（物理电子学专业论文）纳秒激光器输出能量起伏检测装置的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 z 扫描技术是一种测量材料非线性的方法，确保激光器输出能量的稳定是进 行z 扫描技术测量的必要前提。激光脉冲峰值功率是激光器输出脉冲的基本性能 指标，其变化能够反映激光器输出脉冲能量的变化。在z 扫描实验中对激光脉冲 峰值功率进行实时监测，有助于实验者遴选合格的数据，提高z 扫描测量的准确 度。 本文在总结了国内外在进行激光功率绝对值测量时所使用的方法的基础上， 根据在p i n 光电二极管两端加上反向偏置电压后输出电流与入射光功率成线性关 系的原理，设计了以c 8 0 5 1 f 1 2 0 单片机为中央处理控制芯片的激光能量起伏检测 装置。本装置能够实现对激光脉冲峰值功率相对值的测量，在z 扫描实验时，达 到对激光器输出能量变化进行实时监测的目的。 关键词z 扫描；激光峰值功率计；单片机 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t z s c a nt e c h n o l o g yi sam e t h o dw h i c hc a nb eu s e dt om e a s 珊en o n l i n e a ro p t i c a l p r o p e r t i e so fm a t e r i a l t h es t a b i l i t yo fl a s e ro u t p u tp o w e r i san e c e s s a r y p r e r e q u i s i t ef o r z s c a nt e c h n o l o g ym e a s u r e m e n t l a s e rp u l s ep e a kp o w e ri sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ro f l a s e ro u t p u tp u l s e ，r e f l e c t i n gt h ec h a n g eo f o u t p u tl a s e ri n t e n s i t y m o n i t o r i n gt h el a s e r p u l s ep e a kp o w e ri nt h ez s c a ne x p e r i m e n tc a nh e l pp e o p l es e l e c tq u a l i f i e dd a t a , i m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e m i nt h i sp a p e r , t h em e t h o do ft h el a s e rp o w e rm e a s u r e m e n tw a ss u m m a r i z e d a n da d e t e c t o rd e v i c ew a sd e s i g n e db y 。u s i n gc 8 0 5 1 f 1 2 0m i c r o c o n t r o l l e rc h i p 弱c e n t r a l p r o c e s s o rw h i c hb a s e do nt h ee f f e c tt h a tt h eo u t p u tc u r r e n to f p i n p h o t o d i o d ei n c r e a s e s l i n e a r l yw i t ht h el a s e rp o w e r t h ed e v i c ec a nb ea p p l i e dt om e a s u r et h er e l a t i v ev a l u eo f l a s e rp u l s ep e a kp o w e r , t h e r e f o r ei tc a nm o n i t o rt h ef l u c t u a t i o no fo u t p u te n e r g yw h e n z - s c a n e x p e r i m e n ti sc a r r i e d o u t k e y w o r d sz s c a n ；l a s e rp u l s ep e a l ( p o w e r ；m c u 黑龙江大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨蕉堑太堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。 学位论文作者签名： 咖杆签字日期：却f 戽朋猡 学位论文版权使用授权书 本人完全了解墨蕉堑太堂有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权墨蕉堑太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。 