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％．     

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。     

长脉冲高能激光能量测试技术的研究

用锥形腔量热式激光能量计,测量了在不同脉冲宽度条件下,脉冲激光能量和激光吸收腔温升之间的关系,并用传统的方法得到不同激光能量对应的温升,并按照有关公式计算得到激光能量,结果表明实际激光能量和按传统方法计算得到的激光能量之间存在较大的差距;我们从理论上分析了由于热辐射、热传导影响,得出锥形吸收腔时间温度曲线关系的数学模型;用该数学模型对测量得到温度时间曲线进行最小二乘法拟合,拟合曲线和实际曲线非常吻合;通过该曲线我们对测量结果进行修正,和传统数据处理方法比较,该方法得到的结果更接近真值.     

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%.     

高能激光能量计测温电阻温度标定研究

对绝对量热式高能激光能量计测温电阻丝的温度特性进行了研究.以锥形吸收腔高能激光能量计为实验模型，分别对处于自由状态下以及缠绕于能量计吸收腔表面后的测温电阻丝的温度电阻特性进行了实验分析.结果表明,两种状态下测温电阻丝的电阻随温度变化规律并不相同.用最小二乘法对测温电阻丝的电阻与温度实验数据进行数据处理并建立补偿模型，从而对缠绕于吸收腔表面后的测温电阻丝的电阻温度关系标定，经修正后能量计的测温电阻和Pt100电阻的偏差小于0.01 Ω，温度偏差小于0.02 ℃，从而提高了能量计测温准确度.     

体吸收型激光能量计能量损失补偿方法的研究

借助传热学基本理论对体吸收型激光能量计因热辐射、热对流和热传导造成的热能损失进行了分析，在此基础上建立了能量计热能损失的数学模型。根据数学模型采用最小二乘法对测量数据进行了曲线拟合，得到与实际降温曲线非常接近的拟合曲线。利用拟合曲线对测量数据进行补偿修正后使得能量计的测量重复性得到了很大提高。该方法对于体吸收型激光能量计的研制具有一定的理论意义。     

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%。     

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。     

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。     

高能激光能量计溯源问题研究

由于高能激光能量计标定过程中没有标准的能量测量装置和标准的激光源,无法采用常规方法对其进行标校。提出了一种利用现有小能量计从低到高逐级多次传递不确定度的方法,以及一种利用能量等效原理对激光能量计进行标校的方法。不确定度传递法方法简单,但环节较多导致不确定度较大。等效标定法包括电标法和光标法,电标法对设计要求较高,但求解过程相对简单。光标法工程实现难度要低得多,但必须事先对灯组余热及热损失进行测算。等效法的三个条件与误差大小关系紧密,在结构设计中必须严格考虑,它是提高测量准确性的根本,其次要尽量减少不确定度传递的中间环节,最后需要对误差项进行科学分析和测定,在此基础上对这些项进行相应的修正和补偿。     

阶梯反射锥型高能激光能量计温度场控制技术

高能激光会造成吸收体材料表面的温度急剧升高甚至损坏,同时造成吸收体上长期存在较大的温度梯度,这给温度的准确测量造成了很大的难度,为解决上述问题,提出了一种阶梯状镀金反射锥和V型槽结构的吸收体,通过对镀金锥的设计将能量分配到吸收体各部分上,研究了V型槽的几种设计方法对温度场和表面温度的影响,研究表明通过对吸收体各部分的质量和V型槽的参数控制可以大幅降低吸收体各部分的温度梯度、吸收体表面温度和吸收体的平衡时间,从而提高高能激光能量计的激光损伤阈值,并降低温度准确测量难度和减少热损失,最终达到提高准确度的目的。     

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%。     

适用于非常规工作环境中热释电型激光能量计的研制

现有的激光能量计传感器灵敏度系数都与其所处环境温度有关,在-50℃～70℃的温度范围内,灵敏度偏差较大,直接影响测量结果。为了达到消除环境温度的影响,采取在不同环境温度下对热释型能量计的灵敏度进行校准的研究方法。该校准方法与普通激光能量计的校准方法的不同之处在于对热释电型能量计进行校准时,温度由室温扩展到-50℃～70℃的温度范围。利用环境试验箱,每隔10℃固定一个温度点,进行激光能量的测量实验,得到各个温度点所对应的灵敏度修正系数,再借助最小二乘法建立起各个温度点上能量计灵敏度系数同环境温度的函数关系,从而实现了-50℃～70℃的温度范围内激光能量的准确计量。研制能直接工作于非常规工作环境下的热释电型激光能量计,对解决激光能量测量的外场需求有一定现实意义。     

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。     

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。     

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.