基于光壓原理的大功率激光功率測量

于東鈺，俞 兵，呂春莉，董再天，楊 科，宮經(jīng)珠，段園園，陳 超，張魁甲，黎高平，鄭 波

（1.西安應用光學研究所，陜西 西安 710065；2.西安航天動力技術(shù)研究所，陜西 西安 710025）

引言

光纖激光器由于具有聚焦能力強、輸出功率大、體積小、重量輕、壽命長、成本低等優(yōu)勢，在激光切割加工等方面有著廣泛的應用。目前，大功率光纖激光器技術(shù)已取得重大突破，單模摻鐿光纖激光器單元最大輸出功率已達到萬瓦量級。我國大功率激光測量方法主要分為積分球法和量熱法[1-2]兩種。積分球法：隨著激光功率的增大，積分球體積急劇增大且溯源復雜，不宜操作；量熱法研制的激光功率能量計體積大、重量重，分項溯源，不確定度評定復雜。所以大功率激光器的研制、生產(chǎn)、裝備單位，對操作簡單使用方便的激光功率測量設(shè)備具有迫切需求。光壓法是用于測量大功率激光測量的理想方法，具有精度高、重量輕、響應時間快等優(yōu)點。而且直接溯源到力學標準，拓展了激光功率的溯源途徑，極大地提高了高能激光功率的測量不確定度，測量精度有望從量熱法的3%改善到2%以內(nèi)[1-7]。

1 測量原理

光是由光子組成的，光子不僅具有能量，而且具有動量。設(shè)光速為c，頻率為ν，波長為 λ，則光子的能量E和動量分別為

當光子與物質(zhì)發(fā)生相互作用被物體吸收或反射時，光子把它的動量傳給物體，因此它將對物體施加力的作用，這就表現(xiàn)為光壓。光壓F與動量P的關(guān)系為

如果光以θ入射角入射到反射鏡上，則垂直作用于反射鏡上的力為

所以，光功率可以寫為

式中：F為垂直于鏡面上的力；P為光功率；c為光速；θ為入射角；r=R+(1-R)α/2，R為鏡面反射率，α為鏡面吸收率[5-8]。

2 測量裝置組成

按照光壓與功率的關(guān)系，測量光對物體表面的力就可以測出入射光功率。如果鏡子為理想反射體即反射率為1，則功率與力的轉(zhuǎn)換系數(shù)為2/c=6.67×10-9N/W，1 000 W 激光正入射到物體表面，對應的光壓力為6.67×10-6N。1/105精度天平理論壓力分辨率為0.1×10-6N，可以實現(xiàn)1 000 W 激光功率測量。所以基于1/105精度天平，搭建了1 000 W激光功率測量裝置。裝置包括用于入射激光角度調(diào)節(jié)的反射鏡1，用于天平測量的反射鏡2，用于功率比較的量熱激光功率計[9-13]，如圖1 所示。

圖 1 測量裝置組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of measuring device composition

工作原理為：大功率激光器經(jīng)過反射鏡1 調(diào)整光束角度，使光束以45°角入射到天平上的測量反射鏡，測量反射鏡再將光束以45°角反射出去，進入到量熱法激光功率。量熱法功率計和光壓法功率計的測量結(jié)果可以相互驗證。激光器使用海富光子1 000 W/1 080 nm 波長激光器，天平使用沈陽龍騰公司1/105精度天平，實際分度值為0.01 mg，應用在本系統(tǒng)中，理論可分辨激光功率為20 W。量熱法功率計為國防科技工業(yè)光學一級計量站研制，功率測量精度為3%。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 反射率測量實驗

反射鏡直接承接大功率激光時，面損傷概率最大。為了防止損傷，反射鏡需要具備較高的反射率，將加工的反射鏡利用光學一級計量站研制的高反射率測量裝置進行反射率測量，該裝置測量重復性可以達到0.01%。反射率的測量光路如圖2所示，先由1 064 nm 激光器發(fā)射激光，激光功率為0.5 mW 左右。經(jīng)穩(wěn)功率儀后，可得到穩(wěn)定的偏振光，經(jīng)1/2 波片后變?yōu)榫€偏光。激光經(jīng)分束鏡后分為2 束激光，其中一束激光的功率直接被監(jiān)視探測器記錄，另一束激光經(jīng)待測反射鏡反射后被測量探測器記錄，測量探測器安裝于圓形導軌上，可以運動到圓弧上的任意位置。放入待測反射鏡前，需要測量主光路中的激光功率。放入待測反射鏡后，需要測量被反射鏡反射的主光路功率，并計算2 次激光功率的比值，可獲得待測反射鏡在該波長下的反射率。穩(wěn)功率儀可以將激光功率穩(wěn)定在0.1%以內(nèi)，不滿足高精度反射比的測量要求。所以引入了分束鏡，利用分束鏡及監(jiān)測探測器來監(jiān)視激光功率的變化，并通過同步采樣的方式得到測量探測器與監(jiān)視探測器的比值，從而消除激光功率變化對反射比測量的影響，結(jié)果如表1 所示。