学位论文作者签名：1 | 移本丫 签字日期：p 矿乃年歹月多弓日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 一“辛虑 签字日期：山fd 年j - - 月拿1 日 电话：，如坳7 占弓 邮编： 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 自从美国人梅曼( t h e o d o r eh m a i m a n ) 在1 9 6 0 年7 月成功研制了世界上第 一台红宝石激光器以后，人们便在激光的带领下进入了对光学研究的全新领域。 在1 9 6 1 年，f r a n k e n 等人n 1 通过将红宝石激光束聚焦到石英晶体上，观察到了 光学二次谐波现象，这个实验结果翻开了光学研究崭新的一页，二次谐波现象的 发现标志着非线性光学学科的诞生。在此后的4 0 多年时间，非线性光学在基本原 理与应用方面都得到了巨大的进步和发展，非线性光学成为基础学科里最重要的 分支学科之一。 研究材料的非线性光学效应中一个重要的物理量就是极化强度p ，它是当有 外加光场存在时在物质内部产生的。而描述物质的极化强度p 与光场强度e 之间 的关系最重要的物理量就是极化率z ，与不同幂次的电极化强度相对应，物质的 极化率由线性光学极化率z n 以及非线性光学极化率z 娌、z 3 等组成，它们分别 为二阶、三阶张量，反映了物质对于光电场作用不同的响应，直接决定了物质在 该外加光场所产生的非线性光学效应，因此了解物质的非线性极化率对其非线性 光学效应的研究具有十分重要的意义。 目前，能够直接或间接测量物质非线性极化率的方法主要有：自衍射、非线 性干涉法嘲嘲、椭圆偏振法h 1 、光束畸变法嘲、光克尔效应法旧、三次谐波法、双波 耦合法忉、简并四波混频和z 扫描法嘲9 m 。相对于其它的测量方法而言，z 扫 描方法的光路简单n 幻，仅使用单光束测量，灵敏度高，而且还可以同时测量非线 性折射率和非线性吸收系数，即可以同时得到z 的实部和虚部，这使得z 扫描 方法在其它测量方式中脱颖而出，成为当前在非线性光学特性研究中使用最广泛 的测量方法之一n 3 1 。 在使用z 扫描方法对物质进行非线性极化率的测量时，我们实际上测量的是 样品的归一化透过率t 。当激光的波长一定时，归一化透过率t 的大小是与激光 黑龙江大学硕士学位论文 的能量的大小紧密联系的。如果激光器输出的能量数值不稳定，那么势必会影响 到对样品归一化透过率t 测量的准确性，从而导致测量数据产生大的误差，测量 结果精度下降。 为了解决这个问题，很多以激光能量为主要测量对象的实验都会对激光输出 能量进行监测，以保证实验结果的准确性。目前市场上能够测量激光参数的仪器 种类很多，用来测量激光输出能量的以激光功率计为主。此类产品中，国外产品 占多数，其测量精度较高，但是价格昂贵，只有专业厂家有能力配备此类产品。 而对于国内广大的高校实验室，有限的实验资金无法购买昂贵的进口激光能量计 导致试验虽然能够进行，但是测量结果却差强人意。实验仪器测量水平的限制严 重阻碍了人们对激光相关领域进行深入研究。 为此设计一种能够测量激光器输出输出能量起伏的装置，此装置能够测量激 光脉冲峰值能量相对值的变化，将其作为激光前端的检测装置，对激光器输出脉 冲峰值功率相对量的变化进行实时的监测，并将结果显示在上位机上。本装置有 助于判断激光器的工作状态及激光器输出脉冲峰值功率起伏变化，帮助实验者筛 选不合格的实验数据，提高实验测量数据的准确度，达到更准确的测量样品光学 非线性特性的目的。 1 2国内外技术发展概况 在脉冲激光技术的应用中，国内外脉冲峰值功率的测量方法，主要有半宽度 法、面积法、波形积分法、连续功率调制法、脉冲展宽法等n 叼几种，大多数激光 峰值功率的绝对测量方法是在测量激光束的能量的同时，利用宽带示波器观察、 分析和记录脉冲时域过程，再通过计算测数据获得峰值功率，不同测量方法之间 的差别只是建立的数学模型不同、采用计算的方法不同而己。 国外的激光峰值功率计借助电子技术和计算机技术的发展，已经开发出一些 激光能量计的新产品。例如，在得到脉冲峰值功率的同时，还可以同时测量出激 光的脉冲周期、脉冲宽度以及波形重复频率等诸多时域参数的激光时域参数测试 仪n 司。国外的激光功率计已经趋向高度集成化、多功能应用化发展，并且使用方 第1 章绪论 法简单、便于携带，使得人们可以更加方便地测量激光的参数特性。国外的激光 功率计虽然方便、快捷、准确度高，但国内的广大的需求者却因其高昂的价格而 无法购买。 为了解决这个难题，国家一直支持着研究激光参数测量仪器研发的工作。但 是由于激光脉冲带宽窄的特点，国内对激光能量计的研制一直是个难题。更严重 的是，国外对此类敏感计量仪器限制进口，与其相关的技术器件也受到限制，这 严重阻碍了我国开展激光应用技术的研究工作。目前，我国激光能量测试仪器的 专业研发单位和供应商很少，仅中国计量科学研究院、中科院上海光机所、北京 光电技术研究所等少数几家，且研发工作处于十分零散的状态。