高精度激光功率測試方法探究

2013-05-16 08:47:20高愛華沈雁華

實驗室研究與探索 2013年2期

關鍵詞：測量

高愛華，張偉，沈雁華

（西安工業大學陜西省薄膜技術與光學檢測重點實驗室，陜西西安 710032）

0 引言

隨著光電子技術的快速發展，激光技術的應用領域越來越廣泛，其應用涉及工業、農業、國防、醫療和科學技術等各個方面，與此相應的激光參數計量測試日益受到各國的重視［1-5］。

美國NIST計量機構在激光功率方面處于國際領先水平，其激光功率標準的波長范圍為193～0.02 nm，功率量程為0.05～200 kW，覆蓋波長和量限在國際上首屈一指。英國NPL計量機構的激光功率標準波長范圍為0.514 ～10.6 μm，功率量程為 1 ～100 W，測量不確定度為1% ～2.5%，其計量水平居國際領先。

自上世紀90年代開始，我國著手建立激光功率標準，到今已建立了波段和量限比較齊全的標準體系，如低溫輻射計計量功率標準、激光小功率計量標準和激光中大功率計量標準等，在測量波長范圍、功率量程和不確定度方面都有一定的提高。中國計量院光學處已建立了相對完備的激光功率標準體系，其計量標準的功率范圍為0.1 mW ～2 kW，波長范圍為0.3～10.6 μm，測量不確定度為 1% ～2.0%［6-8］。

在專業的計量部門，計量標準和要求很高，一個普通實驗室用的激光器專門去計量部門測試，不僅需要額外的費用，還加大了工作量。結合實際情況，本文提出了一種在計算機LabVIEW環境下實現激光功率測量的測試系統［9-10］，該系統主要由激光器、光電探測器、鎖相放大器、采集卡和測試軟件構成［11-14］，誤差分析表明，測量系統的信噪比可達106數量級。適合諸如實驗室環境下準確測量激光功率。

1 測試系統的工作原理

測試系統的構成如圖1所示。

圖1 測試系統框圖

本文以測量He-Ne激光器（波長632.8 nm）和LD激光器（波長635 nm）的功率為例，依據圖1測試系統，設計出He-Ne激光器和LD激光器的功率測試框圖，分別如圖2和3所示。

圖2 He-Ne激光器功率測試框圖

圖3 LD激光器功率測試框圖

He-Ne激光器發出的光通過機械斬波器調制為具有一定頻率的交變光，交變光通過衰減器（光比較強時加上）被光電探測器接收，被測信號和參考信號由鎖相放大器實現相關檢測，消除與調制頻率不同的背景光和電路中夾雜的噪聲，實現高信噪比的信號輸出，之后經數據采集卡采集送入計算機，在LabVIEW平臺上顯示所測得的數據和波形。

LD激光器功率測試工作原理與He-Ne激光器基本相同，因而可以采用和He-Ne激光器相同的功率測試系統，也可以采用圖3的方式測量功率。由于He-Ne激光器屬于氣體激光器，體積比較大，不容易使用電調制去調制光信號，只能借助機械斬波器或其他如聲光調制器等對其實現外部調制。機械斬波器不僅體積大，而且價格也很高。LD激光器屬半導體激光器，價格低，體積小，可以采用內部調制（控制驅動電流）實現調制，這樣不僅節約了成本，而且大大提高了測試系統的集成度，使得整個測試系統緊湊實用。

2 實驗數據處理與分析

依據圖2所示的He-Ne激光器功率測試框圖，搭建好實驗系統，整個測試過程只需要對光電探測器進行屏蔽，無需在暗室環境下進行，便可實現光功率的測量。在實驗中使用的He-Ne激光器參數已被標定過，其波長632.8 nm，功率（1±1.6%）mW。任意調節機械斬波器輸出一定頻率（本實驗中選擇177 Hz），但一般不選擇50 Hz的倍數，以屏蔽交流電干擾。為了防止過強的信號光進入探測器，在光電探測器前加一衰減片（衰減倍數根據實際情況決定，本實驗選擇0.1%的衰減片）。選擇的探測器探測波長為320～1 060 nm，632.8 nm波長處的電流靈敏度為0.43 mA/mW。經探測器轉換后的光電流信號進入鎖相放大器放大，并通過相關檢測原理消除與調制頻率不同的背景光和測試電路中的噪聲對測量結果的影響。最后信號被數據采集卡采集，送入計算機，通過LabVIEW編寫的程序實現顯示電壓的波形和數據。實測的波形和數據圖如圖4所示。

圖4 He-Ne激光器波形數據圖

在He-Ne激光器功率測試系統中，鎖相放大器的靈敏度變化范圍為105～3.33×109，時間常數的變化范圍為0.003～10 s，最大輸出電壓為10 V。靈敏度的選擇以鎖相放大器輸出電壓最大但不飽和為原則，時間常數的選擇與調制頻率有關，如果調制頻率較高可以適當減小時間常數，較大的時間常數去噪效果好，但不易測出激光功率的波動。

如圖4中，采用的靈敏度為3.33×106，時間常數是4 s。實驗中根據實際輸出電壓對其做相應的調整。

LD激光器功率測試系統和He-Ne激光器功率測試系統大致上是一樣的，不同之處為：波形發生器提供具有一定頻率的方波（幅值為5 V，頻率為177 Hz，占空比為50%），通過驅動電路使LD激光器發出交變光。之后，采用與He-Ne激光器一樣的測試方法，顯示與功率成線性關系的電壓波形和數據，如圖5所示。

圖5 LD激光器波形數據圖

采用上述相同的實驗方法，在相同的實驗環境下，對He-Ne激光器和LD激光器各測量7次，其輸出電壓值和最大誤差分別如表1所示。

表1 兩種激光器的輸出電壓和最大誤差

在表1中，所得的數據是根據A/D數據采集卡連續采集1 024個點，顯示最大值和最小值，并計算出每次的平均值及測量的最大誤差（最大誤差=0.5（最大值－最小值）/平均值）。

任取一個He-Ne激光器的平均值（如1.572 V），依據光電流靈敏度和設置的鎖相放大器電流靈敏度，計算得出激光功率，與廠家提供的數據吻合。

3 系統誤差分析

如圖1所示，造成測量系統的誤差主要有：背景光產生的、光電探測器的、鎖相放大器的、數據采集卡的誤差以及環境灰塵散射和溫濕度等變化產生的誤差，在實驗室環境下，短時間內后者造成的誤差可以忽略不計。下面主要分析其他部分產生的噪聲誤差。

在信號進入鎖相放大器后，先由其跨阻前置放大器將微弱的信號電流放大轉換為待處理的電壓信號，然后進行一系列的去噪處理，所以鎖相放大器的噪聲主要是由其跨阻前置放大器電路產生的，也即是由跨阻前置放大電路的跨阻（Rs）產生的，前置放大器的輸入噪聲電壓（En）和電流（In）分別為12 nV/Hz1/2和13 pA/Hz1/2，實驗時選擇的鎖相放大器靈敏度為3.33×106，即 Rs=3.33 MΩ。根據噪聲估計方法［15-16］，得出：

電阻Rs熱噪聲電流為