寬波段高精度激光能量計(jì)設(shè)計(jì)

才 瀅

（92493部隊(duì) 計(jì)量測(cè)試研究所，遼寧 葫蘆島 125000）

引言

激光技術(shù)作為一種前沿高科技在軍事國(guó)防中具有重要應(yīng)用，在精確測(cè)距、精密制導(dǎo)、保密通信等領(lǐng)域具有重要優(yōu)勢(shì)[1-3]。激光技術(shù)的這些用途都離不開激光能量的精密測(cè)量。激光輸出能量的準(zhǔn)確測(cè)量是評(píng)價(jià)激光器品質(zhì)和激光器研制水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)[4-5]。激光能量計(jì)是用來(lái)測(cè)量激光能量的重要手段。激光能量測(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)器表面的吸收體設(shè)計(jì)，使其在日常使用中保持良好的重復(fù)性，達(dá)到高精度的測(cè)試點(diǎn)要求[6-7]。寬波段測(cè)量范圍的關(guān)鍵在于吸收體噴涂材料的研制使用，使得探測(cè)器具有較寬的波段范圍[8]。目前較為常見的激光能量計(jì)為ophir公司生產(chǎn)的系列能量計(jì)，該公司主要生產(chǎn)2種形式的能量計(jì)，一種利用熱電堆作為傳感器；一種利用熱釋電材料作為傳感器。2種形式的能量計(jì)校準(zhǔn)精度為±3%，同時(shí)只能測(cè)量20 ms以下脈沖寬度的激光能量，難以覆蓋激光能量計(jì)校準(zhǔn)時(shí)激光脈沖寬度變化范圍。本文針對(duì)脈沖激光器能量計(jì)校準(zhǔn)需求，設(shè)計(jì)了一款體吸收能量計(jì)，實(shí)現(xiàn)了寬波段、高精度、寬能量范圍的激光能量測(cè)試。該能量計(jì)也可以作為激光能量標(biāo)準(zhǔn)裝置中的標(biāo)準(zhǔn)能量計(jì)和核查能量計(jì)使用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光能量計(jì)主要用于激光能量的量值傳遞，主要考慮測(cè)量重復(fù)性及穩(wěn)定性，所以能量計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)選用測(cè)量重復(fù)性好的傳感器。而且激光能量標(biāo)準(zhǔn)裝置使用的激光源在大能量時(shí)，脈寬超過(guò)20 ms，所以要求所設(shè)計(jì)的能量計(jì)可以進(jìn)行長(zhǎng)脈寬能量測(cè)量。熱電堆性能穩(wěn)定，激光吸收涂層可以根據(jù)波長(zhǎng)需要噴涂，可以通過(guò)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)整熱穩(wěn)定時(shí)間。在測(cè)量長(zhǎng)脈寬激光能量時(shí)，只需做相應(yīng)的補(bǔ)償修正。理論上可以進(jìn)行任意長(zhǎng)脈寬的激光能量測(cè)量。所以激光能量計(jì)由熱電堆探測(cè)器、信號(hào)放大及濾波模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算機(jī)及系統(tǒng)軟件組成，如圖1所示。

圖1 激光能量計(jì)系統(tǒng)組成圖Fig.1 Composition diagram of laser energy meter system

熱電堆探測(cè)器為熱電傳感器，將探測(cè)到的激光能量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；信號(hào)放大及濾波模塊，將電壓信號(hào)進(jìn)行放大、濾波；數(shù)據(jù)采集模塊，以AD為核心，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并送入計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)及系統(tǒng)軟件對(duì)獲得的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行判讀和分析，根據(jù)靈敏度、放大倍數(shù)等計(jì)算得到激光能量值。

主要技術(shù)指標(biāo)如下：

激光波長(zhǎng)為1.064 μm；

能量測(cè)量范圍為1 mJ～40 J；

能量計(jì)的測(cè)量不確定度為2.5%（k=2）。

2 分部件設(shè)計(jì)

