一种基于辐射压力的激光功率测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于辐射压力的激光功率测量装置及方法，给出了激光功率与辐射压力计算方法和辐射压力功率计测量结构方案；提出了一种针对微量压力传感器的高精度溯源方法。其中，装置结构，包括支撑板，二个机械支架，二个微量压力传感器天平，微量压力传感器，天平力臂，二个安装负载，二个怀特池结构多反射光学腔镜及激光光束。微量压力传感器采用高精度电磁力平衡结构传感器，在50mN的量程范围可实现100nN的分辨率。激光入射于怀特池结构多反射光学腔的镜面，入射光轴与反射镜法线夹角为θ，入射光在光学腔内多次反射，在镜面上产生的辐射压力通过天平力臂进行杠杆放大，通过微量压力传感器进行辐射压力测量，实现较小激光功率(小于100W)测量。功率(小于100W)测量。功率(小于100W)测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于辐射压力的激光功率测量装置及方法


[0001]本专利技术属于激光功率测量
，涉及一种基于辐射压力的激光功率测量装置及方法。

技术介绍

[0002]目前，激光功率测量基本都是采用吸收式测量方案，即光辐射必须被吸收才能被测量。热响应功率计在进行高能激光功率测量时需要有足够高的热容，这就使得激光功率计的体积和质量随其测量光功率的增大而增大，同时增加了热响应时间。为实现激光功率的实时在线测量功能，国内外相关计量机构研制了基于辐射压力的激光功率测量装置，即通过测量激光束在反射镜上施加的辐射压力，将激光功率参数溯源到国际质量单位千克。该激光功率测量技术对高能激光测量时无需水冷，大幅减小系统质量和体积，结构较为紧凑，方便现场使用；可实现实时在线测量功能，不影响激光的后续使用等特点。现有基于辐射压力的激光功率测量装置无法实现较小激光功率的高精度测量，因为当测量激光功率较小时，相应激光束的光子数较少，对反射镜施加的辐射压力较小，微量压力传感器无法对其分辨而无法进行测量。
[0003]2017年，美国NIST和Scientech公司联合研制了辐射压力功率计，通过测量高能激光在反射镜上施加的辐射压力，实现高能激光功率的高精度测量，并通过实验验证光功率测量范围1kW10kW，光功率测量不确定度达到2％，达到了通常需要昂贵的大型水冷式高能激光功率计的测量精度。国内只有少数研究机构开展这方面的研究工作，但都集中在高能激光测量领域，如西北核物理技术研究所申请的专利技术专利，专利公开号：CN201110233271，基于光压原理测量高能激光能量参数的方法和装置。
[0004]为实现激光功率的快速在线测量，采用基于辐射压力的激光功率测量装置，其利用光子量子化特性和动量守恒定律，每个光子的动量通过反射镜后发生了变化，将有对应动量传递到反射镜上，即为光束对镜面的压力，压力大小与反射光子的数量成正比。利用微量压力传感器对到达反射镜上的光压进行实时测量，实现激光功率的高精度测量。目前，基于辐射压力的激光功率测量技术主要存在以下问题：(1)现有装置只能实现高能激光功率的测量(1kW～50kW)，当测量激光功率较小时(小于1kW)，光束单次反射产生的辐射压力较小，微量天平或压力传感器至少需要分辨率nN的力，无法实现激光功率测量；(2)目前利用该装置进行较小激光功率测量时，由于产生的压力较小，没有合适的砝码将光辐射压力溯源到国际质量基本单位千克等。

