УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ ЛУЧА ЛАЗЕРА

Полезная модель относится к измерительным приборам и может быть использована для измерения профиля луча лазера.
Известно устройство для электронного анализа профиля луча лазера [1], состоящее из разделителя луча и оптического блока со сменными дискретными фильтрами, которые ослабляют направленное излучение до его поступления на матричное фотоприемное устройство, связанное с устройством считывания профиля луча.
Недостатком такого устройства является то, что, во-первых, отсутствие визуализатора приводит к увеличению времени наведения луча лазера на матричное фотоприемное устройство при смене лазера, что не обеспечивает быстроты измерения. Во-вторых, такое устройство требует дополнительных мер безопасности, так как во время настройки и юстировки оператор непосредственно работает с лучом лазера. В-третьих, обладает недостаточной надежностью, так как не обеспечивает защиту матричного фотоприемного устройства от пересветки или повреждения его чувствительных элементов во время выставки луча и подборе фильтров.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство индустриального анализатора лазерного луча (Spiricon Beam Profilers ВА500, Industrial Laser Beam Analyser) [2], состоящее из разделителя луча, ослабителя, оптического блока с дискретными фильтрами и матричного фотоприемного устройства электрически связанного с устройством считывания профиля луча.
Недостатком данного устройства является то, что оно не обеспечивает контроль за наведением луча лазера на матричное фотоприемное устройство, что требует длительного времени для проведения измерений. Также это устройство обладает недостаточной надежностью, так как не обеспечивает защиту матричного фотоприемного устройства от пересветки или повреждения его чувствительных элементов во время выставки луча и подборе фильтров
Задачей полезной модели является повышение быстродействия измерения профиля луча лазера, а также повышение надежности устройства.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство для электронного измерения профиля луча лазера, включающее оптически связанные разделитель луча, оптический блок, содержащий дискретные фильтры, ослабитель, матричное фотоприемное устройство, электрически связанное с устройством считывания профиля луча, в отличии от прототипа оптический блок дополнительно содержит сетку, при этом дискретные фильтры и сетка установлены в поворотной турели с возможностью поочередного ввода каждого из них в оптический тракт, а также устройство дополнительно содержит стол с котировочными элементами для размещения проверяемого лазера, расположенный перед разделителем луча, телевизионную камеру, электрически связанную с устройством вывода изображения, фотоприемное устройство, электрически связанное с измерительным прибором, диафрагму и элемент сопряжения, расположенные между ослабителем и матричным фотоприемным устройством с возможностью одновременного вывода из оптического тракта, причем центр отверстия диафрагмы совмещен с центром матричного фотоприемного устройства и центром сетки оптического блока, при ее расположении в оптическом тракте, а фотоприемное устройство оптически связано с диафрагмой посредством элемента сопряжения, телевизионная камера оптически связана с оптическим блоком и разделителем луча.
Элемент сопряжения может быть выполнен в виде оптического отражающего элемента, а также в виде оптического преломляющего элемента.
Введение в устройство для электронного измерения профиля луча лазера стола с котировочными элементами для размещения проверяемого лазера, расположенного перед разделителем луча, телевизионной камеры, электрически связанной с устройством вывода изображения и оптически связанной с оптическим блоком и разделителем луча, а также введение в оптический блок сетки обеспечило контроль за наведением луча лазера на матричное фотоприемное устройство во время проведения измерения, что позволило сократить время измерения.
Введение фотоприемного устройства, электрически связанного с измерительным прибором, диафрагмы и элемента сопряжения, расположенных между ослабителем и матричным фотоприемным устройством с возможностью одновременного вывода из оптического тракта, совмещение центра отверстия диафрагмы с центром матричного фотоприемного устройства и центром сетки оптического блока, при ее расположении в оптическом тракте, оптическая связь фотоприемного устройства с диафрагмой посредством элемента сопряжения позволяет устанавливать участок луча лазера с максимальной плотностью мощности на центр фотоприемного устройства, контролировать максимальный уровень плотности мощности в луче лазера, попадающего на матричное фотоприемное устройство, тем самым предотвратить пересветку и повреждение матрицы и повысить надежность устройства.
На фиг.1 представлено устройство для электронного измерения профиля луча лазера.
