Комплекс для неразрушающего измерения насыщения поглощения оптических материалов
COMPLEX FOR NON-DESTRUCTIVE MEASUREMENT OF ABSORPTION SATURATION OF OPTICAL MATERIALS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Изобретение относится к области оптических измерений, а именно к измерительным комплексам, предназначенным для измерения пропускания оптических материалов в режиме реального времени в зависимости от энергии падающего излучения.
[0002] По зависимости величины пропускания определяются следующие характеристики насыщения поглощения исследуемого образца: энергия насыщения, амплитуда модуляции.
[0003] Заявляемое изобретение может найти применение в научных лабораториях и лаборатория контроля качества оптических элементов ультракоротких импульсов для неразрушающего экспресс-анализа оптических материалов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0004] Известно измерительное устройство для измерения коэффициента двухфотонного поглощения, которое может также использоваться для измерения насыщения поглощения, включает источник лазерного излучения, выполненный с возможностью разделения лучей, один из которых используется в качестве контрольного лазерного луча, светоделитель, который использует второй луч в качестве измерительного лазерного луча, светосборник, который собирает падающий измерительный лазерный луч и направляет его в оптический материал, детектор проходящего света для определения интенсивности проходящего света измеряемого лазерного излучения, прошедшего через оптический материал, блок управления оптическими измерениями, включающий в себя блок управления оптической системой, который регулирует оптическую систему так, чтобы падающий лазерный свет фокусировался в каждой области измерения (патент JP5673948B2, дата публикации 18.02.2015).
[0005] Недостатком данного устройство является высокое термическое воздействие на исследуемый объект, что не обеспечивает надежного определения оптических характеристик из-за перегрева образца. Также перегрев образца может привести к его повреждению и невозможности его дальнейшего использования.
[0006] Известна система проверки нелинейных свойств оптических материалов, которая включает в себя блок лазерного вывода для вывода света накачки и обнаружения света; первый блок обработки для обработки света накачки и вывода света накачки на тестируемый образец; второй блок обработки света, используемый для обработки света обнаружения и получения первого света обнаружения и второго света обнаружения, и первый свет обнаружения выводится на тестируемый образец; блок детектирования энергии, который содержит первый детектор энергии и второй детектор энергии, при этом первый детектор энергии получает первое значение энергии первого детекторного света, прошедшего от тестируемого образца, а второй детектор энергии получает второе значение энергии выход второго светового детектирования из второго модуля обработки света; блок вычислительной обработки, который получает свойство оптической нелинейности тестируемого образца в соответствии с первым значением энергии и вторым значением энергии (заявка CN108593604A, дата публикации 28.09.2018).
[0007] Недостатком устройства является высокая термическая нагрузка на исследуемый образец при измерении нелинейного коэффициента поглощения, что не обеспечивает надежного определения оптических характеристик из-за перегрева образца. Также перегрев образца может привести к его повреждению и невозможности его дальнейшего использования.
[0008] Известно устройство для измерения линейного поглощения и нелинейного поглощения материала, которое включает в себя лазер накачки, первый аттенюатор, светоделитель, первое зеркало, второе зеркало, первую длинную фокусирующую линзу, трехмерную подвижную платформу для размещения испытуемого образца, поглощающую ячейку, измеритель мощности, размещенный на пути отраженного света светоделителя (патент CN107192670B, дата публикации 18.10.2019).
[0009] Недостатком устройства является вероятность термического повреждения исследуемого образца при облучении его излучением высокой интенсивности.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0010] Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании измерительного комплекса, снижающего тепловую нагрузку на исследуемый образец оптического материала в ходе измерения такой характеристики как пропускание в зависимости от подаваемой энергии излучения, а также обеспечивающего прецизионное измерение переходных процессов в оптических материалах. По зависимости величины пропускания от подаваемой энергии излучения определяются параметры насыщения поглощения образца: энергия насыщения, амплитуда модуляции.
[0011] Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в уменьшении термической нагрузки на исследуемые образцы оптического материала и повышение скорости получения данных за счет объединения медленных аттенюаторов и быстродействующих модуляторов для формирования сканирующего излучения.
