于東鈺，俞 兵，呂春莉，董再天，楊 科，宮經(jīng)珠，段園園，陳 超，張魁甲，黎高平，鄭 波

（1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.西安航天動力技術(shù)研究所，陜西 西安 710025）

引言

光纖激光器由于具有聚焦能力強、輸出功率大、體積小、重量輕、壽命長、成本低等優(yōu)勢，在激光切割加工等方面有著廣泛的應(yīng)用。目前，大功率光纖激光器技術(shù)已取得重大突破，單模摻鐿光纖激光器單元最大輸出功率已達到萬瓦量級。我國大功率激光測量方法主要分為積分球法和量熱法[1-2]兩種。積分球法：隨著激光功率的增大，積分球體積急劇增大且溯源復(fù)雜，不宜操作；量熱法研制的激光功率能量計體積大、重量重，分項溯源，不確定度評定復(fù)雜。所以大功率激光器的研制、生產(chǎn)、裝備單位，對操作簡單使用方便的激光功率測量設(shè)備具有迫切需求。光壓法是用于測量大功率激光測量的理想方法，具有精度高、重量輕、響應(yīng)時間快等優(yōu)點。而且直接溯源到力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，拓展了激光功率的溯源途徑，極大地提高了高能激光功率的測量不確定度，測量精度有望從量熱法的3%改善到2%以內(nèi)[1-7]。

1 測量原理

光是由光子組成的，光子不僅具有能量，而且具有動量。設(shè)光速為c，頻率為ν，波長為 λ，則光子的能量E和動量分別為

當(dāng)光子與物質(zhì)發(fā)生相互作用被物體吸收或反射時，光子把它的動量傳給物體，因此它將對物體施加力的作用，這就表現(xiàn)為光壓。光壓F與動量P的關(guān)系為

如果光以θ入射角入射到反射鏡上，則垂直作用于反射鏡上的力為

所以，光功率可以寫為

式中：F為垂直于鏡面上的力；P為光功率；c為光速；θ為入射角；r=R+(1-R)α/2，R為鏡面反射率，α為鏡面吸收率[5-8]。

2 測量裝置組成

按照光壓與功率的關(guān)系，測量光對物體表面的力就可以測出入射光功率。如果鏡子為理想反射體即反射率為1，則功率與力的轉(zhuǎn)換系數(shù)為2/c=6.67×10-9N/W，1 000 W 激光正入射到物體表面，對應(yīng)的光壓力為6.67×10-6N。1/105精度天平理論壓力分辨率為0.1×10-6N，可以實現(xiàn)1 000 W 激光功率測量。所以基于1/105精度天平，搭建了1 000 W激光功率測量裝置。裝置包括用于入射激光角度調(diào)節(jié)的反射鏡1，用于天平測量的反射鏡2，用于功率比較的量熱激光功率計[9-13]，如圖1 所示。

圖 1 測量裝置組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of measuring device composition

工作原理為：大功率激光器經(jīng)過反射鏡1 調(diào)整光束角度，使光束以45°角入射到天平上的測量反射鏡，測量反射鏡再將光束以45°角反射出去，進入到量熱法激光功率。量熱法功率計和光壓法功率計的測量結(jié)果可以相互驗證。激光器使用海富光子1 000 W/1 080 nm 波長激光器，天平使用沈陽龍騰公司1/105精度天平，實際分度值為0.01 mg，應(yīng)用在本系統(tǒng)中，理論可分辨激光功率為20 W。量熱法功率計為國防科技工業(yè)光學(xué)一級計量站研制，功率測量精度為3%。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 反射率測量實驗

反射鏡直接承接大功率激光時，面損傷概率最大。為了防止損傷，反射鏡需要具備較高的反射率，將加工的反射鏡利用光學(xué)一級計量站研制的高反射率測量裝置進行反射率測量，該裝置測量重復(fù)性可以達到0.01%。反射率的測量光路如圖2所示，先由1 064 nm 激光器發(fā)射激光，激光功率為0.5 mW 左右。經(jīng)穩(wěn)功率儀后，可得到穩(wěn)定的偏振光，經(jīng)1/2 波片后變?yōu)榫€偏光。激光經(jīng)分束鏡后分為2 束激光，其中一束激光的功率直接被監(jiān)視探測器記錄，另一束激光經(jīng)待測反射鏡反射后被測量探測器記錄，測量探測器安裝于圓形導(dǎo)軌上，可以運動到圓弧上的任意位置。放入待測反射鏡前，需要測量主光路中的激光功率。放入待測反射鏡后，需要測量被反射鏡反射的主光路功率，并計算2 次激光功率的比值，可獲得待測反射鏡在該波長下的反射率。穩(wěn)功率儀可以將激光功率穩(wěn)定在0.1%以內(nèi)，不滿足高精度反射比的測量要求。所以引入了分束鏡，利用分束鏡及監(jiān)測探測器來監(jiān)視激光功率的變化，并通過同步采樣的方式得到測量探測器與監(jiān)視探測器的比值，從而消除激光功率變化對反射比測量的影響，結(jié)果如表1 所示。

圖 2 反射率測量原理圖Fig.2 Schematic diagram of reflectance measurement

表 1 反射率測量值Table 1 Measurement results of reflectance

3.2 損傷實驗

由于反射鏡的反射率并不是100%，所以必然有光線會通過反射膜進入反射鏡內(nèi)部。部分光功率被基底吸收，產(chǎn)生熱效應(yīng)，從而造成反射鏡損傷破裂。由于反射鏡具有較高的反射率，所以要造成損傷則需要較大的激光功率[14-15]。考慮到安全性及實驗條件，將損傷實驗分為兩部分：第一部分為基底損傷實驗，利用未鍍膜GaAs 基底進行損傷實驗，測出基底的損傷閾值，可以通過透過率計算出不考慮膜層損傷時高反射率鏡的損傷閾值；第二部分為膜層損傷實驗，利用現(xiàn)有激光器將激光光斑縮束，從而觀察膜層損傷情況。以膜層和基底損傷所需的最小激光功率為準(zhǔn)，確保整個反射鏡可以安全地進行未來的實驗。