其供应市场的激 光脉冲能量检测设备功能比较单一且准确度不高，大多数仅限于测量早期生产的 激光器的输出能量，对于新型激光器常常不能提供有效的测量n 6 1 。 尽管如此，国内的研究学者一直致力于激光功率计的研究设计工作，为我国 激光功率测量技术的提高起了重要的作用，对国内激光研究的发展具有很重要的 意义。 以下是国内研究学者对激光能量计及一些替代产品设计的介绍。 在基于a t 9 0 s 8 5 3 5 的脉冲激光功率计n 力中，设计者利用l a c a m n 0 3 薄膜光电 材料的光电响应特性，设计了一种由a v r 单片机a t 9 0 s 8 5 3 5 芯片控制的脉冲激光 功率计。由于经过光电转换的电信号脉宽较窄，这样就要求光电转换的速度较快， 也给后期的信号处理方面带来了一些困难。通过采用新型l a c a m n 0 3 薄膜光电材 料，结合a v r 单片机a t 9 0 s 8 5 3 5 对信号的控制，解决了激光功率计在光电转换和 信号量化处理方面的问题。 虚拟激光功率计n 8 1 一文介绍了采用虚拟仪器方式制作的虚拟激光功率计，以 光电池对激光信号进行采集可以对激光光强进行连续和触发方式测量，并且做到 实时显示，与传统仪器相比有高性能、低价格和功能灵活的优点。 在智能激光功率计n 盯一文介绍了一种新型智能激光功率计设计的基本原理， 作者以此设计的智能激光功率计具有能够测量激光波长和实时显示激光功率的功 能，自动化程度高，并且可实现1 5 w 激光功率的精确测量。这种基于单片机的 黑龙江大学硕士学位论文 智能激光功率计具有自动化程度高、范围宽、精度高和可使用电池供电等特点。 在基于l a bv i e w 的光功率计控制系统啪1 中，作者设计开发了光功率计在p c 端的控制平台。该光功率计利用l a bv i e w 中v i s a s e r i a l 控件在p c 机上进行串 口通信管理，具有远程控制、长时间自动测量和数据分析、保存的功能。 在现场激光能量计量技术的研究乜1 1 一文中，作者为了解决当外界温度变化时 引起的传感器测量偏差问题而研制了一种新型的现场激光能量计，即在现有激光 能量计的基础上，采用热敏激光吸收材料来对激光能量计内置的温度传感器进行 了重新设计，很好的提高了激光能量计在外界温差变化较大的情况下的稳定性。 基于f p g a 和单片机实现的微波脉冲功率计胁1 中设计者使用f p g a 来控制时 序并使用单片机系统处理高速采样数据，此功率计能够实现对双路脉冲激光峰值 功率信号的检测。经过滑窗检测算法和非线性纠正等算法处理后，微波功率计在 最大限度上提高了测量精度，降低了成本。 在基于s t c 8 9 c 516 单片机的数字光功率计设计1 中，作者设计的光功率计主 要采用i n g a a sp i n 光电二极管、o p a 3 4 0 u a 高精度集成运算放大器、a d c 0 8 0 9 模数转换器和s t c 8 9 c 51 6 r d + 高速单片机等器件进行系统的设计，由于成本较低， 可以很好的满足广大高校对于试验用仪器的需求。 1 3 本文主要研究内容 本论文对非线性光学z 扫描技术原理及国内外的激光功率计测量原理进行了 基本介绍，全面阐述了纳秒激光器输出能量起伏检测装置的硬件设计原理和装置 调试过程，并在最后进行了现场的测试试验，并对检测结果进行了误差分析，给 出了结论。 本论文每章的研究内容安排如下： 第一章主要介绍本课题的研究背景以及激光能量计的国内外应用和发展现 状。 第二章对非线性光学、z 扫描的基本原理和激光能量的测量原理和测量方法 进行的全面的介绍，阐述了在z 扫描实验中进行实时激光脉冲峰值功率检测的必 第1 章绪论 要性，并给出了纳秒激光器能量起伏检测装置设计的基本原理。 第三章阐述的是本论文的主要内容，即纳秒激光器输出能量起伏检测装置的 硬件电路设计部分，硬件电路设计包括放大电路、采样保持电路、串口通讯电路 等。并且介绍了光电检测器件的基本工作原理和硬件电路设计芯片的选择。 第四章是纳秒激光器输出能量起伏检测装置的测试过程，首先验证了p i n 光 电二极管的反向偏置电路的电压输出与激光功率是线性关系，然后使用装置实时 检测激光器输出功率，并给出了测试数据，对能量起伏超过5 的数据进行了筛选， 最后对能够产生误差的原因进行了分析。 在本论文的结论部分，对本课题设计的纳秒激光器输出能量起伏检测装置进 行测试，给出了本系统的一些改进措施，并对激光能量计的进一步发展趋势做出 了展望。 黑龙江大学硕十学位论文 第2 章激光功率测量原理 2 1 非线性光学简介 激光的发明是二十世纪物理学最重要的成就之一，而非线性光学的出现，则 为激光的发展开辟了一块全新的探索领域。经过几十年的辛苦研究，非线性光学 的理论体系已经非常完善，其所涵盖的研究领域也已经非常广泛，与其它学科的 联系和渗透也日益密切起来。 非线性光学研究的是在光与物质相互作用时出现的各种非线性光学效应。这 些效应与线性光学效应的特点不同，线性光学效应的特点是：出射光强与入射光 强成正比，不同频率的光波之间没有相互作用、能量彼此不能交换，线性光学效 应的产生是源于物质与作用外光场成正比的线性极化。而非线性光学的特点是： 出射光强与入射光强不成正比，不同频率的光波之间存在相互作用、能量可以彼 此交换( 即相互耦合) ，非线性光学效应的产生是源于物质中与作用光强不成比例 的非线性极化。非线性光学就是研究这些非线性效应产生的条件、特性、机理 以及如何应用的一门学科。 在入射光不太强的情况下，我们认为极化是线性的，则极化强度尸应与光波 电场e 的一次方成正比，即p = z e 。这就是各种线性光学效应产生的原因，其中 z 为介质的线性极化率。但当有强光入射时，极化强度p 并不与光波的电场强度 e 成正比，这时称介质产生了非线性极化，极化强度尸与光场强度e 之间的关系 为： 只，d = c o z n e + e o z 2 e e + e o z 3 、! e e e + = e + b + e + ( 2 - 1 ) 式中右边第一项为线性极化强度项，右边第二、三项分别为二阶、三阶非线 性极化强度；z 舶、z 3 分别为二阶、三阶非线性极化率，各种非线性光学效应的 产生分别源自这些非线性极化项。例如，二阶非线性极化强度只可产生以下二阶 第2 苹激光功率测量原理 光学非线性效应：光学二次谐波、光学参量放大与震荡；三阶极化强度只可产生 以下三阶光学非线性效应：光学三次谐波、四波混频、光克尔效应、光学双稳。 根据对称性要求，在极化强度表达式中，电场的偶次方项在具有中心对称性质的 介质中必须为零，而与奇次方项相关的非线性效应如三阶光学非线性效应则在所 有介质中都存在。由于三阶非线性效应在介质中具有产生的普遍性，人们对大多 数光学非线性材料的研究，主要是围绕对材料的三阶光学非线性特性的研究来进 行的。 在新材料领域，材料的三阶光学非线性效应更是越来越受到人们的关注。为 了更好的研究新材料的光学非线性性质，发展出了大量的技术用来测量材料的非 线性光学系数，例如非线性干涉法、简并四波混频法、双波耦合法、椭圆偏振法、 光束畸变法、光克尔效应法、三次谐波法以及z 扫描法等等汹1 ，这些技术都可以 用来直接或间接测量非线性极化率或非线性折射率。以上所提及的方法包括了目 前研究三阶光学非线性系数及如何测量的基本思想和方法。随着测量技术的发展， 其中的一些实验技术手段由于对测试设备要求较高、设备操作复杂或者测量结果 误差较大，已经逐渐被人们所摒弃。目前人们最常用的方法是简并四波混频、光 克尔效应和z 扫描技术啪3 。 2 2z 扫描原理 z 扫描法是s h e i k b a h a e 等哪3 在1 9 8 9 年提出的采用单光束测量材料的非线性 折射率的方法，由于测量过程中被测试样品沿着单光束传输的方向z 轴移动，因 而被称之为z 扫描测量方法。在这之后不久，z h a o 等人提出了采用顶环光束的激 光z 扫描技术汹1 ，即将z 扫描的高斯光束换为顶环光束，实验结果表明采用顶环 光束法可使测量灵敏度提高近2 5 倍。1 9 9 2 年，s h e i k b a h a e 等又提出了双色z 扫 描方法嘲，双色z 扫描技术的独特优点就是可以比较方便地测量非简并非线性系 数的变化血和非简并非线性吸收系数的变化a c t 等。 在几年时间内，z 扫描术不断得到完善，由于z 扫描技术相对与其他的实验 测量方法拥有很多有优点，所以被广泛应用于研究材料的三阶光学非线性特性。 黑龙江大学硕十学位论文 例如分析高分子和有机材料1 的光学非线性性质，包括非线性吸收( 饱和吸收与 反饱和吸收) 和非线性折射等，也可用于半导体材料口的光学非线性分析，以及 确定非线性吸收系数。从其提出到现在的十多年里，该技术在材料的光学非线性 性质测量中的应用日益广泛和深入，通过不断的发展和完善，z 扫描技术已经成 为一种具有重要应用价值的测量方法。 通常情况下我们不考虑时域变化对光学系统的影响，那么光束对物质的光学 非线性调制包括振幅调制和空间相位调制两个方面。产生振幅调制的原因是线性 和非线性吸收，产生空间相位调制的原因是非线性折射率。要想得到样品的非线 性折射率就必须对相位空间进行测量。实验中使用的探测器测量的是强度，即振 幅的平方，当光束传输一定距离后，相位信息就会通过振幅反映出来。z 扫描技 术正是采用了这个间接方法，通过测量光强随相位的强弱变化来得到非线性折射 率的大小和符号口羽。 l a s e 图2 - 1z 扫描实验原理图 f i g 2 - 1e x p e r i m e n t a ls e t u po f z s c a nt e c h n i q u e 常用的测量材料三阶非线性的z 扫描技术的原理如图2 - 1 所示。从激光器发 出的激光脉冲经过透镜l 聚焦，通过样品后由分束镜b s 分成两束，一束直接进 入探测器d 1 ，另一束通过一个中心和光轴重合的小孔后进入另外一个探测器d 2 。 一束光强为1 ( z ，) 的会聚高斯( g a u s s i a n ) 激光束传播至远场一带有小孔的探测 器d 2 ，被测非线性介质放在会聚透镜的焦点附近，并可沿传输方向( z 方向) 前后 移动，由于介质的非线性光学性质将引起光束的会聚或者发散，从而引起透过小 孔的辐射量的变化，测得归一化透过率与样品位置z 的关系。 我们知道折射率： 第2 章激光功率测量原理 n ( z ，) = n o + 呓，( z ，厂) ( 2 2 ) 其中线性折射率； 五非线性折射率系数； 当呓 0 时出现自聚焦：当呓 0 时出现自散焦。 