[0012] Заявляемый технический результат достигается за счет того, что комплекс для неразрушающего измерения насыщения поглощения оптических материалов включает в себя связанные волоконно-оптическими соединениями источник (1) импульсного оптического излучения, оптический усилитель (2), первый оптический делитель (3) с делением 90/10, первый электронно-управляемый аттенюатор (4), акустооптический модулятор (5), второй оптический делитель (6) с делением 50/50, делящий импульс на два оптических канала - оптическую линию задержки (7) длиной L и место установки исследуемого образца (8) - часть оптического канала, в который размещается исследуемый образец (8) с помощью волоконно-оптического соединения, третий оптический делитель (9) с делением 50/50, суммирующий импульсы, прошедшие оптическую линию задержки (7) и исследуемый образец (8), таким образом, что между импульсами одного цуга, прошедшего через исследуемый образец (8), встраиваются импульсы, прошедшие через оптическую линию задержки (7), причем длина L оптической линии задержки (7) выбирается такой, чтобы при суммировании импульсов с двух оптических каналов, импульсы не накладывались друг на друга, второй электронно-управляемый аттенюатор (10), первый оптический фотодетектор (11), связанный с первым оптическим делителем (3), второй оптический фотодетектор (12), связанный с третьим оптическим делителем (9), третий оптический фотодетектор (13), связанный со вторым электронно-управляемым аттенюатором (10), при этом комплекс дополнительно включает в себя двухканальный аналого-цифровой преобразователь (14) к которому электрическими соединениями подключены второй (12) и третий (13) оптические фотодетекторы, компьютер (15), к которому подключены двухканальный аналого-цифровой преобразователь (14), первый (4) и второй (10) электронно - управляемый аттенюатор, а также генератор (16) электрических сигналов произвольной формы, к которому электрически подключены акустооптический модулятор (5) и первый оптический фотодетектор (11).
[0013] Кроме того, в частном случае реализации изобретения источник (1) импульсного оптического излучения выполняется с длительностью импульсов до 100 пс с заданной частотой следования импульсов и длиной волны.
[0014] Кроме того, в частном случае реализации изобретения акустооптический модулятор (5) выполнен с фронтами спада/нарастания менее 10 нс.
[0015] Кроме того, в частном случае реализации изобретения оптическая линия задержки (7) выполнена с длиной L=cT/2n, где c - скорость света в вакууме, n - эффективный показатель преломления сердцевины оптического волокна, T - период следования импульсов.
[0016] Кроме того, в частном случае реализации изобретения оптические фотодетекторы (11), (12), (13) выполнены с шириной полосы не менее 1 ГГц.
[0017] Кроме того, в частном случае реализации изобретения двухканальный аналого-цифровой преобразователь (14) выполнены с шириной полосы не менее 1 ГГц.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018] Осуществление изобретения поясняется следующими чертежами:
фиг.1 - схема комплекса для неразрушающего измерения насыщения поглощения оптических материалов;
фиг.2 - график зависимости пропусканию от энергии импульса.
[0019] На фиг.1 позиции имеют следующие обозначения:
1 - источник импульсного оптического излучения;
2 - оптический усилитель;
3 - первый оптический делитель;
4 - первый электронно-управляемый аттенюатор;
5 - акустооптический модулятор;
6 - второй оптический делитель;
7 - оптическая линия задержки;
8 - место установки исследуемого образца;
9 - третий оптический делитель;
10 - второй электронно-управляемый аттенюатор;
11 - первый оптический фотодетектор;
12 - второй оптический фотодетектор;
13 - третий оптический фотодетектор;
14 - двухканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
15 - компьютер;
16 - генератор импульсов произвольной формы.
[0020] Комплекс для неразрушающего измерения насыщения поглощения оптических материалов (фиг.1) включает в себя связанные волоконно-оптическими соединениями источник 1 импульсного оптического излучения, оптический усилитель 2, первый оптический делитель 3 c делением 90/10, первый электронно-управляемый аттенюатор 4, акустооптический модулятор 5, второй оптический делитель 6 с делением 50/50, оптическую линию задержки 7, место установки исследуемого образца 8, которое представляет собой часть оптического канала, в который устанавливается исследуемый образец с помощью волоконно-оптического соединения, третий оптический делитель 9 с делением 50/50, второй электронно-управляемый аттенюатор 10, первый оптический фотодетектор 11, связанный с первым оптическим делителем 3, второй оптический фотодетектор 12, связанный с третьим оптическим делителем 9, третий оптический фотодетектор 13, связанный со вторым электронно-управляемым аттенюатором 10. Также комплекс включает в себя двухканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), компьютер 15 и генератор 16 электрических сигналов произвольной формы. К двухканальному аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 14 подключены второй 12 и третий 13 фотодетекторы электрическими соединениями. Компьютер 15 производит сбор данных с АЦП 14 и осуществляет управление первым 4 и вторым 10 электронно - управляемыми аттенюаторами, а также генератором 16 электрических сигналов произвольной формы, к которому электрически подключены акустооптический модулятор 5 и первый оптический фотодетектор 11.
