CN114441032A - 基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为解决现有技术无法高精度地测量高能激光的功率，提出了一种基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递***及方法，实现了对高能激光10¹²倍以上的光强衰减，将兆瓦级激光精确衰减至微瓦级，直接溯源至低温辐射计测量，提高了高能激光功率测量的准确性。本发明通过对高能激光进行多级可准确标定衰减系数的分束取样，将衰减后的功率值溯源到陷阱探测器，再将陷阱探测器的测试结果溯源至有相应资质光学计量站的低温辐射计上，以降低测量不确定度，并给出可溯源的结果。

Description

基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递***及方法

技术领域

本发明属于高能激光参数测试领域，涉及一种基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递***及方法。

背景技术

随着激光技术的发展，高能激光的输出功率已达数十万瓦，其功率参数准确测量一直是个学术难题。现有的高能激光功率测量方法多采用全吸收能量测量法，即将高能激光入射至全吸收的腔体内，通过测量腔体温升或腔体内部的水的温升，计算得到激光的能量值，再根据时间得出功率参数。为了提高测量精度，采用电标校的方法将激光功率溯源至等效的电加热装置中，目前这类能量计在测量高能激光时的测量不确定度为8％左右。

目前国际上公认的光功率测量标准是低温辐射计，其测量不确定度为0.02％，但是其可测量的功率范围是微瓦级。因此急需要一套大倍数的溯源传递装置，将高能激光进行已知准确系数的大倍数衰减后直接用低温辐射计进行精确测量。然而高能激光的大倍数衰减实施时也具有很大的难度：首先需要衰减单元能够耐受高能激光的辐照而不会出现衰减系数的变化；其次每个衰减单元的衰减系数不能太大，否则会由于跨多级量程的功率计原因无法对衰减系数进行精确标定；此外衰减单元还要兼顾不同偏振态高能激光的应用问题，确保衰减系数的一致性。

发明内容

本发明为了解决现有技术无法高精度的测量高能激光的功率，提出了一种基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递***及方法，实现了对高能激光10¹²倍以上的光强衰减，将兆瓦级激光精确衰减至微瓦级，直接采用低温辐射计测量，提高了高能激光功率测量的准确性。

本发明利用N级级联的楔镜组其中每组楔镜的入射楔镜和出射楔镜在空间正交排布，对高能激光进行衰减取样，再利用标准功率测量单元对高能激光功率进行溯源。

本发明采用的技术方案为：

一种基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递***，其特殊之处在于：包括N级级联的楔镜组、标准功率测量单元；N为不等于0的正整数；

所述楔镜组包括镜架和安装在镜架上的入射楔镜和出射楔镜，所述每组楔镜组中的入射楔镜和出射楔镜在空间正交排布；入射激光束入射至入射楔镜后反射光束入射至出射楔镜，经出射楔镜反射后进入下一级楔镜组；所述N级级联的楔镜组用于设置在高能激光的出射光路上，高能激光经N级级联的楔镜组衰减后获得取样光束；

所述标准功率测量单元包括陷阱探测器和缩束反射镜，所述缩束反射镜和陷阱探测器依次设置在取样光束的光路上，取样光束经缩束反射镜后入射至陷阱探测器。

进一步地，所述入射楔镜的入射激光束和出射激光束所在平面和出射楔镜的入射激光束和出射激光束所在平面的夹角为90°；

所述入射楔镜和出射楔镜的楔角相等，且楔角范围为3°～8°；

所述入射楔镜前表面法线与入射激光束夹角为22.5°～45°；

所述出射楔镜前表面法线与反射激光束的夹角为22.5°～45°。

进一步地，所述入射楔镜和出射楔镜均采用无水石英玻璃制成，石英楔镜的背光面镀有激光增透薄膜。

进一步地，所述入射楔镜和出射楔镜的背光面设有光吸收体，用于吸收透射光；所述光吸收体根据透射光的功率为强光吸收体或弱光吸收片；

还包括设置在入射激光束前端和经过N级楔镜组衰减后的取样激光束后端的可拆卸的十字叉丝。

进一步地，所述强光吸收体可选光垃圾桶，弱光吸收片可选石墨片；

所述陷阱探测器是由多片光电二极管按照一定空间结构组成的复合型光电探测器。

进一步地，在高能激光的光路上均设置光准直筒，用于吸收杂散光；

所述光准直筒为铝制准直筒，内外表面经过发黑氧化处理。

进一步地，每组中的两级楔镜间光束长度为1200mm，所述楔镜组间光束长度为1700mm，所述入射激光束最大直径250mm。

进一步地，所述N＝4时，第一、第四楔镜组处在同一水平面上，第二、第三楔镜组处在另外一个水平面上，且两个水平面均平行与地面；所述入射楔镜和出射楔镜的楔角均为5°；入射楔镜前表面法线与入射激光束夹角为22.5°，出射楔镜前表面法线与反射激光束的夹角为22.5°。