当一束单模高斯光束沿+ z 轴方向传播时，设光场强度为e ( z ，0 ，光束半径 为w ( z ) ，被测样品的厚度足够小( 要求厚度远小于z 0 ，z o 为光束的共焦参数) ，这 样可以忽略测量过程中由被测样品w 0 引起的光束半径的变化。在近似的情况下， 经过z 扫描方法所得到的归一化透过率为： r ( z ) ： j p t - a 硒一o ( t ) d t s l 只( f ) 讲 ( 2 - 3 ) 其中 弓通过小孔的光功率； 九( f ) 波面在轴上焦点处( z = o ) 的相位变化； p o ) 射入样品的瞬时光功率。 渊一唧( 一刳 4 ， s = i 为开孔z 扫描情况，s = o 为闭孔z 扫描情况。 式中 吃刮、孔半径； w 口小孔处的光束半径。 在实际的试验样品测量中，我们只需要对在z 扫描试验中所得到的t ( z ) i 拄i 线 的波峰和波谷的差值耳一矿进行测量，就可以得出非线性折射率a n 的大小。 当开孔很小，即s 0 时： 墨矿o 4 0 61 , 锄o i ( 2 5 ) 当开孔较大时： 乃w o 4 0 6 ( 1 一s ) n 2 5l 九 ( 1 唬l 乃) ( 2 6 ) 结合波面焦点处相位变化吮( f ) 的公式： 丸= 七，? ( f ) ( 2 7 ) 其中 七= 2 州名； 样品的有效厚度。 可得 a n = 0 4 0 6 ( 尚1 酉 8 ) 一s rk l 咀 对于具有明显非线性性吸收的材料，在开孔z 扫描情况下，样品的吸收系数 为： a ( o = + ， ( 2 9 ) 式中 线性吸收系数； 非线性吸收系数。 在强光入射的情况下： 口= ， ( 2 1 0 ) 此时开孔情况下的归一化透过率曲线可以表示为： 丁( z ) - i ( 所l - 十q o ，) i ( q o 1 ) ( 2 - 1 m = o 1 ) ，i i 1 ， 式中 必力= 风易( 南 嘲 z o = 万镌肛 ( 2 1 3 ) 其中 i o ( 0 光轴上z = o 处的瞬时光强； 2 3 测量输出激光功率的必要性 在搭建z 扫描实验装置时，各光学部件的正确摆放和参量的准确设置对测量 精度有着直接影响。从式( 2 3 ) 和式( 2 1 1 ) 可以看出，归一化透过率的准确计算是 与通过小孔的光功率弓和入射样品的瞬时功率p a t ) 的准确测量是分不开的，这就 第2 章撤光功率测量原理 是说激光能量输出的稳定性直接影响着z 扫描测量结果的准确性汹1 。 z 扫描实验中对瞬时功率只( f ) 的测量是一次采集的，即测量一个脉冲信号的 瞬时功率并把它作为整次实验恒定的参考光瞬时功率值。但是，在实际应用中激 光器输出的能量会产生波动，导致实际入射到样品上的瞬时功率p ( f ) 的数值会发 生变化却仍旧使用恒定的参考光瞬时功率值，这就造成测量数据的误差，导致z 扫描精度的降低。 目前，很多高校实验室所配备的激光器型号都已经过于老旧，很难再保证输 出能量的稳定性，虽然新型的激光器具有更好的输出稳定性且能够做到输出脉冲 带宽更窄，但是更换的成本过高，面对高校有限的研究资金不能满足更换新型激 光器的要求。为了能够克服现有激光器输出能量不稳定的情况，最简单的解决办 法就是能够实时对激光器输出能量进行监测，对激光能量变化较大的数据进行筛 选。 l a s e r 图2 - 2 加入实时探测器的z 扫描实验原理图 f i g 2 - 2e x p e r i m e n t a ls e t u po f z - s c 锄e x p e r i m e n t w i t l lr e a l - t i m ed e t e c t o r 为了解决由于激光器输出能量起伏产生的z 扫描实验误差，最简单的办法就 是能够对激光器的输出能量进行实时的测量。如图2 2 所示，z 扫描光路不变， 分光镜b s l 将入射光分为两束，一束光经过透镜会聚到被测样品上；另一束光将 直接入射到探测器d 上，探测器d 用来实时监测激光脉冲输出能量的变化。一般 使用激光功率计作为z 扫描实验中的探测器。进口激光功率计的成本很高，设计 能够代替激光能量计监测激光器输出能量起伏的装置成为本课题的研究内容。 黑龙江大学硕士学位论文 2 4 激光功率测量原理 激光与其他物质相互作用的本质就是电磁波能量的传播、吸收、转换的过程。 当激光束与一些固体、液体、气体相互作用时，就会引起光能与热能、电能、机 械能和化学能的相互转化，从而为激光能量的测量提供了可能。激光输出形式有 脉冲式的，也有连续式的；前者常用输出能量( 焦耳) 或峰值功率( 瓦特) 来表 示，而后者则使用输出平均功率来表示m 1 。 激光功率是描述激光特性的基本的参数之一，对不同的激光输出形式共有四 种表达形式汹1 ： ( 1 ) 连续输出功率：激光器连续输出的激光光功率参数。根据波长不同、功 率不同选择激光功率计，其测量较为简单，是使用最多的功率参数。 ( 2 ) 脉冲平均功率尸：激光脉冲能量与脉冲持续时间之比。可通过计算或重复 频率激光脉冲平均功率计测得。 ( 3 ) 平均激光功率己：脉冲激光能量与激光脉冲重复率之比。 ( 4 ) 脉冲峰值功率尸蛐：表示脉冲激光器发射的时域函数的最大值。 是激光脉冲光束的基本性能指标，也是激光在应用领域中一个十分重要的 参数。激光峰值功率能够很好的显示出激光信号的特点，特别是在一些将激光 能量信号作为信息载体来研究的领域，激光峰值功率作为能够准确反映激光特征 的指标性参数，成为光学领域研究者的主要测量对象。 激光在本质上是一种受激电磁辐射，与普通光源相比较，它具备高单模功率， 高单色性，及良好的方向性等特点汹1 。因此，可根据电磁辐射与物体的各种相互 作用，转换成其它形式的能量( 如热能，电能，机械能和化学能) 进行测定。 测量激光输出能量采用的是先将光能转化成为其他形式的能量，然后同已知 量进行比较，从光能和其他能量的关系中，间接的获得光能数值大小的方法。下 面介绍目前比较常用的测量激光输出功率的原理m 1 。 ( 1 ) 光热法 光热法是利用光的热效应使受照射的物体吸收体吸收激光能量后，转变为温 第2 章激光功率测罱原理 度上升，通过热电元件将温度变化转换成电信号，从而显示出激光输出的能量值。 光热法广泛应用在测量脉冲激光能量和连续激光功率的使用中，比较成熟的光热 法测量仪器有：热量计、平面盘状卡计、鼠笼式热敏电阻能量计、液体量热计等。 以常用的量热计为例，这种仪器是将激光的输出能量转换成量热器的热能并使其 吸收体的温度发生变化来测量的。吸收体温度的变化可以直接记录或通过间接测 量其他变化的物理量来测量。量热器具有可逆性，测量结束后量热器会恢复到最 初的状态。吸收体和温度传感器是量热计的主要元件。吸收体通常选用固体或液 体，温度传感器采用导线型电阻或热电堆。使用种原理制成的功率计应用最为普 遍。它的可靠性和重复性好，精度高，通常用来作为激光功率计的校正标准。此 外，它还具有以下优点：波长响应覆盖从紫外到远红外宽广的光谱范围；量程可 以从毫瓦级别到千瓦级别或更大，可适用于高功率激光测量。缺点是：灵敏度低， 误差大，响应时间长。 ( 2 ) 光电法 光电法利用光电转换器件直接将光能转换为电流或电动势来实现对激光能量 或光功率的测量。光电转换器件的响应时间快( 1 0 母 - - 1 0 培s ) 、灵敏度高，很适合 对能量在1 0 - 2 j 以下的脉冲能量和连续输出的瞬时功率进行测量。对大功率的激光 能量进行测量需要在光电转换器件前加光能衰减器件将强光衰减为能接收的光。 常用的光电转换器件有光电二极管、光电倍增管、光电池、光敏电阻和热释电元 件等。使用光电法测量激光能量需对光电转换器件输出的电信号进行积分才能得 到脉冲能量，对电信号的积分工作通常有电容器完成。使用这种方法制成的激光 能量计具有以下优点：灵敏度高，响应速度快，适于测量微小功率和脉冲激光的 峰值功率。缺点是：波长范围小，受温度影响大。 ( 3 ) 光压法 当激光照射到一块不透明的物体表面时，会给物体表面施加相应的压力，比 如使用非常细的石英丝悬挂一面全反射镜，当激光打在反射镜上时会使它旋转， 通过测量镜子旋转的精确角度，得到镜子的光压，从而可以求出入射激光的光能 量。全反射镜根据这个原理可以建立激光能量与机械压力之间的函数关系。光压 黑龙江大学硕士学位论文 能量计就是利用光压测量脉冲和连续激光功率的仪器。它的优点是：测量精度高， 量程大( 原则上测量范围是不受限制的) 。缺点是：响应时间长，装置复杂，整个 系统需放置在真空室中。 激光脉冲峰值功率作为时域分布参数来说，参数数值的大小与激光脉冲的波 形有直接关系。国内外测量脉冲激光峰值功率的方法主要有：半宽度法、面积法、 波形积分法、连续功率调制法和脉冲展宽法等几种汹1 。 下面详细介绍脉冲激光峰值功率的测量方法。 ( 1 ) 半宽度法 此法是根据脉冲的半宽度和激光能量，求得峰值功率。 p p m 双 1 2 p 麟 图2 3 激光脉冲波形图( 半宽度法) f i g 2 - 3t h ep a t t e mo fl a s e rp u l s e ( h a l fw i d t hm e a s u r e ) 图2 3 所示为一个激光脉冲的时域波形图，如果探测器的响应足够快，而且 是线性的，那么则有： 彳( f ) = c p ( t ) ( 2 1 4 ) 式中彳( f ) 激光脉冲时域波形的瞬时幅度； 尸( ，) _ 光脉冲瞬时功率； c 比例常数。 对于脉冲波形振幅峰值点k 和脉冲峰值功率尸麟，也可以得到相同的线性关 第2 苹激光功翠测量腺理 系： = 吧缸 ( 2 一1 5 ) 对式( 2 - 1 ) 进行积分： i a ( t ) d t = c ，p ( t ) d t ( 2 16 ) 上边等式左半部为脉冲激光时域波形的面积，等式右半部为激光脉冲的能量。 设： s = f a ( t ) d t ( 2 1 7 ) i v = c p ( t ) d t ( 2 一1 8 ) 则有：s = 形 ( 2 1 9 ) 根据脉冲激光半宽度f 的定义可以得到： s = z - p u ( 2 2 0 ) 那么根据( 2 - 1 9 ) 和( 2 2 0 ) 式可得到： w = f ( 2 2 1 ) 可以得出： = 了w ( 2 - 2 2 ) 半宽度法这种测量方法试验操作简单，但是现实实验过程中产生的激光脉冲 波形都会具有不对称和不规则性，使用这种测算方法所得到的测量结果，很难满 足对脉冲能量进行精确计算的要求，所以半宽度法只能作为近似的估算方法来使 用。 ( 2 ) 面积法 在可以使用响应速度足够快的探测器的前提下来监测激光脉冲，这时所得到 的激光脉冲时域特性曲线图如图2 4 所示。 设激光脉冲特性曲线包络以内的面积为4 ，一个单位方格的面积为口，根据面 积公式则可以得到： a ：c t 矽( 2 2 3 ) 黑龙江大学硕士学位论文 口= c p f 其中激光能量； 尸单位间隔的瞬时激光功率； f 单位时间间隔； 刀比例系数。 pl 一 上 ， 、 p i l f lf l k | l| 7j li t 一一 ( 2 - 9 4 ) 图2 4 激光脉冲波形图( 面积法) f i g 2 4t h ep a t t e r no f l a s e rp u l s e ( s u p e r f i c i a lm e a s u r e ) 由式( 2 2 3 ) 和( 2 2 4 ) 可得： 尸t - 坠 ( 2 2 5 ) t a 峰值功率则可以表示为间隔数刀与每个间隔的瞬时功率的乘积，即： = 刀p ( 2 2 6 ) 再结合式( 2 - 2 5 ) 可以得出激光脉冲峰值功率的表达式： - - - - t i 等( 2 - 9 7 ) 根据示波器对脉冲波形显示可以查出f 和刀，根据激光能量计的测量可以得到 能量形，单位方格的面积与总面积的比a a 可以通过面积仪的测量得到。 这种方法的测量步骤比较繁琐，需要较多的试验测量仪器，但测量结果相对 于半宽度法较为精确。 第2 章激光功率测量原理 ( 3 ) 波形积分法 假设光电探测器对光信号的转换与电信号成良好的线性关系，那么电信号响 应v ( t ) 和激光脉冲瞬时功率尸( f ) 应该成正比关系，即： y ( f ) = c t p ( t ) ( 2 2 8 ) 其中口比例常数。 激光峰值功率p 蚴也同电信号响应最大值k 有同样的关系，即： k = 口p 傩 ( 2 2 9 ) 对式( 2 2 9 ) 等式两边进行积分可得： j v ( t ) d t = a ，p ( t ) d t ( 2 3 0 ) 上式等式左边的积分式为脉冲波形的面积积分，即： s = ，v ( t ) d t ( 2 3 1 ) 对激光输出能量的表达式有： w = f p ( t ) d t ( 2 3 2 ) 结合以上几个等式可得到： = i w ( 2 - 3 3 ) 根据式( 2 - 3 3 ) 可以知道，如果能够测量到光电探测器响应的电信号时域波形 的最大值k 、激光输出能量w 和脉冲激光时域波形的面积s ，就可以计算出脉 冲激光峰值功率圪巍。 ( 4 ) 连续功率调制法 连续功率调制法是使用机械斩波器、转镜或声光调制的方法，先将连续激光 调制成为脉冲激光，再进行测量的方法。 从激光能量的定义可以得出一个激光脉冲的能量，即： g ：f p ( t ) d t ( 2 - 3 4 )。 j t 式中调制频率； 黑龙江大学硕士学位论文 f 测试时间。 将式( 2 3 4 ) 代入到式( 2 3 3 ) 中，可得： 圪。= 眚 ( 2 - 3 5 ) 其中： ： p ( o d t( 2 3 6 ) f 式中p 功率平均值。 以上四种方法都是对激光峰值的绝对测量方法，可以得到激光功率的实际值。 其中前三种方法适合对单频或是低频率的激光峰值功率进行测量，可以根据实际 的情况采用适合的方法。而对于连续功率调制法，则适合测量高重复频率的激光 脉冲恻。 当对激光功率进行绝对测量时，需要使用能量计来测量激光脉冲输出的能量 或平均功率，用宽带示波器或波形分析仪来显示和记录脉冲波形。这时要求的宽 带示波器和波形分析仪就必须具有快速捕捉图像并锁相的功能，使用第四种测量 方法时还需要频率计来测量脉冲频率。所以，采用绝对测量方法测量激光光功率 时所需仪器比较多而且性能要求也比较高，测量步骤较为繁杂、对环境的要求也 比较高，只适用实验室内进行测试而不便于在野外和现场工作。 2 5 激光功率起伏检测原理 纳秒激光脉冲信号的特点是脉冲信号宽度很窄，因此在对激光脉冲信号的峰 值功率进行实时测量时，主要需要解决对脉冲激光的响应灵敏度、响应速度、高 速宽带信号的采集、转换的问题。 根据式( 2 - 2 9 ) 可以看出，如果选用光电转换成严格线性关系的光电探测器， 就可以通过测量电信号的变化，来了解激光脉冲峰值功率的变化，可以根据这一 原理设计出一款测量激光脉冲峰值功率的相对激光功率计。 选用响应速度快、转换速度高的p i n 光电二极管作为光电探测器，来保证其 第2 章激光功率测量原理 对激光脉冲信号的快速响应，而且由p i n 光电二极管的工作原理可知：当p i n 光 电二极管工作在短路情况下，其输出的短路电流与光强成线性关系“们。对于p i n 光电二极管的基本原理及特性将在下一章中做详细介绍。 同时选用高速运算放大器，来保证其经过光电转换器后的微弱电信号能够被 完整真实的输出。由于脉冲激光变化速度超快的特性，经p i n 光电二极管转化的 电压信号也将快速变化，设计适当的电压峰值采样保持电路，将电压保持住并经 过高速、高精度a d 转换后，送上位机进行处理，对测量数据进行比较和筛选。 