[0021] Источник 1 импульсного оптического излучения выполняется с длительностью импульсов до 100 пс с заданной частотой следования импульсов (диапазон от 10 до 30 МГц) и длиной волны.
[0022] Акустооптический модулятор 5 выполняется с фронтами спада/нарастания менее 10 нс.
[0023] Оптическая линия задержки 7 выполняется с длиной L=cT/2n, где c - скорость света в вакууме, n - эффективный показатель преломления сердцевины оптического волокна, T - период следования импульсов.
[0024] Оптические детекторы 11, 12, 13 выполняются с шириной полосы не менее 1 ГГц.
[0025] Двухканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 14 выполняется с шириной полосы не менее 1 ГГц.
Работа комплекса осуществляется следующим образом.
[0026] Излучение от оптического источника 1 с длительностью импульсов до 100 пс с заданной частотой следования импульсов и длиной волны проходит усиление в оптическом усилителе 2 для достижения импульсами энергии заведомо большего значения, чем теоретически предполагаемая энергия насыщения тестируемого образца. Такая короткая длительность импульса позволяет получать излучение с высоким уровнем интенсивности при малой средней мощности, что значительно снижает тепловое воздействие на исследуемый образец 8. После усиления излучение поступает на первый оптический делитель 3 с делением 90/10. Часть излучения (10%) отводится на первый (контрольно-запускающий) оптический фотодетектор 11 с шириной полосы не менее 1 ГГц. Ширина полосы оптического фотодетектора 11 выбирается исходя из необходимого временного разрешения импульсов. Малая ширина полосы оптического фотодетектора 11 может привести к низкой амплитуде напряжения на выходе фотодетектора 11, которая не будет использована генератором 16 в качестве логического запуска. Коэффициент деления 90/10 выбирается исходя из чувствительности первого оптического фотодетектора 11. Оптические импульсы должны надежно фиксироваться первым оптическим фотодетектором 11 без пропусков. Большая часть излучения (90%) отводится на первый электронно-управляемый аттенюатор 4, с помощью которого происходит контролируемое ослабление амплитуды импульсов.
[0027] Далее ослабленные импульсы подаются на акустооптический модулятор 5. Из последовательности ослабленных импульсов акустооптическим модулятором 5 с фронтом спада/нарастания менее 10 нс, формируется цуг импульсов с нарастающей амплитудой импульсов. Время нарастания/спада акустооптического модулятора 5 определяет минимально возможную длительность цуга импульсов - чем меньше длительность цуга, тем меньше термическое воздействие на исследуемый образец 8. Форма цуга оптических импульсов, а также частота следования цугов определяется формой электрического сигнала, поступающего на акустооптический модулятор 5 с генератора 16 электрических импульсов произвольной формы.
[0028] С помощью цуга импульсов с нарастающей амплитудой можно, теоретически, за один период найти зависимость пропускания от амплитуды прошедших импульсов. Для более точного определения зависимости требуется усреднение по нескольким цугам.
[0029] Тактирование генератора 16 происходит по сигналу с первого оптического фотодетектора 11.
[0030] На втором оптическом делителе 6 с делением 50/50 происходит разделение цуга импульсов, поступающего с акустооптического модулятора 5, на два оптических канала.Деление цуга импульсов на два оптических канала с одинаковой амплитудой импульсов необходимо для оптимизации обработки данных в программе компьютера 15.
[0031] Один из оптических каналов содержит оптическую линию задержки 7 с длиной L=cT/2n, где c - скорость света в вакууме, n - эффективный показатель преломления сердцевины оптического волокна, T - период следования импульсов источника излучения 1. Второй оптический канал используется для пропускания излучения через исследуемый образец 8. Длина L линии задержки 7 выбирается такой, чтобы при последующем сложении излучения с двух оптических каналов, импульсы не накладывались друг на друга.
