CN86105736B - 一种脉冲激光功率标定仪器 - Google Patents

Abstract

本发明是由激光光源（１）、衰减系统（２）、监控系统（３）组成、能在１０^-3～１０^-7Ｗ的范围内建立脉冲激光功率标准。特别适用于微弱光强度的标定。在１０^-7Ｗ量级范围内。误差小于１５％，按分贝衰减量线性叠加的原理，本系统的标定量可以外延到小于１０^-7激光领域。本发明的核心是楔形衰减器，其入射光与出射光同轴，并同时给出监测能量与脉宽的光信号，成为多用途的衰减监测头，能承受强激光功率，宽波段响应。

Description

一种脉冲激光功率标定仪器

本发明是一种标准的峰值功率可变的微弱激光光源，适用于在10^-210^-7宽度范围内建立脉冲激光功率的标准，特别适用于微弱光强度的标定。

目前国内外尚无较成熟的和定量的标定方法。现有的衰减器中如：J.P.5419763光衰减器及J.P.56161501光可变衰减器，是由两片半反镜，两个光电探测器，一个起偏镜，一个检偏镜，液晶及液晶供电电路，反馈控制电路构成。其结构复杂，成本高;在高能量下，有吸收饱和、使遮光材料脱落、烧坏等问题，因此不能做大功率能量下的衰减器，且其入射光是自然光，衰减后的光束是偏振光，改变了原光束结构。

本发明的目的是，建立很宽范围内的光能量与功率的标准，以较高精度实现对微弱光能量、功率的标定。

图1是标定仪器的装置简图：1是光源，2是衰减系统，3是监控系统，

图2是楔形衰减器的组成图〈＆＆〉，是光楔Ⅰ，2a₂是光楔Ⅱ，2a₃是斜方棱镜。

图3是光楔的光路图，

图4是差值（I_s-I_p）与入射角P的关系曲线图，

图5是楔形衰减器的光路图。

本发明是由光源（1），衰减系统（2），监控系统（3）三部分组成。光源（1）是采用中、小功率固体调Q激光器;衰减系统（2）由楔形衰减器（2a）、阶梯衰减器（2b）及可变衰减器（2c）组成;监控系统（3）由脉宽监测装置（3a）及能量监测装置（3b）组成。

结合附图介绍本标定仪器的工作原理

〈＆＆〉为了精确地给出激光器输出的功率值，必须对每次发出光脉冲的能量和脉宽进行监测，我们把监测能量装置及监测脉宽装置总称为监控系统，为了能给出10^-7W的标准峰值功率这个最小量值，必须将激光器发出的兆瓦级功率衰减到零点几微瓦，这需要一个最大衰减量达130分贝的衰减系统，其中至少100～130分贝之间连续可变，以保证微功率计的30分贝的动态范围。这样，由激光器发出的激光脉冲，经衰减系统与监控系统的处理即可达到标定的要求。本发明是以1.06μm波长的激光为基础，也适用于其它波长的光。

为了实现衰减量130db，且至少在100～130db之间连续可变，采用三级衰减：

1.第一级为楔形衰减器：见图2，除了要求它达到一定的衰减量（60分贝左右），还要求其入射光与出射光同轴，外形尺寸小以及偏振态对衰减量的影响小等，为了满足这些要求，采用两块相同的光楔（2a₁）（2a₂），相应放置（对于同级光，其对光楔（2a₁）的入射角≡对光楔（2a₂）的入射角，若取奇数同级光，两光楔楔角对向放置，若取偶数同级光，两光楔楔角同向放置），以使入射、出射光同向，在其后采用一块斜方棱镜（2a₃）平移光轴，以实现入射、出射光轴的重合。它的衰减量是固定不变的，其破坏阈值较高，故将它作为衰减系统的第一级。

楔形衰减器的光楔是一个顶角A很小（3°±0.1°）的棱镜，见图3，来自光源的一束光，投射到光楔表面，产生反射和折射，进入光楔的光束在光楔的两个内表面之间往返连续进行反射，光楔内部的光束每投射到光楔内表面一次，就有一束光透射出去，投射次数愈多，出射的光强愈弱。现将光束在光楔内表面投射的次数用级来表示，每级的光强均可用菲涅耳公式计算出来，与光楔材料、楔角A、入射角B有关。光楔的各级分束光，都可以用作衰减光束。

