一種大口徑激光能量計(jì)的實(shí)現(xiàn)

雷俊杰，王 亮，段園園，谷 衡，劉曉英

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所 陜西 西安 710065）

隨著激光技術(shù)的進(jìn)步及其應(yīng)用的進(jìn)展，激光功率能量計(jì)作為激光器參數(shù)測(cè)試的主要應(yīng)用儀器，在激光器及其相關(guān)光電產(chǎn)業(yè)的一切領(lǐng)域包括在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1]、國(guó)防建設(shè)[2]、科學(xué)研究[3]、醫(yī)療衛(wèi)生及服務(wù)行業(yè)[4]等許多領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。作為一種光學(xué)測(cè)試儀器，他在技術(shù)上不是最復(fù)雜的，但確是種類最多，應(yīng)用領(lǐng)域最大，具備最大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，和發(fā)展?jié)摿?。激光的能量測(cè)試的原理通常是通過(guò)測(cè)量探測(cè)器表面的熱沉積完成的，精確可靠測(cè)試的關(guān)鍵在于探測(cè)器的表面的吸收體設(shè)計(jì)，其精確測(cè)試是建立在重復(fù)使用而不會(huì)發(fā)生校準(zhǔn)的改變。為了保證激光器在出射的激光能量能夠滿足工作需求，所以需要對(duì)激光器出射的激光能量進(jìn)行監(jiān)控，為調(diào)整激光器出射激光能量提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)組成

大口徑激光能量計(jì)由熱釋電傳感器，采集電路、處理電路、人機(jī)界面及連接電纜組成，如圖1所示。熱釋電傳感器為熱電轉(zhuǎn)換傳感器，將激光能量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；采集電路為以AD為核心的電路組成，主要完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換；處理電路為以AVR單片機(jī)為核心的電路組成，主要完成數(shù)字信號(hào)中脈沖峰值的判別和輸出，完成激光能量脈沖峰值的獲?。蝗藱C(jī)界面的作用是溝通操作者和儀器之間的聯(lián)系，可采用觸摸屏設(shè)計(jì)完成儀器的操作和輸出顯示；通過(guò)連接電纜完成供電和數(shù)據(jù)的傳輸。

圖1 激光能量計(jì)系統(tǒng)組成Fig.1 The composition of Laser energy meter

2 各部件描述

2.1 熱釋電探測(cè)器

熱釋電探測(cè)器是一種利用某些晶體材料自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度變化所產(chǎn)生的熱釋電效應(yīng)制成的新型熱探測(cè)器[5]。晶體受輻射照射時(shí)，由于溫度的改變使自發(fā)極化強(qiáng)度發(fā)生改變，結(jié)果在垂直于自發(fā)極化方向的晶體兩個(gè)外表面之間出現(xiàn)感應(yīng)電荷，利用感應(yīng)電荷的變化可測(cè)量光輻射的能量，因?yàn)闊後岆娞綔y(cè)器的電信號(hào)正比于探測(cè)器溫度隨時(shí)間的變化率，不像其他熱探測(cè)器需要有個(gè)熱平衡過(guò)程，所以其響應(yīng)速度比其他熱探測(cè)器快得多，一般熱探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)典型值為1~0.01 s范圍，而熱釋電探測(cè)器的有效時(shí)間常數(shù)抵達(dá)10-4到10-5s，雖然目前熱釋電探測(cè)器在靈敏度和響應(yīng)速度等方面還不及光電探測(cè)器，但由于他還具有光譜響應(yīng)范圍寬，較大的頻響帶寬，室溫工作無(wú)需制冷，可以有大面積均勻的光敏面，工作無(wú)需偏壓，使用方便等特點(diǎn)，而得到日益廣泛的應(yīng)用。

鉭酸鋰熱釋電探測(cè)器是一種性能極其優(yōu)良的熱釋電探測(cè)器，具有工作頻率高、探測(cè)率高、性能穩(wěn)定，使用方便，可以設(shè)計(jì)均勻大面積探測(cè)面等特點(diǎn)。

如圖2示，熱脈沖與相應(yīng)的光學(xué)脈沖比展寬了，當(dāng)熱脈沖流過(guò)熱釋電晶體，產(chǎn)生了在幅度上更寬的電壓，光學(xué)計(jì)測(cè)量輸出起始到脈沖峰值間的電壓，通過(guò)與探測(cè)器靈敏度（單位V/J）的修正，得出相應(yīng)能量值。

