Эталонная и испытательная база в области фотоники

Эталонная и испытательная база

в области фотоники

Резюме. Представлены результаты совместной деятельности Института физики НАН Беларуси и БелГИМ по созданию и модернизации эталонов единиц физических величин в области фотоники и оптической радиометрии, а также установок высокой точности, позволяющих измерять энергетические, временные, пространственные, спектральные и поляризационные характеристики оптического излучения. Ключевые слова: эталон, лазерное излучение, оптическая радиометрия.

Быстрорастущий рынок лазерных и оптоэлек-тронных изделий не может развиваться без современного метрологического обеспечения [1], которое включает в себя формирование технической (эталонной, измерительной и калибровочной) и методической базы, нормативных документов, аккредитацию и непосредственно метрологическое обслуживание техники по заказам предприятий и организаций.

Основой системы обеспечения единства измерений служат эталонная база страны и регламентированный порядок воспроизведения и передачи размеров единиц соответствующих величин до уровня рабочих средств измерений (СИ). Развитие эталонной базы в области лазерной техники (ЛТ) и оптоэлектроники в республике началось с создания в 2000 г. в БелГИМ национального эталона координат цвета, единиц спектральных коэффициентов направленного

пропускания и диффузного отражения в диапазоне длин волн от 0,2 до 2,5 мкм.

Затем Институтом физики совместно с БелГИМ был разработан национальный эталон единиц силы света и освещенности [2]. Модернизация эталона в 2008-2010 гг. позволила обеспечить единство измерений фотометрических и колориметрических параметров не только ламп накаливания, но и других типов источников освещения, в том числе энергосберегающих [3, 4]. Эталон предназначен для хранения и воспроизведения размера единиц силы света, цветовой и коррелированной цветовой температур источников света и создаваемой ими освещенности. С его помощью осуществляются исследования метрологических характеристик и калибровка светоизмерительных ламп, люксметров, яркоме-ров, колориметров, фотометров, блескомеров и телевизионных колориметров.

В 2004 г. Институтом молекулярной и атомной физи-

ки НАН Беларуси, который сейчас входит в состав Института физики, был разработан национальный эталон единицы длины - метра - в области аттестации источников излучений и средств измерений длин волн 0,63 мкм.

Институтом физики в 2005 г. был создан эталон единицы средней мощности лазерного излучения (ЛИ) в спектральном диапазоне от 0,4 до 12,0 мкм, предназначенный для обеспечения единства измерений, хранения и воспроизведения размера единицы средней мощности ЛИ в диапазоне от 50 до 1300 мВт и передачи эталонам более низкого разряда на фиксированных длинах волн [1, 2].

БелГИМ в сотрудничестве с Институтом физики в 2006-2007 гг. был разработан исходный эталон единиц белизны, калибровочные и измерительные возможности которого подтверждаются прослеживаемостью до международной единицы белизны - эталона первого уровня ISO IR1 [2]. Использование прибора обеспечивает единство измерений яркости по ISO R457 и индекса белизны по МКО W10 на предприятиях бумажной, текстильной и химической промышленности республики в соответствии с требованиями отечественных стандартов, гармонизованных с международными нормами.

Позже, в 2009 г., был создан национальный эталон единицы спектральной чувствительности приемников излучения [2, 5], предназначенный для воспроизведения, хранения и передачи в спектральном диапазоне от 350 до 1100 нм ее размера подчиненным эталонам и рабочим СИ, применяемым в опто-электронике и лазерной технике, приборостроении, медицине, телевизионной технике и т.д.

Фото Ольги КИЕВЛЯКИС

Вячеслав Длугунович,

заведующий Центром испытаний лазерной техники Института физики НАН Беларуси, доктор физико-математических наук

Фото Ольги КИЕВЛЯКИС

Анатолий Исаевич,

заместитель заведующего Центром испытаний лазерной техники Института физики НАН Беларуси, кандидат физико-математических наук

Фото Ольги КИЕВЛЯКИС

Сергей Никоненко,

старший научный сотрудник Центра испытаний лазерной техники Института физики НАН Беларуси

Тема номера

В 2014 г. Институт физики совместно с БелГИМ завершил разработку эталона единиц средней мощности, ослабления и длины волны оптического излучения (в диапазонах от 1-10"11 до 1-10-2 Вт, от 0,05 до 60,00 дБ и от 0,85 до 1,70 мкм соответственно) для волоконно-оптических систем связи и передачи информации (рис. 1), который постановлением Госстандарта был утвержден в качестве национального [6].

