一種大口徑激光能量計的實現

雷俊杰，王 亮，段園園，谷 衡，劉曉英

（西安應用光學研究所 陜西 西安 710065）

隨著激光技術的進步及其應用的進展，激光功率能量計作為激光器參數測試的主要應用儀器，在激光器及其相關光電產業的一切領域包括在工農業生產[1]、國防建設[2]、科學研究[3]、醫療衛生及服務行業[4]等許多領域都得到廣泛的應用。作為一種光學測試儀器，他在技術上不是最復雜的，但確是種類最多，應用領域最大，具備最大的產業規模，和發展潛力。激光的能量測試的原理通常是通過測量探測器表面的熱沉積完成的，精確可靠測試的關鍵在于探測器的表面的吸收體設計，其精確測試是建立在重復使用而不會發生校準的改變。為了保證激光器在出射的激光能量能夠滿足工作需求，所以需要對激光器出射的激光能量進行監控，為調整激光器出射激光能量提供依據。

1 系統組成

大口徑激光能量計由熱釋電傳感器，采集電路、處理電路、人機界面及連接電纜組成，如圖1所示。熱釋電傳感器為熱電轉換傳感器，將激光能量轉換為電壓信號；采集電路為以AD為核心的電路組成，主要完成模擬信號到數字信號的轉換；處理電路為以AVR單片機為核心的電路組成，主要完成數字信號中脈沖峰值的判別和輸出，完成激光能量脈沖峰值的獲取；人機界面的作用是溝通操作者和儀器之間的聯系，可采用觸摸屏設計完成儀器的操作和輸出顯示；通過連接電纜完成供電和數據的傳輸。

圖1 激光能量計系統組成Fig.1 The composition of Laser energy meter

2 各部件描述

2.1 熱釋電探測器

熱釋電探測器是一種利用某些晶體材料自發極化強度隨溫度變化所產生的熱釋電效應制成的新型熱探測器[5]。晶體受輻射照射時，由于溫度的改變使自發極化強度發生改變，結果在垂直于自發極化方向的晶體兩個外表面之間出現感應電荷，利用感應電荷的變化可測量光輻射的能量，因為熱釋電探測器的電信號正比于探測器溫度隨時間的變化率，不像其他熱探測器需要有個熱平衡過程，所以其響應速度比其他熱探測器快得多，一般熱探測器的時間常數典型值為1~0.01 s范圍，而熱釋電探測器的有效時間常數抵達10-4到10-5s，雖然目前熱釋電探測器在靈敏度和響應速度等方面還不及光電探測器，但由于他還具有光譜響應范圍寬，較大的頻響帶寬，室溫工作無需制冷，可以有大面積均勻的光敏面，工作無需偏壓，使用方便等特點，而得到日益廣泛的應用。

鉭酸鋰熱釋電探測器是一種性能極其優良的熱釋電探測器，具有工作頻率高、探測率高、性能穩定，使用方便，可以設計均勻大面積探測面等特點。

如圖2示，熱脈沖與相應的光學脈沖比展寬了，當熱脈沖流過熱釋電晶體，產生了在幅度上更寬的電壓，光學計測量輸出起始到脈沖峰值間的電壓，通過與探測器靈敏度（單位V/J）的修正，得出相應能量值。

圖2 熱釋電探測器熱電響應Fig.2 The thermal response of pyroelectric detector

最小口徑需要為（84毫米，考慮到對準誤差及裕度設計，最終選定激光能量探測器口徑為 （100毫米鉭酸鋰熱釋電探測器。圖3為熱釋電探測器實物圖。

2.2 AD采集電路

熱釋電探測器將激光信號轉化成電信號后由數據采集板采集。其工作原理是將熱釋電探測器轉換的電信號進行采集，得到信號的峰值。相對熱釋電探測器輸出ms級的信號，采用較低的采樣率就能實現對信號的采集。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。對于這些的采用速率，一次采集所用的時間精度為1.6μs，對于一個脈寬為3 ms的電信號，可以有1 875個點可供采集處理，故這樣的采樣速率能夠滿足系統要求。

圖3 熱釋電探測器實物圖Fig.3 The practicality of pyroelectric detector

對于低能量的測試，需要進行檔位切換，這里選擇不同增益放大器AD8253，可以通過電位變化來實現增益為1倍、10倍、100倍、1000倍的變化，滿足不同輸入信號的需求。