1）楔角A：综合考虑对外形尺寸及对不同偏振态光的衰减量的影响，取楔角A＝3°±0.1°

2）最佳入射角：入射角B取最佳角度时，入射激光脉冲的垂直偏振分量的衰减与平行偏振分量的衰减相差最小，可利用菲涅耳公式求出最佳入射角：

入射光垂直分量的折射率与反射率：

入射光平行分量的折射率与反射率

式中：T_sn、R_sn为光束垂直分量第n次折射率、反射率，T_pn、R_pn为光束平行分量第n次折射率、反射率，i_n、t_n为光束第n次入射角、反射角。由图3，i_n与t_n角度的大小用折射与反射定律容易求得。

当i角很小时，同侧两相邻光束的夹角为2NA，其中N为折射率，A为楔角。

第3级出射光束中垂直分量的光强：

I_s＝1/2T_s0·R_s1·R_s2·T_s3

平行分量光强

I_p＝1/2T_p0·R_p1·R_p2·T_p3

I_总＝I_s+I_p

当（I_s-I_p）为最小值，材料选K₉，楔角为3°±0.1°时，求得第3级光的最佳入射角为-6.5°±0.5°，计算结果见表I，曲线如图4，计算各级光强衰减量见表Ⅱ，

表Ⅰ

表Ⅱ

计算结果表明，若入射激光是无规则偏光时，第3级总衰减量为28.15分贝，而入射光偏振度40%时，衰减量为27.77分贝，两者相对误差为1.36%，这表明在最佳入射角情况下衰减量受偏振态影响不大。

不同楔角、不同级次光束对应的最佳入射角是不同的，结果见表Ⅲ，表Ⅳ。

表Ⅲ

表Ⅳ

计算中，如楔角及最佳入射角有微量变化（如楔角变化0.1°，最佳入射角变化0.1°）时，其各自引起的相对衰减误差不大，均不大于0.5%，这对加工与装调工作带来了很大的方便。

在楔形衰减器中，取第一块光楔的0级光束为能量监测，取第二块光楔的1级光束作为脉宽监测，整个楔形衰减器的光路图见图5，图中：1-入射光线 2a₁-第一块光楔

2a₂-第二块光楔 2a₃-斜方棱镜

3-第一块光楔0级光线

4-第一块光楔3级光线

5-第二块光楔1级光线

6-第二块光楔3级光线

2.阶梯衰减器，

通过楔形衰减器后的激光脉冲，其能量（功率）已被衰减了60分贝左右，在低强度的条件下，可选用中性密度滤光片，这种滤光片的透过率在很宽的光谱范围内是相同的，即呈现中性。

中性密度片的特性通常用光密度来表示，光密度的定义是

式中：D-光密度，I₀-入射光强度，

I_T-透射光强度，

N＝10

N-分贝数

为适应衰减量从0-60分贝（相当于光密度为0-6）内分6个阶梯以10db递减的要求，选用吸收型玻璃材料AB₆、AB₈、AB₉三种，它们对1.06μ左右波长的激光吸收率比较高。滤光片厚度的计算公式为：

式中：E-厚度为一毫米时玻璃材料的光学密度值

D_r-玻璃两表面的反射修正系数

ρ-反射率

D_B-要求衰减的分贝数

L-滤光片的厚度

计算结果见表Ⅴ

表Ⅴ

由表看出：AB₆、AB₈、AB₉分别对应于衰减量为10db，20db，30db，这种阶梯衰减器主要是依靠吸收和少量的反射进行衰减，衰减量是由玻璃材料的透过率和厚度决定，加工方便，价格便宜，但当能量太大时会产生“漂白”效应，故适用于衰减系统的第二级。

3.第三级是可变衰减器，由两块完全相同反向转动的变密度盘组成，每个盘的表面都镀有镍铬合金膜，膜厚沿圆周呈线性变化，膜厚不同衰减量也不同。采用两块是使出入射光轴平行，改变两块密度盘的相对位置可以得到不同的衰减量，但不能承受较高的能量，故适用于第三级。

由楔形衰减器，阶梯衰减器和可变衰减器共同组成的整个衰减系统，它的总衰减量为N，

N＝N₁+N₂+N₃

其中N₁，N₂，N₃，分别为楔形衰减器，中性密度滤光片，可变密度衰减器的衰减量。衰减量的具体分配是，N₁为60分贝左右，N₂为0～60分贝之间以10分贝为单位阶梯可变，N₃为0～10分贝之间连续可变。

