一种基于无畸变取样的高能激光能量计校准装置

王艳茹袁 徐 德袁 冉铮惠（中国工程物理研究院计量测试中心，四川 绵阳 621900）

摘 要院 为解决传统的全吸收型激光能量计存在的量值上限问题袁 提出一种采用无畸变取样的新型激光能量校准装

置遥该装置主要由透射式光学元件及标准探测器组成袁利用透射式化学元件反射的弱光以降低校准系统对标准探测器

的量程要求遥文中给出该校准装置实现高能激光能量测量装置校准的原理和方法袁并给出该套校准装置的不确定度评

定方法遥 该校准装置一方面可以测量激光器的输出能量袁另一方面可以校准现场用的其他高能激光能量测量设备遥关键词院高能激光系统曰激光能量计曰校准曰无畸变取样

文献标志码院A 文章编号院1674-5124渊2015冤12-0079-04

A calibration equipment of high-energy laser energy meterbased on distortionless sampling method

WANG Yanru，XU De，RAN Zhenghui（Metrology and Testing Center of China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China）

Abstract: In order to resolve the problem of traditional all -absorption energy meter has limitedmearsurement range，a novel calibration setup of laser energy meter is proposed. The principle andmethod to achieve the calibration of testing apparatus is provided，meanwhile the evaluation ofuncertainty for this calibration setup is also analyzed. This setup can both measure the outputenergy of lasers and calibrate other laser energy meters on site.Keywords: high energy system；laser energy meter；calibration；distortionless sampling

收稿日期院2015-01-11曰收到修改稿日期院2015-03-17作者简介：王艳茹渊1983-冤袁女袁陕西渭南市人袁高级工程师袁博士袁主要从事光学计量与检测方面的工作遥

0 引 言在高能激光的研究和应用领域中[1-3]袁高能激光

器输出功率或能量的大小是衡量高能激光系统的一

个重要指标遥因此袁准确测量高能激光的输出功率或

能量变得越来越迫切[4-6]遥由于高能激光系统输出功率和能量很高袁传统

的激光功率计尧能量计已不能满足高能激光输出的

测量遥在各种高能激光能量计的研制中袁高准确度的

高能激光能量测量装置主要采用绝对式测量方法袁该方法利用了高能激光吸收腔将入射的激光能量转

换为吸收腔的热能遥目前袁国内开展高能激光能量计

研制的单位主要有西安应用光学研究所尧 中国工程

物理研究院应用电子学研究所等单位遥 西安 205 所

的相关科研人员采用了相对透明尧吸收层相对较厚尧热敏面不易损伤的激光吸收材料袁满足了恶劣条件

下的高能激光能量现场测量[7]遥 随后开展了现场校准

方法的实验研究工作袁得到了能量计灵敏度系数与

环境温度的函数关系袁为激光能量计现场测试校准

技术的研究提供了一种可靠的新途径[8]遥西安 205 所

中国测试CHINA MEASUREMENT & TEST Vol.41 No.12December，2015第 41 卷第 12 期2015 年 12 月

doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2015.12.020

中国测试 2015 年 12 月

的相关科研人员研究了矩形和环形光斑情况下袁后向散射总功率以及其对能量测量结果的影响[9]遥中物

院应用电子学研究所研制的全吸收型高能激光能量

计的能量测量范围覆盖较宽袁同时建立了高能激光

在线测试系统中激光能量测量的数学模型袁并分析

了不确定来源[10]遥 在现场校准的 3 种方法中袁推荐采

用交叉比对法袁可有效消除光学元件分光比的影响袁同时具有较高的测量准确度袁 测量结果的不确定度

最小[11]遥在上述全吸收激光能量计的研究中袁主要围绕

提高全吸收能量计的测量不确定度而展开工作遥 但

全吸收型激光能量计存在固有缺陷即量值上限的问

题袁无法扩展其量程范围遥随着高能激光系统的不断

发展袁激光器的输出功率能量不断提高袁需要不断研

制与之量程相匹配的全吸收激光能量计遥 本论文主

要讨论一种采用无畸变取样的方式来实现高能激光

能量计现场校准的方法以及同时可以测量激光器输

出能量袁该套装置最大的优势在于扩展了输出激光

能量的测量范围遥1 校准装置的原理分析

校准系统的组成如图 1 所示袁在入射光路上依次

排列第 1 光学镜片渊反射率为 R1冤尧第 2 光学镜片渊反射率为 R2冤尧第 3 光学镜片渊反射率为 R3冤遥 第 1尧第 2光学镜片为正交放置袁以消除被测激光的偏振特性

