宽波段高精度激光能量计设计

才 滢

（92493部队 计量测试研究所，辽宁 葫芦岛 125000）

引言

激光技术作为一种前沿高科技在军事国防中具有重要应用，在精确测距、精密制导、保密通信等领域具有重要优势[1-3]。激光技术的这些用途都离不开激光能量的精密测量。激光输出能量的准确测量是评价激光器品质和激光器研制水平的一项重要指标[4-5]。激光能量计是用来测量激光能量的重要手段。激光能量测试的原理通常是通过测量探测器表面的热沉积完成的，精确可靠测试的关键在于探测器表面的吸收体设计，使其在日常使用中保持良好的重复性，达到高精度的测试点要求[6-7]。宽波段测量范围的关键在于吸收体喷涂材料的研制使用，使得探测器具有较宽的波段范围[8]。目前较为常见的激光能量计为ophir公司生产的系列能量计，该公司主要生产2种形式的能量计，一种利用热电堆作为传感器；一种利用热释电材料作为传感器。2种形式的能量计校准精度为±3%，同时只能测量20 ms以下脉冲宽度的激光能量，难以覆盖激光能量计校准时激光脉冲宽度变化范围。本文针对脉冲激光器能量计校准需求，设计了一款体吸收能量计，实现了宽波段、高精度、宽能量范围的激光能量测试。该能量计也可以作为激光能量标准装置中的标准能量计和核查能量计使用。

1 系统设计

激光能量计主要用于激光能量的量值传递，主要考虑测量重复性及稳定性，所以能量计设计时选用测量重复性好的传感器。而且激光能量标准装置使用的激光源在大能量时，脉宽超过20 ms，所以要求所设计的能量计可以进行长脉宽能量测量。热电堆性能稳定，激光吸收涂层可以根据波长需要喷涂，可以通过热结构设计调整热稳定时间。在测量长脉宽激光能量时，只需做相应的补偿修正。理论上可以进行任意长脉宽的激光能量测量。所以激光能量计由热电堆探测器、信号放大及滤波模块、数据采集模块、计算机及系统软件组成，如图1所示。

图1 激光能量计系统组成图Fig.1 Composition diagram of laser energy meter system

热电堆探测器为热电传感器，将探测到的激光能量转换为电压信号；信号放大及滤波模块，将电压信号进行放大、滤波；数据采集模块，以AD为核心，将模拟信号转换为数字信号并送入计算机；计算机及系统软件对获得的数字信号进行判读和分析，根据灵敏度、放大倍数等计算得到激光能量值。

主要技术指标如下：

激光波长为1.064 μm；

能量测量范围为1 mJ～40 J；

能量计的测量不确定度为2.5%（k=2）。

2 分部件设计

2.1 热电堆探测器

利用自主研制的宽波段吸收涂层作为吸收体，以高密度热电堆作为传感器。采用碳纳米烯材料作为吸收涂层，保证了激光能量计在较宽光谱的波段内激光能量都有较强吸收；同时配合使用氧化铝抗损伤层，保证激光能量计在高损伤阈值的前提下有平坦的吸收曲线，保证能量计测量的准确性。热电堆反面利用高热导率胶连接至热沉，保证测量时参考面温度稳定。通过前后端分段测量，保证了激光能量计在1 mJ～40 J范围内有较高的测量精度。热电堆输出信号经过放大器后，利用高精度采集卡采集，数据传至计算机并得到能量值。热电堆探测器的结构示意图如图2所示。

图2 热电堆探测器的结构示意图Fig.2 Structure diagram of thermopile detector

当激光入射到吸收体后，逐渐被吸收体所吸收，光能转换为热能，使吸收体的温度升高，利用热电堆就可感应出吸收体与参考点之间的温度差，从而获得温差电势。采用PN半导体热电堆测量吸收层及热沉温差，当温差发电器两面存在温差时，P、N型半导体电偶臂同时驱动空穴和电子移动，输出端会产生电势差，形成闭合回路时，就会有持续的直流电流输出，其原理如图3所示[9-12]。

