CN114152334B - 高能量激光能量计溯源系统及校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高能量激光能量计溯源系统，包含低温辐射计校准硅陷阱探测器装置、大功率激光功率计校准装置和高能量激光能量计校准装置，低温辐射计校准硅陷阱探测器装置包含第一激光器、激光稳功率系统、快门、电动平移台、低温辐射计依次放置在光学平台上；所述大功率激光功率计校准装置包含调谐激光器、激光稳功率仪和大动态范围激光功率计，所述高能量激光能量计校准装置包含大功率光纤激光器、脉冲时间测量单元、大动态范围激光功率计。本发明将硅陷阱探测器溯源至低温辐射计；将大动态范围激光功率计溯源至硅陷阱探测器；将高能量激光能量计溯源至大动态范围激光功率计，最终达到将高能量激光能量计溯源至低温辐射计的目的。
Description
技术领域
本发明涉及高能量激光能量计溯源系统及校准方法，属于激光领域。
背景技术
激光技术作为一种前沿高科技在国防军工中具有重要应用，如：激光武器、激光制导和激光干扰等。激光能量的精密测量是评价激光器品质和激光器研究水平的一项重要指标。激光能量计是用来测量激光能量的重要手段，因此激光能量计的溯源受到国内外计量部门的高度重视。国内中国计量科学研究院(NIM)、西安应用光学研究所，国外美国国家标准与技术研究院(NIST)、德国物理技术研究院(NIM)等单位都建立了相应的激光能量计检定/校准装置。
中小能量的激光能量计溯源通常采用标准激光源法，或者是将其与标准激光能量计进行对比的分束比法。标准激光源法是用一台稳定性好，精度高的激光器作为标准，用被测激光能量计直接测量该激光器输出的能量进行标定，该方法实现起来较为容易，但是受器件工艺的限制，激光器稳定性和精度很难达到量传要求，所以该方法只适合精度较低的激光能量计标定。分束比法是将激光器输出光束通过分束镜分为两路，其中一路到监视激光能量计，另一路到标准激光能量计，通过两路激光能量计测得的能量比值，计算出分束比。然后，保持分束镜和监视激光能量计位置不动，用被标定能量计代替标准能量计，在同一位置进行测量，用标准能量计和被标定能量计同时测量激光辐射能量，被标定能量计能量值等于标准能量计能量值乘以分束比。因为在整个测试过程中，激光分束镜和监视能量计位置保持不动，分束镜的分束比不会随时间变化，因此，分束比可以作为标准值进行传递。该方法解决了激光器随时间的漂移问题，提高了测量的准确性，而且标准激光能量计和监视激光能量计都能溯源至中国计量科学研究院的电替代标准能量计上，可以达到较高精度，因此，大多数激光能量计检定/校准装置都是采用该种方法建立激光能量计量标准。
随着激光技术的快速发展和武器装备的发展需求，激光能量越来越高，现阶段我国激光能量溯源需求高达103J量级，而高能激光能量计既没有一个稳定的激光光源作为标准，传统的分束比法又无法对大于100J激光能量进行溯源，高能量激光能量计的溯源遇到了瓶颈。因此，发明一种高能量激光能量计溯源方法成为高能量激光能量计检定/校准迫切需要解决的问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种高能量激光能量计溯源系统及校准方法，利用低温辐射计校准硅陷阱探测器装置，将硅陷阱探测器溯源至低温辐射计；然后，利用大功率激光功率校准装置，将大动态范围激光功率计溯源至硅陷阱探测器；最后，利用高能量激光能量计校准装置，将高能量激光能量计溯源至大动态范围激光功率计，最终达到将高能量激光能量计溯源至低温辐射计的目的。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种高能量激光能量计溯源系统，包含第一激光器、低温辐射计校准硅陷阱探测器装置、大功率激光功率计校准装置和高能量激光能量计校准装置，所述第一激光器、激光稳功率系统、快门、光阑、电动平移台、低温辐射计、硅陷阱探测器依次放置在光学平台上，第一激光器发出的激光束经过激光稳功率系统后形成稳定性优于0.01％/1h的激光，该激光束经快门、光阑调制后，先由低温辐射计接收，数据采集系统采集低温辐射计输出功率值，计算机控制电动平移台，把低温辐射计移出光路，把硅陷阱探测器移入光路，硅陷阱探测器探测到的光信号经I/V转换器，采集卡后为电压信号，由数字万用表测量该电压值，由计算机软件计算比较各自对应的信号值，得到硅陷阱探测器光谱响应度，完成硅陷阱探测器的校准；