圖2 熱釋電探測(cè)器熱電響應(yīng)Fig.2 The thermal response of pyroelectric detector

最小口徑需要為（84毫米，考慮到對(duì)準(zhǔn)誤差及裕度設(shè)計(jì)，最終選定激光能量探測(cè)器口徑為 （100毫米鉭酸鋰熱釋電探測(cè)器。圖3為熱釋電探測(cè)器實(shí)物圖。

2.2 AD采集電路

熱釋電探測(cè)器將激光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)后由數(shù)據(jù)采集板采集。其工作原理是將熱釋電探測(cè)器轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行采集，得到信號(hào)的峰值。相對(duì)熱釋電探測(cè)器輸出ms級(jí)的信號(hào)，采用較低的采樣率就能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集。圖4為AD采集電路圖。這里采用了linear公司出品的高精度采用芯片LTC1279，該AD為采用12位，600 ksps采樣率的并行輸出電路。對(duì)于這些的采用速率，一次采集所用的時(shí)間精度為1.6μs，對(duì)于一個(gè)脈寬為3 ms的電信號(hào)，可以有1 875個(gè)點(diǎn)可供采集處理，故這樣的采樣速率能夠滿足系統(tǒng)要求。

圖3 熱釋電探測(cè)器實(shí)物圖Fig.3 The practicality of pyroelectric detector

對(duì)于低能量的測(cè)試，需要進(jìn)行檔位切換，這里選擇不同增益放大器AD8253，可以通過(guò)電位變化來(lái)實(shí)現(xiàn)增益為1倍、10倍、100倍、1000倍的變化，滿足不同輸入信號(hào)的需求。

2.3 峰值捕捉

首先測(cè)定一個(gè)電壓值，跟參考電壓進(jìn)行比較[6]，高于比較電壓則將此電壓存儲(chǔ)下來(lái)，后續(xù)采集到的電壓值分別和前面的電壓值進(jìn)行比較，采用冒泡法，最終將峰值保留下來(lái)。通過(guò)單片機(jī)對(duì)AD進(jìn)行控制，輸出每一個(gè)峰值數(shù)據(jù)，供后續(xù)統(tǒng)計(jì)處理。

具體流程圖如圖5所示，開機(jī)上電后，首先等待接收上位機(jī)的使能信號(hào)，沒(méi)有使能信號(hào)不工作，當(dāng)使能信號(hào)到來(lái)時(shí)，進(jìn)入下一步；等待上位機(jī)的閾值信號(hào)，閾值設(shè)置是為了濾除電路中的噪聲信號(hào)，只有大于閾值才能算有效數(shù)據(jù)，進(jìn)入下一步，無(wú)效數(shù)據(jù)進(jìn)行丟棄，不進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；復(fù)合使能和閾值條件后，采集數(shù)據(jù)Ai，和前一個(gè)數(shù)據(jù)Ai-1進(jìn)行比較，選擇其中最大的一個(gè)賦值給峰值v，做循環(huán)采集，得到一個(gè)最大值，便是峰值，輸出這個(gè)脈沖的峰值；對(duì)每一個(gè)脈沖進(jìn)行這樣的處理便可以得到激光發(fā)射的峰值，便于進(jìn)行后期統(tǒng)計(jì)。

2.4 人機(jī)界面

人機(jī)界面是目的是借助終端的圖形圖像處理能力，將測(cè)控過(guò)程及結(jié)果用直觀的圖形或圖像輸出代替數(shù)字輸出，實(shí)現(xiàn)將測(cè)試過(guò)程涉及的與產(chǎn)生的數(shù)字信息轉(zhuǎn)變?yōu)橐詧D像或圖形表示的物理現(xiàn)象后呈現(xiàn)在人們面前，使操作者一目了然的獲得被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)、變化規(guī)律及分布情況。

