СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ВХОДНОГО ПОТОКА ПОЛЯРИЗОВАННОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В АБСОЛЮТНОМ КРИОГЕННОМ РАДИОМЕТРЕ С ВХОДНЫМ ОКНОМ БРЮСТЕРА
METHOD OF REDUCING POWER LOSSES OF AN INPUT STREAM OF POLARIZED LASER RADIATION IN AN ABSOLUTE CRYOGENIC RADIOMETER WITH AN ENTRANCE WINDOW OF A BREWSTER

Изобретение относится к измерительной технике в области инфракрасной радиометрии и предназначено, главным образом, для использования в метрологии при прецизионных измерениях абсолютной мощности лазерного излучения, выполняемых, например, при градуировке фотоприемников по абсолютной мощности оптического излучения.
На современном уровне развития науки и техники известны и применяются следующие способы и устройства, так или иначе направленные на снижение энергетических потерь входного потока оптического или лазерного излучения в радиометрах, измеряющих мощность данного потока.
Известен абсолютный радиометр, в котором энергетические потери входного потока излучения снижают за счет уменьшения паразитного конвективного теплообмена, образующегося в конической полости радиометра. Уменьшение паразитного конвективного теплообмена достигается путем установки дополнительного конического экрана на входе конической полости радиометра и за счет введения дополнительной системы терморегулирования в схему управления радиометра (авт. свид. СССР №1216666, МПК G01J 5/02, опубл. 07.03.1986, БИ №9). Наряду с определенными преимуществами, данный радиометр имеет недостаток, который заключается в том, что в нем не исключены энергетические потери входного потока, вызванные отражением части потока от стенок конической полости радиометра обратно в окружающую среду. Поэтому показания данного радиометра всегда систематически занижены.
Известно устройство для градуировки фотодиодных приемников по абсолютной мощности потока излучения, содержащее блок измерения сигналов, монохроматический излучатель, расположенные последовательно по ходу излучения нейтральный поглощающий фильтр, первый и второй поляризаторы, фотоприемник и абсолютный криогенный радиометр, состоящий из расположенных последовательно по ходу излучения входного окна Брюстера и приемной полости, обладающей, в пределах заданной точности, коэффициентом поглощения теплового излучения, близким к единице, при этом фотоприемник и абсолютный криогенный радиометр установлены на трансляторе положения, обеспечивающем ввод-вывод их из монохроматического пучка излучения, первый поляризатор установлен на держателе с возможностью точного позиционирования его углового положения для изменения оси поляризации, а ось второго поляризатора параллельна плоскости падения излучения на входное окно абсолютного криогенного радиометра под углом Брюстера (патент на изобретение РФ №2727347, МПК G01J 1/02, G01M 11/00, опубл. 21.07.2020, БИ №21). В данном устройстве монохроматический пучок излучения направлен строго вдоль оптической оси входного окна Брюстера, т.е. параллельно оси рабочей полости радиометра. Вследствие этого, в данном устройстве имеет место довольно существенное обратное отражение измеряемого излучения из рабочей полости радиометра. Это снижает точность измерений, и в этом заключается недостаток данного устройства.
Наиболее близкими по своей сути к предлагаемому являются два устройства, также близкие друг к другу по своей технической сути: предсказуемый квантовый эффективный детектор и квантовый трап-детектор, являющиеся одной из разновидностью радиометров и представляющие собой фотодетектор специальной конструкции, в котором использованы два планарных фотодиода, собранные в специальную конфигурацию - клиновидную трап-ловушку (Meelis Sildoja, Farshid Manoocheri, Mikko Merimaa, Erkki Ikonen, Ingmar  Lutz Werner, Jarle Gran, Toomas  Marek  and Maria Luisa Rastello «Predictable quantum efficient detector: I. Photodiodes and predicted responsivity». - Metrologia, 50 (2013) 385-394, doi:10.1088/0026-1394/50/4/385; патент на изобретение РФ №2659329, МПК G01J 1/42; H01L 31/0352, опубл. 29.06.2018, БИ №19). Указанные трап-детекторы образованы двумя фотодиодами, установленными в виде клина таким образом, что собранная конструкция способна улавливать заданное количество отражений падающего излучения. Таким образом, в данных трап-детекторах уменьшение энергетических потерь, вызванных отражением от поверхности фотодиодов, достигается за счет заданного угла клина, образованного фотодиодами. Подход, использованный в трап-детекторах, не может быть в чистом виде применен в существующих абсолютных криогенных радиометрах, так как они имеют строго фиксированную коническую полость и угол ее клина не может быть изменен и никак не связан с числом отражений падающего (входного) потока излучения. В то же время сам технический прием, заключающийся в улавливании отраженного излучения за счет заданной пространственной взаимной ориентации падающего потока и принимающей его поверхности близок к приему, использованному в заявляемом способе.