[0032] Далее цуги импульсов, прошедшие через оптическую линию задержки 7 и исследуемый образец 8, суммируются в третьем оптическом делителе 9 с делением 50/50, который обусловлен более простой последующей обработкой сигнала в программе компьютера 15. Суммирование цугов импульсов происходит таким образом, что между импульсами одного цуга, прошедшего через исследуемый образец 8, встраиваются импульсы, прошедшие через оптическую линию задержки 7. Далее импульсы полученного цуга делятся по амплитуде. Часть импульсов (50%) попадает на второй электронно-управляемый аттенюатор 10, где возможна дополнительная регулировка амплитуды проходящих импульсов для сохранения линейного режима работы третьего оптического фотодетектора 13. Оптические импульсы в цуге несут в себе информацию о преобразовании исследуемым образцом 8 формы цуга импульсов, для последующего ее анализа. Другая часть импульсов (50%) попадает на второй (контрольный) оптический фотодетектор 12. На оптических фотодетекторах 12 и 13 происходит преобразование оптического сигнала в электрический. Электрические сигналы от фотодетекторов 12 и 13 поступают на двухканальный АЦП 14, где происходит их обработка в оцифрованной вид и передача в память компьютера 15.
[0033] Пример: амплитуда электрического сигнала после оптического фотодетектора 12 в 100 мВ после оцифровки и калибровки в двухканальном АЦП 14, в памяти компьютера 15 будет записана как число 100 (см. таблицу 1).
Таблица 1
№ импульса
Энергия импульса, пДж
Значение напряжения на фотодетекторе, мВ
Числовое значение в программе
1
2,5
1
1
2
25
10
10
3
125
50
50
4
250
100
100
…
…
…
…
[0034] На основе обработанных электрических сигналов от фотодетектора 12 обеспечивается корректировка временного профиля цуга, формируемого акустооптическим модулятором 5, за счет связи компьютер 15 - генератор 16 по протоколу USB и использованием программных библиотек, соответствующих модели генератора 16.
[0035] Корректировка профиля цуга, формируемого акустооптическим модулятором 5, на алгоритмическом уровне с использование специально разработанного программного обеспечения (далее по тексту - программа), предварительно загруженной в память компьютера 15, происходит следующим образом: обработанный с помощью АЦП 14 сигнал от фотодетектора 13 передается в память компьютера 15 в виде массива чисел, которые представляют из себя значения амплитуд импульсов в цуге (таблица 1). По этому массиву компьютер 15 восстанавливает профиль цуга, аппроксимирует его полиномом 3-й степени. Выбор этой функции обусловлен ее схожестью с функцией нелинейных потерь на пропускание акустооптического модулятора 5, информация о которой отображена в паспорте прибора. Зафиксировав отклонения от линейной формы цуга, компьютер 15 формирует в своей памяти функцию, обратную аппроксимации нелинейного профиля цуга.
[0036] Далее программа компьютера 15 создает массив данных, наполненный значением обратной функции, и отправляет его на генератор 16 импульсов произвольной формы. Оптический сигнал в акустооптическом модуляторе 5 модулируется по новому закону по сигналу от генератора 16 импульсов произвольной формы. Компьютер 15 получает новый набор данных об амплитуде импульсов в цуге, пришедших на фотодетектор 13, с АЦП 14. Программа компьютера 15 вновь проверяет линейность возрастания амплитуды цуга импульсов и проводит вышеописанные операции до тех пор, пока профиль цуга не станет линейным. Также, исходя из заданных программой цифровых уровней амплитуды импульсов, с компьютера 15 производится управляемая подстройка величин вносимых оптических потерь первого и второго аттенюаторов 4 и 10.
[0037] В результате, в памяти компьютера 15 формируются два массива данных оцифрованных амплитуд импульсов с двух оптических каналов: с исследуемым образцом 8 и с оптической линией задержки 7. Обладая информацией о точном значении коэффициентов деления оптических делителей 3, 6, 9 (точное значение коэффициентов деления указаны в паспорте делителей) и уровня вносимых оптических потерь первого и второго аттенюаторов 4 и 10, задаваемого с компьютера 15, в памяти компьютера 15 реализуется восстановление кривых пропускания исследуемого образца 8 по следующему алгоритму: берется попарное отношение значений последовательности амплитуд из первого массива данных, соответствующего оптическому каналу с исследуемым образцом 8, к последовательности амплитуд из второго массива данных, соответствующего оптическому каналу с оптической линией задержки 7.
