摘要:本文提出了一种利用量热型激光功率计测量窄脉冲激光能量的方法.测试了不同重复频率下脉冲激光的信号响应,结果表明,在脉冲激光重复频率不低于8Hz、脉冲激光与功率计探头作用时间不低于4s的情况下,量热型激光功率计能够达到热平衡,利用读数能够计算出单个脉冲激光的平均能量。
自上世纪六十年代问世以来,激光技术以其高方向性、高单色性、高相干性以及亮度高等特点,在科研、军工、医疗、工业、农业等各个领域得到了广泛应用[1,2,3,4,5,6].其中,脉冲激光具有作用时间短、可聚焦性强、能量集中等特点,被广泛用于激光标记、激光加工、激光测距、油气钻探工程等领域[7,8,9,10],是研究光与物质相互作用的有效工具.在当前高校“新工科”的建设背景下,针对脉冲激光的基础与应用研究拓宽了具有行业特色的工程物理实验内容,训练了学生利用物理知识解决行业问题的综合能力[11,12,13,14].
激光能量是评价脉冲激光辐射强度的重要参数,其定义为以受激辐射形式发射、传播和接受的能量(Q,单位为J).脉冲激光器的输出能量是评价激光器水平、品质的重要指标,对激光输出能量的实时测量是有针对性地调整激光器部件、改善器件性能的重要基础.而在脉冲激光技术的应用过程中,输出激光的能量也是重要测量参数,需要针对不同的研究对象与实验要求,对激光的输出能量进行实时改变和调整[15].
目前常用的激光能量、功率测量方法包括光电法、热释电法、量热(热电堆)法等[16].其中,光电法通过对每个光脉冲积分来获得单脉冲能量,能够实现对低功率脉冲激光的精确测量,不适宜测量高功率激光;热释电法基于热释电晶体响应与单脉冲激光能量的正比关系,适用于低功率激光的帧频采集,对前置放大器带宽及信噪比的要求较高,电路设计较困难;与上述两种技术相比,量热式激光功率计具有光谱响应范围宽、可耐受功率密度高、热稳定性好等特点,其成本相对低廉、应用较为广泛.
本文提出了一种利用量热型激光功率计测量单脉冲能量的方法,通过增加脉冲激光的重复频率,可实现基于量热型激光功率计的脉冲激光平均能量测量.通过实验测试,一方面能够让学生较好地掌握脉冲激光主要参数及其物理含义,了解激光功率与能量计量的主要原理,形象理解光-热转化与热扩散等物理过程;另一方面,实现利用量热型激光功率计的脉冲激光能量测量,将大大降低脉冲激光应用过程中的测试成本及难度,有助于推动促进高能脉冲激光技术在工程领域的应用.
1、实验方法
实验所用激光器为KrF准分子脉冲激光器,激光中心波长248nm,脉宽20ns,单脉冲能量在10~30mJ范围内、脉冲重复频率在0.5~10Hz内可调.如图1所示,激光能量测试采用北京物科光电公司生产的LPE系列激光功率计,其表面为热导率较高的薄吸收层,光谱响应波长范围为190nm~11μm.在测试过程中,探头与激光光路垂直.利用两端均为刺刀螺母连接器的电缆将激光功率计与示波器(响应范围100MHz、采样率1GS/s、内阻1MΩ)相连,记录脉冲激光的实时响应波形.首先利用图1装置对波长532nm的稳态激光光源进行功率测量,如图2所示,结果表明,示波器记录的信号峰值与功率计示数基本一致.
图1脉冲激光能量测量装置
图2532nm的稳态激光光源功率测量结果
2、结果与讨论
KrF混合气体在超高电压的激发下,能够产生波长248nm的激光辐射.图3所示为不同的激发电压下利用探头连续采集得到的单脉冲激光信号,激光脉冲重复频率为1Hz.从图3中可以看出,每个激光脉冲都由快速上升与缓慢下降两个阶段组成,激光照射瞬间,探头前表面能够快速地吸收光能并转换成热量,能量快速增加;激光熄灭后,探头前表面的热量向周围传递并逐渐消散,对应的信号在达到峰值后逐渐回落.通过对比不同激发电压下能量的波形可以看出,随激发电压增大,脉冲激光的能量变大,采集到的信号的幅值也逐渐增加;随着探头中传感器与周围环境的温差加大,其热交换加快,能量上升、下降的平均速度也随之加快.需要注意的是,由于介质间的热交换过程受温差影响,激光熄灭后,量热传感器的温度下降速度不断减小,能量的回落逐渐降低.由于脉冲激光的重复频率为1Hz,此时采集到的第一、第二个脉冲波形间的时间间隔为1s.从图中可以看出,当首个脉冲信号还未回到初始值时,第二个脉冲信号已经产生,由于此时量热传感器的温度起始点与首个脉冲信号不同,导致采集得到的第二个脉冲信号幅值更大.在这一情况下,实时测量的能量中同时包括了量热传感器对激光能量的吸收、热量不完全扩散与再吸收的过程,因此无论是通过功率计上的示数,或是采集能量的峰值都无法反映出脉冲激光的实际平均能量.
