热电型激光功率计监测比测量过程中的不稳定因素分析

张东 高建强 夏俊雯 夏铭 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

激光自诞生以来，凭借其自身的应用优势迅速发展，在科学研究、通信技术、生物医药、机械加工乃至日常生活等诸多方面都发挥着不可替代的作用。对于连续激光，功率是最基本参数，激光功率计是测量的常用仪器。激光功率计的计量校准依托于JJG 249-2004《激光功率计》检定规程，常采用监测比的方法。本文针对功率在120 W以内，不稳定度在±2.0%～±4.0%的激光源，分析功率计的响应时间对监测比测量结果稳定性的影响；并利用功率计的能量模式，探讨激光稳定性对监测比的影响。激光源功率的稳定性，通常以功率不稳定度或功率峰值不稳定度来表示，本文讨论的激光源和监测比的不稳定度，都以峰值不稳定度表示。

1 激光功率计

常用的激光功率计包括光电型功率计和热电型功率计，原理上分别采用半导体器件的光伏效应和热电堆的塞贝克效应；光电型和热点型功率计在应用时各有优劣。在测量瓦级以上连续功率时，一般选用热电型功率计。总体而言，因适用的激光的具体参数不同，可选取不同损伤阈值、测量范围、响应面孔径、响应时间等参数的热电型功率计。

本实验采用的OPHIR公司的多款热电型功率计，目前被广泛用于激光功率和能量测量，其基本参数如表1所示。

表1 激光功率计基本参数表

2 激光功率计的响应时间对监测比测量的影响

实验原理框图如图1，采用分束镜将激光分成两束，透射光束由标准功率计接收，反射光束由监测功率计接收。标准功率计和监测功率计测量数据实时连接至PC端由软件进行处理，测量持续2～3 min，数据采集间隔约0.1 s，计算监测比及其不稳定度。理想状态下，分束镜无吸收，监测比的值是稳定的，其大小取决于分束镜反射率和激光的入射角度，但在实际测量中，监测比的测量结果是不稳定的。

图1 监测比测量框图

实验选用半导体泵浦的Nd：YAG激光器作为激光源，首先选取FL400A-BB-50型功率计作为标准功率计，选取（50）150A-BB-26型功率计作为监测功率计，测量在不同驱动电流下的功率和监测比。为了便于讨论，将透射功率不稳定度作为激光功率不稳定度来处理，测量结果如图2、表2所示。图2表明测量区间内激光功率随泵浦功率增加而近线性增加，监测比变化不超过±0.6%。表2表明激光功率稳定性和监测比的稳定性没有明显的相关性。

图2 连续激光源半导体驱动电流VS输出特性

再选取响应时间一致的F150A-BB-26、（50）150A-BB-26型功率计，进行监测比测量，结果如表3所示。

由表3可以看出相比于功率不稳定度，监测比稳定性有大幅度的提升，其不稳定度降至±1.0%甚至更低。对比表2和表3，结果显示，当标准功率计和监测功率计响应时间存在一定偏差时，监测比测量结果稳定性较差；当功率计响应时间一致时，监测比稳定性相比于激光功率稳定性有大幅提高。

表2 功率及监测比不稳定度

为了直观显示监测比在测量过程中的实时变化，选取表2驱动电流为12.95 A和表3第3行的标准功率计和监测功率计约20 s时间的实时测量数据，利用式（1）对数据做线性映射并作图，结果如图3所示。

式中：Xni—— 变换后的数据序列；

Xi—— 原数据序列；

Xave—— 原数据平均值

图3表明功率计响应时间有偏差时，标准功率计和监测功率计的功率响应趋势相近，但存在一定的时延和相对幅度差，响应时间较短的功率计响应相对超前。在利用监测比做间接测量时，如果样本数量较少且测量期间功率变化较大时，测量结果的稳定性将降低；当功率计响应时间一致时，响应趋势相近，响应相对时延和相对幅度差也变小，削减了功率波动带来的时延影响，提高了监测比的稳定性。

表3 不同响应时间的激光功率计组合监测比的测量结果

图3 激光功率 VS监测功率

在以上的实验中，可以推测，由于响应时间的存在，热电型功率计的时域分辨力不足，不能完全体现激光的功率波动。为了反映功率的实时变化，采用响应时间极短的半导体功率计来做监测功率计，测量过程中，通过调节驱动电流对激光功率进行调制。由于损伤阈值和光斑直径的原因，不能将半导体功率计置于监测功率计的位置上，因此，移除分束镜，以半导体功率计接收标准功率计响应面漫反射光，其示意图如图4。假设激光光束质量稳定、功率计响应面介质均匀、热属性稳定，则漫反射光在空间上的相对分布是固定的，半导体功率计的示值变化间接地反映激光束功率的变化。

图4 半导体功率计监测比测量示意图

测量结果如图5所示，图5（a）所示为半导体功率计测量数据利用式（1）线性映射的结果，而图5（b）中实线显示热电型标准功率计测量数据线性映射的结果。可以看出，两者大致的趋势是一致的，但半导体功率计快速响应了激光束功率变化细节——尖峰和突变。

为了模拟热电型功率计的测量结果，设计了与响应时间有关的函数，将其与图5（a）中半导体功率计的测量结果进行卷积计算，再进行线性映射和平移，模拟结果如图5（b）中虚线所示，与实际测量结果非常接近，可见响应时间对测量结果的影响类似于卷积的平滑作用。

3 激光源的稳定性对监测比测量的影响

实验原理装置框图同图2，采用毫秒量级脉宽的脉冲激光作为激光源。实验中电泵浦脉宽设置为10 ms，热电型功率计的选取同上，标准功率计、监测功率计设置在能量模式。由于脉宽远小于功率计的响应时间，测量过程接近瞬态过程，监测比的测量结果讨论可以忽略功率计响应时间的影响，则不稳定因素主要来自激光和测量设备的稳定性。测量结果如表4所示，监测比不稳定度的测量结果都在±1.0%以下，且在某些条件下能够达到±0.5%甚至更低。对比表2可以看出，对于响应时间一致的功率计，监测比的不稳定度有一定程度的提升，而对于响应时间不一致的功率计，表1中连续激光的不稳定度大约是±2.0%，表4中的结果有着非常显著的提升。比较之下，可以看出功率计响应时间不一致时，激光源的时域稳定性对监测比测量结果的稳定性影响较大。

图5 半导体功率计的测量和模拟

表4 功率计能量模式下监测比的测量结果

4 结语

本文针对激光功率测量过程中的监测比的不稳定因素进行了实验研究。通过实验简要讨论了激光功率计的响应时间对监测比测量稳定性的影响，以及连续激光源稳定性和仪器测量重复性对监测比测量结果稳定性的影响，为实际测量过程中，利用监测比方法进行间接测量的工作提供参考。在监测比测量过程中，合理选择响应时间相匹配的功率计，或采用脉冲激光源配合功率计能量模式的方法，将有效提高监测比的稳定性。