Измеритель мощности лазерного излучения
LASER RADIATION POWER METER

Изобретение относится к области оптических измерений, а именно к энергетической фотометрии, и может быть использовано для проведения измерений больших уровней средней мощности коллимированного лазерного излучения.
2
В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция быстрого развития и расширения серийного промышленного выпуска волоконных лазеров, в том числе, с мощностью излучения, превышающей 3 кВт при плотности мощности до 3 кВт/см и диаметрах пучка 20-25 мм. Применение таких лазеров зачастую сопряжено с необходимостью измерения мощности их излучения, при этом измерительная техника должна обладать высокой стойкостью к излучению с высокой плотностью мощности. Эта задача эффективно решается с помощью измерителей излучения на основе проточных калориметров, характеризующихся развитой приемной поверхностью и обеспечивающих активную передачу поглощаемой мощности к охлаждающей жидкости.
2
Из уровня техники известен измеритель мощности лазерного излучения, содержащий поглощающую полость с входным окном, снабженную водяной рубашкой с дифференциальной термобатареей, калибровочным электронагревателем и конусным отражателем, установленным на дне полости напротив входного окна (см. патент CN 1139208, кл. G01J 1/00, опубл. 01.01.1997). Конструкция прототипа позволяет увеличить площадь поглощающей поверхности и, как следствие, уменьшить степень ее повреждения. Большая апертура позволяет устройству работать с лазерами большой мощности, но не предохраняет его от разрушения при высокой локальной плотности этой мощности (порядка 3 кВт/см). Такая плотность мощности для прототипа является запредельной, как в части стойкости поглощающей полости к излучению, так и в части теплоотдачи от стенок каналов водяной рубашки к охлаждающей жидкости. Кроме того, используемый алгоритм измерительного процесса предусматривает абсолютные измерения параметров расхода и температуры жидкости, а также напряжения и тока электрической калибровки, что требует не только проведения автономных независимых периодических поверок всей входящей в состав измерителя аппаратуры, но и пополняет бюджет его погрешности случайными и систематическими составляющими.
2
Таким образом, технической проблемой является создание высокоточного измерителя мощности для лазерного излучения с диаметром пучка до 25-30 мм и уровнем средней мощности до 3-4 кВт при плотности до 3 кВт/см, а также сокращение номенклатуры используемой измерительной техники и упрощение алгоритма измерительного процесса с автоматическим введением поправок на изменения расхода и температуры жидкости и достижением погрешности на уровне 2-4%.
В предлагаемом измерителе мощности лазерного излучения, содержащем поглощающую полость с входным окном, снабженную водяной рубашкой с дифференциальной термобатареей, калибровочным электронагревателем и конусным отражателем, установленным на дне полости напротив входного окна, указанная полость образована двумя соосными цилиндрическими частями большего и меньшего диаметров и в осевом сечении имеет Т-образный профиль, причем входное окно выполнено в передней стенке части меньшего диаметра, а конусный отражатель установлен на задней стенке части большего диаметра. Измеритель мощности предпочтительно снабжен подключенным к водяной рубашке контрольным подогревателем воды с дополнительными дифференциальной термобатареей и калибровочным электронагревателем. Входной патрубок водяной рубашки предпочтительно подведен к вершине конусного отражателя.
Совокупность изложенных признаков позволяет решить вышеуказанную техническую проблему и получить технический результат, заключающийся в повышении допустимого уровня мощности (в том числе, плотности мощности) измеряемого лазерного излучения.
На чертеже представлена схема предлагаемого измерителя мощности.
Поглотитель предлагаемого измерителя мощности лазерного излучения выполнен в виде алюминиевой поглощающей полости 1 в форме тела вращения, снабженной кольцевыми каналами водяной рубашки 2 и бифилярной обмоткой калибровочного электронагревателя 3, отгороженной от окружающей среды алюминиевым тепловым экраном 4, имеющим с алюминиевым корпусом поглотителя хороший тепловой контакт. Полость 1 в осевом сечении имеет Т-образный профиль, образованный цилиндрической частью 5 меньшего диаметра (~30 мм) с входным окном 6 в передней стенке и соосной ей цилиндрической частью 7 большего диаметра (~300 мм) с зеркально полированным отражателем 8, установленным на ее задней стенке на дне полости 1 напротив входного окна 6. Отражатель 8 выполнен в виде конуса с углом при вершине 90° и диаметром основания, несколько превышающим диаметр окна 6. К вершине отражателя 8 подведен входной патрубок водяной рубашки 2. Внутренний диаметр части 5 несколько превышает диаметр окна 6, а высота цилиндра части 7 несколько превышает величину радиуса окна 6. Все внутренние поверхности обеих частей 5, 7 поглощающей полости 1 (за исключением зеркально полированной поверхности отражателя 8) снабжены поглощающим покрытием с коэффициентом поглощения 0,93-0,95%. Электронагреватель 3 имеет токовые и потенциальные электрические выводы 9, обеспечивающие возможность оперативного подключения внешней электроаппаратуры. Входной и выходной патрубки водяной рубашки 2 охвачены дифференциальной термобатареей 10.
