1 引言

激光技术广泛应用于**和工业的各个领域。在**领域，激光技术大量应用于激光测距、激光干扰等，在工业领域，激光技术广泛应用于激光通信、激光焊接、激光微加工处理及激光医疗等。高能高功率激光是激光技术发展的一个重要方向，主要包括短脉冲强激光、超短超强脉冲激光和连续波（长脉冲）高功率激光等。在超短超强脉冲激光方面，随着钛宝石激光技术的成熟，激光脉冲宽度达到20 fs以下，峰值功率达到TP甚至pW量级。在连续波（长脉冲）高功率激光方面，目前发展最成功的强激光主要有COIL氧碘化学激光器、DF氟氘化学激光器和光纤激光器等，输出功率高达kW量级以上。

高能高功率激光涉及功率能量、时域参数、空域参数和光谱参数等计量测试问题，其中最重要、最关键的参数是功率能量、时域脉宽、空间分布和光束质量等参数。介绍了近年来开展的高能高功率激光参数计量测试研究工作，包括激光功率能量、时域参数和空域参数等测量原理和方法，指出了高能高功率激光参数测量面临的主要问题及需要突破的关键技术。

1 激光功率能量测量技术

激光功率能量是激光器的量化指标，是激光最重要、最基础的关键技术参数。连续波高功率激光和短脉冲强激光的功率、能量测量方法有一定差异。

1.1 连续波激光功率能量测量技术

采用量热法研制了“球形吸收腔强激光能量标准装置”^[1-2]，工作原理如图1所示。

图 1. 球形量热计示意图

Fig. 1. High-energy laser energy meter with integrated sphere

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为使激光均匀照射到球形吸收腔内壁，设计了锥形开口面积小于总面积的1/20。强激光一部分由锥形反射体反射进入吸收率超过95%的球形吸收腔内；另一部分照射到安装在球内壁的具有高反射率的半球形反射体表面上，这样所有的激光反射一次后进入球形吸收腔，照射在球形吸收腔内表面的光功率密度大大减小，使之小于激光损伤阈值。进入球形吸收腔内的激光在球表面多次反射后，逐步被球体吸收，有很小一部分激光（<5%）从锥形反射体入射口反射出去，这是影响测量结果的不确定度源。锥形反射口有一小部分激光被吸收，还有很小一部分被散射出去。所有反射出来的激光称之为后向散射，后向散射由环形能量测量仪监测。吸收体所吸收的光能转换成热能使吸收体温度升高，通过高精度电阻表测量均匀绕在各吸收体外表面上电阻丝电阻的变化量，按照预先测量得到的温度-电阻曲线，可以得到吸收体对应的温度变化曲线及温升 $\Delta {T_0}$。通过温度仪测量吸收腔所处环境的温度，然后依据热辐射、热传导、热对流的理论建立的热损失补偿数学模型对测量得到的温升进行修正，得到吸收体对应的温升 $\Delta T$，通过预先测量球体的质量M及材料的比热C_p，由下式可计算得到的激光能量：

式中：E为进入能量计的激光能量（J）；M为吸收体质量（kg）；C_p（T）为吸收体的比热容（J/kg·℃）； $\Delta T$为吸收体温升（℃）； $\alpha (\lambda )$为能量计的吸收系数。

通过光电探测器测量激光强度的时间曲线，若光电探测器、放大器均为线性，则探测器光电响应v（t）正比于激光输入功率P（t），即

式中：α为比例常数。对（3）式积分可得到：

定义 $S = \displaystyle\int_{ - \infty }^{\infty} {v(t){\rm{d}}t} $为波形面积积分， $E = \displaystyle\int_{ - \infty }^{\infty} {P(t){\rm{d}}t} $为激光能量，可得到连续波激光峰值功率的表达式为

激光时间分布函数为

因此，只要测量获得激光能量E，光电探测器响应时域波形（包括波形极大值 ${\nu _m}$和波形积分面积S），便可得到激光功率（包括平均功率、峰值功率、功率曲线）。

1.2 短脉冲强激光能量测量技术

我们开展了体吸收量热法激光能量测量校准技术的研究，研制了多种口径的平板体吸收激光能量计，原理如图2所示。

图 2. 平板体吸收激光能量计原理

Fig. 2. High-energy laser energy meter with flat-panel absorber

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由于不同波长激光，体吸收材料的反射系数及吸收系数有一定差别，激光能量计一般都具有波长选择性，为了减小能量计的波长选择性，我们还研制了陷阱体吸收激光能量计，原理如图3所示。

图 3. 陷阱体吸收能量计原理

Fig. 3. High-energy laser energy meter with trap absorber

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不同口径能量计校准及位置布局如图4所示。

图 4. 不同口径能量计校准位置布局

Fig. 4. Calibration position layout of laser energy meter with different caliber

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校准不同口径能量计时，被校准能量计放置在激光光源扩束透镜后不同位置，激光光斑大小与被校能量计口径匹配。

2 激光时域参数测量技术

2.1 纳秒激光时间分布曲线测量原理

如果光电探测器的响应时间和采样系统的采样速度都比待测激光脉冲高出很多倍，可用光电采样法对脉冲激光进行直接测量，测量原理如图5所示。

图 5. 光电采样法纳秒激光脉冲时间分布测量原理

Fig. 5. Schematic of nanosecond laser pulse time distribution measurement with optical-electrical sampling method

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对采样值进行数学处理就得到激光脉冲的时间特性曲线，利用该装置可测量时域脉冲形状、半宽度和上升时间。根据上述时域波形，脉冲持续时间即脉冲宽度 ${\tau _H}$，由半峰值功率确定的两点之间的时间间隔决定，即：