2.1 熱電堆探測(cè)器

利用自主研制的寬波段吸收涂層作為吸收體，以高密度熱電堆作為傳感器。采用碳納米烯材料作為吸收涂層，保證了激光能量計(jì)在較寬光譜的波段內(nèi)激光能量都有較強(qiáng)吸收；同時(shí)配合使用氧化鋁抗損傷層，保證激光能量計(jì)在高損傷閾值的前提下有平坦的吸收曲線，保證能量計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確性。熱電堆反面利用高熱導(dǎo)率膠連接至熱沉，保證測(cè)量時(shí)參考面溫度穩(wěn)定。通過(guò)前后端分段測(cè)量，保證了激光能量計(jì)在1 mJ～40 J范圍內(nèi)有較高的測(cè)量精度。熱電堆輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器后，利用高精度采集卡采集，數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)并得到能量值。熱電堆探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 熱電堆探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of thermopile detector

當(dāng)激光入射到吸收體后，逐漸被吸收體所吸收，光能轉(zhuǎn)換為熱能，使吸收體的溫度升高，利用熱電堆就可感應(yīng)出吸收體與參考點(diǎn)之間的溫度差，從而獲得溫差電勢(shì)。采用PN半導(dǎo)體熱電堆測(cè)量吸收層及熱沉溫差，當(dāng)溫差發(fā)電器兩面存在溫差時(shí)，P、N型半導(dǎo)體電偶臂同時(shí)驅(qū)動(dòng)空穴和電子移動(dòng)，輸出端會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，形成閉合回路時(shí)，就會(huì)有持續(xù)的直流電流輸出，其原理如圖3所示[9-12]。

圖3 半導(dǎo)體熱電堆溫差傳感器原理Fig.3 Schematic diagram of semiconductor thermopile temperature difference sensor

當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體反向串連時(shí)，如2個(gè)連接點(diǎn)保持不同的溫差，則在半導(dǎo)體中產(chǎn)生一個(gè)溫差電動(dòng)勢(shì)，如（1）式所示：

式中：Vs為溫差電動(dòng)勢(shì)；S為溫差電動(dòng)勢(shì)率，即塞貝克系數(shù)； ΔT為連接點(diǎn)之間的溫差。

整個(gè)輻射計(jì)測(cè)量的能量測(cè)量示值可用（2）式計(jì)算：

式中：VS為測(cè)量激光輻射的接收腔的響應(yīng)電壓；k為測(cè)量激光輻射的接收腔的響應(yīng)度。

為了達(dá)到1 mJ～40 J超寬能量范圍，本項(xiàng)目采用大小2個(gè)熱電堆探測(cè)器，布置于能量計(jì)正反兩面。大熱電堆探測(cè)器用于探測(cè)60 mJ～40 J能量；小熱電堆探測(cè)器用于探測(cè)1 mJ～3 J激光能量。2個(gè)熱電堆能量探測(cè)范圍重疊，可以覆蓋整個(gè)能量測(cè)量范圍。

根據(jù)圖3的探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖，采用金屬鋁為熱沉材料，分為遮光罩、外殼、熱沉、隔熱墊圈、抗損傷窗口、熱電堆探頭等。其中熱沉直徑為66 mm，高度為45 mm，反光罩直徑為66 mm，內(nèi)部為直徑30 mm的拋光半球面，前端開直徑為15 mm的入光口。用金屬鋁作熱沉材料具有導(dǎo)熱快、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。熱沉一端與反光罩裝配，另一端與后蓋裝配，方便引線。傳感器引出測(cè)量端子，利用數(shù)字電壓表測(cè)量接收激光能量的響應(yīng)電壓，根據(jù)標(biāo)定的響應(yīng)度得出接收的激光輻射能量量值。

2.1.1 熱電堆探測(cè)器激光加熱特性仿真模擬

為了研究熱路結(jié)構(gòu)的低溫輻射計(jì)的特性，并對(duì)熱鏈材料進(jìn)行優(yōu)化選擇，我們利用有限元仿真軟件建立了吸收腔熱路結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，該模型包括銅塊熱沉、熱端絕緣陶瓷（氧化鋁）、冷端絕緣陶瓷（氧化鋁）、P型熱電臂、N型熱電臂及相應(yīng)端部銅銀合金電極，模型由149 000個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和823 669個(gè)四面體域單元組成，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖4所示[13]。