所述大功率激光功率计校准装置包含调谐激光器、激光稳功率仪和大动态范围激光功率计，所述调谐激光器发出的激光束经过激光稳功率仪后形成稳定性优于0.1％/1h的激光，将调谐激光器的功率调整到1mW±10W，利用硅陷阱探测器测量激光功率P，并。数据采集与控制系统控制电动平移台把硅陷阱探测器移出光路，把大动态范围激光功率计移入光路，用同一个激光功率P对大动态范围激光功率计进行校准，并控制高精度采集卡采集硅陷阱探测器和大动态范围激光功率计探测到的功率值；
所述高能量激光能量计校准装置包含大功率光纤激光器、脉冲时间测量单元、大动态范围激光功率计，所述脉冲时间测量单元包含InGaAs探测器和数字示波器，大功率光纤激光器发出的激光进入到校准过的大动态范围激光功率计，数据采集与控制系统采集大动态范围激光功率计的数值，保证大动态范围激光功率计状态不变，数据采集与控制系统控制电动平移台平移，将被测高能量激光能量计移入到光路中，将InGaAs探测器放在大动态范围激光功率计前，InGaAs探测器与数字示波器相连。
作为优选，所述第一激光器为632nm激光器。
作为优选，所述可调谐激光器为1064nm激光器，最大功率为10mW。
作为优选，所述动态范围激光功率计为直径为1000mm的积分球功率计，积分球内壁上均匀喷涂聚四氟乙烯粉末。
一种上述的高能量激光能量计溯源系统的使用方法，包含以下步骤：
第一步：低温辐射计校准硅陷阱探测器
将激光器、激光稳功率系统、快门、光阑、电动平移台、低温辐射计、硅陷阱探测器依次放置在光学平台上，激光器发出的激光束经过激光稳功率系统后形成稳定性优于0.01％/1h的激光，该激光束经快门、光阑调制后，先由低温辐射计接收，数据采集系统采集低温辐射计输出功率值，计算机控制电动平移台，把低温辐射计移出光路，把硅陷阱探测器移入光路，硅陷阱探测器探测到的光信号经I/V转换器，采集卡后为电压信号，由数字万用表测量该电压值，由计算机计算比较各自对应的信号值，得到硅陷阱探测器光谱响应度，完成硅陷阱探测器的校准；
第二步：搭建大功率激光功率计校准装置
将调谐激光器、激光稳功率仪、硅陷阱探测器、大动态范围激光功率计、电动平移台依次放置在光学平台上，调谐激光器发出的激光束经过激光稳功率仪后形成稳定性优于0.1％/1h的激光，将激光功率调整到1mW左右，使激光功率处于硅陷阱探测器的上限和大动态范围激光功率计的下限，利用硅陷阱探测器测量激光功率P，并用同一个激光功率P对大动态范围激光功率计进行校准，数据采集与控制系统控制电动平移台把硅陷阱探测器移出光路，把大动态范围激光功率计移入光路，并控制高精度采集卡采集硅陷阱探测器和大动态范围激光功率计探测到的功率值，计算激光功率计的修正值，实现对大动态范围激光功率计的校准；
第三步：搭建大能量激光能量计校准装置
将大功率光纤激光器、脉冲时间测量单元、大动态范围激光功率计、被测高能量激光能量计、电动平移台依次放置在光学平台上，利用第二步校准过的大动态范围激光功率计测量大功率光纤激光器的功率P1，保证大功率光纤激光器的状态不变，数据采集与控制系统控制电动平移台把高能量激光能量计移入光路中，将InGaAs探测器放在激光能量计前，并探测到激光入射到激光能量计后的散射光的位置，并与数字示波器相连，将数字示波器调至合适的量程，保证测量时峰值不饱和，测量出光时间，打开激光器控制激光器出光时间，并利用数字示波器测量出光时间t，此时大能量激光能量计接收到的激光能量为E＝P1×t，记录大能量激光能量计的读数E1，能量计的修正系数k＝E/E1，重复第三步测量6次，利用6次的平均值作为该能量点的修正系数，利用贝塞尔公式计算得到该能量点的修正系数重复性，实现对高能量激光能量计的校准。
目前激光能量计溯源多为电替代法，电替代法需要针对溯源要求研制特制的能量计，而且光电不等效系数无法估计，需要多家单位进行比对，牵扯单位多、操作繁琐，要求高。且多用作中小激光能量溯源。本专利采用逐步溯源方法将超大激光能量溯源至激光功率基准低温辐射计，溯源链简单明了，操作简单，同时解决了超大激光能量的溯源问题。
有益效果：本发明的高能量激光能量计溯源系统，低温辐射计(Urel＝0.01％(k＝2)，0.5mW)是国际公认的光辐射标准，量传到陷阱探测器(1.064μm，Urel＝0.05％(k＝2)，0.1mW～5mW)，陷阱探测器通过大功率激光功率计校准装置量传到大激光功率计(1.064μm,Urel＝0.25％(k＝2)，P＝200mW)，大激光功率通过高能量激光能量计校准装置，量传到高能量激光能量计(1.064μm,Urel＝1％(k＝2)，E＝3000J)。
附图说明
图1为本发明中低温辐射计校准硅陷阱探测器装置的原理示意图。