На фиг.2 показано изображение оптического блока и разделителя луча, полученное на устройстве вывода изображения с помощью телевизионной камеры.
Устройство для электронного измерения профиля луча лазера (фиг.1) содержит стол 1 с котировочными элементами, последовательно расположенные и оптически связанные разделитель луча 2, включающий в себя клинья 3, 4 и ловушки 5, 6 лазерного излучения, оптический блок 7 и ослабитель 8, диафрагму 9 и элемент сопряжения 10, матричное фотоприемное устройство 11 электрически связанное с устройством считывания профиля луча 12, а также фотоприемное устройство 13 оптически связанное с диафрагмой 9 посредством элемента сопряжения 10 и электрически связанное с измерительным прибором 14, телевизионную камеру 15, электрически связанную с устройством вывода изображения 16 и оптически связанную с оптическим блоком 7 и с разделителем луча 2.
Стол 1 предназначен для установки проверяемого лазера и расположен перед разделителем луча 2. Котировочные элемененты обеспечивают наклон стола 1 с проверяемым лазером в вертикальной и горизонтальной плоскостях для быстрого наведения луча лазера на сетку оптического блока 7.
Разделитель луча 2 состоит из двух оптически связанных стеклянных пластин, выполненных в форме клиньев 3 и 4, и двух ловушек 5 и 6 лазерного излучения, установленных за клиньями 3 и 4 соответственно. Клинья 3 и 4 обеспечивают ослабление лазерного излучения за счет френелевского отражения от непросветленных полированных поверхностей, при этом основная часть излучения проходит через клинья 3, 4 и попадает в ловушки 5, 6 лазерного излучения. Нерабочая поверхность клиньев 3 и 4 просветлена для устранения помехи обратного отражения. Оба клина 3 и 4 размещены под углом 4°±1° к оси лазерного излучения для того, чтобы отраженный луч лазера меньше зависел от поляризации. Для более полного устранения влияния поляризации на профиль луча лазера, второй клин 4 установлен с наклоном на тот же угол к оси лазерного излучения, что и первый клин 3, но в плоскости перпендикулярной к плоскости наклона первого клина 3. Ловушки 5 и 6 лазерного излучения служат для полного поглощения лазерного излучения прошедшего через клинья 3, 4 и выполнены из алюминия в виде цилиндра с внутренним углублением в виде конуса.
х
х
Оптический блок 7 содержит дискретные фильтры и сетку, которые установлены в поворотной турели с возможностью поочередного ввода каждого из них в оптический тракт. Фильтры обеспечивают дискретное ослабление луча лазера от 0 до 625 с шагом 5. Сетка представляет собой стеклянную пластину, имеющую одну матовую поверхность с перекрестием. Центр перекрестия сетки, при нахождении ее в оптическом тракте, находится на одной оси с центром диафрагмы 9 и центром матричного фотоприемного устройства 11.
х
Ослабитель 8 расположен между оптическим блоком 7 и диафрагмой 9. Ослабитель 8 выполнен в виде двух фотометрических клиньев, эквивалентных плоскопараллельной пластине и изготовленных из нейтрального стекла. При смещении клиньев происходит изменение суммарной толщины, что обеспечивает плавное ослабление луча лазера в 6 при изменении величины коэффициента пропускания от 0,2 до 0,033.
Диафрагма 9 представляет собой металлическую пластину с отверстием порядка 0,15 мм и предназначена для выделения участка луча лазера с максимальной плотностью мощности. Диафрагма 9 с элементом сопряжения 10 установлены перед матричным фотоприемным устройством 11 так, что центр отверстия диафрагмы 9 совмещен с центром матричного фотоприемного устройства 11. Диафрагма 9 и элемент сопряжения 10 выполнены в едином блоке, который установлен с возможностью вывода из оптического тракта.
Элемент сопряжения 10 направляет прошедший через диафрагму 9 луч лазера на фотоприемное устройство 13. В качестве элемента сопряжения 10 используется призмы АР-90°, которая является оптическим преломляющим элементом.
Элемент сопряжения 10 может быть также выполнен в виде оптического отражающего элемента, который представляет собой зеркало с нанесенным отражающим покрытием высокой лазерной стойкости.
