專利名稱:一種脈沖激光功率標定儀器的制作方法
本發明是一種標準的峰值功率可變的微弱激光光源，適用于在10-2～10-7W寬度范圍內建立脈沖激光功率的標準，特別適用于微弱光強度的標定。
目前國內外尚無較成熟的和定量的標定方法。現有的衰減器中如J.P.5419763光衰減器及J.P.56161501光可變衰減器，是由兩片半反鏡，兩個光電探測器，一個起偏鏡，一個檢偏鏡，液晶及液晶供電電路，反饋控制電路構成。其結構復雜，成本高;在高能量下，有吸收飽和、使遮光材料脫落、燒壞等問題，因此不能做大功率能量下的衰減器，且其入射光是自然光，衰減后的光束是偏振光，改變了原光束結構。
本發明的目的是，建立很寬范圍內的光強度與功率的標準，以較高精度實現對微弱光能量、功率的標定。
圖1是標定儀器的裝置簡圖1是光源，2是衰減系統，3是監控系統，圖2是楔形衰減器的組成圖2a1是光楔Ⅰ，2a2是光楔Ⅱ，2a3是斜方棱鏡，圖3是光楔的光路圖，圖4是差值(Is-Ip)與入射角B的關系曲線圖，圖5是楔形衰減器的光路圖。
本發明是由光源(1)，衰減系統(2)，監控系統(3)三部分組成。光源(1)是采用中、小功率固體調Q激光器;衰減系統(2)由楔形衰減器(2a)、階梯衰減器(2b)及可變衰減器(2c)組成;監控系統(3)由脈寬監測裝置(3a)及能量監測裝置(3b)組成。
結合附圖介紹本標定儀器的工作原理用Nd yAG染料調Q激光器作光源，在理想情況下，這種激光器每次發出的光脈沖能量應該不變，但由于工作物質質量欠佳，諧振腔調整不夠理想，染料片濃度不均勻等因素的影響，實際上每次發出的光脈沖能量(功率)都有一定程度的變化，為了精確地給出激光器輸出的功率值，必須對每次發出光脈沖的能量和脈寬進行監測，我們把監測能量裝置及監測脈寬裝置總稱為監控系統，為了能給出10-7W的標準峰值功率這個最小量值，必須將激光器發出的兆瓦級功率衰減到零點幾微瓦，這需要一個最大衰減量達130分貝的衰減系統，其中至少100～130分貝之間連續可變，以保證微功率計的30分貝的動態范圍。這樣，由激光器發出的激光脈沖，經衰減系統與監控系統的處理即可達到標定的要求。本發明是以1.06μm波長的激光為基礎，也適用于其它波長的光。
為了實現衰減量130dB，且至少在100～130dB之間連續可變，采用三級衰減1.第一級為楔形衰減器見圖2，除了要求它達到一定的衰減量(60分貝左右)，還要求其入射光與出射光同軸，外形尺寸小以及偏振態對衰減量的影響小等，為了滿足這些要求，采用兩塊相同的光楔(2a1)(2a2)，相應放置(對于同級光，其對光楔(2a1)的入射角≈對光楔(2a2)的入射角，若取奇數同級光，兩光楔楔角對向放置，若取偶數同級光，兩光楔楔角同向放置)，以使入射、出射光同向，在其后采用一塊斜方棱鏡(2a3)平移光軸，以實現入射、出射光軸的重合。它的衰減量是固定不變的，其破壞閾值較高，故將它作為衰減系統的第一級。
楔形衰減器的光楔是一個頂角A很小(3°±0.1°)的棱鏡，見圖3，來自光源的一束光，投射到光楔表面，產生反射和折射，進入光楔的光束在光楔的兩個內表面之間往返連續進行反射，光楔內部的光束每投射到光楔內表面一次，就有一束光透射出去，投射次數愈多，出射的光強愈弱。現將光束在光楔內表面投射的次數用級來表示，每級的光強均可用菲涅耳公式計算出來，與光楔材料、楔角A、入射角B有關。光楔的各級分束光，都可以用作衰減光束。
1)楔角A綜合考慮對外形尺寸及對不同偏振態光的衰減量的影響，取楔角A＝3°±0.1°2)最佳入射角入射角B取最佳角度時，入射激光脈沖的垂直偏振分量的衰減與平行偏振分量的衰減相差最小，可利用菲涅耳公式求出最佳入射角入射光垂直分量的折射率與反射率Tsn＝ (sin2in×sin2tn)/(sin2(in-tn))Rsn＝ (sin2(in-tn))/(sin2(in+tn))入射光平行分量的折射率與反射率Tpn＝ (sin2in×sintn)/(sin2(in+tn)×cos2(in+tn))Rpn＝ (tg2(in-tn))/(tg2(in+tn))