图2为本发明中大功率激光功率计校准装置的原理示意图。
图3为本发明中高能量激光能量计校准装置的原理示意图。
1.第一激光器，2.激光稳功率系统，3.快门，4.光阑，5.电动平移台，6.低温辐射计，7.数据采集系统，8.硅陷阱探测器，9.I/V转换器，10.采集卡、11.数字电压表，12.计算机，13.调谐激光器，14.激光稳功率仪，15.大动态范围激光功率计，16.数据采集与控制系统，17.大功率光纤激光器，18.脉冲时间测量单元，19.被测高能量激光能量计，20.数据采集与控制系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1至图3所示，本发明提供的大能量激光能量计校准的方法包括以下步骤：
第一步：低温辐射计校准硅陷阱探测器
将氩离子激光器1、激光稳功率系统2、快门3、光阑4、电动平移台5、低温辐射计6、硅陷阱探测器8依次放置在光学平台上，氩离子激光器发出的激光束经过激光稳功率系统后形成稳定性优于0.01％/1h的激光，该激光束经快门、光阑调制后，先由低温辐射计接收，数据采集系统7采集低温辐射计输出功率值，然后，计算机控制电动平移台，把低温辐射计移出光路，把硅陷阱探测器移入光路，硅陷阱探测器探测到的光信号经I/V转换器9，采集卡10后为电压信号，由数字万用表11测量该电压值，由计算机12软件计算比较各自对应的信号值，得到硅陷阱探测器光谱响应度，完成硅陷阱探测器的校准，经校准后的激光功率陷阱探测器功率范围：0.1mW～5mW,Urel＝0.05％(k＝2)。
第二步：搭建大功率激光功率计校准装置
将调谐激光器13、激光稳功率仪14、硅陷阱探测器15、大动态范围激光功率计9、电动平移台5依次放置在光学平台上，调谐激光器发出的激光束经过激光稳功率仪后形成稳定性优于0.1％/1h的激光。将激光功率调整到1mW左右，使激光功率处于硅陷阱探测器的上限和大动态范围激光功率计的下限。利用硅陷阱探测器测量激光功率P，并用同一个激光功率P对大动态范围激光功率计进行校准。数据采集与控制系统16控制电动平移台把硅陷阱探测器移出光路，把大动态范围激光功率计移入光路，并控制高精度采集卡采集硅陷阱探测器和大动态范围激光功率计探测到的功率值，计算激光功率计的修正值，实现对大动态范围激光功率计的校准，经校准后的大动态范围激光功率计P＝200mW,Urel＝0.05％(k＝2)。
第三步：搭建大能量激光能量计校准装置
将大功率光纤激光器17、脉冲时间测量单元18(由InGaAs探测器和数字示波器)、大动态范围激光功率计15、被测高能量激光能量计19、电动平移台5依次放置在光学平台上。利用第二步校准过的激光功率计测量大功率光纤激光器的功率P1(本实施例用激光器为波长1080nm，功率30000W)，保证大功率光纤激光器的状态不变，数据采集与控制系统20控制电动平移台把高能量激光能量计移入光路中，将InGaAs探测器放在激光能量计前，并可以探测到激光入射到激光能量计后的散射光的位置，并与数字示波器相连。将数字示波器调至合适的量程，保证测量时峰值不饱和，出光时间可以测量。打开激光器控制激光器出光时间，并利用数字示波器测量出光时间t(本实施例测量时间为100ms)，此时大能量激光能量计接收到的激光能量为E＝P1×t(本实施例能量E＝30000×100/1000＝3000J)。记录大能量激光能量计的读数E1(本实施例所用能量计测量结果为2800J)，能量计的修正系数k＝E/E1(本实施例修正系数为k＝3000/2800＝1.071)。重复测量6次，利用6次的平均值作为该能量点的修正系数，利用贝塞尔公式计算得到该能量点的修正系数重复性，实现对高能量激光能量计的校准。可校准的高能量激光能量计Urel＝1％(k＝2)，E＝3000J。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种高能量激光能量计溯源系统，其特征在于：包含低温辐射计校准硅陷阱探测器装置、大功率激光功率计校准装置和高能量激光能量计校准装置，所述低温辐射计校准硅陷阱探测器装置包含第一激光器、激光稳功率系统、快门、光阑、电动平移台、低温辐射计、硅陷阱探测器，所述第一激光器、激光稳功率系统、快门、光阑、电动平移台、低温辐射计、硅陷阱探测器依次放置在光学平台上，第一激光器发出的激光束经过激光稳功率系统后形成稳定性优于0.01%/1h的激光，该激光束经快门、光阑调制后，先由低温辐射计接收，数据采集系统采集低温辐射计输出功率值，计算机控制电动平移台，把低温辐射计移出光路，把硅陷阱探测器移入光路，硅陷阱探测器探测到的光信号经I/V转换器，采集卡后为电压信号，由数字万用表测量该电压值，由计算机软件计算比较各自对应的信号值，得到硅陷阱探测器光谱响应度，完成硅陷阱探测器的校准；