图3 半导体热电堆温差传感器原理Fig.3 Schematic diagram of semiconductor thermopile temperature difference sensor

当P型和N型半导体反向串连时，如2个连接点保持不同的温差，则在半导体中产生一个温差电动势，如（1）式所示：

式中：Vs为温差电动势；S为温差电动势率，即塞贝克系数； ΔT为连接点之间的温差。

整个辐射计测量的能量测量示值可用（2）式计算：

式中：VS为测量激光辐射的接收腔的响应电压；k为测量激光辐射的接收腔的响应度。

为了达到1 mJ～40 J超宽能量范围，本项目采用大小2个热电堆探测器，布置于能量计正反两面。大热电堆探测器用于探测60 mJ～40 J能量；小热电堆探测器用于探测1 mJ～3 J激光能量。2个热电堆能量探测范围重叠，可以覆盖整个能量测量范围。

根据图3的探测器结构示意图，采用金属铝为热沉材料，分为遮光罩、外壳、热沉、隔热垫圈、抗损伤窗口、热电堆探头等。其中热沉直径为66 mm，高度为45 mm，反光罩直径为66 mm，内部为直径30 mm的抛光半球面，前端开直径为15 mm的入光口。用金属铝作热沉材料具有导热快、质量轻等优点。热沉一端与反光罩装配，另一端与后盖装配，方便引线。传感器引出测量端子，利用数字电压表测量接收激光能量的响应电压，根据标定的响应度得出接收的激光辐射能量量值。

2.1.1 热电堆探测器激光加热特性仿真模拟

为了研究热路结构的低温辐射计的特性，并对热链材料进行优化选择，我们利用有限元仿真软件建立了吸收腔热路结构的三维有限元模型，该模型包括铜块热沉、热端绝缘陶瓷（氧化铝）、冷端绝缘陶瓷（氧化铝）、P型热电臂、N型热电臂及相应端部铜银合金电极，模型由149 000个网格节点和823 669个四面体域单元组成，网格结构如图4所示[13]。

图4 网格结构Fig.4 Structure diagram of grid

针对不同类型激光脉冲做了2类加热模型模拟，一种是相同能量时ns脉宽及ms脉宽对热温差的影响；另一种是ms脉宽、相同能量、不同脉冲形状对温差测量的影响。

1）相同能量时ns脉宽及ms脉宽对热温差的影响

由于作为激光能量标准的激光器按照能量大小一般分为ns和ms激光器。为了模拟2种激光器对热电堆的加热效果，分别利用100 ns、1 ms、10 ms的脉冲对热电堆的热端进行加热，冷、热端的平均温度和最高温度如图5所示。

由图5可见，随着脉宽的加宽，热端最高温度会降低，但在相同能量下ms脉宽激光脉冲热端最高温度相差不大。所以在进行激光能量计设计时，ns脉宽激光能量计与ms脉宽激光能量计的能量-电压对应关系的不一样，应分别对ns和ms脉宽进行修订。

图5 ns脉宽及ms脉宽对热温差的影响Fig.5 Influence of ns pulse width and ms pulse width on thermal temperature difference

2）ms脉宽、相同能量、不同脉冲形状对温差测量的影响

作为激光能量标准使用的参考光源ms激光器，由于器件性能限制，随着脉宽的增加波形可能不再是方形。为了模拟波形不同对热电堆的加热效果影响，选择了2种极端情况作为模拟加热源。第1种是恒定功率的方波；第2种是功率按固定斜率下降的三角波。

a）恒定功率的方波

加热波形、热电堆整体温度分布及冷热端的最高温度图如图6所示。

图6 恒定功率的方波对热温差的影响Fig.6 Influence of square wave of constant power on thermal temperature difference

b）功率按固定斜率下降的三角波

加热波形、热电堆整体温度分布及冷热端的最高温度图如图7所示。

图7 功率按固定斜率下降的三角波对热温差的影响Fig.7 Influence of triangular wave with power decrease by fixed slope on thermal temperature difference

