КАЛИБРОВАННЫЙ ОСЛАБИТЕЛЬ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1. Область техники, к которой относится полезная модель: оптика, оптические измерения, фотометрия.
Разделы измерительной техники и фотометрии: создание устройств и установок для измерения и ослабления энергии или мощности оптического излучения.
2. Уровень техники
Для измерения мощности лазерного излучения в широких пределах необходимо иметь калиброванные ослабители с оптической плотностью 6 и более. Прямое измерение коэффициента пропускания такого ослабителя требует наличие уникальных установок и методов измерения. Поэтому на практике используют различные комбинации ослабителей меньшей оптической плотности, коэффициенты пропускания которых можно измерить с приемлемой погрешностью. Окончательный коэффициент пропускания комбинации ослабителей определяют произведением коэффициентов пропускания отдельных ослабителей. Один из таких ослабителей из двух стеклянных пластин применялся в лазерных серийных фотометрах ФОГ (Каданер Г.И. Установка с моноимпульсным ОКГ для измерения больших оптических плотностей // Импульсная фотометрия. Выпуск 4: сборник статей. Л.: Машиностроение, 1975. С. 78-81). Пластины установлены друг за другом под углом, не превышающем 10°, к нормали к поверхности пластин, для устранения влияния поляризации на коэффициент отражения от пластин. Излучение лазера проходит через первую пластину и попадает на объект воздействия. Отраженная часть излучения попадает на вторую пластину. Большая часть потока проходит через вторую пластину, а меньшая отражается и попадает в фотометр. Недостаток такого ослабителя состоит в том, что поток, проходящий через вторую пластину, создает рассеянный свет, который необходимо устранять специальными ловушками. Полностью его устранить не удается и оставшаяся часть соизмерима с полезным ослабленным потоком. Это приводит к большой погрешности ослабления полезного потока лазерного излучения. Этот ослабитель применялся в основном в качестве проходного. Пластины выполнялись из прозрачного стекла, не поглощающего мощное лазерное излучение. Этот ослабитель является прототипом данной полезной модели.
вых
ш
Известны также ослабители с фотометрическими шарами (Мартынюк А.С., Николаев Е.П. Образцовая аппаратура для измерения оптических ослаблений в диапазоне длин волн 0,4-3,5 мкм // Импульсная фотометрия. Выпуск 4: сборник статей. Л.: Машиностроение, 1975. С. 218-221). Фотометрический шар позволяет ослабить попадающее в него излучение до трех-четырех порядков в довольно широкой области спектра, определяемой спектральной неселективностью покрытия стенки шара. Если S - площадь выходного отверстия шара, S - площадь внутренней поверхности шара и ρ - коэффициент отражения стенки шара, то коэффициент ослабления излучения шаром определяется по формуле
вых
ш
k=ρS/S (l-ρ).
Поток излучения выходит из шара в этом случае в широком угле. Для получения коллимированного излучения в прототипе (Калибруемое устройство для измерения чувствительности и пороговой энергии фотоприемных устройств с оптической системой. Патент РФ №2515132. / Кувалдин Э.В., Ершов А.Г. №2012130221/28; заявл. 16.07.2012; опубл. 27.01.14, Бюл. №3. 1 с.) применен коллиматор, изображающий либо выходное отверстие шара, либо стенку внутреннего экрана. При этом возникает дополнительное ослабление потока излучения, так как в выходном пучке будут только лучи, идущие в угле, определяемом отношением диаметра выходного отверстия шара к фокусному расстоянию коллиматора. При этом достигается дополнительное ослабление выходящего потока излучения на 30-40 дБ. В большинстве случаев этого достаточно, чтобы измерить энергию излучения на входе в шар или внутри шара и пересчитать в выходную энергию коллимированного пучка. Погрешнось таких расчетов будет достаточно большой, так как трудно учесть индикатрису излучения, выходящего из шара, и коэффициент отражения стенки шара ρ. Это главный недостаток метода. Способ ослабления с применением фотометрического шара также может быть прототипом предполагаемой полезной модели.