本发明还提供了一种基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递方法，采用上述的基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递***，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)、对标准功率测量单元的陷阱探测器进行溯源标定

选用低温辐射计作为初级标准，对陷阱探测器进行溯源标定；

1.1)设置标准功率测量单元与标定光源的相对位置，将标定光源的出射光经稳功仪后入射至标准功率测量单元的缩束反射镜，反射后进入陷阱探测器，测量得到电流值(或电压值)；

1.2)将标定光源的出射光经稳功仪后入射至选用的低温辐射计，测量入射激光标定功率P；

1.3)根据测量电流值(或电压值)和标定功率P，计算得到陷阱探测器的响应率；则该陷阱探测器每次试验测得的电流值(或电压值)均可通过响应率计算出已溯源的功率值；

2)、对高能激光功率进行溯源传递

2.1)、计算待测高能激光衰减到微瓦级需要经过的衰减级联数N；

2.2)、选择入射角、折射率系数合适的楔镜组，计算N级级联楔镜组的衰减系数；

2.3)、在标定光源处搭建上述基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递***，使得待测高能激光以楔镜组的入射角入射至第一级楔镜组，保持标准功率测量单元的相对位置不变，使得第N组楔镜组衰减后的取样激光束经缩束反射镜后进入陷阱探测器；

3)、根据陷阱探测器的响应率和N级级联楔镜组的衰减系数计算得到入射高能激光的功率。

进一步地，步骤2.2)中，所述入射高能激光的波长为1微米或1.3微米；所述N级级联楔镜组的衰减系数为1000倍；

步骤1.1)中，所述标定光源的口径与陷阱探测器的光窗尺寸匹配；

步骤2.3)中，所述缩束反射镜的口径与高能激的光光束直径相匹配。

本发明比现有技术的有益效果是：

1、本发明采用多级级联的正交楔镜组反射取样实现高能激光功率参数的级联衰减，四组楔镜组可实现10¹²倍的衰减，将兆瓦级高能激光衰减至微瓦级，直接溯源至标准功率测量单元，一套***实现了高能激光功率参数的传递溯源。

2、本发明的楔镜组中包括两只在空间正交排布的无水石英楔镜，使得衰减系数取决于入射角与折射率系数，每组楔镜对1微米激光的衰减系数约为1000倍，与激光的偏振态无关，从而适应了不同偏振态高能激光的要求。考核试验证明高纯石英楔镜在高能激光辐照过程中(功率密度达万瓦每平方厘米)衰减系数保持不变，故可以通过百瓦级的激光器结合现有的功率计可对衰减系数进行独立精确标定，最终实现高精度的溯源传递。

3、本发明建立了四组楔镜组的激光功率传递***，实施中根据高能激光功率值选择楔镜组的数量和入射位置，将不同功率的高能激光溯源至低温辐射计上。同时在入射和出射位置均安装了十字叉丝，只要激光经过双叉丝，即可确保激光入射角度的准确性。此外第一和第四楔镜组处在同一水平面上，第二和第三楔镜组处在另外一个水平面上，确保了激光入射方向和出射方向在高度和角度相同，仅仅是位置偏移，方便了光学元件的摆放及高能激光的辐照试验。

4、本发明的标准功率测量单元由陷阱探测器和缩束反射镜组成，高能激光功率溯源时，通过小口径的标定光源和稳功仪直接将功率值整体溯源至低温辐射计，一方面克服了低温辐射计长时间使用的不便及费用较高的问题，又能将大面积高能激光束溯源至向小口径的陷阱探测器，并确保了传递准确度。

附图说明

图1为本发明实施例四组八级楔镜级联衰减的激光功率溯源传递***结构示意图；

图2为本发明实施例四组八级楔镜级联衰减的激光功率溯源传递装置原理示意图；

图3为本发明实施例楔镜组中楔镜正交排布示意图；

图4为本发明实施例利用低温辐射计标校陷阱探测器的原理示意图；

附图标记：

1-第一入射楔镜，2-第一出射楔镜，3-第二入射楔镜，4-第二出射楔镜，5-第三入射楔镜，6-第三出射楔镜，7-第四入射楔镜，8-第四出射楔镜，9-强光吸收体，10-低温辐射计，11-陷阱探测器，12-缩束反射镜，13-标定光源，14-稳功仪，15-标准功率测量单元，16-弱光吸收片，17-十字叉丝，18-入射激光束，19-反射光束。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递***及方法作进一步详细说明。

