高精度激光微能量校准技术研究

利用斩波器将连续激光斩波成为脉冲宽度s量级重频脉冲激光,利用选单器将重频脉冲激光转变成单脉冲激光,从而实现变连续激光为单脉冲激光。由陷阱探测器测量连续激光的输出功率,高速APD、高增益PIN探测器作为波形探测器测量脉冲激光波形,并通过示波器对脉冲宽度进行测量。依据测量得到的功率和波形就可得到脉冲激光能量,从而实现了0.2 pJ激光微能量的测量和校准,通过不确定度分析,该装置的pJ激光能量测量不确定度达到了0.42%。     

斩波法在激光微能量计标定中的应用

针对激光微能量测量的问题,提出一种激光微能量计标定新方法与装置。研究内容包括使用稳功率连续激光作为光源,通过基于斩波的脉冲发生器组件产生微能量的脉冲激光,分别使用脉冲宽度测量组件与功率测量组件进行采集、软件分析,计算微能量值及通过比对给出待标定能量计的修正系数,计算机自动控制。结果表明,该方法获得的脉冲激光波形稳定,脉冲宽度测量不确定度为0.08%,激光功率测量不确定度为0.25%,实现了对0.1 pJ～1 mJ的激光能量进行准确复现和传递。     

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。     

单脉冲飞秒激光时域参数测量技术研究

钛宝石飞秒激光放大系统具有重复频率低、脉冲波形复杂等特点，为准确测量其峰值功率，提出对单次脉冲波形和脉冲宽度测量的需求。介绍了单脉冲飞秒激光时域波形和脉冲宽度的测量原理和测量方法，设计了基于频率分辨光学开关法的单脉冲飞秒激光时域参数测量装置。讨论了单脉冲飞秒激光时域参数测量校准面临的问题及解决方法。     

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。     

基于D-dot传感器的弓网离线放电瞬态电场时域测试方法

弓网离线放电电磁辐射具有瞬态、宽频带的特性,可使用D-dot传感器对其进行时域瞬态电场测量,但在对传感器所测微分信号积分还原时,存在信号恢复失真问题严重。搭建了包含脉冲电场发生装置和测量装置的瞬态电场时域波形还原系统,开展了基于D-dot传感器的去直流、数值积分、消除趋势项以及系统辨识低频补偿在内的瞬态电场时域波形测试方法的研究,利用该方法测试了不同电压下弓网离线放电电磁辐射的电场时域波形。理论与实验结果表明:本文所提出的方法能准确、稳定地还原弓网离线放电所辐射瞬态电场的原始时域波形,还原信号与实测微分信号的主要频率分量均在7.5 MHz,二者的相关系数达到93%以上。     

基于可调谐激光的光谱辐射照度响应度定标

探测器的光谱辐射照(亮)度响应度是辐射定标中最重要的参数之一。传统的光谱辐射定标采用宽谱段光源和单色仪装置测量,新建的激光辐射测量装置采用激光和探测器测量,可以大大降低测量的不确定度。该装置首先将可调谐激光耦合进入积分球生成均匀的朗伯体单色光源,然后采用低温辐射计量传的标准陷阱探测器和面积已知的光阑,进行400～900 nm探测器的光谱辐射照度响应度标定。研究主要集中在四个方面：(1) 低温辐射计仅在某些分立激光波长定标标准探测器,其他激光波长下的光谱响应度必须进行插值,通过对比光谱响应度直接测量方法推导的陷阱探测器量子吸收效率,可以计算插值在其他波长带来的光谱响应度偏差,结果表明400～900 nm数据插值算法的总体偏差小于0.074%;(2) 实验采用电荷积分法测量标准探测器和被测探测器的电荷信号,并采用监视探测器消除激光功率起伏以降低激光功率稳定性的影响,测量重复性优于0.1%;(3) 针对标准探测器在向低温辐射计溯源和进行光谱辐射照度响应度量传时的激光功率差异,采用激光双光路叠加法测量探测器不同波长下的非线性系数,分析标准探测器光谱非线性带来的测量不确定度,在450,632.8和850 nm波长下,当探测器电流从0.2 mA变到3 nA时的非线性修正小于1.000 25;(4) 针对标准探测器定标时的功率模式和量传时的辐射照度模式差异,采用二维电控位移平台测量探测器的均匀性并进行修正,测量得到的标准探测器中心直径5 mm的非均匀性小于0.03%。最终采用可调谐激光辐射照度响应度测量装置,可以实现400～900 nm辐射照度响应度测量不确定度0.14%～0.074%(k=1)。实验对比了激光辐照度响应度装置和标准灯-单色仪装置两种方法测量的探测器的光谱辐射照度响应度。测量结果表明两种装置在400～900 nm的响应度标定近似等价,测量偏差全部位于标准灯-单色仪装置的测量不确定度范围内, 验证了激光辐照度响应度测量装置的实用性。     

