CN113566959B - 一种基于辐射压力的激光功率测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于辐射压力的激光功率测量装置及方法，给出了激光功率与辐射压力计算方法和辐射压力功率计测量结构方案；提出了一种针对微量压力传感器的高精度溯源方法。其中，装置结构，包括支撑板，二个机械支架，二个微量压力传感器天平，微量压力传感器，天平力臂，二个安装负载，二个怀特池结构多反射光学腔镜及激光光束。微量压力传感器采用高精度电磁力平衡结构传感器，在50mN的量程范围可实现100nN的分辨率。激光入射于怀特池结构多反射光学腔的镜面，入射光轴与反射镜法线夹角为θ，入射光在光学腔内多次反射，在镜面上产生的辐射压力通过天平力臂进行杠杆放大，通过微量压力传感器进行辐射压力测量，实现较小激光功率(小于100W)测量。
Description
技术领域
本发明属于激光功率测量技术领域，涉及一种基于辐射压力的激光功率测量装置及方法。
背景技术
目前，激光功率测量基本都是采用吸收式测量方案，即光辐射必须被吸收才能被测量。热响应功率计在进行高能激光功率测量时需要有足够高的热容，这就使得激光功率计的体积和质量随其测量光功率的增大而增大，同时增加了热响应时间。为实现激光功率的实时在线测量功能，国内外相关计量机构研制了基于辐射压力的激光功率测量装置，即通过测量激光束在反射镜上施加的辐射压力，将激光功率参数溯源到国际质量单位千克。该激光功率测量技术对高能激光测量时无需水冷，大幅减小系统质量和体积，结构较为紧凑，方便现场使用；可实现实时在线测量功能，不影响激光的后续使用等特点。现有基于辐射压力的激光功率测量装置无法实现较小激光功率的高精度测量，因为当测量激光功率较小时，相应激光束的光子数较少，对反射镜施加的辐射压力较小，微量压力传感器无法对其分辨而无法进行测量。
2017年，美国NIST和Scientech公司联合研制了辐射压力功率计，通过测量高能激光在反射镜上施加的辐射压力，实现高能激光功率的高精度测量，并通过实验验证光功率测量范围1kW10kW，光功率测量不确定度达到2％，达到了通常需要昂贵的大型水冷式高能激光功率计的测量精度。国内只有少数研究机构开展这方面的研究工作，但都集中在高能激光测量领域，如西北核物理技术研究所申请的发明专利，专利公开号：CN201110233271，基于光压原理测量高能激光能量参数的方法和装置。
为实现激光功率的快速在线测量，采用基于辐射压力的激光功率测量装置，其利用光子量子化特性和动量守恒定律，每个光子的动量通过反射镜后发生了变化，将有对应动量传递到反射镜上，即为光束对镜面的压力，压力大小与反射光子的数量成正比。利用微量压力传感器对到达反射镜上的光压进行实时测量，实现激光功率的高精度测量。目前，基于辐射压力的激光功率测量技术主要存在以下问题：(1)现有装置只能实现高能激光功率的测量(1kW～50kW)，当测量激光功率较小时(小于1kW)，光束单次反射产生的辐射压力较小，微量天平或压力传感器至少需要分辨率nN的力，无法实现激光功率测量；(2)目前利用该装置进行较小激光功率测量时，由于产生的压力较小，没有合适的砝码将光辐射压力溯源到国际质量基本单位千克等。
发明内容
针对上述激光功率测量方法存在的不足，本发明设计多次反射式辐射压力功率计，较小激光功率的高精度测量及辐射压力功率计测量激光功率的高精度溯源的问题。
本发明在现有技术的基础上，设计了一种基于辐射压力的新型激光功率测量装置，并提出了激光功率的溯源方法。具体如下：(1)本发明在结构设计方面提出了设计怀特池结构多次反射光学腔，在被测激光功率不增大的情况下，通过光束在光学腔镜上的多次反射，实现被测光束在反射镜上产生辐射压力的有效放大；设计杠杆式微量压力测量天平，通过杠杆原理实现被测光辐射压力的有效放大，便于微量压力传感器进行高精度测量。(2)本发明在激光功率的溯源方面，基于本发明所设计的辐射压力功率计结构，提出了一种通过施加磁补偿力的方法，对微量压力传感器水平-垂直方向力进行高精度定标。