Для повышения точности измерений предлагаемый измеритель мощности снабжен контрольным подогревателем воды 11, вход которого подключен к водопроводной сети, а выход - к водяной рубашке 2. Патрубки ввода и вывода воды контрольного подогревателя 11 охвачены дополнительной дифференциальной термобатареей 12. Для нагрева воды в подогревателе 11 используют бифилярную обмотку дополнительного константанового калибровочного электронагревателя 13, отгороженную от окружающей среды тепловым алюминиевым экраном 14, имеющим с алюминиевым корпусом подогревателя 11 хороший тепловой контакт. Нагревающий воду электрический ток через электрические выводы 15 подается в бифилярную обмотку электронагревателя 13 от стабилизированного источника тока 16 небольшой мощности. Для электрического соединения цепей обмотки электронагревателя 13 и источника тока 16 используют контакты, доступные для оперативной коммутации.
Заявленное устройство работает следующим образом.
На вход контрольного подогревателя воды 11 от водопроводной сети подают воду, которая, пройдя всю гидравлическую систему измерителя мощности, уходит в систему слива. Затем включают источник тока 16 и, после завершения переходного теплового процесса в контрольном подогревателе 11, регулируют подачу в него воды, ориентируясь по заданному значению сигнала термобатареи 12, соответствующему нагреву воды на 1,5-2°С. После завершения переходного теплового процесса, фиксируют уровень сигнала термобатареи 12 в контуре контрольного подогревателя 11 и подают измеряемое высокоинтенсивное коллимированное лазерное излучение в поглощающую полость 1 через входное окно 6. Юстировкой оптической системы обеспечивают выполнение условия соосности лазерного пучка с осью полости 1. Достигнув зеркальной поверхности отражателя 8, лазерное излучение отражается от него под углом 90° и распространяется по полости 1, расширяясь только в радиальном направлении и увеличиваясь в сечении, но оставаясь при этом параллельным в горизонтальном направлении. Таким образом, при взаимодействии излучения с наиболее удаленной цилиндрической поверхностью части 7 плотность его мощности уменьшается до 15-20 раз и не представляет опасности для этой поверхности. Тем не менее, благодаря небольшой высоте цилиндра части 7, ее поглощательная способность как фрагмента полости 1 остается высокой, а параллельные слои входящего в нее от конуса излучения проходят через нее, не задевая ее плоских стенок.
В свою очередь, дополнительно ослабленное на 90-95% диффузно отраженное от поглощающего покрытия части 7 излучение попадает на черненые плоские боковые поверхности полости 1 и, после последующих переотражений от них и черненых поверхностей части 5, практически полностью в ней поглощается. При этом развитая цилиндрическая поверхность части 7 позволяет оптимально решить задачу передачи тепла поглощаемого излучения от стенок каналов водяной рубашки 2 к протекающей воде.
К
П
После завершения переходных процессов, начинают синхронно фиксировать сигналы термобатарей 12 и 10 в контурах контрольного подогревателя воды Е и поглотителя Е, оценивая при этом мощность воздействующего на заявляемый измеритель излучения Р исходя из зависимости:
ЭК
П
К
Р=Р⋅Е/Е,
ЭК
где Р - мощность, выделяемая электрическим током стабилизированного источника 16 при его постоянном протекании через стабильное электрическое сопротивление обмотки константанового электронагревателя 13 контрольного подогревателя воды 11.
Таким образом могут проводиться многократные последовательные единичные измерения мощности лазерного излучения с определением их средних значений и оценкой стандартных отклонений. При этом величина выборки наблюдений может определяться конкретными условиями измерений и зависеть от требований к их точности.
Однако такой алгоритм измерительного процесса допустим лишь при полной идентичности чувствительности дифференциальных термобатарей 12 и 10, что не всегда достижимо. Поэтому в приведенную ранее формулу косвенных измерений мощности лазерного излучения дополнительно вводят поправочный коэффициент К, после чего она приобретает окончательный вид:
ЭК
П
К
Р=Р⋅Е/Е⋅К.
ЭК
Таким образом, решение поставленной проблемы требует точной оценки выделяемой в контрольном нагревателе мощности электрического тока Р, которая в данном случае приобретает функцию, подобную «эталонной», а также определения поправочного коэффициента К.
