1、基金项目：江苏省市场监管局科技计划项目资助（项目编号：）积分球技术在激光功率测量中的应用研究李凤娇黄万明郭鑫唐小聪陈?尧丁建一（南京市计量监督检测院）摘要：本文通过理论推导，得到积分球输出光度值与入射积分球的功率之间的正比关系，比例系数为积分球常量 、最大光视效能 和人眼视见函数在激光波长处的值 （）的乘积；搭建积分球激光功率测量系统，并进行实验验证；分析了该系统的精度及其局限性。关键词：积分球；激光功率；波长 ：，（）：；引言现有激光器功率定量检测是采用探测器实现，但探测器的面积和价格呈指数级增长，实际使用时存在激光器发光面积不集中或多个分散激光光源功率检测的需求，若使用超大面积的探测器，则
2、成本较高。因此，采用积分球进行激光器功率检测，不仅可利用现有小面积探测器，实现对大发光面积的激光功率检测，而且对激光功率有定量衰减功能，能有效增大现有光功率计仪器的最大激光功率探测范围。激光辐射功率和功率不稳定度测试方法 提出了大发散角激光辐射连续功率测试方法。该方法是采用积分球收集激光辐射，得到正比于入射通量的照度后，使用位于积分球壁上的激光探测器进行测试。但该标准并未给出理论推导以及所测照度与入射激光功率的定量关系。因此，本文对该方法的实际可行性进行验证。积分球式激光功率计已多用于商用产品 。本文主要探讨积分球输出光度值与入射积分球的功率之间的关系，通过实验验证理论值与实际值之间的差异，并
3、分析原因。工作原理与实验方法 工作原理根据积分球原理，将大角度激光入射至积分球内，积分球内壁任意位置处（入射光未直接照射的点）的光照度与进入积分球的光通量成正比 ，即：（）（）式中：光照度；光通量；积分 计量与测试技术 年第 卷第 期球内壁漫反射系数；积分球内壁半径；积分球开孔比。辐射通量与相应视见函数的乘积为光通量。由于激光具有单色性，因此：?（）（）（）（）（）式中：最大光视效能，且 ；（）人眼视见函数；辐射通量，；积分球入射激光功率；激光波长。由于（），因此：（）式中：（）为常量，。由此可知，积分球内壁光照度与入射激光功率成正比。且不同的激光波长，比例系数不同，比例系数正比于 （）函数，
4、如图 所示。因此，可通过测量积分球内壁的光照度推算入射激光功率。?图 （）函数曲线 实验条件与方法系统构成如图 所示 。实验采用 积分球，标准光度计，光照度溯源范围（），（）；激光器波长 、；功率计 ，进行验证理论推导的正确性，以及不同波长的比例系数 的实验数据与理论值的差别，如表 、表所示。?图 系统构成表 系统各参数值参数量值 （）（为开孔面积）表 不同波长的比例系数 理论值波长（）比例系数（）波长（）比例系数（）波长（）比例系数（）实验结果 、时，实测数据及积分球输入光功率 输出光照度如表 表、图 所示。表 的实测数据输入功率 （）输出光照度 （）比例系数 （）平均值 李凤娇等：积分球技
5、术在激光功率测量中的应用研究表 的实测数据输入功率 （）输出光照度 （）比例系数 （）平均值 表 的实测数据输入功率 （）输出光照度 （）比例系数 （）平均值?图 积分球输入光功率 输出光照度实验用 激光器入射积分球时，光度探测器无法检测有效值。如表 所示，根据理论计算结果，比例系数（），即在激光功率达到 级时，光度探测器仅能接收较弱的光照度。因此，当激光波长超出可见光波长范围时，该系统测量激光功率不再适用。表 理论值与实验结果（）（）比例系数 理论值（）比例系数 实验结果（）结果与讨论 测量模型 实验结果的不确定度来源与评定 照度测得值引入的不确定度（）由光度计溯源可得：（）（）则：（）系统