对取样测量的影响曰第 3 光学镜片的放置方向与

第 1 光学镜片相同遥 其中袁光路中第 1尧2尧3 镜片的

法线与入射激光束方向成 45毅放置遥 激光器出射的

激光束渊能量 P冤经过第 1 光学镜片袁第 1 探测器接

收反射部分的能量为 P1袁透射的光束渊能量 P2冤入射

到第 2 光学镜片袁第 2 探测器接收到第 2 光学镜片反

射的激光能量 P3袁从第 2 光学镜片透射的光束渊能量 P4冤入射到第 3 光学镜片袁第 3 探测器接收到第 3光学镜片反射的激光能量为 P5袁透过第 3 反射镜的

能量为 P6遥 根据光路图袁可以得到如下的方程组遥P1=P窑R1

P2=P窑渊1-R1冤P3=P窑渊1-R1冤窑R2

P4=P窑渊1-R1冤窑渊1-R2冤P5=P窑渊1-R1冤窑渊1-R2冤窑R3

P6=P窑渊1-R1冤窑渊1-R2冤窑渊1-R3冤 渊1冤同时在校准原理中要求第 1 和第 3 光学反射片

的光谱特性一致袁也即光学反射率相同遥R1=R3=R 渊2冤

通过求解式渊1冤和式渊2冤袁可以得到如下结果院入射激光总功率 P为

P= P窑渊P1+P3冤P1-P5

渊3冤出射激光功率 P6 为

P6= P5窑渊P5+P3冤P1-P5

渊4冤第 1 和第 3 光学元件反射率计算表达式为

R1=R3= 渊P1-P5冤P1+P3

=R 渊5冤第 2 光学反射片的反射率为

R2= P3渊P1-P5冤P1渊P3+P5冤 渊6冤

采用图 1 所示的校准装置进行现场校准的过程

为院沿入射光路入射到校准装置的激光能量为 P袁依次通过 3 片高透过率渊在入射激光波长处的透过

率跃99%冤的光学镜片后分别将入射的高能量激光反

射为弱光信号袁使得入射在第 1尧第 2 和第 3 探测器

上的激光能量值 P1尧P3尧P5 大大减小遥 根据公式渊3冤~式渊6冤袁在标准探测器的测量值 P1尧P3尧P5 准确测量的

基础上袁可以同时得到激光器的输出能量 P袁以及实

现对现场测量设备 P6 进行校准遥 同时袁还可以获得

3 片光学元件的光谱特性参数即光学元件的反射率

参数 R1尧R2 和 R3遥 其中 P1尧P3 和 P5 的量值准确性通

过对标准探测器 1尧 标准探测器 2 和标准探测器 3进行量值溯源来保障遥2 校准装置的组建

依据上述图 1 的设计原理和思路袁设计加工了一

套基于无畸变取样原理的高能激光能量测量系统遥该套校准装置主要由院光学元件及光路系统尧标准

探测器系统以及机械支撑结构 3 部分组成遥光学元件和光路系统部分主要由 3 片方形镜尧6

片圆形镜组成遥其中袁所有光学元件的材质选择为康

宁 0A 级 7980 型石英玻璃遥 3 片方形镜均在沿着入

射光路方向的后表面单面镀增透膜袁在入射激光波长

图 1 校准系统组成原理框图

激光源

校准装置组成

全吸收激光能量计

渊R1冤 渊R2冤渊R3冤

P P2 P4 P6

P5P1

P3探测器 2

分束镜 3分束镜 1 圆形镜 2

圆形镜 1 圆形镜 3分束镜 2

探测器 1 探测器 3

80

第 41 卷第 12 期

Urel渊P6冤=P12渊P1-P5冤2 Urel2渊P1冤+ P32渊P5+P3冤2 Urel2渊P3冤+ 渊2P1P5-P52+P1P3冤2

p54渊P1-P5冤2渊P1+P3冤2 Urel2渊P5冤-2 1渊P52+P3P5冤

P1P3P5渊P1-P5冤窑r13渊P1袁P3冤Urel渊P1冤Urel渊P3冤+2 P3P5P5渊P1-P5冤

2P1P5-P52+P1P3渊P52+P3P5冤2 窑r35渊P3袁P5冤Urel渊P3冤Urel渊P5冤-2 渊2P1P5-P52+P1P3冤P1P5渊P1-P5冤2渊P52+P3P5冤 窑r15渊P1袁P5冤Urel渊P1冤Urel渊P5冤姨渊15冤

