激光功率計(jì)功率示值誤差測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定

張振江

（開(kāi)封市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，河南開(kāi)封 475002）

激光功率計(jì)功率示值誤差測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定

張振江

（開(kāi)封市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，河南開(kāi)封 475002）

激光功率計(jì)是用于測(cè)量激光功率的儀器。本文介紹激光功率計(jì)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、技術(shù)性能指標(biāo)，并進(jìn)行示值誤差測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定，結(jié)果表明其完全能滿(mǎn)足開(kāi)展對(duì)激光功率計(jì)的檢測(cè)工作。

激光功率計(jì)；工作原理；示值；不確定度

1 激光功率計(jì)的工作原理及技術(shù)要求

1.1 激光功率計(jì)的工作原理

激光中功率標(biāo)準(zhǔn)裝置是由CO2激光源發(fā)出的10.6μm波長(zhǎng)的激光經(jīng)過(guò)穩(wěn)定的分束器分為透過(guò)束和反射束，先由2臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)激光中功率計(jì)測(cè)出透過(guò)束和反射束各自的功率數(shù)值，再計(jì)算其二者的比值，然后再由1臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)激光中功率計(jì)測(cè)出反射束激光功率值，由標(biāo)準(zhǔn)激光中功率計(jì)反射束激光功率值計(jì)算透過(guò)束激光功率值作為標(biāo)準(zhǔn)值，由被檢激光功率計(jì)測(cè)得的透過(guò)束激光功率值。標(biāo)準(zhǔn)值與被檢激光功率計(jì)測(cè)得值之比即為被檢激光功率計(jì)靈敏系數(shù)。

激光小功率標(biāo)準(zhǔn)裝置是先由絕對(duì)輻射計(jì)測(cè)出He-Ne激光源發(fā)出的633nm波長(zhǎng)的激光功率值作為標(biāo)準(zhǔn)值，再由被檢激光小功率計(jì)測(cè)量該激光源得到測(cè)量示值。標(biāo)準(zhǔn)值與測(cè)量示值之比即為被檢激光功率計(jì)靈敏系數(shù)。

1.2 激光功率標(biāo)準(zhǔn)裝置的組成

激光功率標(biāo)準(zhǔn)裝置由2臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)激光中功率計(jì)、1臺(tái)絕對(duì)輻射計(jì)、1臺(tái)數(shù)字萬(wàn)用表、1臺(tái)CO2激光源和1臺(tái)He-Ne激光源組成。功率范圍為1～100W，光譜范圍為0.2～ 11.0μm，功率最大允許誤差Up＜1.6%（k=2.5）；穩(wěn)定的激光源為0.1～100mW，光源（功率或功率監(jiān)測(cè)比）穩(wěn)定優(yōu)于±0.5%。

1.3 測(cè)量依據(jù)

JJG249-2004《0.1mW～200W激光功率計(jì)》檢定規(guī)程［1］。被測(cè)對(duì)象為激光中、小功率計(jì)，功率范圍為0.1～100mW，功率最大允許示值誤差±5.0%（工作波長(zhǎng)處）［2，3］。

2 激光功率計(jì)計(jì)量性能要求

2.1 計(jì)量范圍

功率范圍為0.1mW～200W，光譜范圍為0.2～11μm。

2.2 激光功率計(jì)的性能要求

探測(cè)器（功率計(jì)）接收面積響應(yīng)度不均勻性，±5%；響應(yīng)度在輻照時(shí)的變化，±2%；響應(yīng)度隨入射功率或能量的變化（非線性），±5%；修正系數(shù)不確定度，±5%（k=2.5）。

3 計(jì)量器具控制

計(jì)量器具控制包括首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢定。

3.1 檢定條件

環(huán)境溫度為（20±10）℃，檢定期間內(nèi)溫度變化優(yōu)于±2℃；相對(duì)濕度＜80%RH；電源電壓為（220±11）V，50Hz；此外，要求檢定區(qū)域內(nèi)無(wú)可感覺(jué)的空氣波動(dòng)，無(wú)影響測(cè)量數(shù)據(jù)的電磁干擾和背景輻射干擾。