В этом году планируется создание эталона единицы светового потока непрерывного излучения, предназначенного для воспроизведения, хранения и передачи нижестоящим по рангу эталонам и рабочим СИ единицы светового потока в диапазоне от 500 до 1500 Лм. После введения его в эксплуатацию БелГИМ сможет полностью удовлетворить потребности организаций и предприятий Беларуси в обеспечении единства измерений фото- и колориметрических величин в оптоэлектронике.

Ниже эталонов по поверочной схеме располагаются измерительные и калибровочные установки, необходимые для определения характеристик изделий лазерной и оптоэлек-тронной техники и используемых СИ. Они обладают более широкими диапазонами значений величин, однако выполняют измерения с более высокой неопределенностью.

В Институте физики созданы 14 установок высокой точности, применяемых при аттестации изделий лазерной и оптоэлектронной техники и калибровке СИ. Приборы располагаются в Центре испытаний лазерной техники, аккредитованном на проведение испытаний и калибровки. Основные характеристики ЛИ, которые должны указываться в технической документации

на ЛТ, определены в стандарте СТБ ИСО 11252-2005. Их можно разделить на пять групп: энергетические, временные, пространственные, спектральные и поляризационные.

Для определения энергетических параметров ЛИ разработано 4 установки. Одна из них предназначена для измерения средней мощности непрерывного и импульсно-периодического ЛИ в динамическом диапазоне от 10-8 до 100 Вт с относительной стандартной неопределенностью, не превышающей 2% в спектральном диапазоне от 0,2 до 10,6 мкм, а также калибровки СИ средней мощности излучения. Другая служит для определения энергии импульсного ЛИ и калибровки соответствующих СИ (динамический диапазон - от 10-9 до 100 Дж, спектральный - от 0,4 до 10,6 мкм). Оставшиеся две позволяют измерять стабильность мощности и энергии ЛИ в соответствии с требованиями стандарта ГОСТ ИСО 11554-2007 [1].

В установке для определения временных энергетических характеристик импульсного ЛИ применена параллельная схема измерений, при которой излучение с помощью делительной пластины одновременно попадает на джоульметр для установления значения энергии импульса и на фотоприемник, выход которого подсоединен к цифровому осциллографу [1]. Это позволяет контролировать основные энергетические и временные параметры различных типов импульсных лазеров малой и средней мощности. В этом году будет завершена модернизация оборудования, что позволит определять характеристики импульсного ЛИ в спектральном диапазоне от 0,2 до 10,6 мкм с длительностью импульсов излучения от 10-10 до 0,25 с и энергий импульсов от 10-9 до 1 Дж.

В установке для измерений параметров ослабителей ЛИ

коэффициенты ослабления определяются из соотношения средней мощности лазерного излучения, падающего и прошедшего через ослабитель. Имеется возможность измерения коэффициентов ослабления ослабителей оптического излучения двух типов: динамического (механические ослабители с вращающимся сектором) и статического (абсорбционные ослабители). Предельная относительная погрешность измерения коэффициента ослабления не превышает 3% в диапазоне его значений от 1 до 100 [1].

Установка для определения пространственных характеристик ЛИ в спектральном диапазоне от 0,4 до 1,8 мкм предназначена для измерения пространственного распределения интенсивности (плотности мощности или энергии) ЛИ в ближней и дальней зоне, его однородности, формы и эффективных размеров пучка в заданном месте распространения, положений перетяжек пучка и центроида, углов расходимости пучка в дальней зоне, соотношения с гауссовым пучком, параметра качества пучка при проведении испытаний различных типов лазеров [1].

Комплекс для измерений спектральных характеристик ЛИ, созданный в соответствии с требованиями стандарта СТБ ИСО 13695-2005, состоит из трех установок [7]. С помощью первой определяют параметры (среднюю взвешенную длину волны, среднеквадрати-ческую спектральную ширину полосы излучения, зависимость длины волны ЛИ от температуры и условий работы) широкополосных лазеров. Вторая нужна для установления характеристик (центральной длины волны, среднеквадрати-ческой спектральной ширины

полосы линейчатого спектра, межмодового расстояния, числа продольных мод внутри указанной спектральной полосы, коэффициента подавления боковой моды, зависимости длины волны ЛИ от температуры и условий работы) много-модовых лазеров. Третья - для измерений параметров (длины волны пиковой интенсивности, спектральной ширины линии, коэффициента подавления боковой моды, дисперсии Алана, зависимости смещения длины волны ЛИ от температуры и условий работы) одночастотных лазеров.