如圖3 所示，基底損傷實驗利用光斑大小約為5 mm 的1.064 μm 激光照射鏡GaAs 為基底，當(dāng)激光功率達到32 W 的時候基底碎裂。因為激光光斑空間近似為高斯分布，所以GaAs 基底可以承受的激光功率密度約為326.11 W/cm2。按照反射率為99.98%計算，即便入射光斑大小為5 mm，反射鏡仍可以承受約1.6 MW 的激光入射，所以GaAs材料作為高反射鏡基底可以滿足使用需求。

圖 3 基底損傷實驗實物圖Fig.3 Physical photo of substrate damage experiment

膜層損傷實驗利用激光功率為1.5 萬W 的激光器，激光器波長為1 080 nm，光斑大小為50 mm，利用縮束系統(tǒng)將光斑大小縮小到9 mm 左右，如圖4（a）所示。對2 個反射鏡同時進行照射，實際光路如圖4（b）所示。進行長達20 s 的照射后，2 個反射鏡的膜層無損傷，考慮激光光斑為高斯光束，反射鏡可以承受的光功率密度為94 361 W/cm2，所以研制的反射鏡可以滿足目前大部分激光器的功率測試需求。

圖 4 膜層損傷實驗實物圖Fig.4 Physical photo of membrane damage experiment

3.3 功率測量實驗

由于光壓屬于微小力測量，因此震動、空氣對流等環(huán)境變化對測量結(jié)果的影響都很大。按照前期對沈陽龍騰天平的使用經(jīng)驗，人員走動、呼氣等均會對測量結(jié)果造成影響。所以精確測量光壓需要嚴(yán)格地控制環(huán)境，如果有條件可以在真空環(huán)境中進行實驗，實驗時應(yīng)保證光學(xué)平臺沒有較大的晃動。

目前，由于實驗條件限制，沒有對空氣對流等環(huán)境影響作良好的隔離。為了防止大功率激光對空氣造成較強的熱效應(yīng)從而導(dǎo)致實驗失敗，所以只做了1 000 W 及500 W 的激光功率測量實驗，實驗現(xiàn)場如圖5 所示。激光水平入射，利用第1 個高反射鏡調(diào)整激光入射角度，使激光以近乎45°角入射到天平反射鏡上，出射光被熱電功率計吸收測量。

圖 5 實驗現(xiàn)場圖Fig.5 Experimental site

實驗時，天平的玻璃艙蓋均為關(guān)閉狀態(tài)，這樣可以消除部分外界空氣對流的影響。但是由于天平玻璃是普通玻璃、對激光吸收較強，長時間的照射極有可能造成玻璃破裂等安全事故，同時玻璃升溫后也會導(dǎo)致玻璃艙內(nèi)部空氣產(chǎn)生熱對流，所以實驗時照射時間控制在10 s 左右，照射完成后待玻璃溫度下降到室溫后進行下一次測量。

利用500 W 激光進行10 s 左右的照射后停止，連續(xù)進行6 次，實驗結(jié)果如圖6 所示。

圖 6 500 W 激光功率測量結(jié)果圖Fig.6 Measurement results diagram of 500 W laser power

利用1 000 W 激光進行10 s 左右的照射后停止，連續(xù)進行6 次，實驗結(jié)果如圖7 所示。

圖 7 1 000 W 激光功率測量結(jié)果圖Fig.7 Measurement results diagram of 1 000 W laser power

地球的重力加速度g=9.8 N/kg，天平重量與力對應(yīng)的關(guān)系為F=m×g，光速常數(shù)c=3×108m/s，由于反射率較高r≈1，取每次光入射前與入射后的差值，按照（5）式計算光功率，得到結(jié)果如表2 所示。

表 2 激光功率測量值Table 2 Measurement results of laser power

4 結(jié)論

本文通過搭建光壓法實驗平臺，得到了光壓測光功率的測量結(jié)果。測量結(jié)果表明，千瓦級別的激光功率可以通過1/105精度天平進行測量。但是實驗選用的國產(chǎn)天平進行千瓦級別的激光功率相對測量標(biāo)準(zhǔn)差為9.0%，與國外報道水平還有一定差距。

激光功率相對測量標(biāo)準(zhǔn)差較大主要有3 個原因：一是測量環(huán)境較差，由于大功率激光會對空氣、反射鏡等有一定的熱效應(yīng)導(dǎo)致產(chǎn)生微弱的空氣擾動，進而影響測量結(jié)果；二是天平重復(fù)性較差，1/105天平是國內(nèi)目前最高精度天平，其重復(fù)性、抗環(huán)境干擾能力，與國外天平相比還有一定差距；三是測量激光功率較小，激光功率小、光壓值接近天平的測量精度極限，從而導(dǎo)致測量精度偏低。

下一步我們將改進實驗裝置，對空氣對流等環(huán)境影響進行屏蔽，對更大功率的激光進行測量，期望取得更好的實驗結(jié)果。但相比于量熱法，光壓法在大功率激光測量中還是具有優(yōu)勢。光壓法將光學(xué)功率直接溯源到力學(xué)量，簡化了溯源途徑，提高了測量不確定度，這將會極大地提高大功率激光功率測量水平，并在大功率激光測量領(lǐng)域產(chǎn)生較大的進步。