处的透过率为 99.7%袁在光路中主要利用高透光学镜

片反射的弱光以降低对探测器量程范围的要求遥 考

虑到在方形镜片中前表面的入射角度为 45毅袁经过玻

璃折射后入射在后表面的入射角已经不再是 45毅袁根据折射定律计算其入射角度为 28.5毅渊假设石英玻

璃的折射率为 1.5冤袁因此在后表面镀增透膜时的角度

也应该针对 28.5毅的入射角遥 圆形镜片的材质同样

为康宁石英玻璃袁双面镀增透膜袁使用角度为 0毅袁在入射激光波长处的透过率为 99.7%遥 圆形镜片作为

窗口玻璃袁主要起到滤掉杂散光的作用袁避免杂散

光对测量结果的影响遥 考虑到所有光学元件都要在

强光系统下进行激光辐照实验袁因此所有光学元件

镀膜后应具备较高的抗激光损伤阈值遥 考虑到石英

玻璃对入射激光的吸收袁光学元件的厚度应尽可能

小遥在校准装置的设计中袁入射激光束是以 45毅角度

入射在 3 片光学元件上袁此时偏振效应最为明显遥根据光波场的电磁理论袁通过分析入射激光束经过光

学元件后的偏振态变化袁可以得到第 1 和第 2 光学镜

片应正交放置袁第 3 片光学元件与第 1 片光学元件

放置方向相同袁采取这种放置方式能最大程度上减

小偏振效应对测量结果的影响遥探测器系统主要由 3 个量程范围较小量热型标

准探测器组成遥 标准探测器主要由铝基板上喷镀黑

色类金刚石涂层袁外面采用聚四氟乙烯隔热装置遥由于 3 个标准探测器测量的是入射激光反射的弱光

信号袁因此要求探测器响应稳定性好袁测量重复性

高袁以消除式渊3冤和式渊4冤中分母渊P1-P5冤不稳定带来

的测量误差遥 考虑到标准探测器非线性对测量结果

的影响袁在标准探测器的设计中既要保证线性温度

传感器的信号强度袁又要减小非线性特性的影响曰同时热传导体材料的热导率随温度的变化因素也

需要考虑遥3 校准装置的不确定度评定

对于出射激光总能量 P6袁其测量不确定度分析

如下院测量的数学模型为

P6= P5窑渊P5+P3冤P1-P5

渊7冤

各输出量 P1尧P3尧P5 的灵敏度系数分别为

鄣P6鄣P1=- P52+P3P5渊P1-P5冤 2 渊8冤

鄣P6鄣P3= P5P1-P5

渊9冤鄣P6鄣P5

= 2P1P5-P52+P1P3渊P1-P5冤 2 渊10冤其二阶混合偏导为

鄣 2P6鄣P1鄣P3=- P5渊P1-P5冤 2 渊11冤

鄣 2P6鄣P3鄣P5= P1渊P1-P5冤 2 渊12冤

鄣 2P6鄣P1鄣P5=- 2P1P5+P1P3+P3P5渊P1-P5冤 3 渊13冤

根据图 1 的测试原理可以知道院P1尧P3尧P5 存在一

定的正相关性袁当一个分量变化时袁另外一个也随之

改变遥 那么合成标准不确定度为

Uc2渊P6冤=渊 鄣P6鄣P1冤2U2渊P1冤+渊 鄣P6鄣P3

冤2U2渊P3冤+渊 鄣P6鄣P5

冤2U2渊P5冤+2 鄣P6鄣P1鄣P6鄣P3

r13渊P1袁P3冤窑U渊P1冤U渊P3冤+2 鄣P6鄣P3

鄣P6鄣P5r35渊P3袁P5冤窑

U渊P3冤U渊P5冤+2 鄣P6鄣P1鄣P6鄣P5

r15渊P1袁P5冤窑U渊P1冤U渊P5冤 渊14冤

换算成相对合成不确定度为

