飛焦級(jí)脈沖激光能量測(cè)量方法研究

陳 娟，楊鴻儒，俞 兵，薛戰(zhàn)理，吳寶寧，韓戰(zhàn)鎖

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引言

目前，對(duì)500 pJ～1 fJ的微弱激光脈沖能量的準(zhǔn)確測(cè)量比較困難[1]。美國(guó)NIST(national institute of standards and technology)研制了用于飛焦級(jí)脈沖激光能量測(cè)量的APD900型激光輻射計(jì)，激光測(cè)量波長(zhǎng)為1 064 nm、脈沖寬度測(cè)量范圍為15 ns～250 ns、能量范圍為4 fJ～10 pJ、測(cè)量不確定度為U=8%(k=2)[2-3]。本文針對(duì)1 fJ～1 pJ的微弱脈沖激光能量測(cè)量問(wèn)題，提出了一種基于時(shí)域波形積分的飛焦級(jí)激光脈沖能量測(cè)量方法。該方法采用光電倍增管(PMT)獲得飛焦級(jí)激光脈沖的響應(yīng)信號(hào)，該微弱響應(yīng)信號(hào)經(jīng)放大、校準(zhǔn)與激光脈沖波形積分后實(shí)現(xiàn)飛焦級(jí)脈沖激光能量測(cè)量。根據(jù)該方法設(shè)計(jì)了飛焦級(jí)脈沖激光能量測(cè)量裝置，并分析了該裝置的測(cè)量不確定度。實(shí)驗(yàn)表明，該裝置實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)1 064 nm、脈沖寬度5 ns～1 μs、能量范圍1 fJ～1 pJ的激光脈沖光源的能量測(cè)量，測(cè)量不確定度為15.8%，靈敏度是APD900的16倍[4]。

1 測(cè)量原理

基于時(shí)域波形積分法的飛焦級(jí)脈沖激光能量測(cè)量裝置原理框圖如圖1所示。該測(cè)量裝置主要由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器組件、信號(hào)處理電路和采集處理組件組成。光學(xué)系統(tǒng)用于將待測(cè)飛焦級(jí)激光光源完全匯聚到PMT探測(cè)器光敏面上，探測(cè)器組件將微弱脈沖激光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，信號(hào)處理電路用于放大PMT輸出的微弱電信號(hào)，采集處理組件用于高速模擬信號(hào)采集、計(jì)算等，脈沖信號(hào)積分計(jì)算并且標(biāo)定后，得到被測(cè)激光能量輸出。

圖1 飛焦級(jí)脈沖激光能量測(cè)量裝置總體方案圖Fig.1 Total project diagram of femto-Joule level pulse laser energy measurement system

利用國(guó)防科技工業(yè)光學(xué)一級(jí)計(jì)量站建立的激光微能量標(biāo)準(zhǔn)[5]裝置校準(zhǔn)激光微能量計(jì)；……