式中： ${\tau _1}$为波形记录处理系统读出的脉冲宽度或上升时间； ${\tau _2}$为波形记录处理系统本身的上升时间； ${\tau _3}$为快速探测器的响应时间。

快速响应光电探测器的响应时间可通过测量飞秒激光器得到，此时激光器输出的脉冲激光脉宽 ${\tau _H} \approx 0$，由此得到波形记录处理系统读出的脉冲宽度或上升时间为

代入公式（6）可得到：

2.2 皮秒激光时间分布曲线测量原理

为满足皮秒激光脉冲分布测量与校准的需求，采用条纹相机法开展了皮秒量级激光脉冲宽度测量，测量原理如图6所示。

图 6. 条纹相机测量激光时间分布原理图

Fig. 6. Schematic of laser pulse time distribution measurement by streak camera

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2.3 飞秒激光时间分布曲线测量原理

采用二次谐波频率分辨率光学开关法进行飞秒激光脉冲波形和脉冲宽度测量，测量原理如图7所示。

图 7. SHG-FROG测量原理图

Fig. 7. Schematic of SHG-FROG measurement

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频率分辨光学开关法（FROG）是在强度自相关的基础上发展出来的能同时测量脉冲宽度、脉冲波形和光谱相位的飞秒激光参数测量方法^[3]，具备单次脉冲波形测量能力。FROG通过光谱仪获取自相关强度随延迟时间和频率（波长）变化的强度信号，利用叠代算法获取光谱相位分布和脉冲波形等信息。

3 空域参数测量技术

激光光束质量能够从质的方面评价激光的性能指标，对激光器的设计、研制、检测及应用等均具有十分重要的指导意义。在激光技术应用中，影响激光性能的最关键参数往往不是激光功率，而是激光亮度。对于输出功率一定的激光器，光束质量越好，激光亮度就越高。光束质量是由光场振幅和相位共同决定的，它是强激光系统的一项重要性能指标。为了更加客观准确地评价强激光系统在能量输运过程中的作用效能，需要对强激光系统的光束质量进行深入研究和精确测量，为改善和控制强激光的光束质量提供评价方法和依据。

对于激光光束质量的评价方法，国内外学者进行了深入研究，虽提出过多种评价和测量激光光束质量的方法^[4-6]，但未能建立起一套为各方普遍接受的评价参数和测量方法。随着强激光技术的不断发展和成熟，强激光系统开始向工程化方向发展，为了更加客观地评价强激光系统在能量空间运输应用中的作用效能，规范强激光系统的评价标准和试验检验标准，需要对强激光系统的光束质量进行深入分析，以便提出一套科学合理、方便实用的评价方法和测量方法。

强激光主要评价方法有M²因子、β因子、BQ因子等^[7-9]，测量方法主要有CCD成像法和扫描狭缝法。

3.1 CCD成像法

CCD成像法在应用于高功率激光光束质量和空间分布测量时需要对被测激光进行大范围无失真衰减，该方法优点是非接触测量，系统结构简单，操作使用方便。缺点是实现辐照度分布定量测量较难，而且受限于像素尺寸，在进行接近衍射极限的近红外光束质量参数测试时不确定度很大，适合于光斑相对分布实时测量。

CCD成像法适合于激光M²因子以及β因子测量^[10-12]，原理如图8所示。

图 8. M²因子及β因子测量原理图

Fig. 8. Schematic of M² factor and β factor measurement

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分别测量焦平面位置Z₀及离焦位置Z₁光斑大小 ${\sigma _0}$、 ${\sigma _z}$，以及2个位置的距离，就能计算得到该束激光的M²因子：

透镜的焦距为f，激光光斑口径为D，就可计算得到激光光束β因子：

3.2 扫描狭缝法

扫描狭缝法通过在近场或者远场光束中进行取样，可以实现对激光束的空间和时间分布信息的提取，通过对分布信息进行分析计算，可以得到光束质量参数及光束空间分布等信息。扫描狭缝法的优点是具有较高的空间分辨率，比较适合接近衍射极限的近红外光束质量参数测量及高精度测量场合，且经过细致的标定，该项技术也可以实现对激光功率和总能量测量。缺点是仅能得到与狭缝垂直方向的光束真实分布信息，且不能对单脉冲和低重频脉冲激光进行测量。

扫描狭缝法测量原理如图9所示。

图 9. 扫描狭缝法测量激光光束原理图

Fig. 9. Schematic of laser beam measurement by scanning slit method

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通过控制狭缝在被测光斑上的移动来完成对不同位置点处光束强度的测量，最终得到被测光束的空间分布信息。通过对不同纵向（光轴方向）位置光束分布的测量，可以计算得到光斑直径及空间分布等参数。

4 结束语

目前开展的高能高功率激光参数测量研究，基本满足了功率能量、脉冲宽度等参数的测量需求，未来将重点解决功率能量现场测量、远场空间分布测量、光学元件激光损伤特性测量等技术问题。需解决的关键技术主要包括：1） 大动态范围功率能量“无畸变”衰减技术。可采用楔形分束镜级联方式进行激光功率能量衰减，利用楔形分束镜反射面衰减激光，尽量不改变激光光束特性；2） 激光功率能量现场测量技术。研究分束镜分束比与激光功率、照射时间等参数之间的关系，采用分束监测法实现功率能量的现场测量；3） 功率能量计溯源及后向散射补偿方法。研究利用等比例能量计模型进行功率能量测量，从而进行旁证的方法，采用热损失数学模型进行能量计后向散射补偿。