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《光電技術應用雜志》2016年第5期

摘要：

熱釋電探測器由于其靈敏度高、響應速度快、體積小、損傷閾值高等特點，作為激光能量計的傳感器在激光能量檢測方面使用廣泛。由于制作工藝的限制，熱釋電型激光能量計的熱敏面靈敏度系數存在空間非均勻性問題，導致當激光照射到探測器不同位置時，激光能量測量結果不準確。針對這一問題，設計一種熱釋電型激光能量計空間均勻性校準方法，通過對熱釋電探頭光路的控制，消除空間均勻性對測量結果的影響，并通過實例驗證了方法的可行性。

關鍵詞：

激光；能量計；校準

在高能激光武器運用中，由于對激光的作用效能要求嚴格，因此對激光能量的測量準確性有較高要求[1]。熱釋電探測器由于其靈敏度高、響應速度快、體積小、損傷閾值高等特點[2-3]，作為激光能量計的傳感器在激光能量檢測方面使用廣泛，但熱釋電探測器在制造過程中會摻雜多種金屬物質及粘合劑，由于熱釋電探測器在制造過程中無法確保各種材料的空間均勻性[4-6]，導致當激光照射到探測器不同位置時，探測器產生的響應差別較大。同時，高能激光武器在日常的檢測中很少拆解到實驗室中進行能量檢測，一般由測試人員手持激光能量計進行檢測，因此熱釋電激光能量計在實際應用中須消除空間差異性對測量結果的影響。提出一種熱釋電型激光能量計空間均勻性校準方法，通過對熱釋電探頭光路的控制，消除空間均勻性對測量結果的影響。

1熱釋電探測器激光響應的空間非均勻性

為考察熱釋電探測器的空間非均勻性，進行了以下實驗：將激光器和被測熱釋電探測器放置于光學臺面上，被測熱釋電探測器安裝在可調節支架上，并在光學臺面和可調節支架上標注水平方向和垂直方向刻度，便于調節和記錄。實驗用激光器采用長春禹衡光學有限公司生產的光電調Q固體激光器，輸出波長532nm，極限功率200mJ，脈沖寬度小于10ns，激光穩定性高。實驗中每個位置取5組激光能量檢測數值的平均值，可消除由于激光器穩定性帶來的影響。實驗記錄激光器照射到熱釋電探測器不同位置時的響應，具體結果如表1所示。由圖1可以看出，當激光照射到熱釋電探測器的不同位置上時，其產生的響應差別很大，最大差異可達34.08%，其差異性產生的原因是由于熱釋電探測器在制造過程無法校正各種材料的空間均勻性。因此，對于不同的熱釋電探測器，不同空間的響應都是不同的。通過軟件的方式很難消除熱釋電探測器的空間差異性，故考慮通過光學設計解決這一問題。

