高功率激光精密小能量测量系统研究

　　1　引　言

　　惯性约束核聚变的成功爆破要求驱动器高度对称,以实现对靶球的最有效的对称压缩。其中一个必须的部分就是所有光束间的瞬时功率平衡[1]。神光装置的功率平衡属于低通量功率平衡,在此条件下,8路子束小信号增益系数Gss,I的调整是功率平衡调试的关键步骤,因此就需要有一套高精度的小信号能量测量系统。神光装置原有的高精度能量测量系统的测量范围为两个量级,而功率平衡调试要求能量测量系统动态范围至少有三个量级以上,精度为2%。为了扩展其动态范围,分别建立了70 mm和200 mm放大器小信号能量测量系统,两套系统的基本构造相同,其动态范围可拓展至三个量级。

　　2　系统结构及工作原理

　　小信号能量测量系统主要由四通道滤光片开关和探头两部分组成。四通道开关中一个通道为对标通道,放置对标滤光片,透过率约为1/100,定为B通道;一个为换档通道,放置换档滤光片,透过率约为1/10,定为C通道;第三个通道为全通,透过率为1,为D通道;另外一个为全闭,用于打大能量时保护探头,为A通道。通道开关与步进电机相连,由电脑提供信号进行通道切换。探头部分是由光电探测器和滤光片组成,备有各种规格的滤光片以供替换。探头前面是一个2 mm的小孔,与此处光斑尺寸相当,主要是为了将杂散光减至最小。由于70mm放大器处的电磁干扰较大,探头及其底座都采取了相应的措施来屏蔽电磁干扰。两套系统均为封闭的整体。

　　探测器是系统的关键部分,探头选用的是硅光测量电池,它较一般的光电二极管有更高的线性度,具有光谱响应范围宽、噪声低、稳定性好等优点。其结构和工作原理如图1(a),(b)所示。

　　探测器上接收到的激光能量Ed和光电流I(t)间的关系如下

　　式中,h为普朗克常数,ν为光子频率,Qe为传感器的量子效率。由于激光单色性很好,对于特定的半导体传感器Qe可以看成为常数。从(1)式可以看出探测器的响应速度对于激光能量传感器已不重要。根据其特性理论上线性范围可达三个量级以上。

　　实际所使用的硅光电池探头工作在10~10A输出电流范围,也就是说只有两个量级,所以必须借助外加滤光片来扩大量程,为此设计了四通道开关。另外为了保证光电探头有较好的工作环境和工作点,系统采用了三级滤光的方法,除了步进电机控制的通道滤光片外,还设有前置滤光片和初始化滤光片,这主要是将量程向下扩展至三个量级,与神光Ⅱ原有测量系统结合,可使整个量程扩大到四个甚至是四个以上的量级范围。

　　直接放在光电探头前面的前置滤光片Tpre(如图2所示)的作用在于消除环境杂光,保证光电探头能正常工作。前置滤光片Tpre的配置对于每种测量系统的光电探头而言是统一的。光电探头前面还加有适当的初始化滤光片Tini进行探头工作点的较为细致的调节,以适应各路测量系统实际存在的差别从而保证采样光信号幅度的正确选择。因此测量系统总的能量透过率T为