这样构成的衰减系统，能够准确，方便地给出不同低功率的标准激光脉冲。

本发明的优点是：

1.利用光楔分束的原理对能量进行衰减，由于吸收损耗很小，因此受热很小。

2.无膜层，其破坏阈值很高，达10¹⁰J/cm²左右，故能承受高的能量与功率。

3.衰减能力强，衰减量可达130分贝。

4.精度高，在10^-7W量级范围内，误差＜15%。

5.标定的范围宽度为10^-2～10^-7W。

6.适用于很宽的波段，超出0.53μm～1.06μm的范围。

7.原理简单，易实现，成本低。

实施例：

光源（1）采用中、小功率的Nd：yAG固体调Q激光器，输出能量20毫焦耳左右，脉宽10～15毫微秒。见图5，楔形衰减器（2a）采用楔角A＝3°±0.1°的两块光楔（2a₁）、（2a₂）和一个入射面为10mm²+0.1mm²的斜方棱镜（2a₃）构成。入射光（1）以-6.5°±0.5°的入射角入射到第一块光楔（2a₁）的表面上，取其第3级分束光（4）仍以-6.5°±0.5°的入射角入射，作为第二块光楔（2a₂）的入射光线，再取其第3级分束光（6）进入斜方棱镜（2a₃），其出射光线与入射光线同轴。取进入第一块光楔（2a₁）的0级光（3）作为能量监测光信号，取第二块光楔（2a₂）的1级光（5）作为脉宽监测光信号。采用LPE-1微能量计作为能量监测装置（3b），用高精度、宽频带示波器加上响应时间快的光电探测头作为脉宽监测装置（3a）。

用三块衰减量均为10分贝的滤光片1^#，2^#，3^#，做干涉效应对衰减量影响的实验，实验数据见表Ⅵ。

表Ⅵ

由表Ⅵ可得出

a.1^#，2^#，3^#分别测得的分贝数相加，与三块平行有间隙迭加一起测的分贝数之间相对误差为0.13%，与三块迭加无间隙的分贝数之间相对误差为0.32%，与三块迭加互成4°左右角放置的衰减量之间相对误差为0.36%。

b.将1^#、2^#别测得分贝数相加与两块迭加有间隙放置时测得分贝数之间相对误差为0.2%，与两块互成4°左右角迭加时分贝数之间相对误差约0.1%。

以上各种相对误差均不大于0.5%，说明干涉效应对衰减量的影响很小。

Claims (6)

1、一种脉冲激光功率标定仪器，由光源（1），衰减系统（2），监控系统（3）三部分组成。其特征在于，衰减系统（2）是由楔形衰减器（2a），阶梯衰减器（2b）和可变衰减器（2c）构成：

1）楔形衰减器（2a）是由两块参数相同的光楔（2a₁），（2a₂）（均取同级光，以均取3级光为最好）相应安放（即光线对光楔（2a₁）的入射角≌光线对光楔（2a₂）的入射角，且对于奇数同级光，两光楔楔角对向放置，对于偶数同级光，两光楔楔角同向放置），加-斜方棱镜（2a₃）构成，入射光线的最佳入射角在楔角为3°、取3级光时为-6.5°±0.5°，

2）阶梯衰减器（2b）是由中性密度滤光片构成，材料可为AB₆（对应于衰减10db），AB₈（对应于衰减20db），AB₉（对应于衰减30db），采用两块或三块滤光片时，可平行有间隙、或迭加无间隙、或迭加互成4°左右角放置，光束垂直滤光片、或光束与滤光片法线成2°左右角，

3）可变衰减器（2c）由两块完全相同反向转动的变密度盘组成，每个盘的表面镀有镍铬合金膜，膜厚沿园周呈线性变化。

2、按照权利要求1所述的标定仪器，其特征在于，监控系统（3）由脉宽监测装置（3a）和能量监测装置（3b）构成，脉宽监测用响应时间快的光电探测头和高精度宽频带的示波器，能量监测用微能量计。

3、按照权利要求1所述的标定仪器，其特征在于，光源（1）采用Nd：yAG固体调Q激光器。

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