本发明提供的一种基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递***的设计思路是：对高能激光进行多级可准确标定衰减系数的分束取样，将衰减后的功率值溯源到陷阱探测器，再将陷阱探测器的测试结果溯源至有相应资质光学计量站的低温辐射计上，以降低测量不确定度，并给出可溯源的结果。试验时，可根据高能激光功率值选择楔镜组的数量和入射位置，将不同功率的高能激光溯源至低温辐射计上，如图1所示。

如图2所示，本实施例基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递***包括四级级联的楔镜组、标准功率测量单元15以及设置在楔镜组背光面的强光吸收体9和弱光吸收片16。

楔镜组包括镜架和安装在镜架上的入射楔镜和出射楔镜。第一入射楔镜1与第一出射楔镜2构成第一楔镜组，第二入射楔镜3与第二出射楔镜4构成第二楔镜组，第三入射楔镜5与第三出射楔镜6构成第三楔镜组，第四入射楔镜7与第四出射楔镜8构成第四楔镜组，***中第一、第四楔镜组处在同一水平面上，第二、第三楔镜组处在另外一个水平面上，两个水平面均平行于地面，满足激光入射方向和出射方向在高度和角度相同，仅仅是位置偏移。每组楔镜组中的入射楔镜和出射楔镜在空间正交排布；入射激光束18入射至入射楔镜后反射光束19入射至出射楔镜，经反射光束19反射后进入下一级楔镜组；四级级联的楔镜组用于设置在高能激光的出射光路上，高能激光经四级级联的楔镜组衰减后获得取样光束。

标准功率测量单元15由陷阱探测器11和缩束反射镜12组成，依次设置在取样光束的光路上，取样光束经缩束反射镜12后入射至陷阱探测器11，用于接收探测衰减后的高能激光束。由于低温辐射计10工作时需要保持真空绝热环境，日常维护成本高，故采用陷阱探测器来满足本装置测量要求。陷阱探测器11是由多片光电二极管按照一定空间结构组成的复合型光电探测器，它不仅具有高的绝对精度，而且工作波段宽、动态范围大、灵敏度高。采用InGaAs光电二极管建立陷阱探测器，作为溯源探测器。

楔镜组背光面的强光吸收体9或弱光吸收片16，位于激光入射至楔镜后产生的透射及二次反射的光路延长线上，楔镜后的吸收体用于吸收楔镜透射的杂散光，根据入射激光透射光功率选择强光吸收体9或弱光吸收片16。本实施例中，由于第一入射楔镜1、第一出射楔镜2以及第二入射楔镜3产生的透射光功率较高，在其背光面采用强光吸收体9收集透射光，强光吸收体9选用光垃圾桶。第二出射楔镜4以及第三楔镜组、第四楔镜组，后五片楔镜透射光较弱，采用弱光吸收片16作为光吸收体，弱光吸收片16选用石墨片来收集。每组中的两级楔镜间光束长度为1200mm，组间光束长度为1700mm可测量光束直径250mm。

图2中高能激光入射激光束前端和经过四级楔镜组衰减后取样光束后端均设置有可拆卸的十字叉丝17，调试时，采用高能激光的可见光准直激光同时入射至双十字叉丝，即可确保激光入射角度的准确性。

此外本溯源传递***中光路传递的过程在，也可以在在高能激光束的光路上设置光准直筒，光准直筒采用铝制准直筒，内外表面经过发黑氧化处理，以吸收杂散光。

如图3所示，所述每组楔镜组中的入射楔镜和出射楔镜在空间正交排布，根据石英的折射率系数计算得到每组楔镜对1微米激光的衰减系数约为1000倍，且正交结构的布设使得衰减系数激光的偏振态无关，从而适应了不同偏振态高能激光的要求。

入射楔镜的入射出射光所在平面与出射楔镜入射出射光所在平面的夹角为90°，入射楔镜和出射楔镜的楔角相等，且楔角范围为3-8°；入射楔镜的前表面将入射激光束反射后形成反射激光束；出射楔镜的前表面将反射激光束反射后获得衰减后的取样激光束；入射楔镜前表面法线与入射激光束夹角为22.5°～45°，出射楔镜前表面法线与反射激光束的夹角为22.5°～45°，优选两个光学领域常用的参数22.5°和45°。

每组楔镜组的入射楔镜和出射楔镜均采用无水石英玻璃制成，石英楔镜的背光面镀有激光增透薄膜。理论分析和试验证明，入射高能激光的波长一般为1微米或1.3微米，采用楔镜表面的菲涅尔反射来进行衰减，衰减系数取决于石英玻璃的折射率和入射角度，而入射角度和折射率受温度的影响极小，因此采用康宁或贺利氏的无水石英玻璃，可耐受功率密度数万瓦每平方厘米的高能激光而不受损伤且衰减系数保持不变，故可以通过百瓦级的激光器结合现有的功率计可对每个楔镜组的衰减系数进行独立精确标定，最终实现高精度的溯源传递。

对于图1中的基于楔镜组的四级联衰减的高能激光功率溯源传递***，入射的高能激光束依次经过第一、第二、第三、第四楔镜组衰减取样，衰减后的激光功率分别为千瓦级、瓦级、毫瓦级和微瓦级，最高可实现10¹²倍的衰减，从而将兆瓦级高能激光的衰减至微瓦级，直接溯源至标准功率测量单元15，根据四组级联楔镜的衰减系数计算得到入射高能激光功率参数，从而实现了高能激光功率参数的传递溯源。

***中第一、第四楔镜组处在同一水平面上，第二、第三楔镜组处在另外一个水平面上，满足激光入射方向和出射方向在高度和角度相同，仅仅是位置偏移。在高能激光的辐照试验时，常利用第一入射楔镜1的透射光开展效应试验，这样便于光学元件的摆设。

采用多级楔镜组级联衰减还有一个好处，就是可将待溯源和校准的激光器和功率计放置在不同的位置上，实现不同功率级别的激光器和功率计进行溯源和校准。比如1000W的激光器可以从第二个楔镜组进行入射，同样溯源至标准功率测量单元，进而满足了不同场合激光参数测试和效应试验的需求。

采用上述基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递***进行高能激光功率溯源传递的方法，包括以下步骤：

1)、对标准功率测量单元15的陷阱探测器11进行溯源标定

选用低温辐射计10作为初级标准，对陷阱探测器11进行溯源标定，标定方法，如图4所示。

1.1)设置标准功率测量单元15与标定光源13的相对位置，将标定光源13的出射光经稳功仪14后入射至标准功率测量单元15的反射缩束镜12，反射后进入陷阱探测器，测量得到电流值(或电压值)；

1.2)利用低温辐射计10对标准功率测量单元15进行替换，将标定光源13的出射光经稳功仪14后入射至选用的低温辐射计10，测量入射激光标定功率P；

1.3)根据测量电流值(或电压值)和标定功率P，计算得到陷阱探测器11的响应率；

则该陷阱探测器每次试验测得的电流值(或电压值)均可通过响应率计算出已溯源的功率值。

高能激光的入射激光束18直径数百mm估算，陷阱探测器11和低温辐射计10的探测光束直径为数mm左右，故需要在陷阱探测器11入口前增加缩束反射镜12，所以标定光源13的口径与陷阱探测器11的光窗尺寸匹配，缩束反射镜12的口径与高能激光束的口径相匹配。

溯源时对标准功率测量单元15整体溯源，而不是单独对陷阱探测器11进行溯源，这样可以减少环节，减小测量不确定度，确保了传递准确度。

2)、对高能激光功率进行溯源传递

2.1)、计算待测高能激光束的激光需要衰减到微瓦级需要经过的衰减级联数；

2.2)、选择折射率系数合适的楔镜组，计算N级级联楔镜组的衰减系数；

由石英的折射率系数可以计算得到每组楔镜对1微米激光的衰减系数约为1000倍，且正交结构的布设使得衰减系数激光的偏振态无关，从而适应了不同偏振态高能激光的要求。

基于菲涅尔反射率公式：

计算每组楔镜反射率，其中θ₁为入射角，θ₂为折射角，可以通过入射角及折射率计算得出；R_S为与入射反射光垂直方向偏振光分量的反射率，R_P为入射反射光所在平面光方向偏振分量的反射率，经过每组楔镜后，光束s方向分量与p方向分量的反射率相同，均等于R_S*R_P。

2.3)、在标定光源13处搭建上述基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递***，使得待测高能激光以楔镜组的入射角入射至第一级楔镜组，保持标准功率测量单元15的相对位置不变，使得衰减后的取样激光束经缩束反射镜12后进入陷阱探测器11。

3)、根据陷阱探测器11的响应率和N级级联楔镜组的衰减系数计算得到入射高能激光的功率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递***，其特征在于：包括N级级联的楔镜组、标准功率测量单元；N为不等于0的正整数；

所述楔镜组包括镜架和安装在镜架上的入射楔镜和出射楔镜，所述每组楔镜组中的入射楔镜和出射楔镜在空间正交排布；入射激光束入射至入射楔镜后反射光束入射至出射楔镜，经出射楔镜反射后进入下一级楔镜组；所述N级级联的楔镜组用于设置在高能激光的出射光路上，高能激光经N级级联的楔镜组衰减后获得取样光束；

所述标准功率测量单元包括陷阱探测器和缩束反射镜，所述缩束反射镜和陷阱探测器依次设置在取样光束的光路上，取样光束经缩束反射镜后入射至陷阱探测器。

2.根据权利要求1所述的基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递***，其特征在于：

所述入射楔镜的入射激光束和出射激光束所在平面和出射楔镜的入射激光束和出射激光束所在平面的夹角为90°；

所述入射楔镜和出射楔镜的楔角相等，且楔角范围为3°～8°；

所述入射楔镜前表面法线与入射激光束夹角为22.5°～45°；

所述出射楔镜前表面法线与反射激光束的夹角为22.5°～45°。

3.根据权利要求2所述的基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递***，其特征在于：

所述入射楔镜和出射楔镜均采用无水石英玻璃制成，石英楔镜的背光面镀有激光增透薄膜。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递***，其特征在于：

所述入射楔镜和出射楔镜的背光面设有光吸收体，用于吸收透射光；所述光吸收体根据透射光的功率为强光吸收体或弱光吸收片；

还包括设置在入射激光束前端和经过N级楔镜组衰减后的取样激光束后端的可拆卸的十字叉丝，用于入射激光束和取样激光束的光路准直。

5.根据权利要求4任一所述的基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递***，其特征在于：

所述强光吸收体可选光垃圾桶，弱光吸收片可选石墨片；

所述陷阱探测器是由多片光电二极管按照一定空间结构组成的复合型光电探测器。

6.根据权利要求5所述的基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递***，其特征在于：

在高能激光的光路上均设置光准直筒，用于吸收杂散光；

所述光准直筒为铝制准直筒，内外表面经过发黑氧化处理。

7.根据权利要求6所述的基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递***，其特征在于：

所述入射楔镜和出射楔镜间光束长度为1200mm，所述楔镜组间光束长度为1700mm，所述入射激光束直径最大为250mm。

8.根据权利要求7所述的基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递***，其特征在于：

所述N＝4，第一、第四楔镜组处在同一水平面上，第二、第三楔镜组处在另外一个水平面上；所述入射楔镜和出射楔镜的楔角均为5°；入射楔镜前表面法线与入射激光束夹角为22.5°，出射楔镜前表面法线与反射激光束的夹角为22.5°。

9.一种基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递方法，采用如权利要求1-8任一所述的基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递***，其特征在于，包括以下步骤：

1)、对标准功率测量单元的陷阱探测器进行溯源标定

选用低温辐射计作为初级标准，对陷阱探测器进行溯源标定；

1.1)设置标准功率测量单元与标定光源的相对位置，将标定光源的出射光经稳功仪后入射至标准功率测量单元的缩束反射镜，反射后进入陷阱探测器，测量得到电流值(或电压值)；

1.2)将标定光源的出射光经稳功仪后入射至选用的低温辐射计，测量入射激光标定功率P；

1.3)根据测量电流值(或电压值)和标定功率P，计算得到陷阱探测器的响应率；

2)、对高能激光功率进行溯源传递

2.1)、计算待测高能激光衰减到微瓦级需要经过的衰减级联数N；

2.2)、选择入射角、折射率系数合适的楔镜组，计算N级级联楔镜组的衰减系数；

2.3)、在标定光源处搭建权利要求1-8任一所述的基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递***，使得待测高能激光以楔镜组的入射角入射至第一级楔镜组，保持标准功率测量单元的相对位置不变，使得第N组楔镜组衰减后的取样激光束经缩束反射镜后进入陷阱探测器；

3)、根据陷阱探测器的响应率和N级级联楔镜组的衰减系数计算得到入射高能激光的功率。

10.根据权利要求9所述的基于楔镜组级联衰减的高能激光功率溯源传递方法，其特征在于：

步骤2.2)中，所述入射高能激光的波长为1微米或1.3微米；所述N级级联楔镜组的衰减系数为1000倍；

步骤1.1)中，所述标定光源的口径与陷阱探测器的光窗尺寸匹配；

步骤2.3)中，所述缩束反射镜的口径与高能激光的光束直径相匹配。

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