式中Tsn、Rsn為光束垂直分量第n次折射率、反射率，Tpn、Rpn為光束平行分量第n次折射率、反射率，in、tn為光束第n次入射角、反射角。由圖3，in與tn角度的大小用折射與反射定律容易求得。
當i角很小時，同側兩相鄰光束的夾角為2NA，其中N為折射率，A為楔角。
第3級出射光束中垂直分量的光強Is＝ 1/2 TS0·RS1·RS2·TS2平行分量光強Ip＝ 1/2 Tp0·Rp1·Rp2·Tp3I總＝Is+Ip當(Is-Ip)為最小值，材料選K9，楔角為3°±0.1°時，求得第3級光的最佳入射角為-6.5°±0.5°，計算結果見表Ⅰ，曲線如圖4，計算各級光強衰減量見表Ⅱ，表Ⅰ
表Ⅱ
計算結果表明，若入射激光是無規則偏光時，第3級總衰減量為28.15分貝，而入射光偏振度40%時，衰減量為27.77分貝，兩者相對誤差為1.36%，這表明在最佳入射角情況下衰減量受偏振態影響不大。
不同楔角、不同級次光束對應的最佳入射角是不同的，結果見表Ⅲ，表Ⅳ。
計算中，如楔角及最佳入射角有微量變化(如楔角變化0.1°，最佳入射角變化0.1°)時，其各自引起的相對衰減誤差不大，均不大于0.5%，這對加工與裝調工作帶來了很大的方便。
在楔形衰減器中，取第一塊光楔的0級光束為能量監測，取第二塊光楔的1級光束作為脈寬監測，整個楔形衰減器的光路圖見圖5，圖中1-入射光線 2a1-第一塊光楔2a2-第二塊光楔 2a3-斜方棱鏡3-第一塊光楔0級光線4-第一塊光楔3級光線5-第二塊光楔1級光線6-第二塊光楔3級光線2.階梯衰減器，通過楔形衰減器后的激光脈沖，其能量(功率)已被衰減了60分貝左右，在低強度的條件下，可選用中性密度濾光片，這種濾光片的透過率在很寬的光譜范圍內是相同的，即呈現中性。
中性密度片的特性通常用光密度來表示，光密度的定義是D＝log (Io)/(IT)式中D-光密度，I0-入射光強度，IT-透射光強度，N＝10log (Io)/(IT) N-分貝數為適應衰減量從0-60分貝(相當于光密度為0-6)內分6個階梯以10dB遞減的要求，選用吸收型玻璃材料AB6、AB8、AB9三種，它們對1.06μ左右波長的激光吸收率比較高。濾光片厚度的計算公式為L＝ (DB)/(10E) - (Dr)/(E)式中E-厚度為一毫米時玻璃材料的光學密度值Dr-玻璃兩表面的反射修正系數Dr＝log 1/((1-ρ)2)ρ-反射率DB-要求衰減的分貝數L-濾光片的厚度計算結果見表Ⅴ表Ⅴ
由表看出AB6、AB8、AB9分別對應于衰減量為10dB，20dB，30dB，這種階梯衰減器主要是依靠吸收和少量的反射進行衰減，衰減量是由玻璃材料的透過率和厚度決定，加工方便，價格便宜，但當能量太大時會產生“漂白”效應，故適用于衰減系統的第二級。
3.第三級是可變衰減器，由兩塊完全相同反向轉動的變密度盤組成，每個盤的表面都鍍有鎳鉻合金膜，膜厚沿圓周呈線性變化，膜厚不同衰減量也不同。采用兩塊是使出入射光軸平行，改變兩塊密度盤的相對位置可以得到不同的衰減量，但不能承受較高的能量，故適用于第三級。
由楔形衰減器，階梯衰減器和可變衰減器共同組成的整個衰減系統，它的總衰減量為N，N＝N1+N2+N3其中N1，N2，N3，分別為楔形衰減器，中性密度濾光片，可變密度衰減器的衰減量。衰減量的具體分配是，N1為60分貝左右，N2為0～60分貝之間以1冷分貝為單位階梯可變，N3為0～10分貝之間連續可變。
這樣構成的衰減系統，能夠準確，方便地給出不同低功率的標準激光脈沖。
本發明的優點是1.利用光楔分束的原理對能量進行衰減，由于吸收損耗很小，因此受熱很小。