本发明的技术方案如下：一种基于辐射压力的激光功率测量装置，包括支撑板，第一机械支架，第二机械支架，第一微量压力传感器天平，第二微量压力传感器天平，微量压力传感器，天平力臂，第一安装负载，第二安装负载，第一怀特池结构多反射光学腔镜，第二怀特池结构多反射光学腔镜，激光光束；所述支撑板为固定装置，用于为辐射压力功率计提供固定支撑；第一机械支架、第二机械支架安装于支撑板上，分别用于固定第一微量压力传感器天平、第二微量压力传感器天平；微量压力传感器安装在第二微量压力传感器天平上，实现射辐射压力的测量；第一安装负载、第二安装负载分别固定在第一微量压力传感器天平及第二微量压力传感器天平上，用于安装固定第一怀特池结构多反射光学腔镜及第二怀特池结构多反射光学腔镜；天平力臂位于第二微量压力传感器天平内，用于将辐射压力传递给微量压力传感器；第一怀特池结构多反射光学腔镜、第二怀特池结构多反射光学腔镜组成怀特池结构多次反射光学腔，分别固定于第一安装负载、第二安装负载上；激光光束以入射角θ进入第一怀特池结构多反射光学腔镜、第二怀特池结构多反射光学腔镜，用于实现激光束多次反射后输出。
上述测量装置中，所述第一怀特池结构多反射光学腔镜及第二怀特池结构多反射光学腔镜为布拉格反射膜层或镀金反射镜。
上述测量装置中，所述布拉格反射膜层或镀金反射层是指，当对特定波长进行测量时采用高反射率分布式布拉格反射镜；或当适用于宽波段测量时采用铜底镀金反射镜。
上述测量装置中，所述分布式布拉格反射镜是采用GaAs/AlGaAs晶片材料制作的高反射率反射镜，镜面直径约为76mm，厚度约为625μm，反射率谱的带宽为+/-20nm。
上述测量装置中，所述微量压力传感器，采用高精度电磁力平衡结构传感器，在50mN的量程范围可实现100nN的分辨率。
上述测量装置中，激光光束入射于第一怀特池结构多反射光学腔及第二怀特池结构多反射光学腔镜的镜面，入射光轴分别与第一怀特池结构多反射光学腔镜及第二怀特池结构多反射光学腔镜法线夹角为θ，入射光分别在第一怀特池结构多反射光学腔镜及第二怀特池结构多反射光学腔镜腔内多次反射，在镜面上产生的辐射压力通过天平力臂进行杠杆放大，通过微量压力传感器进行辐射压力测量，实现较小激光功率测量。
本发明还提供一种基于辐射压力的激光功率测量方法，包括以下步骤：
步骤一：计算激光功率与施加到反射镜上作用力关系，具体如下：
设置对应光子的能量为E，该光子动量其中c是光速。
根据功率与能量之间的关系，入射光功率P是单位时间t的光子能量流E：
P＝E/t (1)
则由光束反射施加到镜子上的作用力为：
P是入射光功率，θ是激光光束的入射角，由公式(1)、(2)推导，得到光功率的表达式：
P＝cF/2rcos(θ) (3)
其中，r＝R+(1-R)α/2，表示反射镜吸收光子的动量和反射光子的动量，R是镜面反射率，α是镜面吸收的非反射光的比例。经过N次反射后，激光功率与施加到反射镜上作用力关系为：
根据测量激光功率的大小，设计反射次数为N的怀特池结构多反射光学腔，得到辐射压力F与激光功率P之间的确定关系，实现激光功率的高精度测量。
步骤二：将微量压力传感器定标；
步骤201：将微量压力传感器利用标准砝码对其进行绝对定标；
通过测量压力传感器从施加力到达到最终平衡值的上升时间，得到压力传感器的时间常数。压力传感器准确性和线性度是采用在垂直方向施加200μg、300μg、500μg、1mg、50mg的标准砝码进行定标，进而验证压力传感器100nN的分辨率。
步骤202：通过施加磁补偿力的方法实现微量压力传感器水平-垂直方向一致性定标；
所述步骤202的具体步骤为：采用小磁钢圆筒代替压力传感器上的反射镜，并在几毫米外安装了一个电线圈，为压力传感器提供可变的磁力，采用施加磁补偿力在压力传感器前端的小磁钢筒上，通过控制电磁线圈的电流，实现加载在压力传感器上磁补偿力的精确控制，开展压力传感器水平-垂直方向标度定标。该方案的优点是不需要知道电流和合力之间的比例系数，只需要测量相对力在水平方向和垂直方向之间的变化，测量方法简单、易于操作。与现有技术方案相比，本发明的优点在于：1、本发明在结构设计方面提出了设计怀特池结构多次反射光学腔，在被测激光功率不增大的情况下，通过光束在反射镜上的多次反射，实现被测光束在反射镜上产生辐射压力的有效放大；设计杠杆式微量压力测量天平，通过杠杆原理实现被测光辐射压力的有效放大，便于微量压力传感器进行高精度测量，可实现激光功率(小于100W)的高精度实时在线测量，并且无波长选择性。2、本发明在激光功率的溯源方面，基于本发明所设计的辐射压力功率计结构，提出了一种通过施加磁补偿力的方法，对微量压力传感器水平-垂直方向力进行高精度定标。