技术实现思路

[0005]针对上述激光功率测量方法存在的不足，本专利技术设计多次反射式辐射压力功率计，较小激光功率的高精度测量及辐射压力功率计测量激光功率的高精度溯源的问题。
[0006]本专利技术在现有技术的基础上，设计了一种基于辐射压力的新型激光功率测量装置，并提出了激光功率的溯源方法。具体如下：(1)本专利技术在结构设计方面提出了设计怀特
池结构多次反射光学腔，在被测激光功率不增大的情况下，通过光束在光学腔镜上的多次反射，实现被测光束在反射镜上产生辐射压力的有效放大；设计杠杆式微量压力测量天平，通过杠杆原理实现被测光辐射压力的有效放大，便于微量压力传感器进行高精度测量。(2)本专利技术在激光功率的溯源方面，基于本专利技术所设计的辐射压力功率计结构，提出了一种通过施加磁补偿力的方法，对微量压力传感器水平
‑
垂直方向力进行高精度定标。
[0007]本专利技术的技术方案如下：一种基于辐射压力的激光功率测量装置，包括支撑板，第一机械支架，第二机械支架，第一微量压力传感器天平，第二微量压力传感器天平，微量压力传感器，天平力臂，第一安装负载，第二安装负载，第一怀特池结构多反射光学腔镜，第二怀特池结构多反射光学腔镜，激光光束；所述支撑板为固定装置，用于为辐射压力功率计提供固定支撑；第一机械支架、第二机械支架安装于支撑板上，分别用于固定第一微量压力传感器天平、第二微量压力传感器天平；微量压力传感器安装在第二微量压力传感器天平上，实现射辐射压力的测量；第一安装负载、第二安装负载分别固定在第一微量压力传感器天平及第二微量压力传感器天平上，用于安装固定第一怀特池结构多反射光学腔镜及第二怀特池结构多反射光学腔镜；天平力臂位于第二微量压力传感器天平内，用于将辐射压力传递给微量压力传感器；第一怀特池结构多反射光学腔镜、第二怀特池结构多反射光学腔镜组成怀特池结构多次反射光学腔，分别固定于第一安装负载、第二安装负载上；激光光束以入射角θ进入第一怀特池结构多反射光学腔镜、第二怀特池结构多反射光学腔镜，用于实现激光束多次反射后输出。
[0008]上述测量装置中，所述第一怀特池结构多反射光学腔镜及第二怀特池结构多反射光学腔镜为布拉格反射膜层或镀金反射镜。
[0009]上述测量装置中，所述布拉格反射膜层或镀金反射层是指，当对特定波长进行测量时采用高反射率分布式布拉格反射镜；或当适用于宽波段测量时采用铜底镀金反射镜。
[0010]上述测量装置中，所述分布式布拉格反射镜是采用GaAs/AlGaAs晶片材料制作的高反射率反射镜，镜面直径约为76mm，厚度约为625μm，反射率谱的带宽为+/
‑
20nm。
[0011]上述测量装置中，所述微量压力传感器，采用高精度电磁力平衡结构传感器，在50mN的量程范围可实现100nN的分辨率。
[0012]上述测量装置中，激光光束入射于第一怀特池结构多反射光学腔及第二怀特池结构多反射光学腔镜的镜面，入射光轴分别与第一怀特池结构多反射光学腔镜及第二怀特池结构多反射光学腔镜法线夹角为θ，入射光分别在第一怀特池结构多反射光学腔镜及第二怀特池结构多反射光学腔镜腔内多次反射，在镜面上产生的辐射压力通过天平力臂进行杠杆放大，通过微量压力传感器进行辐射压力测量，实现较小激光功率测量。
[0013]本专利技术还提供一种基于辐射压力的激光功率测量方法，包括以下步骤：
[0014]步骤一：计算激光功率与施加到反射镜上作用力关系，具体如下：
[0015]设置对应光子的能量为E，该光子动量其中c是光速。
[0016]根据功率与能量之间的关系，入射光功率P是单位时间t的光子能量流E：
[0017]P＝E/t
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(1)
[0018]则由光束反射施加到镜子上的作用力为：
[0019][0020]P是入射光功率，θ是激光光束的入射角，由公式(1)、(2)推导，得到光功率的表达式：
[0021]P＝cF/2rcos(θ)
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(3)
[0022]其中，r＝R+(1
‑
R)α/2，表示反射镜吸收光子的动量和反射光子的动量，R是镜面反射率，α是镜面吸收的非反射光的比例。经过N次反射后，激光功率与施加到反射镜上作用力关系为：
[0023][0024]根据测量激光功率的大小，设计反射次数为N的怀特池结构多反射光学腔，得到辐射压力F与激光功率P之间的确定关系，实现激光功率的高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于辐射压力的激光功率测量装置，其特征在于，包括支撑板，第一机械支架，第二机械支架，第一微量压力传感器天平，第二微量压力传感器天平，微量压力传感器，天平力臂，第一安装负载，第二安装负载，第一怀特池结构多反射光学腔镜，第二怀特池结构多反射光学腔镜，激光光束；所述支撑板为固定装置，用于为辐射压力功率计提供固定支撑；第一机械支架、第二机械支架安装于支撑板上，分别用于固定第一微量压力传感器天平、第二微量压力传感器天平；微量压力传感器安装在第二微量压力传感器天平上，实现辐射压力的测量；第一安装负载、第二安装负载分别固定在第一微量压力传感器天平及第二微量压力传感器天平上，用于安装固定第一怀特池结构多反射光学腔镜及第二怀特池结构多反射光学腔镜；天平力臂位于第二微量压力传感器天平内，用于将辐射压力传递给微量压力传感器；第一怀特池结构多反射光学腔镜、第二怀特池结构多反射光学腔镜组成怀特池结构多次反射光学腔，分别固定于第一安装负载、第二安装负载上；激光光束以入射角θ进入第一怀特池结构多反射光学腔、第二怀特池结构多反射光学腔，用于实现激光束多次反射后输出。2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述第一怀特池结构多反射光学腔镜及第二怀特池结构多反射光学腔镜为布拉格反射膜层或镀金反射镜。3.如权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述布拉格反射膜层或镀金反射层是指，当对特定波长进行测量时采用高反射率分布式布拉格反射镜；或当适用于宽波段测量时采用铜底镀金反射镜。4.如权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述分布式布拉格反射镜是采用GaAs/AlGaAs晶片材料制作的高反射率反射镜镜面直径约为76mm，厚度约为625μm，反射率谱的带宽为+/
‑
20nm。5.如权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所述微量压力传感器，采用高精度电磁力平衡结构传感器，在50mN的量程范围可实现100nN的分辨率。6.如权利要求5所述的测量装置，其特征在于，激光光束入射于第一怀特池结构多反射光学腔及第二怀特池结构多反射光学腔镜的镜面，入射光轴分别与第一怀特池结构多反射光学腔镜及第二怀特池结构多反射光学腔镜法线夹角为θ，入...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘红波，庄新港，史学舜，张鹏举，刘长明，王恒飞，费丰，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十一研究所，
类型：发明
国别省市：