摘 要: 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。
对高能激光的能量和功率进行测量,如果采用衰减或者取样等间接方法[1-2],衰减和取样比要达到1×10-5~1×10-3。衰减和取样元件在强激光的作用下取样比是非常容易变化的,取样比的微小变化,会导致能量测量值产生很大误差。如测量MW级激光束时元件取样比由1∶1000变为2∶1000,测量误差就会达到MW[2]。因此需要对高能激光能量和功率进行直接测量。直接测量通常使用全吸收型探测器,高能激光全部照射进探测器中。由于激光功率密度很高,常规的光电法、光压法等测量方法难以直接应用,通常采用量热法进行直接测量,量热材料的热导率低,则通过对累积温度增量的测量可以得到激光能量。此类技术在很多文献中都有记载[3-5],已经比较成熟;然而利用这些方法设计出来的装置却都存在着一个普遍的弊病,即无法说明其测试的准确性。中小功率能量计通常是采用标准激光源进行标定,或者是将其与标准功率能量计进行对比标定,通常实现起来较为容易。而高能激光能量计却既没有一个标准装置,也没有一个标准的激光源,因此其溯源存在很大的难度。然而高能激光能量计作为一个测量系统,其溯源又是一个无法回避的问题,本文将围绕上述问题从不确定传递和等效标定两个方向展开深入的探讨。
1 不确定度传递法
1.1 原理及光路图
不确定度传递法是最常用,也是最简便的方法,它的原理较简单,先用一个已知分光比为l1的透镜L1将一束激光分成强弱不同的两束,较弱的一束光入射到一个已经标定过的小能量计m1内,另一束入射到一个中等能量计m2中,分别改变激光的入射位置及出光时间,这样就完成了对中等能量计m2的标定。同理仍然用一个分光比为l2的透镜L2将一束强激光分成强弱不同的两束,较弱的一束光入射到中等能量计m2中,另一束入射到高能激光能量计m3中,经过与上面相同的过程便可以完成对的m3标定。其测试光路如图1所示。
1.2 不确定度来源及分析
由于小能量计已经标定过,其不确定度已知,设为u11;镜子L1和L2的不确定度分别设为uk1,uk2,对m1和m2的标定均测量了m组,则可由式(1)计算出m1多次测量的不确定度u12;进而由式(2)计算m2的标准不确定度ur2;同理可由式(3)计算出m2多次测量不确定度u22;最后可由式(4)计算出m3的标准不确定度ur3[6].
由式(4)可以看出m3的标准不确定度就是由各个系统不确定度传递得到的,由于涉及的环节和系统较多,上述方法的测量不确定度通常会比较大。
2 等效标定法
等效标定法利用其它形式的能量代替激光能量,完成对能量计的标定,这种方法在各种标准装置中应用较为普遍,常见的有电热法和光热法两种,下面将分别予以介绍。但不管采用何种方式,必须遵循等效性原则,即
由式(4)可以看出m3的标准不确定度就是由各个系统不确定度传递得到的,由于涉及的环节和系统较多,上述方法的测量不确定度通常会比较大。
对于任何一种采用等效标定法的激光能量计必须满足式(6)的三个条件,是否能够达到上述要求直接决定了能量计不确定度的大小。要做到这一点通常只能从两个方面着手:第一个就是方法的选取,例如可选取电热法或者光热法;第二个就是结构的优化设计,可通过特殊的结构设计以尽可能地满足上述要求。
2.1 电热法原理及分析
电热法利用电能替代光能[8],当电流通过缠绕在吸收体上的电阻丝时会产生热量,这部分热量用来替代吸收体吸收激光能量后产生的热量。电热法作为等效法的一个经典实例,也必须满足式(6)的三个条件,下面以一种积分球型高能激光能量计为例,进行分析。积分球能将能量极为集中的强激光束大幅度衰减到常规能量探测器可以承受的水平,且响应时间快,恢复时间短,因此是一种较好的选择。传统的积分球的结构较简单,通常是球形,内部镀有硫酸钡之类的吸收材料,与光入口相对的是一个凸镜,积分球内部还有光电取样孔[9-10]。为了获得较好的等效性可在积分球外部均匀地缠绕薄电阻丝及电加热丝,其截面布局如图2所示。
为了保证式(6)中的第一个条件,整个吸收体外部有一同心圆球,两球壳之间有一小段距离,外球内壁镀金,其反射率可达到95%以上,保证电加热丝的热量基本被吸收体吸收。加热丝缠绕在吸收体表面上,与电阻丝两两等距,热电阻丝位于吸收体截面中心位置,这就保证了式(6)中的第二个条件。由于都是采用同样的热电阻丝测量温升,因此完全满足式(6)的第三个条件。
由于测量能量的算法是获取信号的最大值,因此在标定和激光作用过程中温度局部的不均匀性带来的影响可以忽略,根据上述结构可列出吸收体能量增量表达式
2.2 光热法
光热法和电热法原理较为相似,它归根结底也是利用电能作为替代能源,这里仍然选用积分球进行分析。可在球心处放置灯泡组,由于灯光的发散角很大,几乎覆盖了整个空间,为了保证式(6)的第一个条件,在积分球的入口处增加一个球盖,盖内表面上镀金,确保光一直在腔体内反射并吸收。由于灯光的光谱比激光宽得多,式(6)的第二个条件是可以满足的。同样由于都是采用同样的热电阻丝测量温升,因此完全满足式(6)的第三个条件。
同理可列出标定时和激光作用两种情况下吸收体能量增量
2.3 等效误差分析及其对定标的影响