附图说明
图1为本发明的辐射压力激光功率测量装置结构图。
图2为本发明布拉格反射镜的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。但是，本发明可以采用许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例一
如图1所示，本发明的一个实施例是，提出一种基于辐射压力的激光功率测量装置及方法，给出了激光功率与辐射压力计算方法和辐射压力功率计测量结构方案；其中，一种基于辐射压力的激光功率测量装置结构，包括支撑板1，机械支架2，机械支架3，微量压力传感器天平4，微量压力传感器天平5，微量压力传感器6，天平力臂7，安装负载8，安装负载9，怀特池结构多反射光学腔镜10，怀特池结构多反射光学腔镜11，激光光束12；支撑板1为固定装置，用于为辐射压力功率计提供固定支撑；机械支架2、机械支架3安装于支撑板1上，分别用于固定微量压力传感器天平4、微量压力传感器天平5；微量压力传感器6安装在微量压力传感器天平5上，实现辐射压力的测量；安装负载8、安装负载9分别固定在微量压力传感器天平4及微量压力传感器天平5上，用于安装固定怀特池结构多反射光学腔镜10及怀特池结构多反射光学腔镜11；天平力臂7位于微量压力传感器天平5内，用于将辐射压力传递给微量压力传感器6；怀特池结构多反射光学腔镜10，怀特池结构多反射光学腔镜11组成怀特池结构多次反射光学腔，分别固定于安装负载8、安装负载9上；激光光束12以入射角θ进入怀特池结构多反射光学腔0、怀特池结构多反射光学腔用于实现激光束多次反射后输出。
其中，怀特池结构多反射光学腔镜10及怀特池结构多反射光学腔镜11腔内表面为适应不同波长的反射采用布拉格反射膜层或镀金反射镜；
高反射率反射膜层包括布拉格反射膜层或镀金反射层，根据工作场景不同选择不同的反射膜层，一是，对特定波长进行测量时采用高反射率分布式布拉格反射镜，二是，适用于宽波段测量时采用铜底镀金反射镜。分布式布拉格反射镜是采用GaAs/AlGaAs晶片材料制作的高反射率反射镜。镜面直径约为76mm，厚度约为625μm，反射率谱的可用带宽为+/-20nm。布拉格反射镜的结构如图2所示。
分布式布拉格反射镜是由高、低折射率材料交替排列组成的高反射膜系。所谓“分布式”，一方面指的是DBR只对一个特定波段内的光有高反射率，而对其他波长的光反射率很低；另一方面指的是反射率逐层反射叠加。由于频率落在能隙范围内的电磁波无法穿透，布拉格反射镜对特定波段的反射率可达99.99％以上。
当需要对较宽的谱段进行测量时选择铜底镀金反射镜，金属反射镜在很宽的波段内均有较高的反射率，并且是单一平面反射，并且易于加工制作，成本较低。
微量压力传感器6，采用高精度电磁力平衡结构传感器，在50mN的量程范围可实现100nN的分辨率。激光光束12入射于怀特池结构多反射光学腔10及怀特池结构多反射光学腔镜11的镜面，入射光轴分别与怀特池结构多反射光学腔镜10及怀特池结构多反射光学腔镜11法线夹角为θ，入射光分别在怀特池结构多反射光学腔镜10及怀特池结构多反射光学腔镜11腔内多次反射，在镜面上产生的辐射压力通过天平力臂7进行杠杆放大，通过微量压力传感器6进行辐射压力测量，实现激光功率(小于100W)测量。
实施例二
在上述实施例的基础上，本发明还提出了一种基于辐射压力的激光功率测量方法，本发明同时提出了针对微量压力传感器的高精度溯源方法，包括以下步骤：
步骤一：计算激光功率与施加到反射镜上作用力关系，具体如下：
(1)基于辐射压力测量激光功率的原理
根据爱因斯坦光子理论，当激光光束以一定角度入射到辐射压力功率计的反射镜上，由于光的粒子特性，每个光子的动量经反射镜反射后发生了变化，根据动量守恒定律，将有对应动量传递到反射镜上，由此给反射镜施加一个和反射镜法线方向相反的力，即为光束对镜面的辐射压力。如果对应光子的能量为E，该光子动量其中c是光速。
根据功率与能量之间的关系，入射光功率P是单位时间t的光子能量流E：
P＝E/t (1)