Матричное фотоприемное устройство 11 представляет собой цифровую камеру LaserCam производства фирмы COHERENT, работающую в спектральном диапазоне 0,4-1,1 мкм. Матричное фотоприемное устройство 11 электрически связанно с устройством считывания профиля луча 12. Устройство считывания профиля луча 12 представляет собой персональный компьютер с программным обеспечением для измерения профиля луча лазера. Устройство считывания профиля луча 12 анализирует профиль луча лазера с матричного фотоприемного устройства 11 и выводит его на монитор персонального компьютера цветом, зависящим от плотности мощности, что позволяет его визуально наблюдать.
Фотоприемное устройство 13 служит для фотоэлектрической регистрации луча лазера, прошедшего через диафрагму 9. В качестве фотоприемного устройства 13 используется Si-PIN-Photodiode. Фотоприемное устройство 13 электрически связано с измерительным прибором 14, в качестве которого используется мультиметр. По величине измеренного электрического сигнала определяют величину мощности прошедшего лазерного излучения.
Телевизионная камера 15 производства фирмы ЭВС модель VBA-731, работает в спектральном диапазоне 0,4-1,1 мкм. Она выводит черно-белое изображение на устройство вывода изображения 16, которым является монитор CDM-1003. Телевизионная камера 15 позволяет определить положение луча лазера на входе разделителя луча 2 и проконтролировать попадание луча лазера на сетку оптического блока 7.
Работает полезная модель следующим образом. Исследуемый лазер устанавливают на стол 1. Луч лазера направляется на разделитель луча 2, что контролируется с помощью телевизионной камеры 15, на устройстве вывода изображения 16. Основная часть луча лазера проходит через первый клин 3 и поглощается ловушкой 5, а отраженная часть луча лазера попадает на второй клин 4. Прошедший через второй клин 4 луч лазера поглощается ловушкой 6, а отраженный от второго клина 4 ослабленный луч лазера попадает на оптический блок 7, в котором установлена сетка с перекрестием. Наблюдая, с помощью телевизионной камеры 15 на экране монитора изображение сетки и луча лазера, котировочными элементами стола 1 добиваются совмещения луча лазера с центром перекрестия сетки. Далее поворотом турели оптического блока 7 вводят в оптический тракт фильтр с наименьшим пропусканием. Луч лазера проходит ослабитель 8 и после диафрагмы 9 попадает на элемент сопряжения 10, который направляет его на фотоприемное устройство 13, электрически связанное с измерительным прибором 14. Измерительный прибор 14 регистрирует величину электрического сигнала, показания которого соответствуют мощности лазерного излучения. Если эти показания малы, то увеличивают пропускание, меняя дискретные фильтры оптического блока 7, до уверенной регистрации мощности. Затем, котировочными элементами стола 1, добиваются, чтобы максимум энергии лазерного излучения попадал в отверстие диафрагмы 9. При этом если мощность, регистрируемая измерительным прибором 14, превышает предел насыщения матрицы матричного фотоприемного устройства 11, то поворотом турели оптического блока 7 вводится в оптический тракт фильтр с меньшим пропусканием. Величина сигнала, регистрируемая измерительным прибором 14, должна соответствовать 50% предела насыщения матричного фотоприемного устройства 11 (это значение определяется заранее). Таким образом, обеспечивается ослабление луча лазера, необходимое для измерения профиля луча лазера матричным фотоприемным устройством 11.
При измерении профиля луча лазера диафрагма 9 с элементом сопряжения 10 выводится из оптического тракта. Анализируемый луч лазера попадает на матричное фотоприемное устройство 11. Устройство считывания профиля луча 12 анализирует профиль луча лазера с матричного фото приемного устройства 11 и выводит профиль луча (при 50% предела насыщения матричного фотоприемного устройства 11) на монитор персонального компьютера цветом, зависящим от плотности мощности, что позволяет его визуально наблюдать.
Ослабителем 8 плавно изменяют пропускание устройства так, чтобы значение мощности соответствовало 96-99% от максимального значения предела насыщения матричного фотоприемного устройства 11. Далее производят измерение профиля луча лазера.
Источники информации:
1. Fred М. Dickey. Laser beam shaping: Theory and techniques, Marcel Dekker, Inc, New York, 2000 year, pages: 360-389.
2. profilers/products/industrial-applications/at-line/BA500 - прототип.