3.2 測(cè)量過(guò)程

激光器發(fā)射的激光束照射到標(biāo)準(zhǔn)激光中功率計(jì)內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)激光中功率計(jì)顯示的激光功率為標(biāo)準(zhǔn)功率，再用被測(cè)功率計(jì)測(cè)量該激光束的功率值（示值）。重復(fù)測(cè)量不低于3次，3次示值的算術(shù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)功率值之差值，即為被檢激光功率計(jì)的示值誤差。

表1 激光小功率計(jì)在P=10W處不確定度測(cè)量結(jié)果

表2 激光小功率計(jì)在P=30W處不確定度測(cè)量結(jié)果

表3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定結(jié)果

4 數(shù)學(xué)模型

①平均值的計(jì)算：ΔP=Pˉ-PS。其中，ΔP為被檢激光功率計(jì)的示值誤差，Pˉ為被檢激光功率計(jì)示值的算術(shù)平均值，PS為絕對(duì)輻射計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)功率值。

②數(shù)學(xué)模型的建立：?ΔP=?Pˉ-?Ps。

③靈敏系數(shù)：C1=?ΔP/?Pˉ=1；C2=?ΔP/?Ps=-1。

5 輸入量的不確定度評(píng)定

5.1 輸入量Pˉ的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Pˉ）的評(píng)定

輸入量Pˉ的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來(lái)源于激光功率計(jì)測(cè)量不重復(fù)性，可以通過(guò)連續(xù)測(cè)量得到測(cè)量列，采用A類(lèi)不確定度評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定。每臺(tái)激光中功率計(jì)應(yīng)在2個(gè)檔位各在重復(fù)新條件下連續(xù)測(cè)量10次，得到其單次測(cè)量試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差。對(duì)1臺(tái)激光小功率計(jì)在P=10W處進(jìn)行測(cè)量，連續(xù)測(cè)量10次得到的測(cè)量結(jié)果如表1所示。

對(duì)同一臺(tái)激光中功率計(jì)在P=30W處進(jìn)行測(cè)量，連續(xù)測(cè)量10次得到的測(cè)量結(jié)果如表2所示。

5.2 輸入量PS的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

輸入量PS的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來(lái)源于功率定值的不確定度，由1.3可知標(biāo)準(zhǔn)激光中功率計(jì)的擴(kuò)展不確定度Urel=1.6%（k=2.5）。因此，采用B類(lèi)不確定度評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定，按矩形分布因?yàn)槊看螠y(cè)量要求測(cè)量次數(shù)為3次。

6 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總?cè)绫?所示。

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定：輸入量Pˉ和PS彼此獨(dú)立不相關(guān)，所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可以按下式得到：

相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度Ucrel（ΔP）=（0.079/10）× 100%=0.79%。

7 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度Uc（ΔP）有效自由度的計(jì)算

8 擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

取置信概率P=95%，自由度γeff=93，查t分布表得t95（50）=2.01，擴(kuò)展不確定度U95=t95（50）×Ucrel(ΔP)=2.01× 0.079%=1.59%≈1.6%（k=2）。

9 測(cè)量不確定度的報(bào)告與表示

激光中功率計(jì)的功率示值誤差測(cè)量結(jié)果的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為U95=1.6%（k=2），自由度γeff=93。

10 檢定或校準(zhǔn)結(jié)果的驗(yàn)證

11 結(jié)論

通過(guò)對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定，該套標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度為中功率標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展不確定度：U95=t95（50）×Ucrel(ΔP)=1.6%（k=2），重復(fù)性考核為0.078W，完全能滿(mǎn)足開(kāi)展對(duì)激光功率計(jì)的檢測(cè)工作。

［1］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG249-2004.0.1mW～200W激光功率計(jì)檢定規(guī)程［S］.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2004.

［2］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF1033-2008.計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2008.

［3］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF1069-2012.法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)考核規(guī)范［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

Evaluation of the Uncertainty in the Measurement of the Power Indication Error of Laser Power Meter

Zhang Zhenjiang
（Kaifeng City Quality and Technical Supervision and Inspection Center，Kaifeng Henan 475002）

Laser power meter is an instrument for measuring laser power.This paper introduced the basic structure, working principle and technical performance index of laser power meter.And the uncertainty of the measurement results of the indication error was evaluated,the results showed that it could meet the requirements of laser power meter.

laser power meter；working principle；indication；uncertainty

TM933.3

A

1003-5168（2017）04-0078-03

2017-03-27

張振江（1972-），男，本科，助理工程師，研究方向：技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試。