所述大功率激光功率计校准装置包含调谐激光器、激光稳功率仪和大动态范围激光功率计，所述调谐激光器发出的激光束经过激光稳功率仪后形成稳定性优于0.1%/1h的激光，将调谐激光器的功率调整到1mW±10W，利用硅陷阱探测器测量激光功率P，数据采集与控制系统控制电动平移台把硅陷阱探测器移出光路，把大动态范围激光功率计移入光路，用同一个激光功率P对大动态范围激光功率计进行校准，并控制高精度采集卡采集硅陷阱探测器和大动态范围激光功率计探测到的功率值；
所述高能量激光能量计校准装置包含大功率光纤激光器、脉冲时间测量单元、大动态范围激光功率计，所述脉冲时间测量单元包含InGaAs探测器和数字示波器，大功率光纤激光器发出的激光进入到校准过的大动态范围激光功率计，数据采集与控制系统采集大动态范围激光功率计的数值，保证大动态范围激光功率计状态不变，数据采集与控制系统控制电动平移台平移，将被测高能量激光能量计移入到光路中，将InGaAs探测器放在大动态范围激光功率计前，InGaAs探测器与数字示波器相连。
2.根据权利要求1所述的高能量激光能量计溯源系统，其特征在于：所述第一激光器为632nm激光器。
3.根据权利要求1所述的高能量激光能量计溯源系统，其特征在于：所述调谐激光器为1064nm激光器，最大功率为10mW。
4.根据权利要求1所述的高能量激光能量计溯源系统，其特征在于：所述动态范围激光功率计为直径为1000mm的积分球功率计，积分球内壁上均匀喷涂聚四氟乙烯粉末。
5.一种如权利要求1至4任一项所述的高能量激光能量计溯源系统的校准方法，其特征在于，包含以下步骤：
第一步：低温辐射计校准硅陷阱探测器
将激光器、激光稳功率系统、快门、光阑、电动平移台、低温辐射计、硅陷阱探测器依次放置在光学平台上，激光器发出的激光束经过激光稳功率系统后形成稳定性优于0.01%/1h的激光，该激光束经快门、光阑调制后，先由低温辐射计接收，数据采集系统采集低温辐射计输出功率值，计算机控制电动平移台，把低温辐射计移出光路，把硅陷阱探测器移入光路，硅陷阱探测器探测到的光信号经I/V转换器，采集卡后为电压信号，由数字万用表测量该电压值，由计算机计算比较各自对应的信号值，得到硅陷阱探测器光谱响应度，完成硅陷阱探测器的校准；
第二步：搭建大功率激光功率计校准装置
将调谐激光器、激光稳功率仪、硅陷阱探测器、大动态范围激光功率计、电动平移台依次放置在光学平台上，调谐激光器发出的激光束经过激光稳功率仪后形成稳定性优于0.1%/1h的激光，将激光功率调整到1mW左右，使激光功率处于硅陷阱探测器的上限和大动态范围激光功率计的下限，利用硅陷阱探测器测量激光功率P，并用同一个激光功率P对大动态范围激光功率计进行校准，数据采集与控制系统控制电动平移台把硅陷阱探测器移出光路，把大动态范围激光功率计移入光路，并控制高精度采集卡采集硅陷阱探测器和大动态范围激光功率计探测到的功率值，计算激光功率计的修正值，实现对大动态范围激光功率计的校准；
第三步：搭建大能量激光能量计校准装置
将大功率光纤激光器、脉冲时间测量单元、大动态范围激光功率计、被测高能量激光能量计、电动平移台依次放置在光学平台上，利用第二步校准过的大动态范围激光功率计测量大功率光纤激光器的功率P 1，保证大功率光纤激光器的状态不变，数据采集与控制系统控制电动平移台把高能量激光能量计移入光路中，将InGaAs探测器放在激光能量计前，并探测到激光入射到激光能量计后的散射光的位置，并与数字示波器相连，将数字示波器调至合适的量程，保证测量时峰值不饱和，测量出光时间，打开激光器控制激光器出光时间，并利用数字示波器测量出光时间t，此时大能量激光能量计接收到的激光能量为E=P 1×t，记录大能量激光能量计的读数E 1，能量计的修正系数k=E/E 1重复第三步测量6次，利用6次的平均值作为该能量点的修正系数，利用贝塞尔公式计算得到该能量点的修正系数重复性，实现对高能量激光能量计的校准。
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2021
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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