大口徑高能脈沖激光參量測量裝置的精度研究

大口徑高能脈沖激光參量測量裝置的精度研究

趙琦1,孟慶安1,蔣澤偉1,胡紹云1,耿旭2,高明偉3

(1.西南技術物理研究所， 成都 610041; 2.南京理工大學 電子工程與光電技術學院, 南京 210094; 3.北京理工大學 光電學院，北京 100081)

摘要：為了研究高能激光外場特性，研制了一套用于測量大口徑高能量脈沖激光參量的測量裝置。該裝置包括一套自校準系統，能夠對其主要系數進行現場校準。采用理論分析和實驗研究的方法，對裝置的測量原理、性能和結構進行了描述，并對測量誤差進行了理論分析，證明了該裝置能夠同時測量高能激光光強分布和能量值，最后采用校準實驗的方法對測量誤差進行了驗證和分析。該裝置對激光脈沖能量和光強分布的測量誤差分別為4.5%和5%。結果表明，該裝置有較高的測量精度和可靠性，能廣泛用于大口徑高能量脈沖激光外場測試。

關鍵詞：測量與計量；高能激光；實驗方法； 成像

E-mail: zhaoqi2156@163.com

引言

脈沖激光被廣泛的使用在激光雷達、激光測距、激光成像和激光武器等方面[1]。對激光光斑遠場特性的測量，包括光強分布和能量值的測量技術也被廣泛研究[1-3]。要同時測量該兩種參量，目前主要方法包括光電陣列測量[4-5]和成像測量等。光電陣列測量的主要特點是原理清晰、結構穩定、測量頻率高，但是其空間分辨率低、對入射角有要求、體積大、重量大，不適用于外場測量；漫反射成像測量過去被廣泛用于光強分布測量，通過漫反射板上鑲嵌能量計后被用于同時測量光強分布和能量[6]。測量能量需要通過擬合、插值計算，當光強分布畸變較大時會產生較大的誤差，而且因為光學成像畸變和散斑[7]的影響，其測量精度也一直鮮有詳細的研究報道。

對于高能大口徑脈沖激光參量的測量一直是脈沖激光技術研究中的一個難題，本文中描述了一套基于漫反射成像技術的大口徑高能脈沖激光參量測量裝置，該自行設計的裝置能夠方便、高精度地對高能大口徑脈沖激光參量進行測量。首先對裝置的測量原理、性能、組成和測量精度進行了分析；然后將裝置主要參量進行了標定和溯源，并對標定實驗和數據給出了解釋；最后通過使用已校準的儀器，對研制的裝置進行比對研究，與理論值進行了比較[8],并對實驗結果給出理論分析。實驗證明，該裝置有較高的測量精度和測量重復性，能夠廣泛地用于各種脈沖激光的實驗室和外場測量。該裝置已被使用于激光大氣傳輸的外場科研試驗，能廣泛應用于各種大氣光學傳輸變換的研究和武器裝備性能評估[8-10]。

1測量原理與裝置組成

測量裝置主要用于測量大口徑脈沖激光能量值和光強分布，測量裝置包括漫反射板、光電能量計、光學系統、校準光源、成像CCD和旋轉器，如圖1所示。測量原理為通過漫反射板將待測激光漫反射，采用光學系統和成像CCD對漫反射板上光斑進行成像；再利用漫反射靶面中鑲嵌具有漫反射表面的能量計對固定區域的入射光能量進行測量，同時將部分光漫反射后成像，將得到的能量值和能量計表面的成像光斑結果進行擬合，以及CCD上單位像素的能量值，以及光斑的能量分布絕對值結果。

Fig.1　Schematic diagram of setup

測量前使用校準光源照射漫反射板，將光學系統置于漫反射板后10m～100m范圍內，調節光學系統調焦組和CCD 位置，使得光斑成像在CCD靶面中心。通過下式獲得光強分布校準值:

式中,k1的是光強分布校準系數，I1(x,y)是校準光在靶面的實際光強分布，使用口徑為?6mm的功率計在漫反射板位置移動獲得功率值，功率計移動步長2mm，實驗方案如圖2所示。I2(x,y)是放入漫反射板后，CCD測量的光強分布，用像素絕對值表示。

測量時將功率計換為能量計，CCD調制為脈沖觸發模式。將測量時CCD得到的像素值代入下式得到光強分布真實值

Fig.2　Schematic diagram of experiment

式中,I(x,y)是漫反射靶面上的理論真值，I3(x,y)是CCD測量得到的光強分布值。利用得到的能量值和光強分布可以得到能量分布的真實值I4(x,y)，如下式所示:

式中,I5(x,y)是能量計漫反射表面成像的灰度值，其位置和大小在系統標定時確定,E1是能量計測量得到的能量值。

實驗裝置測量指標如下：光斑口徑測量范圍為?70mm～?1000mm，能量測量范圍為100pJ~100J，測量波長為0.8μm～1.1μm，最大光強分辨率為1.2mm，能量測量不確定度為5%(包含因子k=1)。

(1)漫反射板為800mm×800mm,表面平行度優于5′，表面粗糙度為0.5μm，表面為可加工陶瓷微粒。

(2)光電能量計的有效測量面積?9mm；測量最大重頻1kHz、最大脈寬10ms；測量范圍為70pJ到100mJ(對應1.06μm)。

(3)采用1/3″靶面CCD，自制電路，最大測量頻率15Hz,通過像素閾值觸發。

(4)光學系統包括能量計光學系統和成像光學系統兩部分，兩光學系統共用1組物鏡，并對雜散光抑制進行了設計[11]。

成像光學系統變焦焦距為70mm~1100mm，入瞳口徑為?90mm，光圈數為1∶2.6~1∶12，70mm和1100mm焦距時系統的調制傳遞函數(modulus of transfer function，MTF)如圖3所示,圖中TS DIFF.LIMIT表示理論衍射極限，其余表明不同角度下的調制函數。

(5)校準光源的波長1.06μm,功率22mW,發散角為15°。

Fig.3　Results of MTF

(6)標準功率計靶面10mm×10mm,測量誤差1.6%，表面噴涂與漫反射板相同的可加工陶瓷微粒。

2裝置標定

本裝置采用校準光源進行現場標定，對于能量測量的標定誤差ue，可以通過不確定度測量公式來獲得，如下式所示:

ue=

本裝置中采用熱電功率計，通過送檢得到功率計的測量不確定度ΔE2/E2=0.8%(k=1)，k為包含因子；功率計面積S1通過固定光闌控制，光闌金屬材料經發黑處理，半徑誤差為0.2%，則面積測量誤差ΔS1/S1=0.4%;光斑面積S2的誤差ΔS2/S2和校準光源不均勻性系數k2的誤差Δk2/k2用實驗的方法獲得，實驗裝置示意圖如圖1所示。實驗共完成9次，實驗重復性誤差為1.1%，實驗結果如圖4a所示，有效區域即光斑直徑為645mm，誤差為±2mm，在有效區域內光強起伏標準偏差為1.1%。為了驗證不同分辨率情況下的光強分布均勻性，功率計口徑從0.6mm~4mm變化，結果如圖4b所示，對光強分布的測量誤差主要來源于CCD的測量誤差和校準參量k1，CCD采用圖像處理的方法濾除噪聲[12]。通過前面的計算和CCD測量誤差的報告，可以計算得到光強分布的測量誤差為5%。

Fig.4　The result and design of experiment

a—thestandarddeviationofcalibratedlasersourceb—thestandarddeviationversusradiusofpower-meter

3實驗

通過使用脈沖激光器對已校準的測量裝置的誤差進行評估，激光器采用1.06μm固體Nd∶YAG激光器，能量1J、脈寬2.5ms、重頻1Hz，能量真實值由監視能量計給出。激光器前放置一個反高斯膜衰減片，實驗裝置示意圖如圖1所示,其中校準光源改為1.06μm固體Nd∶YAG激光器。激光器距離靶面8m，部分光束通過分光鏡進入監視能量計，能量測量誤差優于3%。為了抑制散斑效應，開啟旋轉器使漫反射板以40°/s旋轉。漫反射板上光斑真實分布由圖1的方法測量。

不同測量距離下光強分布的測量結果如圖5a所示，測量裝置測量結果與能量計擬合結果有高度相似性。測量距離為12m位置測量的光強分布更加的平滑，但輪廓有部分失真；隨著測量距離的增加，測量的輪廓更接近真實值，但是光斑會出現明顯的“顆粒”狀。通過在激光器前放置光闌，研究了在不同光斑尺寸在各測量距離下的光斑尺寸的測量結果，測量結果進行了多項式擬合后如圖5b所示,說明對于不同的光斑尺寸，CCD到漫反射板的測量距離的最優值不同，光斑尺寸測量誤差隨著距離的增加從4.4%下降到2%。能量測量結果隨光斑尺寸和距離的變化情況如圖5c所示，隨著距離的增加能量測量誤差增大，測量誤差與光斑尺寸有關系，但是能量測量誤差均小于3.5%，考慮到測量重復性和標準光源的能量值誤差等因素，與設計指標一致。

Fig.5　Results of calibrated experiment

a—thedistributionoflaserbeamversusmeasuringdistanceb—theerrorsofradiusoflaserbeamversusdistancebetweendiffuserandCCDc—theerrorsofenergyoflaserbeamversusdistancebetweendiffuserandCCD