圖 2 反射率測量原理圖Fig.2 Schematic diagram of reflectance measurement

表 1 反射率測量值Table 1 Measurement results of reflectance

3.2 損傷實驗

由于反射鏡的反射率并不是100%，所以必然有光線會通過反射膜進入反射鏡內(nèi)部。部分光功率被基底吸收，產(chǎn)生熱效應，從而造成反射鏡損傷破裂。由于反射鏡具有較高的反射率，所以要造成損傷則需要較大的激光功率[14-15]?？紤]到安全性及實驗條件，將損傷實驗分為兩部分：第一部分為基底損傷實驗，利用未鍍膜GaAs 基底進行損傷實驗，測出基底的損傷閾值，可以通過透過率計算出不考慮膜層損傷時高反射率鏡的損傷閾值；第二部分為膜層損傷實驗，利用現(xiàn)有激光器將激光光斑縮束，從而觀察膜層損傷情況。以膜層和基底損傷所需的最小激光功率為準，確保整個反射鏡可以安全地進行未來的實驗。

如圖3 所示，基底損傷實驗利用光斑大小約為5 mm 的1.064 μm 激光照射鏡GaAs 為基底，當激光功率達到32 W 的時候基底碎裂。因為激光光斑空間近似為高斯分布，所以GaAs 基底可以承受的激光功率密度約為326.11 W/cm2。按照反射率為99.98%計算，即便入射光斑大小為5 mm，反射鏡仍可以承受約1.6 MW 的激光入射，所以GaAs材料作為高反射鏡基底可以滿足使用需求。

圖 3 基底損傷實驗實物圖Fig.3 Physical photo of substrate damage experiment

膜層損傷實驗利用激光功率為1.5 萬W 的激光器，激光器波長為1 080 nm，光斑大小為50 mm，利用縮束系統(tǒng)將光斑大小縮小到9 mm 左右，如圖4（a）所示。對2 個反射鏡同時進行照射，實際光路如圖4（b）所示。進行長達20 s 的照射后，2 個反射鏡的膜層無損傷，考慮激光光斑為高斯光束，反射鏡可以承受的光功率密度為94 361 W/cm2，所以研制的反射鏡可以滿足目前大部分激光器的功率測試需求。

圖 4 膜層損傷實驗實物圖Fig.4 Physical photo of membrane damage experiment

3.3 功率測量實驗

由于光壓屬于微小力測量，因此震動、空氣對流等環(huán)境變化對測量結(jié)果的影響都很大。按照前期對沈陽龍騰天平的使用經(jīng)驗，人員走動、呼氣等均會對測量結(jié)果造成影響。所以精確測量光壓需要嚴格地控制環(huán)境，如果有條件可以在真空環(huán)境中進行實驗，實驗時應保證光學平臺沒有較大的晃動。

目前，由于實驗條件限制，沒有對空氣對流等環(huán)境影響作良好的隔離。為了防止大功率激光對空氣造成較強的熱效應從而導致實驗失敗，所以只做了1 000 W 及500 W 的激光功率測量實驗，實驗現(xiàn)場如圖5 所示。激光水平入射，利用第1 個高反射鏡調(diào)整激光入射角度，使激光以近乎45°角入射到天平反射鏡上，出射光被熱電功率計吸收測量。

圖 5 實驗現(xiàn)場圖Fig.5 Experimental site

實驗時，天平的玻璃艙蓋均為關(guān)閉狀態(tài)，這樣可以消除部分外界空氣對流的影響。但是由于天平玻璃是普通玻璃、對激光吸收較強，長時間的照射極有可能造成玻璃破裂等安全事故，同時玻璃升溫后也會導致玻璃艙內(nèi)部空氣產(chǎn)生熱對流，所以實驗時照射時間控制在10 s 左右，照射完成后待玻璃溫度下降到室溫后進行下一次測量。

利用500 W 激光進行10 s 左右的照射后停止，連續(xù)進行6 次，實驗結(jié)果如圖6 所示。

圖 6 500 W 激光功率測量結(jié)果圖Fig.6 Measurement results diagram of 500 W laser power

利用1 000 W 激光進行10 s 左右的照射后停止，連續(xù)進行6 次，實驗結(jié)果如圖7 所示。

圖 7 1 000 W 激光功率測量結(jié)果圖Fig.7 Measurement results diagram of 1 000 W laser power

地球的重力加速度g=9.8 N/kg，天平重量與力對應的關(guān)系為F=m×g，光速常數(shù)c=3×108m/s，由于反射率較高r≈1，取每次光入射前與入射后的差值，按照（5）式計算光功率，得到結(jié)果如表2 所示。

表 2 激光功率測量值Table 2 Measurement results of laser power

4 結(jié)論

本文通過搭建光壓法實驗平臺，得到了光壓測光功率的測量結(jié)果。測量結(jié)果表明，千瓦級別的激光功率可以通過1/105精度天平進行測量。但是實驗選用的國產(chǎn)天平進行千瓦級別的激光功率相對測量標準差為9.0%，與國外報道水平還有一定差距。

激光功率相對測量標準差較大主要有3 個原因：一是測量環(huán)境較差，由于大功率激光會對空氣、反射鏡等有一定的熱效應導致產(chǎn)生微弱的空氣擾動，進而影響測量結(jié)果；二是天平重復性較差，1/105天平是國內(nèi)目前最高精度天平，其重復性、抗環(huán)境干擾能力，與國外天平相比還有一定差距；三是測量激光功率較小，激光功率小、光壓值接近天平的測量精度極限，從而導致測量精度偏低。

下一步我們將改進實驗裝置，對空氣對流等環(huán)境影響進行屏蔽，對更大功率的激光進行測量，期望取得更好的實驗結(jié)果。但相比于量熱法，光壓法在大功率激光測量中還是具有優(yōu)勢。光壓法將光學功率直接溯源到力學量，簡化了溯源途徑，提高了測量不確定度，這將會極大地提高大功率激光功率測量水平，并在大功率激光測量領(lǐng)域產(chǎn)生較大的進步。