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1、,激光能量计的原理与使用,制作人：韦锦 学号：0913137 专业： 光电子技术科学,指导老师：梁明,目录,一激光能量计,激光能量计，是在一管状金属外壳中依次设有探测器、与该探测器电连接的放大器以及信号输出单元，并且在外壳的激光入射口和探测器之间，设有一陶瓷空心腔，该陶瓷空心腔为封闭的空心柱体，柱体的轴向与激光进入壳体方向平行。本发明由于在探测器前设计了漫射式空心柱面陶瓷腔作为衰减器，使激光经过陶瓷衰减腔后出射的是均匀场，因而可以在该均匀场中的任一位置使用小尺寸探测器探测，同时可有效避免探测器的局部损伤问题，使本发明的激光能量计可用于高能量密度激光的测量。,二激光能量计探头分类,三激光能量计工
2、作原理,激光能量计的探头根据原理不同可以分为热电堆式探测器、热释电式探测器、光电式探测器及半导体光电二极管式探测器几种。常用的能量检测法分为光热法及光电法。光热法以热电堆或热释电材料为传感器件的吸收型探测器,即让激光与吸收体充分作用,再用热电传感器测试吸收体的温升,从而得到吸收体的热量值,即激光能量值。光电法以光电式探测器或半导体光电二极管为传感器件的光电式探测器,光信号转换为电信号后,电信号经电荷积分器得到与输入光脉冲能量成正比的电压信号,从而完成能量的测量。由于光电二极管测量的动态范围大，测量速度快，能反映信号的包络变化，价格便宜，因此被广泛应用于光信号检测中。因此，系统中的光电探测器选取
3、PIN光电二极管。,四激光能量计实验装置及性能 典 型的 激 光能量测量装置主要包括激光器、分光及监视系统、激光能量计、激光功率计、数据处理及控制计算机等闹。图1所示为所采用的激光能量测量装置示意图。由激光器输出的光束经分光系统后，一束作为被测光束人射到激光能量计，另一束进人监视系统用来观察本射激光的波形，并通过波形来计算照射时间。能量计置人经过处理过的壳体内，以便减小外界对其的干扰。数字多用表将能量计测温单元的读数实时地存储并输入至计算机进行数值处理。功率计在测量一个积分时间后，读取激光器功率。采用的能量计为自行研制的，用热电堆进行测温，石墨面做吸收体的量热式能量计，尺寸小，响应大，有较好的
4、测量性能。,激光能量计光电探测模块由聚光透镜、光电二极管及调理模块组成。待测光经过聚光透镜后，光束会聚到光电探测器上，光电探测器将光信号转换为电信号后经调理电路传送至数据采集模块进行数据处理与显示。 常用的能量检测法分为光热法及光电法。光热法以热电堆或热释电材料为传感器件的吸收型探测器,即让激光与吸收体充分作用,再用热电传感器测试吸收体的温升,从而得到吸收体的热量值,即激光能量值。光电法以光电式探测器或半导体光电二极管为传感器件的光电式探测器,光信号转换为电信号后,电信号经电荷积分器得到与输入光脉冲能量成正比的电压信号,从而完成能量的测量. 光敏二极管光电转换原理 根据PN结反向特性可知，在一
5、定反向电压范围内，反向电流很小且处于饱和状态。此时，如果无光照射PN结，则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限，反向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电流。当有光照射PN结时，结内将产生附加的大量电子空穴对（称之为光生载流子），使流过PN结的电流随着光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称为光电流。 （1）光敏二极管特性光照特性 图2-1画出了光敏二极管的光电流I与照度L的特性曲线，从图上可以看出它的光照特性线形较好，适合于检测方面的应用8。,五光电探测模块,(2)光谱特性 光谱特性决定于所用的材料，图2-2为硅和锗的光谱响应曲线，锗材料的最灵敏响应波长在1400015000埃之间，硅材料的
6、最灵敏响应波长在80009000埃之间。对于激光器所发射激光波长的不同，可采用不同的材料8。,（3）伏安特性 图2-3画出了光敏二极管的实际伏安特性曲线，由光照控制的光敏二极管，与基极控制的晶体三极管的工作情况相似，因而光敏二极管在不同光照下的伏安特性，与晶体三极管在不同基极电流下的输出特性相似。由此可知，光敏二极管对光信号的作用，正像一般晶体管在基极加上电信号时的放大作用一样。光敏二极管在外加电压为零时仍有电流，这是因为光生伏特效应所产生的短路电流。,（4）频率特性 光敏二极管的频率特性较好，是半导体光电器件中最好的一种。其频率响应与下述因素有关：(a)结电容和杂散电容，因为它与负载电阻并联
7、，负载电阻越大，它的高频旁路作用越明显，高频响应越差。负载电阻小，能使高频响应改善，但输出电压要减小，两者应同时考虑，以选择合适的电阻。(b)光生载流子在薄层中的扩散时间及PN结（耗尽层或阻挡层）中的漂移时间8。 （5）温度特性 光敏二极管在电压不变和照度不变的情况下，其光电流随温度而变化，如图2-4。在精密光电测量中要注意温度对测量精度的影响8。,（6）暗电流 图2-5为光敏二极管的暗电流随温度而变化的曲线。温度升高，半导体受热激发，少数载流子增加，使暗电流增加。,量 热式 激 光能量计具有高损伤阑值、高激光辐射吸收率和高热传导率等特点，广泛应用于现代高功率激光能量的测量。 由于激光的能量大