则由光束反射施加到镜子上的作用力为：
P是入射光功率，θ是激光光束的入射角，由公式(1)、(2)推导，得到光功率的表达式：
P＝cF/2r cos(θ) (3)
其中，r＝R+(1-R)α/2，表示反射镜吸收光子的动量和反射光子的动量，R是镜面反射率，α是镜面吸收的非反射光的比例。经过N次反射后，激光功率与施加到反射镜上作用力关系为：
根据测量激光功率的大小，设计反射次数为N的怀特池结构多反射光学腔，得到辐射压力F与激光功率P之间的确定关系，实现激光功率的高精度测量。
步骤二：微量压力传感器定标
步骤二：将微量压力传感器的定标分为两部分，步骤201：利用标准砝码对其进行绝对定标；步骤202：通过施加磁补偿力的方法实现微量压力传感器水平-垂直方向一致性定标。
首先，压力传感器的绝对定标包括时间常数、分辨率、准确性和线性度等参数。通过测量压力传感器从施加力到达到最终平衡值的上升时间，得到压力传感器的时间常数。压力传感器准确性和线性度是采用在垂直方向施加200μg、300μg、500μg、1mg、50mg的标准砝码进行定标，进而验证压力传感器100nN的分辨率。
由于在激光功率测量时，激光束通常沿入射角θ进入，即压力传感器在水平方向也同样受力，需要验证压力传感器在水平和垂直方向对施加压力的标度是相同的，但压力传感器水平方向的压力施加比较困难，难以做到精确控制。为验证压力传感器在水平和垂直方向对施加压力的标度是相同的，设计采用小磁钢圆筒代替压力传感器上的反射镜，并在几毫米外安装了一个电线圈，为压力传感器提供可变的磁力。采用施加磁补偿力在压力传感器前端的小磁钢筒上，通过控制电磁线圈的电流，实现加载在压力传感器上磁补偿力的精确控制，，统计水平方向和垂直方向力的标准偏差，得到传感器在水平—垂直方向受力一致性的高精度定标。
该方案的优点是不需要知道电流和合力之间的比例系数，只需要测量相对力在水平方向和垂直方向之间的变化，测量方法简单、易于操作。本发明：1、提出了基于多次反射进行激光功率测量的计算方法，设计采用怀特池结构多反射光学腔，光学腔反射膜层选用分布式布拉格反射膜或铜底镀金反射膜层；被测光束在反射镜上产生辐射压力进行有效放大，通过微量压力传感器实现基于辐射压力的快速、在线高精度激光功率测量；2、基于本发明所设计的激光功率测量装置，提出了一种针对微量压力传感器参数的溯源定标方法，微量压力传感器水平-垂直方向定标采用施加磁补偿力的方案。3、基于多次反射的辐射压力功率计的整体结构方案。
与现有技术方案相比，本发明的优点在于：1、本发明在结构设计方面提出了设计怀特池结构多次反射光学腔，在被测激光功率不增大的情况下，通过光束在反射镜上的多次反射，实现被测光束在反射镜上产生辐射压力的有效放大；设计杠杆式微量压力测量天平，通过杠杆原理实现被测光辐射压力的有效放大，便于微量压力传感器进行高精度测量。2、本发明在激光功率的溯源方面，基于本发明所设计的辐射压力功率计结构，提出了一种通过施加磁补偿力的方法，对微量压力传感器水平-垂直方向力进行高精度定标。
需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于辐射压力的激光功率测量装置，其特征在于，包括支撑板，第一机械支架，第二机械支架，第一微量压力传感器天平，第二微量压力传感器天平，微量压力传感器，天平力臂，第一安装负载，第二安装负载，第一怀特池结构多反射光学腔镜，第二怀特池结构多反射光学腔镜，激光光束；所述支撑板为固定装置，用于为辐射压力功率计提供固定支撑；第一机械支架、第二机械支架安装于支撑板上，分别用于固定第一微量压力传感器天平、第二微量压力传感器天平；微量压力传感器安装在第二微量压力传感器天平上，实现辐射压力的测量；第一安装负载、第二安装负载分别固定在第一微量压力传感器天平及第二微量压力传感器天平上，用于安装固定第一怀特池结构多反射光学腔镜及第二怀特池结构多反射光学腔镜；天平力臂位于第二微量压力传感器天平内，用于将辐射压力传递给微量压力传感器；第一怀特池结构多反射光学腔镜、第二怀特池结构多反射光学腔镜组成怀特池结构多次反射光学腔，分别固定于第一安装负载、第二安装负载上；激光光束以入射角θ进入第一怀特池结构多反射光学腔、第二怀特池结构多反射光学腔，用于实现激光束