[0038] По записанной (запись осуществляется вручную) в памяти компьютера 15 информации о точном значении коэффициентов деления оптических делителей 3, 6, 9, средней мощности лазерного излучения, частоте следования импульсов и уровня вносимых оптических потерь, компьютер 15 преобразует значения второго массива данных в значения энергии импульса.
[0039] Попарные отношения амплитуд, которые характеризуют значение пропускания через исследуемый образец 8, записываются компьютером 15 в новый, уже двумерный, массив данных, за второй элемент которого берется массив данных, соответствующий оптическому каналу с оптической линией задержки 7. Далее компьютер 15 визуализирует этот двумерный массив в виде графика пропускания в зависимости от значения энергии импульсов, проходящих через оптический канал, содержащий в себе оптическую линию задержки 7 без образца (фиг.2).
[0040] Пользователь на основании данного графика (фиг.2) может определить:
1) наличие зависимости коэффициента пропускания исследуемого образца от энергии импульсов (кривая (а) фиг.2) - если линия прямая, параллельная оси абсцисс во всем диапазоне энергий, то либо исследуемый образец 8 не обладает насыщением поглощения, либо диапазон энергий выбран неверно; кривая (б) фиг.2 - коэффициент пропускания уменьшается с ростом энергии - исследуемый образец 8 поврежден; кривая (в) фиг.2 - в области меньшего значения энергий наблюдается меньшее пропускание, чем в области с большими значениями энергий - есть эффект насыщения поглощения.
[0041] 2) В случае, если обнаружен эффект насыщения поглощения пользователь может определить область энергий импульсов, при которых происходит переход от меньшего значения пропускания к большему - энергию насыщения исследуемого образца 8;
[0042] 3) Определив значения минимального пропускания и максимального пропускания, можно оценить амплитуду модуляции исследуемого образца 8.
[0043] Внешнее управление акустооптическим модулятором 5 позволяет создать цуги импульсов с низкой частотой следования (до 100 Гц), которые приводят к низкой интегральной оптической и тепловой нагрузкам на исследуемый образец 8.
[0044] В качестве источника 1 оптического излучения может быть использован любой лазерный источник, выдающий излучение с импульсами длительностью менее 100 пс. Это могут быть:
- волоконные лазеры, работающие в режиме синхронизации мод;
- полупроводниковые лазерные диоды, работающие в режиме gain-switch.
[0045] В качестве оптического усилителя 2 могут быть использованы:
- волоконно-оптический усилитель, работающий в ненасыщенном режиме, с волоконными входами-выходами;
- полупроводниковый усилитель, работающий в ненасыщенном режиме, с волоконными входами-выходами.
Контур усиления соответствует линии генерации источника 1 излучения;
[0046] В качестве оптических делителей 3, 6, 9 могут быть использованы сплавные волоконные делители под заданный спектральный диапазон с необходимыми коэффициентами деления.
[0047] В качестве электронно-управляемых аттенюаторов 4, 10 могут быть использованы аттенюаторы типа Digital Variable Attenuators DA-100 Series OZ Optics или аналоги
[0048] В качестве акустооптический модулятора 5 могут быть использованы акустооптические модуляторы на основе TeO2 (например, Aerodiode Fiber coupled AOM High speed version - 1550 nm).
[0049] В качестве оптической линии задержки 7 может быть использован отрезок волокна SMF - 28e нужной длины.
[0050] В качестве оптических фотодетекторов 11, 12, 13 могут быть использованы быстродействующие и сверхбыстродействующие фотодиоды (например, АиБи PD24-HS http://www.ibsg.ru/hs.html);
[0051] В качестве двухканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 14 может быть использован быстродействующий осциллограф с двумя аналоговыми каналами 50 Ом и полосой пропускания более 1 ГГц;
[0052] В качестве генератора 16 импульсов произвольной формы может быть использован Keysight 81160a или аналоги.