8、，强度高，在进行强激光能量测量比较困难的情况下，通过市场调查对比，吸取了其他激光能量计的优点，设计了这个方便实用的激光能量计。本设计采用光电二极管探头，并且应用了大家都熟悉的A/D转换和AVR单片机等器件。实现方法是以光电二极管探头作为传感器,将光信号转换为电信号后,电流信号经电荷积分器得到与输入光脉冲能量成正比的电压信号,通过能量量值校准完成能量的测量，并由虚拟仪器编写上位机进行显示。 要研究激光和应用激光就必须能够对激光的特性参数进行准确测量。对激光器主要参数的计量测试是激光技术发展的一个重要方面。对一台激光器来说，人们最关心的是有没有激光能量，有多少激光能量。比如在激光治疗中，就有激光有
9、效剂量、无效剂量及危害(破坏)剂量的阑值问题;在激光育种试验中，就有选择增产效果好和抗病虫害能力强的最佳激光剂量间题;在激光防护工作中，为了确保人身安全，特别要搞清损伤人眼的激光阑值问题;在激光核聚变中，需要多少能量才能打出中子、才能实现热核反应等等。这些都需要精确测量激光能量，没有精确测量激光能量就达不到研究的预期目的。因此，对激光能量的准确测量显得愈发重要2。 当激光能量通过AVR单片机控制之后，需要通过虚拟模拟的上位机进行显示，虚拟仪器是以装有测量应用软件的个人电脑为核心，具有虚拟的仪器操作面板，足够的硬件支持，有一定通信能力的测量装置。它和传统仪器相比具有以下的特点：,六激光能量计的使
10、用方法及其运用,(1) 虚拟仪器的关键环节是软件。虚拟仪器系统中除PC机外的硬件主要用于数据的采集、输入，至于系统怎样处理数据，具有怎样的面板和数据输出的形式等都是由软件决定的。虚拟仪器的好坏，很大程度上取决于软件水平的高低。 (2) 开发与维护的费用低，系统组建时间短。当需要增加新的测量功能，只需要增加软件模块或通用的硬件模块，缩短了系统的更新时间，而且有利于系统的扩展。应用软件不像传统仪器的硬件那样存在元器件老化的问题，大大节省了维护的费用，延长设备的使用寿命。 (3) 测量更准确。传统仪器测量个体之间差异大，而虚拟仪器的应用软件在不同的PC机上具有相同的运行效果，在软件运行这方面不存在个
11、体的差异。 (4) 测量更方便。因为传统仪器功能单一，所以对一个信号完成多个参数的测量需要多台仪器，使测量受连接方式、电缆长度等因素的影响。虚拟仪器只需对信号进行一次采样，多个软件模块对同一组数据进行不同的处理就能实现多个参数的同时测量。 (5) 具有强大的数据处理功能。计算机运算速度的大大提高和数字信号处理理论的丰富和完善，使虚拟仪器能够快速准确的处理数据。 功率计及能量计的种类繁多, 热效应的功率计稳定性良好, 误差) 多至 多, 在激光功率与能量测量中已满足需要。计量单位用来定标的量热计误差可以小到 界以下。至于有特殊用途的功率计与能量计种类很多, 不宜赘述。当然, 随着激光事业的发展激
12、光能量和功率的计量标准的建立是非常需要的.,七 本课题研究的意义 对于激光能量的测量，针对不同的测量目的，可分为直接测量与间接测量法。直接测量法选用全吸收型探测器，激光全部照射进探测器中，由于激光能量很高，常规的光电法难以直接应用，因此通常采用量热法进行直接测量。如美国白沙靶场在连续高能激光器光束诊断系统中，配套了分别用于测量功率和能量的2种量热计系统，法国LNE国家实验室建立了测量25kW的二氧化碳工业激光器功率的热交换式量热计系统，我国的神光II装置中，为测量其基频、二倍频和三倍频激光输出功率，研制了一种大口径全吸收激光能量计。这几种能量计让激光与吸收体充分作用,再用热电传感器测试吸收体的
13、温升,从而得到吸收体的热量值,即激光能量值。以上几种量热计将激光束全部接收，测量精度较高，但不能作实时监测用。如果在高能激光使用的同时进行能量测量，则需要采用光束取样技术取样部分激光用作间接测量。间接测量中，能量计通常以光电式探测器或半导体光电二极管为传感器件的光电式探测器,光信号转换为电信号后,电流信号经电荷积分器得到与输入光脉冲能量成正比的电压信号,从而完成能量的测量。目前市场上出售的能量计大多是这种能量计，因功能多样化、智能化程度高，被广泛地应用在激光通信、激光加工、激光测试等领域。 目前，在激光通信系统研制过程中，针对遇到的实际问题激光性能参数测试时所需要的测试仪器大量依靠进口，价格昂贵、功能单一、接口不方便，因此，研究开发智能化的激光能量测量仪对于提高激光产品研制、通信系统性能有着重要意义。,八先进的激光切割,该技术采用激光束照射到钢板表面时释放的能量来使不锈钢熔化并蒸发。激光源一般用二氧化碳激光束，工作功率为5002500瓦。该功率的水平比许多家用电暖气所需要的功率还低，但是，通过透镜和反射镜，激光束聚集在很小的区域。能量的高度集中能够进行迅速局部加热，使不锈钢蒸发。此外，由于能量非常集中，所以，仅有少量热传到钢材的其它部分，所造成的变形很小或没有变形。利用激光可以非常准确地切割复杂形状的坯料，所切割的坯料不必再作进一步的处理。,
