B9_信息光学实验室激光能量计的改进_10级.doc

一，背景 激光作为一种新技术在我国工农业生产、国防建设、科学研究及医疗卫生等领域都得到广泛的应用。如工业上的激光加工(打孔、焊接、切割、热处理等);农业上的激光育种;国防工程上的激光雷达、激光通讯;科研上的激光全息、激光同位素分离、激光核聚变;医疗卫生上的激光诊断、激光手术、激光治疗等等。 要研究激光和应用激光就必须能够对激光的特性参数进行准确测量。对激光器主要参数的计量测试是激光技术发展的一个重要方面。对一台激光器来说，人们最关心的是有没有激光能量，有多少激光能量。比如在激光治疗中，就有激光有效剂量、无效剂量及危害(破坏)剂量的阑值问题;在激光育种试验中，就有选择增产效果好和抗病虫害能力强的最佳激光剂量间题;在激光防护工作中，为了确保人身安全，特别要搞清损伤人眼的激光阑值问题;在激光核聚变中，需要多少能量才能打出中子、才能实现热核反应等等。这些都需要精确测量激光能量，没有精确测量激光能量就达不到研究的预期目的。因此，对激光能量的准确测量显得愈发重要。 随着激光新技术的不断发展，测量激光能量的工具(仪器)也不断改进和更新。六十年代初，激光一出现，人们曾用透镜聚焦激光束能打穿多少刀片来估算激光能量，这是非常粗略测定激光能量的方法。后来采用石墨作成碳斗能量计来接收激光能量，用检流计来显示激光能量，这也不是精确测定激光能量的方法。特别对高功率激光来说，由于它的功率密度很高，采用石墨做成的碳斗能量计其表面很容易被强激光打坏。还有一些激光脉冲能量测试常用的方法是使用能量卡计，其工作原理是将光能转换成热能，通过测量热量带来的温度变化而实现对光能量的测量。可是当激光脉冲能量很低时，温度变化极小，且受环境影响很大，采用这种方法也无法实现准确测量。 对大多数传感器而言，由于可能受到损伤而不能直接测量高能激光光束，因此需要获得低功率样品光束。另外，为满足激光实时监测的要求，也需要对光束进行取样。光束取样不仅需要保证样品光束强度低于监测传感器的损坏阈值，同时还需要保证样品光束在几何形状、波前、偏振态、光谱特性和时间特性等方面的保真度。典型的取样技术包括：部分透射/反射式取样技术和高功率反射镜漫散射取样技术。部分透射/反射式取样技术在激光光路中设置高透射反射比或高反射透射比的光学元件，经取样元件，从主光束中分出极少部分光，测量取样光的能量和功率分布。在测量高能激光强度分布时，可采用漫反射屏。激光打在漫反射屏上，成像探测器接收漫反射光。长期以来,国内对脉冲激光器能量测量,由于其能量计无采样、记录装置,所测量的激光器能量、脉宽、前沿、重复频率等重要数据指标,一直是靠人眼读数方式完成,其智能化程度低、测量误差大、人为干扰因素多、获取数据单一,不能进行数据及图形处理,从而难以客观、准确、直观地反映激光器的制造水平,特别是对于重复频率大于20Hz的高重频激光器,国内尚无相应检测仪器能测量其每个脉冲能量。因此，研究开发智能化、自动化程度高的激光能量密度测试系统显得非常迫切。 二，激光功率能量计量的分类及其工作原理 为满足不同激光输出的测量和激光功率及能量计的标定!研究开发了不同类型的激光功率和能量计，以满足不同类型（如功率、能量范围不同、脉冲或连续工作方式不同等）激光功率能量的计量要求。目前，已发展成熟的激光功率能量计主要有光电型、热释电型和量热型等。  2.1 光电型 光电型激光功率计利用光电探测器实现探测，其工作原理与一般光电探测器工作原理相同，均基于光电探测器材料的光电效应!即用激光照射探测器产生与入射光强度成正比的电流输出。对于普通的光电二极管，功率线性范围为纳瓦至毫瓦量级，因此，光电型激光功率计主要用于激光小功率和微能量的检测。 计量基准的的激光功率计以光陷阱型绝对式量子探测器为代表，其基本工作原理是：利用各种结构的光陷阱吸收近100%的入射激光辐射，光电探测器输出与入射激光功率成正比的电流，由已知的光电灵敏度值，根据输出的电流信号值即可准确得到输入的光功率值。由于光陷阱的光吸收率接近1，因此，利用该技术可实现探测器的自校准。 图1所示是一种基于硅光电二极管的光陷阱型激光功率基准器结构原理图。该装置采用3只反射型硅光电二极管组成有特殊结构的硅光电二极管组，入射光束在其内共经历5次反射，恰好旋转360°。该设计不仅保证了光陷阱型二极管组的总吸收比超过4个9，而且减少了原单只硅光电二极管校准中的反射比测量误差，而且还消除了光的偏振对测量数据的影响。 实现光陷阱功能的结构有多种!如半球反射，表面形成空楔的探测器对!以及其他多次反射的探测结构。图2给出了几种常见的实现100%吸收的光陷阱探测器结构。 2.2热释电型 热释电型激光功率能量计是利用材料热释电效应进行探测的。探测器的热敏单元通常为热电晶体，它可产生与吸收热量成正比的电荷。晶体的2个表面镀金属膜，