高能激光能量计溯源问题研究

　　对高能激光的能量和功率进行测量,如果采用衰减或者取样等间接方法[1-2],衰减和取样比要达到1×10-5~1×10-3。衰减和取样元件在强激光的作用下取样比是非常容易变化的,取样比的微小变化,会导致能量测量值产生很大误差。如测量MW级激光束时元件取样比由1∶1000变为2∶1000,测量误差就会达到MW[2]。因此需要对高能激光能量和功率进行直接测量。直接测量通常使用全吸收型探测器,高能激光全部照射进探测器中。由于激光功率密度很高,常规的光电法、光压法等测量方法难以直接应用,通常采用量热法进行直接测量,量热材料的热导率低,则通过对累积温度增量的测量可以得到激光能量。此类技术在很多文献中都有记载[3-5],已经比较成熟;然而利用这些方法设计出来的装置却都存在着一个普遍的弊病,即无法说明其测试的准确性。中小功率能量计通常是采用标准激光源进行标定,或者是将其与标准功率能量计进行对比标定,通常实现起来较为容易。而高能激光能量计却既没有一个标准装置,也没有一个标准的激光源,因此其溯源存在很大的难度。然而高能激光能量计作为一个测量系统,其溯源又是一个无法回避的问题,本文将围绕上述问题从不确定传递和等效标定两个方向展开深入的探讨。

　　1　不确定度传递法

　　1.1　原理及光路图

　　不确定度传递法是最常用,也是最简便的方法,它的原理较简单,先用一个已知分光比为l1的透镜L1将一束激光分成强弱不同的两束,较弱的一束光入射到一个已经标定过的小能量计m1内,另一束入射到一个中等能量计m2中,分别改变激光的入射位置及出光时间,这样就完成了对中等能量计m2的标定。同理仍然用一个分光比为l2的透镜L2将一束强激光分成强弱不同的两束,较弱的一束光入射到中等能量计m2中,另一束入射到高能激光能量计m3中,经过与上面相同的过程便可以完成对的m3标定。其测试光路如图1所示。

　　1.2　不确定度来源及分析

　　由于小能量计已经标定过,其不确定度已知,设为u11;镜子L1和L2的不确定度分别设为uk1,uk2,对m1和m2的标定均测量了m组,则可由式(1)计算出m1多次测量的不确定度u12;进而由式(2)计算m2的标准不确定度ur2;同理可由式(3)计算出m2多次测量不确定度u22;最后可由式(4)计算出m3的标准不确定度ur3[6].

　　由式(4)可以看出m3的标准不确定度就是由各个系统不确定度传递得到的,由于涉及的环节和系统较多,上述方法的测量不确定度通常会比较大。

　　2　等效标定法

　　等效标定法利用其它形式的能量代替激光能量,完成对能量计的标定,这种方法在各种标准装置中应用较为普遍,常见的有电热法和光热法两种,下面将分别予以介绍。但不管采用何种方式,必须遵循等效性原则,即