6
8
В связи с широким распространением лазеров требуется проводить измерение характеристик материалов и изделий в лазерном излучении. В измерениях используют маломощные лазеры, излучение которых не приводит к порче измеряемых образцов. При этом во многих случаях приходится ослаблять лазерное излучение. При измерении энергии и мощности применяемых лазеров необходим ослабитель с известным коэффициентом пропускания. Часто требуется ослаблять лазерное излучение на шесть и более порядков. Такое ослабление необходимо не только при измерениях, но и при разработке устройств с лазерами для синхронизации отдельных узлов. Для ослабления лазерного излучения в измерениях обычно применяют стеклянные поглотители. Удобные в использовании ослабители типа стеклянных светофильтров имеются только в видимом и ближнем ИК диапазоне спектра оптического излучения. При этом максимально достижимое ослабление таким способом составляет 10-10 раз или 60-80 дБ. Основная причина этого - трудность устранения рассеянного света, которая возникает уже при ослаблениях в 30 дБ и большая погрешность измерения коэффициента пропускания. В литературе (Каданер Г.И. Указ. соч., Мартынюк А.С., Николаев Е.П. Указ. соч.) имеется описание таких установок. Широко распространенными спектрофотометрами не представляется возможным измерить с приемлемой погрешностью коэффициент направленного пропускания оптического ослабителя с оптической плотностью более 3-4. Кроме того, измерение на спектрофотометрах происходит при других условиях освещения, отличных от рабочих. Поэтому обычно используют набор из нескольких светофильтров меньшей плотности. Такой набор является аналогом предлагаемой полезной модели. При этом было замечено, что добавление к набору еще одного светофильтра с известной плотностью часто не увеличивает общую оптическую плотность набора в предполагаемое число раз, а иногда даже уменьшает ее. Причина этого явления состоит в наличии переотражений между поверхностями светофильтров. Это также приводит к плохой воспроизводимости суммарного коэффициента пропускания при перестановке светофильтров и смене их местами. Для подтверждения этого явления были проведены измерения коэффициентов пропускания двух наборов светофильтров в лазерном излучении с длиной волны 650 нм. Первый набор состоял из 3-х пурпурных стекол и 2-х нейтральных светофильтров. Второй комплект состоял из 8-ми нейтральных светофильтров. Светофильтры свободно устанавливались в ячейках, при измерениях менялся угол наклона светофильтров по отношению друг к другу и направлению падения излучения. Отсчет снимался каждый раз при изменении положения светофильтров, при этом менялось положение не менее 4-х светофильтров. Произведение измеренных значений коэффициентов пропускания отдельных светофильтров в 14,5 раз для первого комплекта и 3,66 раза для второго комплекта отличается от среднего измеренного значения всего комплекта. Невоспроизводимость измерений при новой установке светофильтров составила 14 и 23% соответственно. Как видно из проведенных измерений, такие наборы ослабителей непригодны для применения в качестве ослабителей с большой оптической плотностью.
3. Раскрытие сущности полезной модели
Разработанная полезная модель отличается увеличенным коэффициентом ослабления и отсутствием вышеперечисленных недостатков прототипов и аналога, т.к. ослабитель выполнен в виде двух малопрозачных пластин, которые устраняют рассеянный свет в ослабителе за счет отсутствия переотражений между поверхностями. Ослабитель не требует калибровки, поскольку коэффициент ослабления определяется как произведение коэффициентов отражения пластин по формуле Френеля для нормального падения через показатель преломления стекла и длину волны лазера с погрешностью, допустимой при измерениях мощности и энергии излучения.
Также ослабитель полезен при разработке устройств с лазерами, так как заранее можно рассчитать требуемый коэффициент пропускания.
4. Осуществление полезной модели
В предлагаемой полезной модели (фиг.) ослабитель выполнен в виде комбинации отражающих непрозрачных для лазерного излучения пластин 2. Пластины отполированы и установлены таким образом, что излучение лазера 1 падает на первую пластину под небольшим углом к нормали к поверхности, аналогично тому, как это сделано в прототипе. Отраженная часть пучка излучения поступает так же под небольшим углом на вторую пластину, затем на третью, четвертую и т.д. В результате многократных отражений, на приемное устройство 3 поступает ослабленное излучение. От каждой пластины отражается около 4,25% падающего излучения для широко распространенных стекол. Точное значение коэффициента отражения вычисляют по формуле Френеля для нормального падения луча лазера. Общий коэффициент пропускания определяют как произведение отдельных коэффициентов. В конструкции из 4-х и более отражающих элементов целесообразно использовать две широкие пластины.
При необходимости иметь ослабитель проходного типа, первую пластину заменяют на прозрачную. В этом случае отражение происходит от передней и задней поверхности, что учитывают в расчетах. Ослабитель из черных стекол с 4 отражениями был изготовлен и на нем проведены измерения коэффициента пропускания. Также был изготовлен ослабитель из синих стекол, непрозрачных для излучения лазера, и ослабитель с двумя отражениями из прозрачного стекла марки К8, и проведены измерения их коэффициентов пропускания.