圖4 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagram of grid

針對(duì)不同類型激光脈沖做了2類加熱模型模擬，一種是相同能量時(shí)ns脈寬及ms脈寬對(duì)熱溫差的影響；另一種是ms脈寬、相同能量、不同脈沖形狀對(duì)溫差測(cè)量的影響。

1）相同能量時(shí)ns脈寬及ms脈寬對(duì)熱溫差的影響

由于作為激光能量標(biāo)準(zhǔn)的激光器按照能量大小一般分為ns和ms激光器。為了模擬2種激光器對(duì)熱電堆的加熱效果，分別利用100 ns、1 ms、10 ms的脈沖對(duì)熱電堆的熱端進(jìn)行加熱，冷、熱端的平均溫度和最高溫度如圖5所示。

由圖5可見，隨著脈寬的加寬，熱端最高溫度會(huì)降低，但在相同能量下ms脈寬激光脈沖熱端最高溫度相差不大。所以在進(jìn)行激光能量計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)，ns脈寬激光能量計(jì)與ms脈寬激光能量計(jì)的能量-電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系的不一樣，應(yīng)分別對(duì)ns和ms脈寬進(jìn)行修訂。

圖5 ns脈寬及ms脈寬對(duì)熱溫差的影響Fig.5 Influence of ns pulse width and ms pulse width on thermal temperature difference

2）ms脈寬、相同能量、不同脈沖形狀對(duì)溫差測(cè)量的影響

作為激光能量標(biāo)準(zhǔn)使用的參考光源ms激光器，由于器件性能限制，隨著脈寬的增加波形可能不再是方形。為了模擬波形不同對(duì)熱電堆的加熱效果影響，選擇了2種極端情況作為模擬加熱源。第1種是恒定功率的方波；第2種是功率按固定斜率下降的三角波。

a）恒定功率的方波

加熱波形、熱電堆整體溫度分布及冷熱端的最高溫度圖如圖6所示。

圖6 恒定功率的方波對(duì)熱溫差的影響Fig.6 Influence of square wave of constant power on thermal temperature difference

b）功率按固定斜率下降的三角波

加熱波形、熱電堆整體溫度分布及冷熱端的最高溫度圖如圖7所示。

圖7 功率按固定斜率下降的三角波對(duì)熱溫差的影響Fig.7 Influence of triangular wave with power decrease by fixed slope on thermal temperature difference

模擬結(jié)果表明，不同波形的ms激光光源對(duì)熱電堆最大溫差影響很小。所以在進(jìn)行激光能量計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)，可以不必考慮脈寬波形對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

2.2 信號(hào)放大及濾波模塊

熱電堆探測(cè)器的輸出為電壓信號(hào)，為了能夠準(zhǔn)確地測(cè)量熱電堆探測(cè)器的輸出信號(hào)，還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)理。首先，要對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大，放大電路選用ADA4530作為放大器，該器件具有低功耗、高精度、超低失調(diào)、超低靜態(tài)電流等特點(diǎn)。ADA4530能夠滿足低至fA級(jí)電流測(cè)量的需求，將通過(guò)I/V轉(zhuǎn)換及程控放大，將電壓信號(hào)輸出到下級(jí)電壓跟隨電路。

對(duì)被測(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行AD模數(shù)轉(zhuǎn)換之前，還需要對(duì)其進(jìn)行濾波和調(diào)整，保證信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍穩(wěn)定在0～10 V之間，滿足與AD轉(zhuǎn)換器的對(duì)接要求。ADA4530滿足低噪聲線性放大，將弱電壓放大穩(wěn)定至可被ADC檢測(cè)的范圍。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳感器信號(hào)調(diào)理電路采用Linear公司的10階低通濾波器LTC1569。它具有線性相位，截止頻率可調(diào)，最大截止頻率可達(dá) 300 kHz(5 V供電)，并具有低失調(diào)電流、低漂移電流、低偏置電流和寬動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)。與普通的有源濾波器相比，LTC1569 組成的濾波器具有外接元件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)調(diào)整方便和穩(wěn)定性較好等優(yōu)點(diǎn)。能夠高精度濾波調(diào)理傳感器輸出信號(hào)，從而滿足數(shù)據(jù)采集器高精度和高穩(wěn)定性的要求。LTC1569-7是通帶內(nèi)近似線性相位的濾波器，在測(cè)量頻率分量較多的信號(hào)時(shí)，能夠避免相位失真，具有優(yōu)異的瞬態(tài)性能。由于頻率和相位是線性關(guān)系，所以濾波器僅僅讓信號(hào)延遲一個(gè)常量，并不會(huì)失真。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集電路采集經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理之后的能量信號(hào)。根據(jù)ARM控制器的指令，設(shè)定A/D的采樣速率，A/D轉(zhuǎn)換器完成對(duì)能量信號(hào)的采集，并把采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸RM 控制器中[14]。