2.無膜層，其破壞閾值很高，達1010J/cm2左右，故能承受高的能量與功率。
3.衰減能力強，衰減量可達130分貝。
4.精度高，在10-7W量級范圍內，誤差＜15%。
5.標定的范圍寬度為10-2～10-7W。
6.適用于很寬的波段，超出0.53μm～1.06μm的范圍。
7.原理簡單，易實現，成本低。
實施例光源(1)采用中、小功率的Nd、yAG固體調Q激光器，輸出能量20毫焦耳左右，脈寬10～15毫微秒。見圖5，楔形衰減器(2a)采用楔角A＝3°±0.1°的兩塊光楔(2a1)、(2a2)和一個入射面為10mm2+0.1的斜方棱鏡(2a3)構成。入射光(1)以-6.5°±0.5°的入射角入射到第一塊光楔(2a1)的表面上，取其第3級分束光(4)仍以-6.5°±0.5°的入射角入射，作為第二塊光楔(2a2)的入射光線，再取其第3級分束光(6)進入斜方棱鏡(2a3)，其出射光線與入射光線同軸。取進入第一塊光楔(2a1)的0級光(3)作為能量監測光信號，取第二塊光楔(2a2)的1級光(5)作為脈寬監測光信號。采用LPE-1微能量計作為能量監測裝置(3b)，用高精度、寬頻帶示波器加上響應時間快的光電探測頭作為脈寬監測裝置(3a)。
用三塊衰減量均為10分貝的濾光片1＃，2＃，3＃，做干涉效應對衰減量影響的實驗，實驗數據見表Ⅳ。
由表Ⅳ可得出a.1＃，2＃，3＃分別測得的分貝數相加，與三塊平行有間隙迭加一起測的分貝數之間相對誤差為0.13%，與三塊迭加無間隙的分貝數之間相對誤差為0.32%，與三塊迭加互成4°左右角放置的衰減量之間相對誤差0.36%。
b.將1＃、2＃分別測得分貝數相加與兩塊迭加有間隙放置時測得分貝數之間相對誤差為0.2%，與兩塊互成4°左右角迭加時分貝數之間相對誤差0.1%。
以上各種相對誤差均不大于0.5%，說明干涉效應對衰減量的影響很小。
權利要求
1.一種脈沖激光功率標定儀器，其特征在于，它是由光源(1)，衰減系統(2)，監控系統(3)三部分組成。
2.按照權利要求
1所述的標定儀器，其特征在于，衰弱系統(2)是由楔形衰減器(2a)，階梯衰減器(2b)和可變衰減器(2c)構成1)楔形衰減器(2a)是由兩塊參數相同的光楔(2a1)，(2a2)(均取同級光，以均取3級光為最好)相應安放(即光線對光楔(2a1)的入射角≌光線對光楔(2a2)的入射角，且對于奇數同級光，兩光楔楔角對向放置，對于偶數同級光，兩光楔楔角同向放置)，加一斜方棱鏡(2a3)構成，入射光線的最佳入射角在楔角為3°、取3級光時為-6.5°±0.5°，2)階梯衰減器(2b)是由中性密度濾光片構成，材料可為AB6(對應于衰減10dB)，AB3(對應于衰減20db)，AB9(對應于衰減30db)，采用兩塊或三塊濾光片時，可平行有間隙、或迭加無間隙、或迭加互成4°左右角放置，光束垂直濾光片、或光束與濾光片法線成2°左右角，3)可變衰減器(2c)由兩塊完全相同反向轉動的變密度盤組成，每個盤的表面鍍有鎳鉻合金膜，膜厚沿圓周呈線性變化。
3.按照權利要求
1或2所述的標定儀器，其特征在于，監控系統(3)由脈寬監測裝置(3a)和能量監測裝置(3b)構成，脈寬監測用響應時間快的光電探測頭和高精度寬頻帶的示波器，能量監測用微能量計。
4.按照權利要求
3所述的標定儀器，其特征在于，光源(1)采用NdyAG固體調Q激光器。
專利摘要
本發明是由激光光源(1)、衰減系統(2)、監控系統(3)組成。能在10
文檔編號G01J1/00GK86105736SQ86105736
公開日1987年9月16日 申請日期1986年7月21日
發明者林幼娜, 劉巽亮, 邵北生, 孟慶榮 申請人:北京工業學院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan