现场用激光能量计校准方法的实验研究

在激光功率能量测量当中,军用激光现场检测环境温度和实验室环境温度相差很大,而激光能量计的传感器灵敏度与环境温度条件有关,不对激光能量计进行温度灵敏度校准,将严重影响测量结果。针对目前存在的问题,本文提出将激光能量计放置于温控制箱中,脉冲激光器输出的激光经过分光镜分束后分为2束激光,其中透射光由标准能量计或现场激光能量计接收,反射光由参考能量计接收,在-50℃～70℃的温度范围内进行校准的一种新方法,并进行原理性的验证实验及结果分析,得到了能量计灵敏度系数关于环境温度的函数关系,使得能量计在非标准环境下进行准确测量成为可能。为激光能量计现场测试校准技术的研究提供了一种可靠的新途径。     

工作于非标准环境下体吸收型激光能量计的研制

研究了能直接工作于非标准环境下的体吸收型激光能量计.由能量计热传导、热对流、热辐射的单位时间热交换方程推导出单位时间内能量计升温过程中热能损失的数学模型,根据数学模型对能量计整个升温过程的热损失进行补偿,使得能量计对于不同脉冲长度入射激光的测量结果重复性由4.7%提高到了0.6%,消除了能量计热损失给测量带来的不利影响.针对环境温度从-40℃变化到70℃测温用铜-康铜热电堆对1℃温差响应电压剧增30%的问题,在环境试验箱进行不同环境温度下的激光能量测量实验,得出了能量计不同环境温度下测量结果的修正系数,并利用最小二乘法建立了修正系数同环境温度之间的函数关系,使得环境温度对测量结果的影响得到了修正.     

绝对吸收式激光能量计高准确度校准技术研究

采用量热法的高能激光能量计用于测量能量大于50 kJ的连续波高能激光能量,通常用已知功率的连续激光开展激光能量计的光电校准需要激光照射时间超过20 min,而由于热损失等原因,进行长时间激光能量校准时,校准不确定度高达12%。以量热式平面吸收高能激光能量计为模型,从理论上分析了热辐射、热对流对连续波高能激光能量测量结果的影响,得到了较准确的平面吸收腔激光能量计冷却数学模型,实现了能量计热损失补偿,并通过建立相应的实验装置验证了该模型,用其对装置的测量结果加以修正,可使光电校准的测量不确定度减小到1%以下。     

现场激光能量计量技术的研究

由于激光能量计传感器的灵敏度与温度条件有关，在温差较大时，有的传感器灵敏度偏差可达到16%，因而在靶场、野外现场温度条件下，现有的激光能量计无法进行准确测试。为了解决这一问题，研制了一种新型的现场激光能量计。在现有激光能量计的基础上，通过选择相对透明、吸收层相对较厚(毫米量级)、热敏面不易损伤的激光吸收材料，对激光能量计内置温度传感器及数字处理电路进行了重新设计，满足了不同温度条件下现场能量测量的需求。     

量热式激光能量计热损失系数测定方法的研究

在长脉冲激光照射下,由于热损失的影响,致使传统数据处理方法所得到的量热式激光能量与实际激光能量有较大的差距。以能量计探头在激光照射下的温度变化分布为实验模型,考虑热辐射和热传导等因素,提出一种表征能量计热损失程度的热损失系数的测定方法,并用实验验证了该测定方法的正确性。所得的热损失系数可作为评价量热式激光能量计性能的一个重要参数。     

高能激光能量计校准方法研究

给出了一种绝对式高能激光能量计光电校准方法.该方法以大功率灯作为校准光源,通过测量灯两端的电压以及电流获得电能值,去掉灯所消耗的热能,得到灯所发出的光能.所设计平板能量计将大功率灯密封在高能激光能量计内,光能全部被能量计吸收.根据能量计输出值以及光能值便可实现能量计光电校准.结果表明,能量计光电校准不确定度约为1.5%.     

强激光斜入射半腔靶能量注入率测量

 在星光II单束激光条件下,通过新的方法、用热释电能量卡计和scientech378能量卡计测量了1.053 μm激光45°斜入射半腔靶及孔靶激光能量注入率,并估计了斜入射条件下的等离子体堵口速度。实验结果表明：相同参数条件下半腔靶与孔靶相比,激光能量注入率减少约10%。     

飞焦级激光能量计校准系统及方法研究

为了解决飞焦级激光能量计的校准问题,提出了一种专用的校准系统和方法。该系统采用固定和可变二级衰减机构相结合的方式,实现了对响应波长1 064 nm、脉宽5 ns～1 μs、飞焦量级的激光能量计的校准。阐述了校准系统的工作原理、设备组成和方法。对系统的关键组件和整机性能进行了描述,并给出了相应的测试结果,能量重复测量的不确定度为3%,系统的测量不确定度可以达到11%。最后,提出了该校准系统未来的改进方向。     

宽波段高精度激光能量计设计

针对宽波段、高精度、大能量范围的激光能量测量需求,设计了激光能量计。利用快速响应的热电堆作为传感器,在热电堆探测面涂覆高吸收率碳纳米烯材料,实现了宽光谱吸收。采用大小2个热电堆探测器布置于能量计正反两面的方法,使能量计具有1 mJ～40 J超宽能量范围,并且具有较高的测量精度。利用有限元仿真软件建立了吸收腔热路结构的三维有限元模型,并对不同类型的激光脉冲做了加热模型模拟仿真。根据仿真结果,对探测器的线性进行了修正,从而减小了由于传感器的输出电信号与被测光信号之间的非线性所导致的测量误差。用激光能量计标准装置对能量计进行了标定实验,测量结果表明,经修正后激光能量计的测量重复性优于0.6%,线性度优于1.1%。将激光能量计溯源到国家激光能量基准,测量相对扩展不确定度达到2.5%(k=2)的优异水平。     

水流吸收型高能激光能量计溯源方法及其溯源体系研究

提出了一种利用电加热丝作为校准源的高能激光能量计校准方法,将水流从吸收腔前端导入至加热容器,在加热后流入吸收腔。通过精确计量水流吸收的热能并与能量计测量结果进行比较,达到对高能激光能量计校准的目的。研究表明校准系统的热交换模型与吸收腔内的热交换模型一致,均经历了储能和功率平衡两个阶段。水流及相变气体的散射效应对测量结果的影响较小,经过修正后可以忽略其影响。通过深入分析各个环节的测量不确定度表明,残留能量和流量变化对测量不确定度的影响最显著,增加水箱的容积可以有效降低残留能量对测量不确定度的影响。在对各个环节的影响修正后估算出系统的测量不确定度约为4.8%(k=2),被校高能激光能量计校准后的测量结果与其他类型的参考高能激光能量计进行比对,两者具有很好的一致性,修正因子仅为1.006,标准偏差为1.4%。     

光谱辐射测量仪器温度修正方法的研究及验证

光谱辐射定标是光学遥感仪器研制中的关键环节。深入分析实验室定标的光谱辐射测量仪器至户外应用的不确定度来源,环境温度是限制仪器户外高精度测量的最主要因素之一。传统的光谱辐射度实验室定标通常在室温（~25 ℃）下进行,而户外光谱辐射测量处于不同温度环境,严重影响仪器测量的准确度。设计搭建实验测量系统,采用遥感辐射领域常用的光谱辐射测量仪器,研究环境温度对光谱辐射测量的影响。实验结果显示：常用光谱辐射计（CR-280）的测量结果受温度影响明显,在10～40 ℃之间变化时,仪器光谱辐射亮度测量值在400～700nm波段内的偏差为±5%左右,而700～1 050 nm内的偏差高达±15%左右。这主要由于仪器采用硅探测器,红外波段恰好与硅的带边接近,硅探测器易受温度影响,温度增加硅的带边会向长波方向移动,光谱辐射计的响应度也随之增加。基于实验数据统计分析,提出一种适用于不同类型光谱辐射计的温度修正方法,相对于传统的斜率/截距（S/B）算法适用性更广,还可由公式计算出任意温度下的修正结果。修正后CR-280红外波段的偏差（950 nm左右）由±10%降低为±1%,明显减小了因户外使用与实验室定标温度不同造成的测量结果偏差。此外,利用不同类型光谱辐射测量仪器（Avantes及SVC HR-1024）对温度修正方法进行验证。环境温度变化时光谱仪Avantes（VIS/NIR）的测量结果存在较大偏差（1 060 nm高达±17%）。通过温度修正方法运算,仪器修正值与定标值的偏差在±1%以内。光谱辐射计（SVC HR-1024）不同波段的测量值,与定标值的偏差受温度影响不同。这主要由于：仪器由Si、制冷型InGaAs及扩展InGaAs探测器组成,Si探测器受温度影响大,950～1 000 nm波段测量值与定标值的偏差高达±10%。而制冷型InGaAs可有效控制探测器温度,受温度的直接影响相对小。但随温度增加,InGaAs探测器制冷效果受限（制冷最佳工作温度为20 ℃）,测量结果产生偏差（1%~3%）。同样,利用温度修正公式对不同温度下SVC HR-1024的测量结果进行修正运算,仪器因温度变化引起的偏差可降低至±1%以内。     

量热式激光能量计内外表面温差对测量结果的影响

从理论上研究了量热式激光能量计激光照射过程中和激光照射后内外表面温度时间关系．编制了计算机程序计算得到激光照射时间内以及激光停止照射后内外表面温度关系曲线．通过稳定的高温温度场加热试验件模拟激光照射量热式激光能量计内外表面温度的升温过程，通过迅速将试验件移离高温温度场模拟激光停止照射后量热式能量计内外表面温度的变化，并测量了量热式能量内外表面温度时间曲线．实验和理论研究结果相符，结果表明激光停止照射后，内外表面温度迅速趋近，由此引入的测量不确定度小于0．25％．     

A novel time-integral type laser energy meter based on anisotropic Seebeck effect

We have posed the design of a time-integral type laser energy meter based on anisotropic Seebeck effect for the first time. Anisotropic Seebeck effect is responsible for the laser-induced thermoelectric voltage effect in high temperature superconductor (HTSC) cuprates and colossal magnetoresistance (CMR) manganites thin films grown on tilted single crystal substrates. In this study, for an example, an epitaxial La_2/3Ca_1/3MnO₃ thin film prepared on a tilted LaAlO₃ substrate by standard pulsed-laser deposition (PLD) method is tested with a 1064-nm Q-switched Nd:YAG laser and its 2nd (532 nm), 3rd (355 nm), and 4th (266 nm) harmonics from room temperature to 16 K. The integral of the voltage signal with time shows a good linear relation with the laser energy per pulse in the measured wavelength and temperature range, which confirms the theoretical analysis given in this letter and can be used to design a time-integral type laser energy meter. The sensitivity increases as the film thickness increases or as the thermal diffusion constant decreases, which makes the time-integral type laser energy meter low cost as compared with the peak-voltage type. It operates with fast (nanosecond range) and broad-spectrum (from infrared to ultraviolet) response in wide temperature range (from room temperature to 10s K), and can be useful replacements for pyroelectric power/energy meters.     

Coupled thermal-optic effects and electrical modulation mechanism of birefringence crystal with Gaussian laser incidence

We study the Gaussian laser transmission in lithium niobate crystal(LiNbO3) by using the finite element method to solve the electromagnetic field's frequency domain equation and energy equation. The heat generated is identified by calculating the transmission loss of the electromagnetic wave in the birefringence crystal, and the calculated value of the heat generated is substituted into the energy equation. The electromagnetic wave's energy losses induced by its multiple refractions and reflections along with the resulting physical property changes of the lithium niobate crystal are considered.Influences of ambient temperature and heat transfer coefficient on refraction and walk-off angles of O-ray and E-ray in the cases of different incident powers and crystal thicknesses are analyzed. The E-ray electrical modulation instances, in which the polarized light waveform is adjusted to the rated condition via an applied electrical field in the cases of different ambient temperatures and heat transfer coefficients, are provided to conclude that there is a correlation between ambient temperature and applied electrical field intensity and a correlation between surface heat transfer coefficient and applied electrical field intensity. The applicable electrical modulation ranges without crystal breakdown are proposed. The study shows that the electrical field-adjustable heat transfer coefficient range becomes narrow as the incident power decreases and wide as the crystal thickness increases. In addition, it is pointed out that controlling the ambient temperature is easier than controlling the heat transfer coefficient. The results of the present study can be used as a quantitative theoretical basis for removing the adverse effects induced by thermal deposition due to linear laser absorption in the crystal, such as depolarization or wave front distortion, and indicate the feasibility of adjusting the refractive index in the window area by changing the heat transfer boundary conditions in a wide-spectrum laser.     

一种高精度光纤测温系统工作波长的优化设计

基于基尔霍夫定律 ,利用钽酸锂热释电探测器设计了一种实用化的双波长、高精度光纤测温系统。依照测温系统中单个探测器的温度分辨力、R(T)～T曲线的线性度、R(T)～T曲线的温度灵敏度及其相对温度灵敏度与各主要技术参量之间的关系 ,对采用钽酸锂热释电探测器作光电转换器件实现的实用化实时测温系统的工作波长进行了优化设计。实验表明 ,在测温范围 4 0 0～ 130 0℃内 ,当系统工作在λ1=2 .1μm、λ2 =2 .3μm时 ,其温度灵敏度高于 1.0× 10 -4℃ -1,相对温度灵敏度不低于 0 9,测温精度不低于 0 15 %。均符合设计要求     

GaN基白光发光二极管失效机理分析

对小功率白光GaN基发光二极管(LED)在室温、40 ℃和70 ℃下进行温度加速老化寿命实验,通过对老化前后不同时间段器件的电学、光学和热学特性进行测量来分析器件的失效机理,着重分析器件的芯片和荧光粉的失效机理.器件老化前后的I-V特性表明:老化过程中,器件的串联电阻和低正向偏压下的隧道电流增大,这是由于器件工作时其芯片的欧姆接触退化和半导体材料的缺陷密度升高而引起的.器件的热特性表明:高温度应力下器件的热阻迅速变大,封装材料迅速退化,这是器件退化的主要原因;光谱曲线表明温度加速了器件的