2.3 峰值捕捉

首先測定一個電壓值，跟參考電壓進行比較[6]，高于比較電壓則將此電壓存儲下來，后續采集到的電壓值分別和前面的電壓值進行比較，采用冒泡法，最終將峰值保留下來。通過單片機對AD進行控制，輸出每一個峰值數據，供后續統計處理。

具體流程圖如圖5所示，開機上電后，首先等待接收上位機的使能信號，沒有使能信號不工作，當使能信號到來時，進入下一步；等待上位機的閾值信號，閾值設置是為了濾除電路中的噪聲信號，只有大于閾值才能算有效數據，進入下一步，無效數據進行丟棄，不進行統計；復合使能和閾值條件后，采集數據Ai，和前一個數據Ai-1進行比較，選擇其中最大的一個賦值給峰值v，做循環采集，得到一個最大值，便是峰值，輸出這個脈沖的峰值；對每一個脈沖進行這樣的處理便可以得到激光發射的峰值，便于進行后期統計。

2.4 人機界面

人機界面是目的是借助終端的圖形圖像處理能力，將測控過程及結果用直觀的圖形或圖像輸出代替數字輸出，實現將測試過程涉及的與產生的數字信息轉變為以圖像或圖形表示的物理現象后呈現在人們面前，使操作者一目了然的獲得被測對象的狀態、變化規律及分布情況。

人機界面操作過程體現了便利性，實用性。圖6為人機界面操作流程。上電后首先進行開機自檢，以保證傳感器正確連接，如果未連接正確，則無法進入使用界面，而會跳到參數和幫助界面，當連接正確時，進入應用界面。可以通過按鍵進行操作，根據測試類型，進行單次測量和連續測量。參數設置界面可以對系統時間、設備靈敏度、設備的閾值進行設置。

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 人機界面流程Fig.6 The flow of man-machine interface

3 實驗結果

3.1 能量計調試結果

通過電纜將設備連接，按照要求進行上電和自檢操作。使用一臺能量大約為75 m J的激光器進行連續照射。測試結果如圖7所示。該設備不僅能夠測量激光的能量值，而且可以對測試的數據進行相應的統計，顯示數組的最大值、最小值、平均值以及該數組的穩定性。對衡量激光器的出射激光的參數有很好的衡量作用。

圖7 測量結果Fig.7 The result of measurement

3.2 線性分析

能量計線性是能量計功能中最重要的因素，因為作為一個用于檢測激光發射能量值的計量檢測設備，必須經過光學計量站的標定，標定標準源頭上溯到國家計量院，而不同設備需要在不同級別的計量站進行標定[7]，本設備在光學二級計量站進行標定，標定系數的標定精度為±5%。計量站的標定只能針對單脈沖能量值，通過和標準能量計比對，獲得設備的標定系數。計量站的標定只能反映激光能量計在某個能量值附近的標定系數，而在實際使用過程中，激光能量計需要測試的激光器在輸出能量方面與標定時的激光能量不同，這就涉及到一個設備的線性問題，這就是目前國內很多激光能量計都有國家計量站的標定證書，但是測同一個激光器有不同的輸出結果的原因所在。故激光能量計的線性分析很重要。

實驗中使用鐳寶公司生產的高能量激光器，波長為1 064 nm，輸出能量可以通過改變衰減片來更改輸出的能量，用來檢測能量計的線性。得到的結果如表1所示，可以看到從能量45.4 m J到416.5 m J，能量計能保存良好的線性，能夠滿足在大量程范圍內保持足夠的線性度和準確性。

表1 能量計實驗數據Tab.1 The experimental data of energy m eter

4 結 論

通過這樣的設計，得到的大口徑激光能量計能夠滿足使用的功能性能要求，在量程內，測量得到激光能量測量的線性度為4.1%，滿足低于5%的要求，具有良好的線性。利用口徑為100 mm的熱釋電探測器作為光電轉換的傳感器，解決了激光發射半徑大導致的激光無法完全接收的難題，大口徑激光光束的能量檢測再也不需要通過透鏡會聚了，減小了由于透鏡會聚導致的透過率損耗。有很好的實用價值。

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