在測(cè)量激光能量時(shí)，考慮到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣余量以及探測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的余量。同時(shí)考慮到信號(hào)采樣需要的精度，采用了高速率、高精度的AD7671模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。

2.4 計(jì)算機(jī)及系統(tǒng)軟件

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件利用串口與下位機(jī)進(jìn)行通信，主要包括圖形顯示模塊、串口通信模塊、能量計(jì)量程選擇模塊、測(cè)量條件設(shè)定及測(cè)量模塊。計(jì)算機(jī)與下位機(jī)通訊后，需要對(duì)能量計(jì)的量程范圍進(jìn)行選擇，同時(shí)需要知道激光脈寬的大概值并在測(cè)量條件設(shè)定中進(jìn)行選擇，如圖8所示。

圖8 激光能量計(jì)系統(tǒng)軟件圖Fig.8 System software diagram of laser energy meter

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 激光能量計(jì)的標(biāo)定

設(shè)計(jì)完成的激光能量計(jì)用激光能量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定系統(tǒng)由PDH-1064-220-HL ns激光器、PDH-1064-45-H ms激光器、分束鏡、PE-25監(jiān)視能量計(jì)、PE-100標(biāo)準(zhǔn)能量計(jì)和被標(biāo)定能量計(jì)組成，如圖9所示。

圖9 激光能量計(jì)標(biāo)定系統(tǒng) 組成圖Fig.9 Composition diagram of laser energy meter calibration system

分別用ns激光器和ms激光器標(biāo)定設(shè)計(jì)的激光能量計(jì)修正系數(shù)，并驗(yàn)證其重復(fù)性和線性度[15-17]。用標(biāo)準(zhǔn)能量計(jì)測(cè)量得到透過(guò)分束鏡、擴(kuò)束鏡(光路1)的能量E1；監(jiān)視能量計(jì)測(cè)量得到從分束鏡前端面反射(光路2)的光能量E2，由此得到分束鏡的分束比：

保持激光分束鏡和監(jiān)視能量計(jì)位置不動(dòng)。利用被標(biāo)定能量計(jì)代替標(biāo)準(zhǔn)能量計(jì)，在同一位置進(jìn)行測(cè)量，用標(biāo)準(zhǔn)能量計(jì)和被標(biāo)定能量計(jì)同時(shí)測(cè)量激光輻射能量。標(biāo)準(zhǔn)能量計(jì)測(cè)量量值記為E2′，被標(biāo)定能量計(jì)測(cè)量量值記為E1′。則，激光分束監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)比為

因?yàn)樵谡麄€(gè)測(cè)試過(guò)程中，激光分束鏡和監(jiān)視能量計(jì)位置保持不動(dòng)，因此，監(jiān)測(cè)比是一個(gè)固定的量值，即

由（5）式可得：

由（6）式可知，由于測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)能量計(jì)的激光能量E1和測(cè)量被標(biāo)定能量計(jì)的激光能量E1′在不同激光脈沖測(cè)量時(shí)量值不同，在被標(biāo)定能量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)能量計(jì)替換前后，激光能量變化為以前的/E2。因此，在被標(biāo)定能量計(jì)的修正因子計(jì)算過(guò)程中，要除以/E2進(jìn)行修正，即對(duì)被校能量計(jì)的測(cè)量示值乘以修正因子/E2加以修正。然后計(jì)算修正系數(shù)C：