多次反射后输出；所述第一怀特池结构多反射光学腔镜及第二怀特池结构多反射光学腔镜为布拉格反射膜层或镀金反射镜；所述布拉格反射膜层或镀金反射层是指，当对特定波长进行测量时采用高反射率分布式布拉格反射镜；或当适用于宽波段测量时采用铜底镀金反射镜；所述分布式布拉格反射镜是采用GaAs/AlGaAs晶片材料制作的高反射率反射镜镜面直径约为76mm，厚度约为625μm，反射率谱的带宽为+/-20nm；所述微量压力传感器，采用高精度电磁力平衡结构传感器，在50mN的量程范围可实现100nN的分辨率；激光光束入射于第一怀特池结构多反射光学腔及第二怀特池结构多反射光学腔镜的镜面，入射光轴分别与第一怀特池结构多反射光学腔镜及第二怀特池结构多反射光学腔镜法线夹角为θ，入射光分别在第一怀特池结构多反射光学腔镜及第二怀特池结构多反射光学腔镜腔内多次反射，在镜面上产生的辐射压力通过天平力臂进行杠杆放大，通过微量压力传感器进行辐射压力测量，实现激光功率测量。
2.一种基于辐射压力的激光功率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：计算激光功率与施加到反射镜上作用力关系，具体如下：
设置对应光子的能量为E，该光子动量其中c是光速；
根据功率与能量之间的关系，入射光功率P是单位时间t的光子能量流E：
P＝E/t (1)
则由光束反射施加到镜子上的作用力为：
P是入射光功率，θ是激光光束的入射角，由公式(1)、(2)推导，得到光功率的表达式：
P＝cF/2rcos(θ) (3)
其中，r＝R+(1-R)α/2，表示反射镜吸收光子的动量和反射光子的动量，R是镜面反射率，α是镜面吸收的非反射光的比例；经过N次反射后，激光功率与施加到反射镜上作用力关系为:
根据测量激光功率的大小，设计反射次数为N的怀特池结构多反射光学腔，得到辐射压力F与激光功率P之间的确定关系，实现激光功率的高精度测量；
步骤二：将微量压力传感器定标；
步骤201：将微量压力传感器利用标准砝码对其进行绝对定标；
通过测量压力传感器从施加力到达到最终平衡值的上升时间，得到压力传感器的时间常数；压力传感器准确性和线性度是采用在垂直方向施加200μg、300μg、500μg、1mg、50mg的标准砝码进行定标，进而验证压力传感器100nN的分辨率；
步骤202：通过施加磁补偿力的方法实现微量压力传感器水平-垂直方向一致性定标；所述步骤202的具体步骤为：采用小磁钢圆筒代替压力传感器上的反射镜，并在几毫米外安装了一个电线圈，采用施加磁补偿力在压力传感器前端的小磁钢筒上，通过控制电磁线圈的电流，实现加载在压力传感器上磁补偿力的精确控制，开展压力传感器水平-垂直方向标度定标。
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| CN114323273B (zh) * | 2021-12-06 | 2024-06-25 | 中国计量科学研究院 | 一种基于多重反射的光压测量装置及方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102322951A (zh) * | 2011-08-15 | 2012-01-18 | 西北核技术研究所 | 基于光压原理测量高能激光能量参数的方法和装置 |
| CN208399009U (zh) * | 2018-06-15 | 2019-01-18 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种基于光力效应的高精度激光功率计 |
| CN112834029A (zh) * | 2021-02-01 | 2021-05-25 | 中国计量科学研究院 | 基于多次反射结构的高功率激光功率测量系统 |
-
2021
- 2021-07-21 CN CN202110825407.8A patent/CN113566959B/zh active Active
Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
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