根据图 1 的校准原理可知袁由于 3 片光学元件

均镀高透过率的增透膜袁因此 P1尧P3尧P5 量值数量级基

本一致袁同时相关系数 r13渊P1袁P3冤袁r15渊P1袁P5冤袁r35渊P1袁P5冤认为等于 1袁那么式渊15冤还可以进一步简化为

Urel渊P6冤= P32渊P5+P3冤2 Urel2渊P3冤姨 = 12 Urel渊P3冤 渊16冤出射激光总能量 P6 的扩展不确定度院

Uc渊P6冤=Urel渊P3冤袁k =2 渊17冤标准探测器 P3 的不确定度来源为院影响 3 个标准探测器 P1尧P3尧P5 的不确定度来源

主要有院光学元件的反射比变化尧标准探测器的非均

匀性尧探测器的电校准误差尧测量重复性遥a冤光学元件的反射比变化引入的不确定度分度 u1曰b冤标准探测器非均匀性引入的不确定度分量 u2曰

王艳茹等：一种基于无畸变取样的高能激光能量计校准装置 81

中国测试 2015 年 12 月

c冤标准探测器的电校准误差所引入的不确定度

分量 u3曰d冤由多次测量重复性引入的相对不确定度分

量u4遥由于上述 4 个不确定度来源互不相关袁那么探

测器的合成标准不确定分量为

Uc渊P3冤= U12+U22+U32+U42姨 渊18冤因此出射激光总能量 P6 的扩展不确定度为

Uc渊P6冤=Urel渊P3冤=Uc渊P3冤袁k =2 渊19冤4 结束语

本文提出了一种基于无畸变取样的原理实现

高能激光能量测量系统的校准方案遥 该套校准装置

主要由 3 片透射式光学元件及 3 个标准探测器组

成遥 利用透射式光学元件反射的弱光以降低校准系

统对 3 个标准探测器的量程要求遥 同时给出了利用

该套校准装置实现高能激光系统出光能量测量以及

实现对现场其他能量测量设备的校准过程遥 从理论

上对整套校准装置的不确定来源和大小进行了分

析袁 该理论分析为下一步校准装置的组建提供了一

定的技术依据遥

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串行通信前，要先配置串口，即串口初始化，使计算

机串口的各种参数设置与无线收发模块的串口参数

保持一致，这样才能够保证正确的通信。

系统的监测界面如图 4 所示，界面可以实时显

示风速、风力机转速、发电机输出电流的数值及其变

化曲线，并且有传感器参数超限报警功能。该界面能

够完成传感器节点数据的显示、存储、历史数据回放

等功能。

4 结束语本文针对垂直轴风力机，设计了基于 ZigBee 无

线通信、基于 LabVIEW 数据处理平台的垂直轴风力

机无线监测系统。系统顺利实现了 LabVIEW 对

ZigBee 网络数据的处理。通过实验调试，该无线采集

系统达到了设计要求，效果良好。该系统还有很多需

要优化的地方，例如，目前只能实现监测还不能实现

远程控制。希望接下来的工作可以做到利用无线网

络实现远程控制。

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渊上接第 69 页冤

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