图3脉冲激光重复频率为1Hz时的电压信号波形图
从图3可以看出,热量的不完全扩散是导致量热型激光功率计无法准确测量脉冲激光能量的主要因素.为此,需要尽可能地消除或减小这一过程的影响.针对这一问题,本文采用提高脉冲激光重复频率的方式,对其响应波形进行分析.
图4为24kV激发电压下不同频率脉冲激光的信号波形,当重复频率增大时,单位时间内激光脉冲与功率计探头的作用次数增多.在激光照射的初始阶段,随频率增大,传感器表面的热量不断堆积,其温断上升,界面的热流量也不断增加,如图所示,初始阶段的信号波形呈叠加增长的趋势,信号强度逐渐增大;经过一段时间的照射后,界面热流量增加至与激光的注入能量近似相等,此时传感器的表面温度逐渐达到平衡状态,信号逐渐稳定.需要注意的是,由于激光的各个脉冲间存在时间间隔,稳定后量热传感器的表面温度存在一定波动,其周期取决于相邻激光脉冲的间隔时间,幅度取决于间隔时间内界面的热流量.从图4中可以看出,随着脉冲激光重复频率增加,脉冲信号的间隔时间减小,信号的波动幅度也随之降低.为进一步分析量热传感器表面的热量传导过程,本文基于热传导方程对测试结果进行拟合[17],结果表明,利用指数衰减函数能够表征不同重复频率下电压随时间的变化规律:
图4利用示波器记录的不同重复频率的脉冲激光信号
波形图,图中实线为测试值,虚线为拟合值
Vt=Vp(1-et/k0)(1)
其中,K0为时间常数,其单位为s(秒),表示信号达到终值的(1-1/e)倍所需的时间,随重复频率的增加,K0的值逐渐增大,分别为0.2s(1Hz)、0.4s(3Hz)、0.55s(5Hz)、0.67s(7Hz)、0.67s(10Hz);此外,式中Vt为实时电压,Vp为随时间t的增加而最终达到平衡状态的电压终值,分别为0.02V(1Hz)、0.05V(3Hz)、0.08V(5Hz)、0.11V(7Hz)、0.15V(10Hz).当量热传感器前后表面温度逐渐达到平衡并稳定时,Vt与Vp近似相等,此时采集的信号值为高频率脉冲激光多次作用于探头所产生的界面热流量.在这一条件下,脉冲激光与量热传感器表面的作用过程将与连续光类似,激光的平均等效功率(Vp)与传感器温度成正比,进而基于激光的重复频率即可计算出单脉冲激光能量,而确定界面热流量达到激光的注入功率的临界频率与温度达到平衡状态的时间是量热型激光功率计能否准确测量脉冲激光能量的关键问题.
为解决上述问题,本文根据实验测试得到的不同频率下的脉冲激光信号波形,提取出不同重复频率下的Vp和K0,并以f(f为脉冲频率)为横坐标、Vp/f和K0分别为纵坐标作图,如图5(a)所示.从此图中可以看出,随着激光脉冲频率的增加,Vp与f的比值逐渐减小,K0逐渐增大.此处定义:当上述数值相邻点间的变化率小于2%时,可认为仪器测量结果趋近稳定值,此时测试结果不受周期的影响.基于这一判定标准,不难发现:当脉冲频率达到8Hz后,Vp/f逐渐趋于稳定,此时示波器Vp的值与激光功率计的读数相等,Vp/f即为单脉冲激光的平均能量;类似的,为研究激光脉冲重复频率及能量对信号稳定时间的影响,提取不同重复频率、不同能量下信号的稳定时间作图,结果如图5(b)所示.
图5重复频率对激光输出性能的影响
随激光的重复频率增大,信号波形的稳定时间逐渐增加,脉冲波形达到稳定的作用时间约为4s,而对于不同的脉冲激光输入能量,其稳定时间的波动幅度较小(变化率小于2%).因此,当激光脉冲重复频率不低于8Hz、与功率计探头作用时间不低于4s时,量热传感器后表面温度能够达到平衡状态,此时界面的热流量等于激光的注入能量,利用量热型功率计便可以实现对脉冲激光的能量测量.功率计记录值为P=Vp,脉冲重复频率为f,则单脉冲能量E=P/f.
3、结语
激光技术的迅速发展使得对高功率脉冲激光能量的测量需求急剧增加.本实验通过测试、分析不同重复频率的脉冲激光能量波形证明了量热型激光功率计测量脉冲光能量的可行性,并进一步对测量条件进行了探究.结果表明,在脉冲激光重复频率不低于8Hz、脉冲激光与功率计探头作用时间不低于4s的情况下,量热型激光功率计能够达到热平衡,利用示波器记录波形或功率计读数能够计算出单个脉冲激光的平均能量.针对这一问题的相关研究有望降低高重频、窄脉冲激光能量测量难度与测量成本,此外,对高频窄脉冲激光能量的测量可作为高校工程物理实验的内容,有助于大学生的知识面的拓展和综合能力的培养.
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基金:中国石油大学(北京)研究生教育质量与创新工程重点项目(yjs-2017019);中国石油大学(北京)科研基金项目(ZX20190163,2462017YJRC029)资助;国家自然科学基金项目(11804392);北京市自然科学基金项目(1184016).
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