脉冲激光峰值/平均功率测试方法研究

　　激光作为一种新型光源,由激光器产生的波长在1mm以下的相干电磁辐射,它与普通光源相比具有良好的单色性、相干性、方向性和高亮度等特点。近年来以激光技术为基础的激光光电子技术不仅以其自身价值得到显示,还在高新技术领域中与其它高新技术和传统产业结合,在机械加工、国防等方面展示了巨大应用前景。

　　激光计量实际上属于光辐射计量,主要是计量激光功率和能量,一般对于连续波激光是计量功率,而对于脉冲激光则是计量能量。

　　我国目前已建立的激光计量标准有:

　　(1)激光功率标准:波长0.3~11u_m,功率10~800W和100 ~10000W,精度±3%;波长0. 3~11u_m,功率0.1~100mW,精度±0.%。

　　(2)激光能量标准:波长0. 3~11u_m，能量0.1mJ~1J,精度±(2% ~3% );波长0.4~11u_m,能量1~40J,精度±2%。

　　激光计量测试方法与光辐射的计量测试方法基本相同,通常采用的方法有光电法、热释电法、光子牵引法等。但是在实际计量测试中,对于波长λ=1.06u_m,脉冲重复率0~20Hz,脉冲宽度0~75ns的脉冲激光光源输出峰值/平均功率测试没有系统、明确的测试方法。本文则从实际生产需求出发,具有针对性地对脉冲激光的主要参数即脉冲平均功率和脉冲峰值功率的测试原理、测试方法以及数据处理等方面给出了明确的阐述。

　　1　测试原理

　　(1)脉冲宽度[1](或称脉冲持续时间)t测试原理

　　脉冲宽度(或称脉冲持续时间)t指激光时域脉冲上升时间tr和脉冲下降时间tf到它的50%的峰值功率点之间的时间间隔,s。对于不同的脉冲激光的上升时间量级和时域量程,根据对测量结果的不同要求,采用的测量方法有两类:一是直接测量法,采用快速探测器,将光信号转换成电信号,通过存储示波器记录其波形;二是采用相关函数将时间函数转换成空间函数。利用标准延迟器和光速c换算出其时域脉冲波形参数,并依据脉冲激光的时域波形,测量获得脉冲宽度t等时域参数。

　　对于激光脉冲脉宽参数的测试我们采用直接测量法,测试原理见图1。

　　激光脉冲宽度量值的测量是否准确,将直接影响最终辐射模拟光源峰值功率的结果,是影响最终测量结果的一个重要因素,也是对测量结果进行不确定度评定的一个重要分量。

　　(2)脉冲激光峰值功率测试原理[2]

　　脉冲峰值功率(P_p)指脉冲激光器发射的功率时域函数的最大值。从理论上讲,其溯源方法可以分为三种:脉冲激光能量、激光平均功率、绝对响应灵敏度。测试方法又可以分为三类,即波形分析法、峰值保持法、等效采样法。其中波形分析法包括半宽度法、面积法、波形积分法三种形式。从实际生产出发,对于低重复频率脉冲激光,我们采用脉冲激光能量量值溯源方法和波形半宽度分析法进行脉冲激光峰值功率(P_p)的测试。