激光功率計功率示值誤差測量結果的不確定度評定

張振江

（開封市質量技術監(jiān)督檢驗測試中心，河南開封 475002）

激光功率計功率示值誤差測量結果的不確定度評定

張振江

（開封市質量技術監(jiān)督檢驗測試中心，河南開封 475002）

激光功率計是用于測量激光功率的儀器。本文介紹激光功率計的基本結構、工作原理、技術性能指標，并進行示值誤差測量結果的不確定度評定，結果表明其完全能滿足開展對激光功率計的檢測工作。

激光功率計；工作原理；示值；不確定度

1 激光功率計的工作原理及技術要求

1.1 激光功率計的工作原理

激光中功率標準裝置是由CO2激光源發(fā)出的10.6μm波長的激光經過穩(wěn)定的分束器分為透過束和反射束，先由2臺標準激光中功率計測出透過束和反射束各自的功率數值，再計算其二者的比值，然后再由1臺標準激光中功率計測出反射束激光功率值，由標準激光中功率計反射束激光功率值計算透過束激光功率值作為標準值，由被檢激光功率計測得的透過束激光功率值。標準值與被檢激光功率計測得值之比即為被檢激光功率計靈敏系數。

激光小功率標準裝置是先由絕對輻射計測出He-Ne激光源發(fā)出的633nm波長的激光功率值作為標準值，再由被檢激光小功率計測量該激光源得到測量示值。標準值與測量示值之比即為被檢激光功率計靈敏系數。

1.2 激光功率標準裝置的組成

激光功率標準裝置由2臺標準激光中功率計、1臺絕對輻射計、1臺數字萬用表、1臺CO2激光源和1臺He-Ne激光源組成。功率范圍為1～100W，光譜范圍為0.2～ 11.0μm，功率最大允許誤差Up＜1.6%（k=2.5）；穩(wěn)定的激光源為0.1～100mW，光源（功率或功率監(jiān)測比）穩(wěn)定優(yōu)于±0.5%。

1.3 測量依據

JJG249-2004《0.1mW～200W激光功率計》檢定規(guī)程［1］。被測對象為激光中、小功率計，功率范圍為0.1～100mW，功率最大允許示值誤差±5.0%（工作波長處）［2，3］。

2 激光功率計計量性能要求

2.1 計量范圍

功率范圍為0.1mW～200W，光譜范圍為0.2～11μm。

2.2 激光功率計的性能要求

探測器（功率計）接收面積響應度不均勻性，±5%；響應度在輻照時的變化，±2%；響應度隨入射功率或能量的變化（非線性），±5%；修正系數不確定度，±5%（k=2.5）。

3 計量器具控制

計量器具控制包括首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢定。

3.1 檢定條件

環(huán)境溫度為（20±10）℃，檢定期間內溫度變化優(yōu)于±2℃；相對濕度＜80%RH；電源電壓為（220±11）V，50Hz；此外，要求檢定區(qū)域內無可感覺的空氣波動，無影響測量數據的電磁干擾和背景輻射干擾。

3.2 測量過程

激光器發(fā)射的激光束照射到標準激光中功率計內，標準激光中功率計顯示的激光功率為標準功率，再用被測功率計測量該激光束的功率值（示值）。重復測量不低于3次，3次示值的算術平均值與標準功率值之差值，即為被檢激光功率計的示值誤差。

表1 激光小功率計在P=10W處不確定度測量結果

表2 激光小功率計在P=30W處不確定度測量結果

表3 合成標準不確定度評定結果

4 數學模型

①平均值的計算：ΔP=Pˉ-PS。其中，ΔP為被檢激光功率計的示值誤差，Pˉ為被檢激光功率計示值的算術平均值，PS為絕對輻射計的標準功率值。

②數學模型的建立：?ΔP=?Pˉ-?Ps。

③靈敏系數：C1=?ΔP/?Pˉ=1；C2=?ΔP/?Ps=-1。

5 輸入量的不確定度評定

5.1 輸入量Pˉ的標準不確定度u（Pˉ）的評定

輸入量Pˉ的標準不確定度主要來源于激光功率計測量不重復性，可以通過連續(xù)測量得到測量列，采用A類不確定度評定方法進行評定。每臺激光中功率計應在2個檔位各在重復新條件下連續(xù)測量10次，得到其單次測量試驗標準差。對1臺激光小功率計在P=10W處進行測量，連續(xù)測量10次得到的測量結果如表1所示。

對同一臺激光中功率計在P=30W處進行測量，連續(xù)測量10次得到的測量結果如表2所示。

5.2 輸入量PS的標準不確定度的評定

輸入量PS的標準不確定度主要來源于功率定值的不確定度，由1.3可知標準激光中功率計的擴展不確定度Urel=1.6%（k=2.5）。因此，采用B類不確定度評定方法進行評定，按矩形分布因為每次測量要求測量次數為3次。

6 合成標準不確定度的評定

標準不確定度分量匯總如表3所示。

合成標準不確定度的評定：輸入量Pˉ和PS彼此獨立不相關，所以合成標準不確定度可以按下式得到：

相對合成標準不確定度Ucrel（ΔP）=（0.079/10）× 100%=0.79%。

7 合成標準不確定度Uc（ΔP）有效自由度的計算

8 擴展不確定度的評定

取置信概率P=95%，自由度γeff=93，查t分布表得t95（50）=2.01，擴展不確定度U95=t95（50）×Ucrel(ΔP)=2.01× 0.079%=1.59%≈1.6%（k=2）。

9 測量不確定度的報告與表示

激光中功率計的功率示值誤差測量結果的相對擴展不確定度為U95=1.6%（k=2），自由度γeff=93。

10 檢定或校準結果的驗證

11 結論

通過對該標準裝置測量結果的不確定度評定，該套標準裝置的擴展不確定度為中功率標準擴展不確定度：U95=t95（50）×Ucrel(ΔP)=1.6%（k=2），重復性考核為0.078W，完全能滿足開展對激光功率計的檢測工作。

［1］國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG249-2004.0.1mW～200W激光功率計檢定規(guī)程［S］.北京：中國計量出版社，2004.

［2］國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJF1033-2008.計量標準考核規(guī)范［S］.北京：中國計量出版社，2008.

［3］國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJF1069-2012.法定計量檢定機構考核規(guī)范［S］.北京：中國標準出版社，2012.

Evaluation of the Uncertainty in the Measurement of the Power Indication Error of Laser Power Meter

Zhang Zhenjiang
（Kaifeng City Quality and Technical Supervision and Inspection Center，Kaifeng Henan 475002）

Laser power meter is an instrument for measuring laser power.This paper introduced the basic structure, working principle and technical performance index of laser power meter.And the uncertainty of the measurement results of the indication error was evaluated,the results showed that it could meet the requirements of laser power meter.

laser power meter；working principle；indication；uncertainty

TM933.3

A

1003-5168（2017）04-0078-03

2017-03-27

張振江（1972-），男，本科，助理工程師，研究方向：技術監(jiān)督檢驗測試。