不难看出在上述两种方法分析中都有一个前提,即Eabsorb=Eabsorb′,它是上述方法的基础和核心,但在实际应用中是无法完全保证的,不同的结构设计会产生不同大小误差,而误差的大小将直接影响定标的实际效果。对于式(6)中的三个条件,由于上述方法都是采用同样的传感器和电路测得,因此第三个条件完全满足,只需着重考虑前两个条件引入的误差影响。
对于电标法影响光电吸收等效性(对应式(6)第二个条件)的因素主要有两个:加热丝残留热量,定标过程中加热丝及球体外表面与外界之间热交换造成的热损失。如果积分球的直径为1.5 m,球体材料为铝,壁厚6mm,质量为114 kg,缠绕的加热丝为铜丝,铜丝的直径为0.2 mm,则电阻的阻值为60Ω时铜丝的质量大约为36 g。电加热丝电压为800 V,加热丝功率大约为10 kW,当加热时间为20 s时,球体整体温升为2.1℃(铝比热容按照0.83 kJ·kg-1·K-1)。考虑到铜丝与球体之间存在一定的热阻,其与球体达到温度平衡的速度比球体自身温度达到平衡的速度要小得多,因此需要保证足够的平衡时间,这个时间通常需要数百s,按照铜丝的温升是球体温升的10倍计算,残余能量为0.3 kJ,占总能量的0.15%。与外界的热交换主要来源于加热丝与外界的热对流及热辐射两部分,由于球体整体温升较小,这两部分能量经测定通常小于总能量的1%;再考虑到外球壳镀金后对主要波长反射率达到90%,因此采用上述加热方式光电等效性引起的误差对整个定标影响较小。同样由于是均匀缠绕球体加热,球体温度梯度影响也较小,与激光作用时温度响应的差异也较小,完全满足第三个条件。如果在结构设计上采用其它局部非对称加热方式,此时局部温度可能较高,且极不均匀,导致整个球体温度异常波动,计算出的激光能量误差可能达到10%以上,从而严重影响定标效果。定标中系统结构的设计尤为重要。
对于光标法,由于等效能量本身就是灯光,且光源自身放置在球体内部,因此标定时的温度系数与激光作用时的温度系数差异很小,对式(6)的第三个条件不需要考虑,主要比较其能量吸收的等效性即可,而影响其等效性的因素主要有两个:灯丝和灯座残余能量以及入口处损失能量。灯丝和灯座的残余能量由于可以事先进行测定,因此其影响可以不予考虑,入口处损失能量可以采用一个小型平板能量计测量然后进行补偿,或者在入口处安装一高反镜或者镀有高反层的板面,其误差将达到总能量的0.1%量级。这样完全满足式(6)的三个条件,而对于其它非积分球结构的能量计要满足上述条件将会复杂一些,但采用特殊的结构设计和补偿方法仍然是可以达到要求的,与电标法相比,其更容易满足式(6)的三个条件。
3 实现难度评估
在上述几种方法中,不管是结构设计还是实现过程,不确定度传递法是最简单的方式,但它由于影响不确定的因素和环节较多,通常会带来较高的不确定度。电标法由于吸收体通常由金属材料制成,它与加热丝之间的绝缘也是个难题,因为在防止加热丝过热的同时还必须保证加热丝与吸收体之间具有尽可能小的热阻。除此之外,要保证足够的加热功率,电阻丝通常比较细,这给加热丝的安装带来了一定的困难。加热丝在工作时表面将达到较高的温度,为了防止其表面氧化,表面处理也是一项重要的工作。与电标法相比光标法要求要低得多,它只需要处理好灯组的安装、绝缘和绝热即可,对于积分球这种结构,由于其中心有较大空间,实现起来尤为简单。入口处损失能量的处理也较为简单,正是由于上述原因,在高能下采用光标法比采用电标法的情形要多得多。
4 讨论及结论
由于高能激光溯源问题的特殊性,只能考虑采用两类间接方法:不确定度传递法和等效标定法。不确定度传递法实现最直接、最简单,但由于涉及的环节和系统较多,测量不确定度通常会比较大,在选择的小能量计具有较低的测量不确定度(为1%~2%,(k=2))的情况下,标定不确定度一般为10%~15%(k=2)。另外由于分光镜在强光下分光比存在一定的不确定性,这给测量结果也带来了较大的不确定性。等效法利用电能或者其它能量形式替代激光能量,并通过特殊的结构满足替代条件,从而达到溯源的目的。等效法对结构要求较高,实现相对复杂,但更直接,由于涉及的环节较少,误差源也在结构设计中进行了控制,因此测量不确定度通常能够控制在较低的范围,一般为5%~8%(k=2)。但是等效法也存在一个缺陷,即受到系统的结构和能量输入源限制替代的功率能量很难满足需求,只能采取在低端标定后向高端扩展的方式,使得定标效果大大降低。最典型的两种方式包括电热法和光热法,电热法在高能情况下的应用要求要苛刻得多,系统也要相对复杂一些;光热法对吸收体要求要低得多,实现也要简单一些。电热法求解过程相对简单一些,但同时对结构设计的要求要高许多,如果无法满足等效条件,定标结果将有很大的出入。光热法必须在标定前先对灯组余热进行测算,另外入口热损失也必须进行必要的处理或者测量。
综合比较上述几种方法,不难看出要尽量减小测量不确定度,可采取下面几个措施:首先要在结构设计中尽量将误差源的影响降低到最低,这也是提高能量计测量准确性的根本。其次尽量减少中间环节,尤其是在不确定度传递方法中,例如可采用经过电标法或者光标法标定的中等能量计直接标定高能激光能量计,这样就减少了小能量计向中等能量计传递的环节。最后对误差项需要进行科学的分析和测定,在此基础上再对这些项进行相应的修正和补偿,从而进一步降低测量不确定度。
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