4.1. Проведение экспериментов
4
Для этих измерений использован метод, основанный на широком линейном динамическом диапазоне фотоэлектрических приемников излучения по току. В схеме фотоприемного устройства ФПУ с операционным усилителем без дополнительного смещения на фотоприемнике, напряжение на нем с высокой точностью поддерживается постоянным при изменении тока через фотоприемник. Это позволяет получить линейную шкалу во всех пределах измерения и минимальный темновой ток, определяющий нижний предел измерения. Верхний предел ограничен насыщением тока фотоприемника. В схеме ФПУ пределы измерения переключаются сопротивлениями в цепи обратной связи операционного усилителя, которые одновременно служили нагрузочными сопротивлениями фотоприемника. Сопротивления изменялись в пределах 100 кОм - 50 МОм. Динамический диапазон ФПУ с учетом отсчетов по шкале составляет 5⋅10. Таким ФПУ измерен светофильтр с оптической плотностью 3 в лазерном излучении. Применение этого светофильтра вместе с ФПУ и лазером позволяет измерять поглотитель с плотностью 6. Погрешность этих измерений оценена в ±3%.
4.2 Результаты экспериментов
4.2.1 Ослабитель из двух черных пластин с четырьмя отражениями
черн
черн
-6
-6
-6
-6
-6
Вначале были проведены измерения коэффициента отражения от одной поверхности пластины. Результаты измерения коэффициента отражения в отдельных точках отличаются между собой, поэтому были проведены измерения коэффициента отражения в различных точках пластины. Измеренный коэффициент отражения от одной грани ослабителя составил 0,0403. Из этих измерений рассчитан коэффициент пропускания ослабителя с четырьмя отражениями τ=2,63⋅10. Сравнивая с измеренным значением 2,557⋅10, получаем расхождение в 2,8%. Еще одно измерение дало 2,6⋅10и расхождение 0,4%. Таким образом, для ослабителя с четырьмя отражениями имеем три независимых измерения. Среднее значение из этих измерений 2,596⋅10. Расчет погрешности для этих измерений дает значение 1,2%. Рассчитанный коэффициент пропускания по формуле Френеля через показатель преломления для предполагаемого стекла марки К8 и четырьмя отражениями дает значение τ=3,23⋅10, которое отличается от измеренного значения черного стекла на 24%. Это - немного для ослабителя в шесть порядков и сравнимо с погрешностью абсолютных измерений. Таким образом, для не очень точных измерений и прикидочных расчетов можно пользоваться расчетными значениями через показатель преломления стекла предполагаемой марки. Для точных измерений необходимо знать показатель преломления используемого стекла.
4.2.2 Аналогичные измерения были проделаны с ослабителем из двух синих стекол разных марок и разной толщины 3 и 4 мм, которые непрозрачны для излучения лазера. Были измерены коэффициенты отражения от поверхности стекол в различных точках. Среднее значение коэффициента отражения для стекла толщиной 4 мм составило 0,0447 и для 3 мм 0,0388. Размах измеренных значений составил 8,5 и 1,7% соответственно, что приводит к погрешности измерений ±3%. Произведение этих коэффициентов пропускания составляет 0,00173. Измеренный коэффициент пропускания ослабителя из этих синих стекол составил τ=0,157%. Расхождение измеренного значения и рассчитанного произведения составило 10% в случае измерения с дополнительным светофильтром, погрешность измерения которого оценена в ±2%. При измерении без светофильтра получено 0,00179. Расхождение с расчетным значением составляет 3,4%. Учитывая рассчитанную ранее погрешность измерения ослабителя в целом, полученное расхождение близко к погрешности измерения. Во второй серии измерений среднее значение измеренных коэффициентов пропускания составило 0,00167 и расхождение с расчетным значением 6,6%.
4.2.3 Для прозрачного стекла марки К8 коэффициент пропускания ослабителя с двумя отражениями в среднем из 6 измерений составил 0,666%. Расхождение измеренного и расчетного значения составило 5,7%. Погрешность измерения оценена в ±1,8%. Расчет через показатель преломления дает значение 0,719%, которое отличается от измеренного на 7,8%, что близко к расхождению по результатам измерений.
В проведенных измерениях присутствует только случайная составляющая погрешности измерения, что свидетельствует об отсутствии рассеянного света в измерениях, который должен дать систематическую погрешность. Отчасти она имеется в измерении по п. 4.2.3 с прозрачными стеклами. Полученное расхождение измерений с расчетами коэффициента пропускания по формуле Френеля приемлемо для большинства практических применений. Предварительное измерение коэффициента одного отражения позволяет уменьшить погрешность расчетов.