探测器放入光路；
S3.根据数据采集与处理系统的测量值计算分束镜的分束比；
S4.移入太赫兹热释电探测器并记录其噪声电压Vn；
S5.移出挡光片，并记录太赫兹热释电探测器的测试电压Vs和标准红外探测器的测试能量值Js；
S6.计算太赫兹热释电探测器在波长为10.6μm时的响应度；
S7.测量太赫兹热释电探测器在波长为10.6μm时和工作波长范围的吸收率；
S8.计算太赫兹热释电探测器在波长为λ时的响应度；
S9.计算入射激光波长为λ时，太赫兹脉冲激光能量值。
4.根据权利要求3所述的太赫兹脉冲激光能量校准方法，步骤S2中两个标准红外探测器分别接收分束镜的折射光线与透射光线，分别位于分束镜的下侧与右侧；步骤S3中的数据采集与处理系统能够自动记录两个标准红外探测器的测试值；计算标准红外探测器2号与标准红外探测器1号的测量值之比即为分束镜的分束比，重复测试三组分束比数据，把三组数据的平均值作为分束镜的分束比r。
5.根据权利要求3所述的太赫兹脉冲激光能量校准方法，其中步骤S4中，移入太赫兹热释电探测器前，需移去标准红外探测器2号并移入挡光板；步骤S6中，太赫兹热释电探测器在波长为10.6μm时的响应度R(λ0)的计算公式为：
Figure FDA0002645693820000011
步骤S8中，太赫兹热释电探测器在波长为λ时的响应度R(λ)的计算公式为：
Figure FDA0002645693820000021
式中，A(λ)、A(λ0)分别是太赫兹热释电探测器在波长λ、λ0的吸收率。
6.根据权利要求3所述的太赫兹脉冲激光能量校准方法，其中步骤S9中，入射太赫兹脉冲激光能量值E的计算公式为：
Figure FDA0002645693820000022
式中，V是波长λ的太赫兹脉冲激光入射到太赫兹热释电探测器产生的输出电压。
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