人機(jī)界面操作過(guò)程體現(xiàn)了便利性，實(shí)用性。圖6為人機(jī)界面操作流程。上電后首先進(jìn)行開機(jī)自檢，以保證傳感器正確連接，如果未連接正確，則無(wú)法進(jìn)入使用界面，而會(huì)跳到參數(shù)和幫助界面，當(dāng)連接正確時(shí)，進(jìn)入應(yīng)用界面。可以通過(guò)按鍵進(jìn)行操作，根據(jù)測(cè)試類型，進(jìn)行單次測(cè)量和連續(xù)測(cè)量。參數(shù)設(shè)置界面可以對(duì)系統(tǒng)時(shí)間、設(shè)備靈敏度、設(shè)備的閾值進(jìn)行設(shè)置。

圖4 AD采集電路Fig.4 The circuit of AD acquisition

圖5 峰值捕捉流程圖Fig.5 The flow of peak capture

圖6 人機(jī)界面流程Fig.6 The flow of man-machine interface

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 能量計(jì)調(diào)試結(jié)果

通過(guò)電纜將設(shè)備連接，按照要求進(jìn)行上電和自檢操作。使用一臺(tái)能量大約為75 m J的激光器進(jìn)行連續(xù)照射。測(cè)試結(jié)果如圖7所示。該設(shè)備不僅能夠測(cè)量激光的能量值，而且可以對(duì)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)，顯示數(shù)組的最大值、最小值、平均值以及該數(shù)組的穩(wěn)定性。對(duì)衡量激光器的出射激光的參數(shù)有很好的衡量作用。

圖7 測(cè)量結(jié)果Fig.7 The result of measurement

3.2 線性分析

能量計(jì)線性是能量計(jì)功能中最重要的因素，因?yàn)樽鳛橐粋€(gè)用于檢測(cè)激光發(fā)射能量值的計(jì)量檢測(cè)設(shè)備，必須經(jīng)過(guò)光學(xué)計(jì)量站的標(biāo)定，標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)源頭上溯到國(guó)家計(jì)量院，而不同設(shè)備需要在不同級(jí)別的計(jì)量站進(jìn)行標(biāo)定[7]，本設(shè)備在光學(xué)二級(jí)計(jì)量站進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定系數(shù)的標(biāo)定精度為±5%。計(jì)量站的標(biāo)定只能針對(duì)單脈沖能量值，通過(guò)和標(biāo)準(zhǔn)能量計(jì)比對(duì)，獲得設(shè)備的標(biāo)定系數(shù)。計(jì)量站的標(biāo)定只能反映激光能量計(jì)在某個(gè)能量值附近的標(biāo)定系數(shù)，而在實(shí)際使用過(guò)程中，激光能量計(jì)需要測(cè)試的激光器在輸出能量方面與標(biāo)定時(shí)的激光能量不同，這就涉及到一個(gè)設(shè)備的線性問(wèn)題，這就是目前國(guó)內(nèi)很多激光能量計(jì)都有國(guó)家計(jì)量站的標(biāo)定證書，但是測(cè)同一個(gè)激光器有不同的輸出結(jié)果的原因所在。故激光能量計(jì)的線性分析很重要。

實(shí)驗(yàn)中使用鐳寶公司生產(chǎn)的高能量激光器，波長(zhǎng)為1 064 nm，輸出能量可以通過(guò)改變衰減片來(lái)更改輸出的能量，用來(lái)檢測(cè)能量計(jì)的線性。得到的結(jié)果如表1所示，可以看到從能量45.4 m J到416.5 m J，能量計(jì)能保存良好的線性，能夠滿足在大量程范圍內(nèi)保持足夠的線性度和準(zhǔn)確性。

表1 能量計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 The experimental data of energy m eter

4 結(jié) 論

通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，得到的大口徑激光能量計(jì)能夠滿足使用的功能性能要求，在量程內(nèi)，測(cè)量得到激光能量測(cè)量的線性度為4.1%，滿足低于5%的要求，具有良好的線性。利用口徑為100 mm的熱釋電探測(cè)器作為光電轉(zhuǎn)換的傳感器，解決了激光發(fā)射半徑大導(dǎo)致的激光無(wú)法完全接收的難題，大口徑激光光束的能量檢測(cè)再也不需要通過(guò)透鏡會(huì)聚了，減小了由于透鏡會(huì)聚導(dǎo)致的透過(guò)率損耗。有很好的實(shí)用價(jià)值。

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