4結論

為同時測量大口徑脈沖激光能量和光強分布，研制了一套基于漫反射成像的大能量激光參量測量裝置。通過校準光源和標準能量計的標定以及對系統的誤差分析表明，該裝置對激光脈沖能量和光強分布的測量誤差分別為4.5%和5%，能夠對激光光斑和能量進行外場高精度測量。

通過已標定的激光器對大能量激光參量測量裝置進行了實驗驗證，實驗結果表明，對不同光斑尺寸的光束，在不同測量距離下有不同的測量精度，測量最大誤差優于3.5%。該實驗裝置對光強分布的測量誤差隨測量距離變化，最大測量誤差為4.4%，通過距離的選擇最優測量誤差能到達1.2%。

參考文獻

[1]JIXL,TAOXY,LüBD.Far-fieldcharacteristicsofhigh-powerlaserbeams[J].LaserTechnology, 2004,28(3):251-254(inChinese).

[2]SUNXW，YANGJ.HighpowerpulsedlasermodemeasuringsystemusingplanerCCDcamera[J].ChineseJournalofLasers，1994，21(2)：96-98 (inChinese).

[3]ZHUZh,WANGYZh,YIYC.Noveldirect-detectionschemeformeasuringenergydistributionoflaserspotsinoutfield[J].Opto-ElectronicEngineering,2005, 32(11):49-53(inChinese).

[4]XINGH,QUWD,LEIP,et al.Designfordetectorarraytargetoflaserfarfielddetectsystem[J].Laser&Infrared,2006, 36(7)：531-533(inChinese).

[5]GUANYG,FUShZh,GAOXY.Anovelhighenergylaserberamdetectorformeasuringenergydistribution[J].HighPowerLaserandParticleBeams, 2000, 12(2):175-177(inChinese).

[6]TIANHL,WANGYF,ZHANGW.Designoflaserfarfieldpowerdensitytestsystem[J].Elector-OpticTechnologyApplication,2007, 22(6)：24-26(inChinese).

[7]DAINTYJC.Laserspeckleandrelatedphenomena[M].NewYork,USA：Springer,1984：76-79.

[8]LIXQ,ZHAOQ,JIXL.Confirmationofthequadraticapproximationofrytovphasestructurefunctionandtheapproximationofcomplexgaussian-functionexpansionofhard-edgeapertures.ActaOpticaSinica,2011,31(12)：1201002(inChinese).

[9]CHENHF,CHENY,LIYY, et al.Simulationofatmospherictransmissioncharacteristicsoflaserat1.06μm[J].LaserTechnology, 2014, 38(2):266-269(inChinese).

[10]PENGRW,LIL,LIYJ, et al.Intensitydistributionofbroadbandlaserwithflattened-Gaussianmodepassingthroughanaperture[J].LaerTechnology, 2013,37(6): 829-832 (inChinese).

[11]YANYD，CHENLY，WUGJ.Studyofstraylightreductionforlasertargetscatteredlightobservationlens[J].Opto-ElectronicEngineering, 2008, 35(6):53-58 (inChinese).

[12]ZHANGHZh,YAOM,LEIP, et al.Researchofimageprocessingmethodoffar-fieldlaserspots[J].LaserTechnology, 2013,37(4): 460-463 (inChinese).

Study on parameter measurement precision of high

energy laser beam with large aperture

ZHAOQi1,MENGQing’an1,JIANGZewei1,HUShaoyun1,GENGXu2,GAOMingwei3

(1.Southwest Institute of Technical Physics，Chengdu 610041, China; 2.Electronic Engineering and Optoelectronic Technology, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; 3.School of Optoelectronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Abstract：In order to study the field characteristics of high energy laser, a device for measuring parameters of large-caliber high energy pulsed laser was developed. The device includes a set of autocalibration system that can conduct on-site calibration of its main coefficients. The measuring principle, performance and structure of the device were described, and the measurement error was analyzed by theoretical analysis and experimental verification. The equipment can simultaneously measure the laser energy and intensity distribution. Finally, measurement errors were verified and analyzed by the method of calibration experiments. Measurement errors of laser energy and intensity distribution are 4.5% and 5% respectively. The results show that the equipment has excellent precision，reliability and stability, which could be used in field measurement.

Key words:measurement and metrology; high energy laser; experimental method; image

收稿日期：2014-01-09；收到修改稿日期：2014-01-26

作者簡介：趙琦(1985-)，碩士,工程師，主要從事激光測量、應用研究，以及光波前和相干性測量儀器的研究及計量科研工作。

基金項目：國家自然科學基金資助項目( 61205016；60908009)

中圖分類號：TN247

文獻標志碼：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.01.020

文章編號：1001-3806(2015)01-0100-04