С помощью установки для определения поляризационных параметров ЛИ (рис. 2) можно определить значение сдвига фаз ортогонально поляризованных компонент излучения в оптических элементах лазерных систем, контролировать основные поляризационные характеристики непрерывных лазеров: нормированные параметры Стокса, степень поляризации, разность фаз ортогонально поляризованных компонент излучения, азимут и угол эллиптичности поляризации ЛИ. Жидкокристаллические фазовые пластинки (ЖКП) служат для установления заданной разности фаз между поляризованными компонентами падающего на них излучения. Время перехода от одного значения разности фаз к другому осуществляется не более чем за 20 мс. В отличие от фазовых пласти-

нок с постоянной разностью фаз (Х/4 или }Л) для заданной длины волны излучения ЖКП позволяют создать требуемую разность фаз в широком спектральном диапазоне. Применяются четыре вида ЖКП, предназначенные для работы в следующих спектральных диапазонах: 400-700, 650-950, 900-1250 и 1200-1700 нм. Управление пластинками осуществляется с помощью программного обеспечения.

Комплекс для измерений фото-, радио-, спектрорадиоме-трических и пространственных характеристик твердотельных источников излучения состоит из двух установок [9]. На первой проводят испытания по пространственному распределению интенсивности излучения лазерных диодов, силы света светодиодов и свето-

5ее: http://innosfera.by/2015/02/photonics Литература

1. Длугунович В. А., Снопко В. Н. Метрологическое обеспечение лазерной техники в Республике Беларусь // Наука и инновации. 2007, № 7 (53). С. 27-32.

2. Галыго А. В., Длугунович В. А., Исаевич А. В., Никоненко С. В., Снопко В. Н., Тарасова О. Б., Хайрова Н. В. Эталонная база Республики Беларусь в области оптической радиометрии // Приборы и методы измерений. 2010, № 1. С. 131-140.

3. Лысенок О. Н., Никоненко С.В, Скумс Д.В, Тарасова О. Б., Хайрова Н. В. Модернизация эталона единиц силы света и освещенности. Разработка и изготовление колориметрического блока // Метрология и приборостроение. 2011, № 1. С. 12-15.

4. Длугунович В. А., Никоненко С. В., Тарасова О. Б. Измерение освещенности в диапазоне от 0,001 до 1,000 Лк // Приборы и методы измерений. 2013, № 1(6). С. 121-125.

5. Тарасова О. Б., Хайрова Н. В., Никоненко С. В., Снопко В. Н. Национальный эталон единицы спектральной чувствительности приемников излучения // Метрология и приборостроение. 2010, № 2. С. 6-12.

6. Длугунович В. А., Глазов А. И., Исаевич А. В., Козаченко М. Л., Никоненко С. В., Тихомиров С. В., Холенков А. В. Эталон единиц средней мощности, ослабления и длины волны оптического излучения для волоконно-оптических систем связи и передачи информации // Метрология-2014: тезисы докладов междунар. науч.-техн. конф., Минск, 3-4 апреля 2014 г. С. 143-147.

7. Исаевич А. В., Черников В. С., Холенков А. В. Комплекс установок для измерения спектральных характеристик лазерного излучения // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 2008, № 6. С. 137-145.

8. Жумарь А. Ю., Исаевич А. В., Круплевич Е. А., Снопко В. Н., Холенков А. В. Метрологическая установка для измерения поляризационных характеристик лазерного излучения и сдвига фаз ортогонально поляризованных компонент излучения в оптических элементах лазерных систем // Лазерная физика и оптические технологии: VIII Междунар. науч. конф., Минск, 27-30 сентября 2010 г.: сб. науч. тр. конф. в 2 томах. Т. 1. С. 346-349.

9. Никоненко С. В., Данильчик А. В., Длугунович В. А., Ждановский В. А., Крейдич А. В., Липлянин А. А., Луценко Е. В., Ржеуц-кий Н. В. Комплекс для измерения оптических характеристик твердотельных источников излучения в спектральном диапазоне от 250 до 900 нм // Метрология-2014: тезисы докладов междунар. науч.-техн. конф., Минск, 3-4 апреля 2014 г. С. 196-200.

диодных осветителей и определяют усредненную силу света светодиодов. Вторая позволяет измерять спектральные плотности энергетической освещенности и энергетической яркости излучения светодиодов, а также других источников излучения в спектральном диапазоне от 200 до 900 нм.

Таким образом, в республике создана основа эталонной базы метрологического обеспечения лазерной и оптоэлектронной техники. Необходимо развивать и модернизировать ее, чтобы улучшить качество высокотехнологичных оптико-механических и оптико-электронных приборов, изделий, узлов и лазерных систем белорусского производства, способствовать их выходу на международный рынок и повышению их конкурентоспособности. СИ

Рис. 1.

Национальный эталон единиц средней мощности, ослабления и длины волны оптического излучения для волоконно-оптических систем связи и передачи информации

Рис. 2.

Установка

для определения

поляризационных

характеристик

лазерного

излучения