2 6 本章小结 本章主要阐述了z 扫描技术的实验原理、测量激光输出功率的原理以及方法， 介绍了在z 扫描实验中加入实时检测激光脉冲峰值功率装置的必要性，并给出了 设计能够测量激光脉冲峰值功率相对值装置的原理。 黑龙江大学硕十学位论文 第3 章纳秒激光器输出能量起伏检测装置系统设计 纳秒激光器输出能量起伏检测装置与笔记本电脑或计算机组成测量系统，如 图3 1 所示。检测装置主要由光电转换、信号放大、采样保持、模数转换、串口 通讯、电源等几部分组成。该检测装置为便携机箱结构，在电路板上设计四路采 集通道，光电转换器件可独立配置，与机箱问通过屏蔽电缆连接，可同时实现四 路光信号的测量。本章主要论述了装置硬件电路的设计原理，下面详细介绍各部 分的功能。 激光脉冲信号 ( 光信号) 。 光电转换器件 ( p i n 光电二极管) ：。 信号放大电路 ”o p a 6 5 7 ) ， 采样保持电路 ( 电压跟踪! ；j 单片机 ；0 5 l f l 2 数 据 r 酗2 3 2 ( 电平转换) 数据上传 图3 1 检测系统原理图 f i g 3 - it h es c h e m eo f l a s e rp o w e rm e t e rs y s t e m 3 1 光伏探测器原理 利用光生伏效应制成的光探测器称为光伏探测器h ，这类探测器是由对光敏 感的“结”构成的，按结的种类不同可分为p - n 结型、p i n 结型、异质结型和肖特 基势垒型“羽。最常用的光伏探测器有光电池、光电二极管、光电三极管和雪崩二 极管。 本实验装置要求光伏探测器能够对激光脉冲信号快速响应，并且能够快速转 化成为电信号。由于光电二极管具有体积小，低偏置电压，灵敏度高，时间常数 小，工作在可见光和近红外区域等特点“3 1 ，适合在弱信号和快速信号的场合使用。 本装置所采用的p i n 二极管又称为快速光电二极管，与一般的光电二极管相比具 有更小的时间常数，更适合在检测像激光脉冲信号这种快速光信号时使用。p i n 2 0 第3 章纳秒激光器输出能量起伏检测装置系统设计 二极管的设计原理是对p - n 结型光伏探测器件的改进，下面简要介绍下它的工作 原理。 3 1 1p - n 结及特性方程 根据半导体理论，在半导体p - n 结的p 区中存在较多的空穴，而n 区中存在 较多的电子，如图3 - 2 。当p - n 结中存在载流子浓度梯度时，就会产生空穴向1 1 区、电子向p 区的扩散运动。其扩散运动的结果是使n 区带正电、p 区带负电， 形成空间电荷区( 也称耗尽区) ，同时会出现由耗尽区而出现的内建电场，而内建 电场会阻止空穴向n 区扩散、电子向p 区扩散，此时的p - n 结处于平衡状态。 n 型半导体 oo oo - ( bo o o 嗡 、9 o c ) oc o o o o9c 9 。i 电子 空穴 p 型半导体 图3 - 2 p - n 结结构原理图 f i g 3 - 2t h es c h e m eo fp - nj u n c t i o n 在光照作用下，当光子能量大于禁带宽度时，在p 区、结区、n 区都会产生 电子空穴对，破坏原来的平衡状态。在结区内建电场的作用下，p - n 结两边的光 生少数载流子会向相反的方向移动，如图3 3a ) 所示，p 区的电子穿过结区进入n 区，而n 区的空穴穿过结区进入p 区，这样导致p 区获得额外的正电荷、n 区获 得额外的负电荷，最终使p 区的电势升高、n 区的电势降低，于是在p - n 结两端 形成了光生电动势m 1 ，如图3 - 3b ) 所示，这就是我们所说的光生伏效应。 黑龙江大学硕士学位论文 光照 上上上上上 n 型半导体 - q 看5 9 i j 9 静“吝蠢7 7 q o 奄9 一6 。9 毒o o j 8 。 光照 a ) p 型半导体 图3 - 3 光生伏效应 f i g 3 - 3t h ep h o t o v o l t a i ce f f e c t 由于光照产生的载流子反方向运动，在p - n 结内部形成了由n 区指向p 区的 光生电流昂，同时光照时p - n 结两端产生光生电动势。 p - n 结收到光照后，在内建电场作用下通过结区的光生载流子在外回路形成 光电流，光电流的大小与吸收的光功率有关。对于普通的光伏探测器，一个电子 空穴对在外回路感生的一个电子电荷的电流，功率为尸的入射光产生的光电流为： = ( p ，7 枷) p ( 3 1 ) 在光伏探测器p - n 结开路状态下( 负载电阻r l _ o o ) ，器件输出电压为开路电 压吃： 第3 覃纳秒激光器输出能量起伏检测装置系统设计 = l _ r eh 1 2 ， j 式中 l 。反向饱和电流。 将p - n 结短路( v = o ) ，可得到短路电流l ： 1 w = i p = e 咖op (3-3) 开路电压吃与短路电流匕是光伏探测器件的两个重要参量。根据式( 3 2 ) 和式( 3 3 ) 两式可得到吃和l 两个参量都随入射光功率的增大而增大，不同的是 而l 和光强是线性关系( 如图3 4 所示) 而圪随光强按对数规