2熱釋電空間均勻性校準方法

一般高能激光武器均包含一個校準光路，因此對熱釋電空間均勻性的校準方法上可以利用這一條件設計合理的對準光路，使激光能量進入熱釋電探測器的中心位置，并進行靈敏度標定，以消除空間非均勻性對測量結果的影響。考慮到在實際工程檢測過程中，測試人員采取手持激光能量計進行測量，為防止被測激光對測試人員造成損傷，要求激光能量計緊貼被測激光器的發射窗口。由于人眼無法直接觀察激光光斑在熱釋電探測器上的位置，為保證大口徑激光的激光能量全部進入熱釋電探測器，將激光能量計的光路設計分成兩部分：瞄準系統和能量接收系統。瞄準系統用以模擬無窮遠目標，保證激光發射軸與能量接收軸同軸；能量接收系統用以接收被測激光器的激光能量，進行能量測量。光學系統原理圖如圖2所示。瞄準系統由衰減片、保護玻璃、發射物鏡（發射膠合透鏡、發射彎月鏡）和發光二極管組成。發射物鏡為三片型，一個雙膠合物鏡，一個正透鏡，完成校正像差，以便發射準平行光束，實現與校準檢測光軸的一致，保證瞄準方向；發光二極管發射表面置于光學系統的焦平面上。在使用激光能量計時，將激光能量計的瞄準系統放置于被測激光器校靶鏡正前方，緊貼被測激光器，可近似保證被測激光與瞄準系統的光軸平行性。點亮瞄準系統的發光二極管，使被檢測激光器的校靶鏡瞄準分劃中心刻線后，即可保證激光發射軸與能量檢測軸同步，被測激光照射到熱釋電探測器中心位置。能量接收系統由衰減片、接收物鏡和熱釋電探頭組成。由于被測對象發射的激光束散角很小，近似于軸上光束。因此，可在熱釋電探測器前增加一個透鏡聚焦光路，將熱釋電探測器放置于透鏡的焦平面附近，探測器熱敏面中心置于透鏡光軸上。這樣可以滿足從不同位置進入激光能量檢測設備的激光能量全部匯聚到熱釋電探測器熱敏面的中心附近，從而克服熱釋電探測器空間差異性對測量結果的影響。為防止由于激光功率過高而對熱釋電探測器造成損傷，在透鏡前增加一個衰減片。在該方法的運用中主要應考慮以下三方面問題：①能量接收系統透鏡的選擇。為保證在熱釋電探測器熱敏面上形成的光斑位置主要位于其中心位置且激光能量全部進入熱敏面上，透鏡的口徑應略大于激光光斑直徑。這樣即使被測激光未完全對準能量接收光路的光軸，其在熱敏面上形成的光斑與熱敏面中心的偏差也極小，對測量結果的影響也較小。②衰減片的選擇。由于被測激光能量較大，且激光能量經過透鏡系統進一步匯聚，應計算在熱敏面上的激光能量，根據測量結果選擇恰當的衰減片，防止被測激光能量超過熱釋電探測器的工作閾值。③為進一步消除熱釋電探測器空間非均勻性對測量結果的影響，應對激光能量進行多次測量取平均值。

3實例驗證與仿真

被測0.53μm激光光斑直徑約為40mm，10個脈沖平均能量為180mJ。為保證全部激光進入激光能量計，接收物鏡選用口徑略大于激光光斑直徑的Ф50.8mm的N-BK7（K9）雙凸透鏡，雙面鍍530nm增透膜，焦距59.8mm，通光孔徑﹤90%，平均反射率（BBARRavg）﹤0.5%，損傷閾值7.5J/cm2（532nm，10ns，10Hz）。將熱釋電探測器放置于像方焦平面前3mm處，探測器中心置于透鏡光軸上。則被測激光通過透鏡后，在探測器熱敏面中心形成一個直徑4mm的光斑。該光斑能量密度w為w=E×(1-Ravg)S=0.18×(1-0.5%)0.22×π=1.43(J/cm)2（1）選用的熱釋電探測器10ns脈沖功率密度閾值100MW/cm2，其能量密度閾值w1為w1=Mt=100MW/cm2×10ns=1(J/cm)2（2）由于w﹥w1，因此在光路中加入一個Thorlabs公司的NE2R03B型Ф50.8mm吸收型中性密度濾光片，光密度0.3，透過率曲線如圖3所示。由圖3中可以看出，在530mm處，激光透過率為50.8%。經過衰減后，在熱釋電探測器熱敏面上的光斑能量密度w2為w2=E×η×(1-Ravg)S=0.18×50.8%×(1-0.5%)0.22×π=0.72(J/cm)2（3）此時滿足熱釋電探測器工作閾值要求。使用TracePro軟件對能量接收光路進行仿真，以檢驗被測激光在熱釋電探測器上的激光能量密度分布。光源設定為0.532μm格點光源，水平線性偏振，服從高斯分布，總輻射度1.432×108W/m2，仿真結果如圖4所示。熱釋電探測器表面最大功率密度為1.253×1011W/m2，即12.53MW/cm2，小于熱釋電探測器功率密度閾值。重新設計光路后，需對激光能量計進行靈敏度標定，以消除增加的透鏡及衰減片所帶來的影響。新標定的激光能量檢測設備靈敏度為2.49mV/mJ。

4結論

提出的熱釋電型激光能量計空間均勻性校準方法，可有效克服熱釋電探測器的空間非均勻性對測量結果的影響，設備采用光學設計，結構緊湊小巧，易于工程實現，適用于普通外場工作環境。但當激光能量過高時不可采用熱釋電探測器進行測量，應采用其他方法。

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作者:易瑔 羅天峰 楊建昌 單位:裝甲兵工程學院控制工程系