飛焦級脈沖激光能量測量方法研究

陳 娟，楊鴻儒，俞 兵，薛戰(zhàn)理，吳寶寧，韓戰(zhàn)鎖

(西安應用光學研究所，陜西 西安 710065)

引言

目前，對500 pJ～1 fJ的微弱激光脈沖能量的準確測量比較困難[1]。美國NIST(national institute of standards and technology)研制了用于飛焦級脈沖激光能量測量的APD900型激光輻射計，激光測量波長為1 064 nm、脈沖寬度測量范圍為15 ns～250 ns、能量范圍為4 fJ～10 pJ、測量不確定度為U=8%(k=2)[2-3]。本文針對1 fJ～1 pJ的微弱脈沖激光能量測量問題，提出了一種基于時域波形積分的飛焦級激光脈沖能量測量方法。該方法采用光電倍增管(PMT)獲得飛焦級激光脈沖的響應信號，該微弱響應信號經(jīng)放大、校準與激光脈沖波形積分后實現(xiàn)飛焦級脈沖激光能量測量。根據(jù)該方法設計了飛焦級脈沖激光能量測量裝置，并分析了該裝置的測量不確定度。實驗表明，該裝置實現(xiàn)了波長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量，測量不確定度為15.8%，靈敏度是APD900的16倍[4]。

1 測量原理

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

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

利用國防科技工業(yè)光學一級計量站建立的激光微能量標準[5]裝置校準激光微能量計；微能量計校準標準皮焦級激光光源，該光源經(jīng)過衰減倍數(shù)為1 000倍(可調)的標準衰減片后輸出飛焦級激光，用于校準本裝置。激光微能量量傳體系如圖2所示。

圖2 激光微能量量傳體系圖Fig.2 Diagram of laser micro-energy calibrating system

2 飛焦級脈沖激光能量探測裝置的設計

飛焦級脈沖激光能量探測裝置組成如圖3所示。

圖3 飛焦級脈沖激光能量測量裝置組成圖Fig.3 Constituting diagram of femto-Joule level pulse laser energy measurement system

該測量裝置由會聚鏡組件、探測器、驅動電路、微弱信號放大電路、采集處理組件組成。其中匯聚鏡組件包括窄帶濾光片和會聚透鏡組，窄帶濾光片中心波長為1 064 nm，帶寬為20 nm；探測器為R5108型PMT；驅動電路包括可調高壓電路、分壓網(wǎng)絡和濾波網(wǎng)絡；微弱信號放大電路包括直流電源、電流電壓轉換電路、第1至第4級電壓放大電路，電流電壓轉換器及第1至第4級電壓放大電路采用AD8009超低失真運算放大器；采集處理組件包括TG-X3600型超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機及控制處理軟件。

針對波長為1 064 nm、能量為1 fJ～1 pJ、脈寬為5 ns～1μs的脈沖激光，需要飛焦級脈沖激光能量測量裝置有較高的靈敏度和較快的響應速度。因此，PMT探測組件需具備很高的靈敏度和信噪比，放大處理電路須具備較高的放大倍數(shù)以及極高的截止帶寬。

2.1 PMT探測組件的設計

PMT探測組件主要由PMT探測器及其驅動電路組成。圖4為R5108型PMT在普通分壓網(wǎng)絡驅動下，增益隨電壓以及暗電流隨電壓的變化曲線，工作電壓越高增益越大，同時暗電流也隨之增大，該分壓網(wǎng)絡各極間壓差相等。

驅動電路決定PMT的總靈敏度和信噪比，本文設計的PMT驅動電路原理如圖5所示。(其中K為光電陰極；P為陽極、PY1～PY9為打拿極；R1～R10為分壓電阻；C1～C5為濾波電容；N1為高壓模塊；a1～a8為N1的8個外部管腳)

PMT在圖5所示的電路驅動下，其總增益的計算如公式(1)所示，各打拿級間增益如公式(2)所示[6]。

A=G1G2…Gm…G9

(1)

(2)

式中：f為第1倍增極對陰極發(fā)射電子的收集率；k為常數(shù)；VD為極間電壓；n為倍增極級數(shù)。

圖4 R5108型PMT的電壓-增益、電壓-暗電流曲線Fig.4 Voltage-gain and voltage-dark current curves of R5108 type PMT

圖5 PMT驅動電路原理圖Fig.5 Schematics of PMT driving circuit

在PMT驅動電路設計中，將探測器的各打拿級間壓差設計約為115 V，探測器的光電陰極K與第1打拿級PY1之間的壓差約為200 V，此種分壓模式作用于探測器后，在匹配的濾波網(wǎng)絡作用下，能有效提高探測器的增益并大幅度減小陽極輸出暗電流。通過調試后，PMT探測組件實現(xiàn)了很高的增益，總靈敏度在750 A/W左右，陽極暗電流能恒定控制在1×10-7A以下，能實現(xiàn)30倍以上的信噪比。

2.2 微弱信號放大電路設計

針對被測脈沖激光設計的微弱信號放大電路，需具備較高的放大倍數(shù)和極高的截止頻率，通過PMT探測組件輸出信號計算，放大倍數(shù)需達到4 000倍以上，截止頻率達200 MHz。經(jīng)過放大器設計選型，在微弱信號放大電路中選擇低失真的超高速運算放大器AD8009。對于運算放大器，增益頻率積為

C=AudfT

(3)

式中：增益頻率積C近似為常數(shù)；Aud是放大器增益；fT是放大器截止頻率；Aud與fT為近似反比關系。對于AD8009超低失真運算放大器，由公式(3)可知，在截止頻率為200 MHz時，其放大倍數(shù)為8倍。為滿足微弱信號放大電路的高速高倍率的要求，該電路設計為四級級聯(lián)放大路，原理如圖6所示，其中：R為電阻；C為電容，K為開關。

圖6 微弱信號放大電路原理圖Fig.6 Schematics of weak signal amplification circuit

微弱信號放大電路的總增益計算如下式所示[7-8]：

(4)

該放大電路在換檔電路的配合使用下，可以實現(xiàn)的放大倍數(shù)為64倍、512倍或4 096倍，最終的輸出電壓信號范圍約為300 mV～4 800 mV，可滿足采集處理組件的輸入電壓范圍要求。高增益探測組件配備該放大電路，可實現(xiàn)能量為1 fJ～1 pJ、脈寬為5 ns～1 μs激光能量測量。

3 能量計算過程

在飛焦級脈沖激光能量測量裝置中，采集處理組件采用的TG-X3600型超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其最高采樣率為3.6 GB/s，采樣位數(shù)為12位。1 s內最高可采集1.8 G個采樣點，采樣間隔Δt的最小值為0.56 ns，脈沖寬度為5 ns時，采集點也在20個以上，能夠準確采樣窄脈沖波形；脈沖寬度在5 ns～1 μs之間時，可選擇采集卡的采樣率進行數(shù)據(jù)采集，準確采集輸出波形，通過計算機數(shù)據(jù)處理得出積分值，通過能量標定系數(shù)的修正，得出被測脈沖激光能量值。圖7為本裝置測試某脈沖激光光源的輸出波形。

圖7 本裝置對某激光光源的測試波形Fig.7 Test wave of some laser by this device

在得到時域波形的情況下，進行曲線積分，可以得到準確的脈沖激光能量，計算公式如公式(5)，實際計算公式如公式(6)[9]：

(5)

(6)

式中：Δt為硬件采樣的最小間隔；V(t)為飛焦級納秒脈沖激光時域波形；V(i)為采樣點的電壓值；k為能量標定系數(shù)；E′為飛焦級納秒脈沖激光能量探測值。

4 實驗結果及測量不確定度分析

4.1 實驗結果

實驗中，利用本測量裝置對標準的飛焦級激光光源進行測試，飛焦級標準激光光源能輸出可調的標準能量值，并且脈沖寬度可調。實驗中，選擇標準光源脈沖寬度為10 ns、50 ns、100 ns，并將能量分別調節(jié)為5 fJ 、500 fJ，測試結果如表1所示。

在實驗過程中，針對5 fJ能量測試時，測量裝置放大電路的放大倍數(shù)為4 096倍，500 fJ能量測試時，放大倍數(shù)為64倍，實測的輸出噪聲保持在5 mV以下。從表1輸出峰值電壓值可以看出，500 fJ能量測試時，測量裝置能輸出較強響應和很高的信噪比，5 fJ能量測試時，測量裝置也能有較強輸出和較高的信噪比。脈沖寬度測試值基本可以準確反映被測光源的脈寬，但脈寬變窄，測試準確性變差。

表1 測試結果Table 1 Test results

4.2 不確定度分析

對實驗結果進行統(tǒng)計分析，利用貝塞爾法對能量測量結果進行不確定度評定，不確定度計算公式如公式(7)、(8)所示[10]。

(7)

(8)

飛焦級脈沖激光能量探測裝置輸出的激光能量，其測量不確定度來源主要有：激光微能量標準裝置引入的不確定度分量u1=4%、標準激光微能量計引入的不確定度分量u2=2%、飛焦級標準激光光源引入的不確定度分量u3=4%、飛焦級脈沖激光能量探測裝置引入的不確定度分量即為上文計算所得uc=u4=1.4%、能量重復測量誤差引入的不確定度分量u5=5%。由于上述各不確定度分量之間獨立，且不相關，因此得到激光能量合成測量不確定度為

(9)

激光能量擴展測量不確定度為U1=kuc1=15.8% (k=2)，滿足我國現(xiàn)有的飛焦級能量測量要求。

5 總結

本文提出了一種飛焦級脈沖激光能量探測方法，即采用PMT探測器直接探測脈沖激光時域波形的方式，在PMT探測組件設計和微弱信號放大電路設計的基礎上，研制了飛焦級脈沖激光能量探測裝置，并介紹了能量計算方法和測量不確定度分析的方法。通過實驗驗證，探測裝置實現(xiàn)了能量為1 fJ～1 pJ、脈沖寬度為5 ns～1 μs的1 064 nm激光的能量探測；但實驗中同時發(fā)現(xiàn)，在脈寬小于150 ns時，本裝置輸出脈沖波形開始發(fā)生輕微畸變，而在脈沖寬度小于40 ns時，輸出脈沖波形的畸變開始相對明顯，波形畸變對能量測試的影響以及怎樣校正畸變波形，需要進一步進行更加深入的研究。

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