6、结构引入的误差不确定度（）根据表 可知，实验值与理论值的相对示值误差最大约 。假设服从均匀分布，则：（）槡 波长准确性引入 （）的误差不确定度由于可通过激光波长计精确测量入射激光波长及 （）函数插值方法减少，因此可忽略。合成标准不确定度根据 测量不确定度评定与表示，由于各分量互不相关，因此：（）（）（）（槡）扩展不确定度（）（）实验结果分析（）根据 中：“用位于积分球壁上的激光探测器测试该照度。”经实验验证，半径 的积分球，在毫瓦级的激光输入下，用同量程的激光功率计基本无法检测输出激光功率。其（下转第 页）计量与测试技术 年第 卷第 期小功率 光强计的 平均发光强度修正因子为：（）表 标准管直
7、接测量法校准数据 标准标准值 测量值 相对示值偏差修正因子条件 （）条件 （）平均发光强度测量的光谱失配修正当 光强计测量的 管与校准时选择的 标准管（标准灯）的相对光谱功率分布不同时，按式（）进行光谱失配修正：，（）式中：，、，、分别为 平均发光强度修正后的测量值、光度计测量显示值和光谱失配修正因子。小功率 光强计光度探头的相对光谱响应与测量的 的相对光谱功率分布需提前获得。（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：（）、（）被测 管和标准标准 管（标准灯）的相对光谱功率分布；（）光度探头的相对光谱响应度；（）明视觉光谱光视效率。结论（）标准管直接测量法选择的标准 管与业界常见的被测 产品具
8、有较为接近的形式和光谱功率分布，在充分考虑测量不确定度的情况下，通过校准给出不同的修正因子，避免了严格光谱失配修正，简化了 测量对人员的专业要求和操作的复杂性。（）标准光度计比较法通过提前获得的光度计光谱响应和被测 的光谱分布提前进行光谱失配修正，降低了光谱失配引入的测量不确定度，并将光度计直接溯源至现有的以卤钨灯为主的国家光度计量基标准，使用者可选择确定量值的被测 对光度计测量结果进行不定期比对验证。综上所述，针对 光强计当前校准和测量应用，两种校准方法都可保证 测量结果可溯源至国家光度计量基标准，且方便测量应用。参考文献 康品春，周萍 测量用光谱辐射计的校准研究 中国照明电器，（）：发光强
9、度测试仪 刘建，刘慧，赵伟强，等 测量距离对发光二极管平均发光强度的影响 光学学报，（）：刘慧 计量与测试 照明工程学报，（）：小功率 单管校准规范 （上接第 页）原因是：积分球对激光功率有定量衰减功能，实验所搭建的系统衰减比例较大，导致输出功率无法测量；且根据推导，无法直接得到输出激光功率与输入功率之间的理论关系。因此，该描述较为模糊，容易造成误导。（）所用的积分球激光功率测量系统，只适用于可见光波长范围（）的激光功率测试。因此，超出该范围时，可考虑对其他波段有响应的光度探测器。（）通过分析可知，系统测得值的不确定度来源于激光源的不稳定性、光度探测器的示值不确定度、环境光的干扰及对系统造成影
10、响的其他不确定性因素。因此，可采用相应措施，提高系统各部分的测量精度，从而减小实际测量与理论值差异。结语综上所述，本文根据现有针对大发光面积的激光功率检测的标准，对采用积分球进行激光器功率检测的原理进行推导及实验验证。实验证明：该系统具有准确性。但为了提高测量系统的适用性，需探索稳定性和准确性更高的测量方法。参考文献 激光辐射功率和功率不稳定度测试方法 陈端云，苏素燕，林茜，等 光功率计发展现状的探讨与研究 计量与测试技术，（）：颜台永 积分法测量光通量的原理 福建轻纺，（）：张芳，高教波，王军，等 积分球光谱辐射度建模与实验分析 应用光学，（）：袁林光，占春连，卢飞，等 大口径积分球光源绝对辐射定标技术研究 应用光学，（）：康品春：光强计校准方法研究