模拟结果表明，不同波形的ms激光光源对热电堆最大温差影响很小。所以在进行激光能量计设计时，可以不必考虑脉宽波形对测量结果的影响。

2.2 信号放大及滤波模块

热电堆探测器的输出为电压信号，为了能够准确地测量热电堆探测器的输出信号，还需要对信号进行复杂的调理。首先，要对电压信号进行放大，放大电路选用ADA4530作为放大器，该器件具有低功耗、高精度、超低失调、超低静态电流等特点。ADA4530能够满足低至fA级电流测量的需求，将通过I/V转换及程控放大，将电压信号输出到下级电压跟随电路。

对被测电压信号进行AD模数转换之前，还需要对其进行滤波和调整，保证信号动态范围稳定在0～10 V之间，满足与AD转换器的对接要求。ADA4530满足低噪声线性放大，将弱电压放大稳定至可被ADC检测的范围。

本系统设计的传感器信号调理电路采用Linear公司的10阶低通滤波器LTC1569。它具有线性相位，截止频率可调，最大截止频率可达 300 kHz(5 V供电)，并具有低失调电流、低漂移电流、低偏置电流和宽动态范围等特点。与普通的有源滤波器相比，LTC1569 组成的滤波器具有外接元件少、结构简单、参数调整方便和稳定性较好等优点。能够高精度滤波调理传感器输出信号，从而满足数据采集器高精度和高稳定性的要求。LTC1569-7是通带内近似线性相位的滤波器，在测量频率分量较多的信号时，能够避免相位失真，具有优异的瞬态性能。由于频率和相位是线性关系，所以滤波器仅仅让信号延迟一个常量，并不会失真。

2.3 数据采集模块

数据采集电路采集经过信号调理之后的能量信号。根据ARM控制器的指令，设定A/D的采样速率，A/D转换器完成对能量信号的采集，并把采集的数据传输到ARM 控制器中[14]。

在测量激光能量时，考虑到模/数转换器的采样余量以及探测系统数据处理的余量。同时考虑到信号采样需要的精度，采用了高速率、高精度的AD7671模/数转换器。

2.4 计算机及系统软件

计算机系统软件利用串口与下位机进行通信，主要包括图形显示模块、串口通信模块、能量计量程选择模块、测量条件设定及测量模块。计算机与下位机通讯后，需要对能量计的量程范围进行选择，同时需要知道激光脉宽的大概值并在测量条件设定中进行选择，如图8所示。

图8 激光能量计系统软件图Fig.8 System software diagram of laser energy meter

3 实验结果与分析

3.1 激光能量计的标定

设计完成的激光能量计用激光能量计标准装置进行标定。标定系统由PDH-1064-220-HL ns激光器、PDH-1064-45-H ms激光器、分束镜、PE-25监视能量计、PE-100标准能量计和被标定能量计组成，如图9所示。

图9 激光能量计标定系统 组成图Fig.9 Composition diagram of laser energy meter calibration system

分别用ns激光器和ms激光器标定设计的激光能量计修正系数，并验证其重复性和线性度[15-17]。用标准能量计测量得到透过分束镜、扩束镜(光路1)的能量E1；监视能量计测量得到从分束镜前端面反射(光路2)的光能量E2，由此得到分束镜的分束比：

保持激光分束镜和监视能量计位置不动。利用被标定能量计代替标准能量计，在同一位置进行测量，用标准能量计和被标定能量计同时测量激光辐射能量。标准能量计测量量值记为E2′，被标定能量计测量量值记为E1′。则，激光分束监测系统的监测比为