Эта задача может решаться как оптическими, так и электрическими методами на стадии периодических поверок заявляемого устройства с применением внешней измерительной аппаратуры.
В случае определения К с использованием электрических стандартов (что допустимо благодаря высокой поглощательной способности полости 1) к токовой паре электрических выводов 9 через внешний амперметр подключают выводы внешнего мощного источника тока, а к потенциальной паре выводов 9 - внешний вольтметр с требуемыми пределами измеряемого напряжения. Корме того, используя токовые и потенциальные пары выводов 15, разрывают один из токовых контактов соединения его с источником тока 16 и вновь их соединяют, но уже через внешний амперметр. При этом потенциальную пару выводов 15 также подключают к внешнему вольтметру.
Затем подают ток от мощного внешнего и собственного 16 источников тока
П
П
K
K
П
К
соответственно в обмотки электронагревателей 3 и 13 и фиксируют показания внешних амперметров и вольтметров в цепях поглотителя (соответственно, I и U) и контрольного подогревателя (I и U), а также сигналы охватывающих их гидравлические контуры дифференциальных термобатарей 10 и 12 (Е и Е). При этом принимаемую за «эталонную» постоянную мощность источника тока 16 оценивают по формуле:
ЭК
K
K
Р=I⋅U.
Для определения поправочного коэффициента К проводят оценку воздействующей на поглотитель мощности двумя путями. В одном случае ее определяют, используя зависимость:
П
П
П
P=I⋅U,
а, во втором, - выражение:
ЭК
П
К
Р=Р⋅Е/Е.
П
Значение К определяют как отношение К=Р/Р.
Э
П
Э
В случае определения К с использованием оптических методов, в поглотитель подают лазерное излучение, уровень средней мощности которого Р определяется при передаче измерителю ее единицы при сличении с ее рабочим эталоном при очередной поверке. В этом случае, Р=Р, остальной алгоритм определения К остается аналогичным описанному выше.
П
При этом на стадии поверочных работ, в зависимости от требований потребителей к точности измерителя, могут проводиться не только метрологические операции оценки К как постоянной величины, но и исследования ее зависимости от различных факторов, например от уровня мощности лазерного излучения и представления ее в виде графика функции зависимости от уровня сигнала Е дифференциальной термобатареи 10. Это позволяет даже при минимизированном составе аппаратуры измерителя, реализовывать алгоритмы измерительных процессов с автоматическим режимом обработки информации и, за счет исключения некоторых составляющих систематической погрешности заявляемого устройства, повысить его точность.
2
Таким образом, заявленное устройство позволяет расширить диапазон измерений мощности с 2 до 4 кВатт и довести допустимую плотность мощности до 3 кВт/см. При этом исключение средств абсолютных измерений электрического тока и напряжения, температуры воды на входе и выходе поглотителя и ее расхода, а следовательно, и их систематических погрешностей упрощает поверку предлагаемого измерителя мощности, снижает его себестоимость и эксплуатационные расходы.
Указанные преимущества достигаются за счет:
- уменьшения в 15-20 раз плотности мощности лазерного излучения на участке его первого взаимодействия с поверхностью полости 1 за счет применения первично взаимодействующего с мощным коллимированным лазерным излучением отражателя 8, полностью (за исключением поглощаемой алюминиевым зеркалом доли) переотражающего попадающее на него лазерное излучение на развитую цилиндрическую поверхность части 7;
- автоматического постоянного учета изменений расхода охлаждающей воды за счет использования контрольного подогревателя воды 11, содержащего стабилизированный источник тока 16 известной мощности и дополнительную дифференциальную термобатарею 12, адекватно реагирующую на уровень ее нагрева;
- применения дифференциальной термобатареи 10, адекватно реагирующей на уровень нагрева воды в поглотителе;
- экранирования бифилярных обмоток электрических нагревателей 3 и 13 алюминиевыми экранами 4 и 14, возвращающими уходящее в окружающую среду тепло в алюминиевые корпуса поглотителя и подогревателя 11 и повышающими таким образом эквивалентность замещения мощности излучения мощностью электрического тока;
- наличия доступных для коммутирования электрических выводов 9 и 15, позволяющих при поверках производить подключения внешней электротехнической аппаратуры, не включая ее в штатный состав измерителя мощности;
- выбранной схемы охлаждения, согласно которой отражатель 8, находящийся под воздействием максимальной мощного пучка лазерного излучения, эффективно охлаждается струей воды, бьющей в его вершину и препятствующей образованию значительного пристеночного ламинарного слоя (одного из основных факторов, подавляющих интенсивность теплообмена между стенкой и водой).