纳秒电磁脉冲测量用D-dot探头设计及实验

为测量高空核爆炸电磁脉冲(HEMP)模拟器中脉冲电场波形(峰值电场大于50kV/m、上升时间小于2.3ns),设计了一种新型圆锥形D-dot探测器。介绍了D-dot探头的工作原理,分析了探头与传输电缆的阻抗匹配条件,确定了探头的结构、尺寸等参数。D-dot探头测量脉冲电场的一阶微分信号,通过积分器积分和数字积分两种积分方式获得脉冲电场信号。测量电磁脉冲实验结果表明,积分器积分和数字积分两种积分方式都能恢复脉冲电场波形,其中数字积分效果更好;与有源光纤电场测量系统实验测量结果相比,该Ddot探测器更适合测量纳秒级快前沿的电磁脉冲波形,满足测量快前沿HEMP信号的设计要求。     

神光-Ⅲ原型装置初步的激光脉冲整形实验

针对物理实验要求的三台阶整形脉冲(脉冲宽度比为1.5 ns:1ns:0.5 ns,幅度比为1:4:16),在神光-Ⅲ原型(TIL)装置上开展了脉冲时间波形整形实验研究。首先,针对发射目标利用激光性能仿真模型预测注入激光系统的激光能量和脉冲波形。然后,在脉冲整形后进行不同功率的激光发射对脉冲波形进一步修正:利用实验测量的频率转换效率修正各光束1ω能量和1ω脉冲波形;通过拟合实验测量的能量数据修正注入激光能量;通过增益-通量曲线修正注入激光脉冲波形。最后,将各束注入脉冲波形再次折中作为脉冲波形调整的最终依据。实验结果表明,对靶面要求的3ω-3 ns-0.5 kJ(单束)的三台阶整形脉冲,8束脉冲波形与要求比较一致;三个台阶的束间瞬时均方根功率不平衡分别约为30%,10%和5%。     

基于P31荧光粉的像增强器余辉测量方法研究

荧光屏余辉在高帧频速光子计数等系统应用中起着决定性作用。GJB 7351-2011《超二代像增强器通用规范》荧光屏余辉试验方法中规定光脉冲作为激励源，该方法中光脉冲激励源停止后光源照度下降缓慢，造成在短余辉粉（μs级）和中余辉粉（ms级）的余辉时间测量中测试结果不准。针对该问题，提出了一种在光照持续工作状态下，用光电阴极电压脉冲信号作为激励源的荧光屏余辉测试方法，该方法中光电阴极超快响应时间（一般为1 ns左右）和脉冲电压信号的较短边沿时间（一般可控制在10 ns以内）特性改善了激励源自身时间响应对荧光屏余辉测试结果准确性带来的影响。基于该方法建立了一套微光像增强器荧光屏余晖测量装置，对P31荧光粉的国产三代微光像增强器余辉进行了重复性测量，对测量不确定度进行了误差分析，其扩展不确定度为3.2%，达到了传统光电测试仪器的准确度要求，可满足微光像增强管荧光屏余辉测量的要求。该研究成果为更高性能产品提供了一种检测手段。     

一种基于ＰＩＮ型光电二极管频率响应的测试方法

根据信号系统相关理论,提出了一种针对该类光电探测器频率响应的测试方法。该方法实现的测试系统主要包括窄带脉冲激光光源、光强衰减装置和光电探测器等。由光电探测器接收经过光强衰减后的窄带激光脉冲信号,同时利用数字示波器获得相应信号波形的上升时间;根据相关的计算公式,得到光电探测器的频率响应;对所得测试结果进行误差分析。实验结果表明:对理论频率响应带宽为１０．６ ＭＨｚ的探测器,利用该方法测得的相对误差为６％左右, 该测试方法简单、可行,适用范围广。     

飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试技术

飞秒激光在激光核聚变、卫星精密测距、激光微加工等领域具有重要的应用前景,同时也是产生太赫兹波的主要泵浦源。介绍了国内外飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形的测试方法,比较了自相关法、频率分辨光学快门法、光谱相位相干直接电场重构法的优缺点。自相关法具有脉宽测量范围广、结构简单等特点,但不具备脉冲波形测试能力。光谱相位相干直接电场重构法对待测激光光束质量要求较高, 不适合大量程范围激光脉宽快速测量。为满足10 fs~5 ps大量程范围超短激光脉冲宽度和脉冲波形的测试需求,采用自相关法及二次谐波频率分辨光学开关法研制飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试仪,时间分辨率优于2 fs。     

20 kV高压脉冲幅度校准装置设计

针对高压脉冲幅度的量值传递需求,开展了脉冲幅度1～20 kV、脉宽1～100μs的高压脉冲幅度校准装置设计。校准装置以高压MOSFET器件为核心,搭建多级Marx结构实现高压脉冲成型,同时通过截尾回路的设计缩短脉冲下降时间,实现矩形脉冲波形的输出。在Marx结构基础上开展装置整体设计,通过触发脉冲信号及高压直流电源电压调节脉宽与幅度,通过隔离电源及光信号保证了高压隔离强度。装置采用高准确度高压探头和数据采集卡构成校准装置的内部测试系统,其测量值作为校准装置的标准量值,经评定装置脉冲幅度不确定度为2%,并通过两台比对法进行了验证。采用其他多型高压探头对校准装置进行实验测试,结果表明与低压脉冲校准源测试相比,高压脉冲可明显有效地表征高压探头的性能及测量准确度,同时本装置也可作为高压脉冲发生器应用于脉冲功率领域其他用途。