因为在整个测试过程中，激光分束镜和监视能量计位置保持不动，因此，监测比是一个固定的量值，即

由（5）式可得：

由（6）式可知，由于测量标准能量计的激光能量E1和测量被标定能量计的激光能量E1′在不同激光脉冲测量时量值不同，在被标定能量计与标准能量计替换前后，激光能量变化为以前的/E2。因此，在被标定能量计的修正因子计算过程中，要除以/E2进行修正，即对被校能量计的测量示值乘以修正因子/E2加以修正。然后计算修正系数C：

由于激光能量计原始测量为电压值，在能量计系数测量时将（7）式改为

式中：k为能量计的系数；V为能量计测量电压。

实验时ms脉冲能量选取了脉宽1 ms 的1 J左右的激光脉冲与10 ms的17 J左右的激光脉冲；ns脉冲能量选取了脉宽10 ns的100 mJ左右的激光脉冲能量点进行试验，每个点测量6次。用（8）式计算系数，用贝塞尔公式计算标准偏差，计算不同脉宽的能量计系数。测量结果如表1～表3所示。

表1 1 J能量计测量结果Table 1 Measurement results of 1 J pulse energy meter coefficients

表2 17 J能量计测量结果Table 2 Measurement results of 17 J pulse energy meter coefficients

表3 100 mJ脉冲能量计系数测量结果Table 3 Measurement results of 100 mJ pulse energy meter coefficients

根据测量结果可以计算得到1 J、17 J、100 mJ脉冲能量计的系数均值分别为73.83、74.93、82.60；标准偏差分别为0.1%、0.05%、0.11%。设计的激光能量计在各个能量段的测量重复性极高，能量计系数测量值与理论模拟值的比值分别为205.9、229.2、231.8。实际测量结果与理论模拟比较吻合。

3.2 线性度分析

能量计的系数经过修正后利用（7）式进行标定。ms脉冲能量选取了1.1 J、2.6 J、7.7 J、12.4 J、17 J、39 J等能量点进行试验，每个点测量6次。用（7）式计算修正系数，用修正系数均值的最大差值计算线性度。在能量为1.1 J、2.6 J、7.7 J、12.4 J、17 J、39 J时，修正系数均值分别为1.038、1.038、1.053、1.044、1.038、1.041，所以在1 J～17 J范围内线性度为1.2%。

ns脉冲能量选取了10 mJ、100 mJ等能量段进行试验，每个点测量6次。用（7）式计算修正系数，用用修正系数均值的最大差值计算线性度。在能量为10 mJ、100 mJ时，修正系数均值分别为0.9916、0.9981，所以在100 mJ范围内线性度为0.65%。

3.3 性能验证

设计的激光能量计送计量机构进行检定，测量结果如表4、表5所示。

表4 能量计1 mJ～500 mJ档位校准结果Table 4 Calibration results of energy meter in 1 mJ～500 mJ range

表5 能量计500 mJ～40 J档位校准结果Table 5 Calibration results of energy meter in 500 mJ～40 J range

激光波长1.064 μm，脉宽10 ns，299.8 mJ、111.9 mJ、0.91 mJ测量结果如表4。

激光波长1.064 μm，脉宽1 ms～10 ms，1.31 J、20.3 J、41.6 J测量结果如表5。

结果表明，该激光能量计满足设计要求。

4 结论

本文设计的激光能量计具有响应波段宽、测量精度高、探测面积大、能量范围宽的优点，且具有良好的线性。采用碳纳米烯材料作为吸收涂层，保证了激光能量计在较宽光谱的波段内激光能量都有较强吸收，同时配合使用氧化铝抗损伤层，保证激光能量计在高损伤阈值的前提下有平坦的吸收曲线，保证能量计测量的准确性。采用大小2个热电堆探测器，布置于能量计正反两面的方法，保证了激光能量计在1 mJ～40 J范围内有较高的测量精度。将激光能量计溯源到国家激光能量基准，测量相对扩展不确定度可达2.5%（k=2）的优异水平。