由于激光能量計(jì)原始測(cè)量為電壓值，在能量計(jì)系數(shù)測(cè)量時(shí)將（7）式改為

式中：k為能量計(jì)的系數(shù)；V為能量計(jì)測(cè)量電壓。

實(shí)驗(yàn)時(shí)ms脈沖能量選取了脈寬1 ms 的1 J左右的激光脈沖與10 ms的17 J左右的激光脈沖；ns脈沖能量選取了脈寬10 ns的100 mJ左右的激光脈沖能量點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)量6次。用（8）式計(jì)算系數(shù)，用貝塞爾公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，計(jì)算不同脈寬的能量計(jì)系數(shù)。測(cè)量結(jié)果如表1～表3所示。

表1 1 J能量計(jì)測(cè)量結(jié)果Table 1 Measurement results of 1 J pulse energy meter coefficients

表2 17 J能量計(jì)測(cè)量結(jié)果Table 2 Measurement results of 17 J pulse energy meter coefficients

表3 100 mJ脈沖能量計(jì)系數(shù)測(cè)量結(jié)果Table 3 Measurement results of 100 mJ pulse energy meter coefficients

根據(jù)測(cè)量結(jié)果可以計(jì)算得到1 J、17 J、100 mJ脈沖能量計(jì)的系數(shù)均值分別為73.83、74.93、82.60；標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.1%、0.05%、0.11%。設(shè)計(jì)的激光能量計(jì)在各個(gè)能量段的測(cè)量重復(fù)性極高，能量計(jì)系數(shù)測(cè)量值與理論模擬值的比值分別為205.9、229.2、231.8。實(shí)際測(cè)量結(jié)果與理論模擬比較吻合。

3.2 線性度分析

能量計(jì)的系數(shù)經(jīng)過(guò)修正后利用（7）式進(jìn)行標(biāo)定。ms脈沖能量選取了1.1 J、2.6 J、7.7 J、12.4 J、17 J、39 J等能量點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)量6次。用（7）式計(jì)算修正系數(shù)，用修正系數(shù)均值的最大差值計(jì)算線性度。在能量為1.1 J、2.6 J、7.7 J、12.4 J、17 J、39 J時(shí)，修正系數(shù)均值分別為1.038、1.038、1.053、1.044、1.038、1.041，所以在1 J～17 J范圍內(nèi)線性度為1.2%。

ns脈沖能量選取了10 mJ、100 mJ等能量段進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)量6次。用（7）式計(jì)算修正系數(shù)，用用修正系數(shù)均值的最大差值計(jì)算線性度。在能量為10 mJ、100 mJ時(shí)，修正系數(shù)均值分別為0.9916、0.9981，所以在100 mJ范圍內(nèi)線性度為0.65%。

3.3 性能驗(yàn)證

設(shè)計(jì)的激光能量計(jì)送計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢定，測(cè)量結(jié)果如表4、表5所示。

表4 能量計(jì)1 mJ～500 mJ檔位校準(zhǔn)結(jié)果Table 4 Calibration results of energy meter in 1 mJ～500 mJ range

表5 能量計(jì)500 mJ～40 J檔位校準(zhǔn)結(jié)果Table 5 Calibration results of energy meter in 500 mJ～40 J range

激光波長(zhǎng)1.064 μm，脈寬10 ns，299.8 mJ、111.9 mJ、0.91 mJ測(cè)量結(jié)果如表4。

激光波長(zhǎng)1.064 μm，脈寬1 ms～10 ms，1.31 J、20.3 J、41.6 J測(cè)量結(jié)果如表5。

結(jié)果表明，該激光能量計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的激光能量計(jì)具有響應(yīng)波段寬、測(cè)量精度高、探測(cè)面積大、能量范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，且具有良好的線性。采用碳納米烯材料作為吸收涂層，保證了激光能量計(jì)在較寬光譜的波段內(nèi)激光能量都有較強(qiáng)吸收，同時(shí)配合使用氧化鋁抗損傷層，保證激光能量計(jì)在高損傷閾值的前提下有平坦的吸收曲線，保證能量計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確性。采用大小2個(gè)熱電堆探測(cè)器，布置于能量計(jì)正反兩面的方法，保證了激光能量計(jì)在1 mJ～40 J范圍內(nèi)有較高的測(cè)量精度。將激光能量計(jì)溯源到國(guó)家激光能量基準(zhǔn)，測(cè)量相對(duì)擴(kuò)展不確定度可達(dá)2.5%（k=2）的優(yōu)異水平。