Известно также близкое по своей технической сущности устройство для градуировки фотодиодных приемников по абсолютной мощности потока излучения, которое также может быть признано прототипом. Устройство содержит блок измерения сигналов, монохроматический излучатель, расположенные последовательно по ходу излучения нейтральный поглощающий фильтр, первый и второй поляризаторы, фотоприемник и абсолютный криогенный радиометр, состоящий из расположенных последовательно по ходу излучения входного окна Брюстера и приемной полости, обладающей, в пределах заданной точности, коэффициентом поглощения теплового излучения, близким к единице, при этом фотоприемник и абсолютный криогенный радиометр установлены на трансляторе положения, обеспечивающем ввод-вывод их из монохроматического пучка излучения, первый поляризатор установлен на держателе с возможностью точного позиционирования его углового положения для изменения оси поляризации, а ось второго поляризатора параллельна плоскости падения излучения на входное окно абсолютного криогенного радиометра под углом Брюстера (патент РФ на изобретение №2727347, МПК G01J 1/02, G01M 11/00, опубл. 21.07.2020, БИ №21). В данном устройстве поток монохроматического излучения направлен строго вдоль продольной оси полости радиометра, поэтому в данном устройстве имеет место довольно существенное обратное отражение измеряемого излучения из рабочей полости радиометра. Это снижает точность измерений, и в этом заключается недостаток данного устройства.
Технический результат изобретения - повышение точности измерения абсолютной мощности потока лазерного излучения за счет снижения его энергетических потерь в приемной системе абсолютного криогенного радиометра.
Указанный технический результат достигается за счет того, что входной поток поляризованного лазерного излучения направляют под заданным углом к продольной оси приемной полости абсолютного криогенного радиометра так, чтобы он первоначально попадал на коническую поверхность приемной полости абсолютного криогенного радиометра вблизи основания ее конуса и при этом обеспечивалось максимально-возможное количество отражений лазерного излучения в приемной полости абсолютного криогенного радиометра, после этого регулируют пространственное положение плоскости поляризации лазерного излучения до достижения минимума отражения поляризованного лазерного излучения от наружной поверхности окна Брюстера.
Сущность способа поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 представлена принципиальная схема измерения абсолютной мощности потока поляризованного лазерного излучения с помощью абсолютного криогенного радиометра с входным окном Брюстера, где: 1 - источник поляризованного лазерного излучения, 2 - окно Брюстера, 3 - приемная полость абсолютного криогенного радиометра, 4 - фотоприемное устройство, 5 - измерительно-регистрирующее устройство, 6 - измерительно-регистрирующая система абсолютного криогенного радиометра. На фиг. 2 представлен ход лучей потока поляризованного лазерного излучения внутри приемной полости 3 абсолютного криогенного радиометра.
Сущность способа заключается в подборе угла падения β (фиг. 1, 2) входного потока поляризованного лазерного излучения и в последующем подборе пространственного положения плоскости поляризации лазерного излучения, при котором достигается минимум отраженного поляризованного лазерного излучения от наружной поверхности окна Брюстера 2.
Заданный угол падения β - это угол, при котором количество отражений данного потока внутри приемной полости 3 абсолютного криогенного радиометра будет максимально-возможным. При этом доля КПП поглощенного приемной полостью потока может быть оценена по соотношению:
где
ρ - отражательная способность материала поверхности приемной полости 3,
N - количество отражений потока лазерного излучения внутри приемной полости 3.
Так, например, если количество отражений N=15, а отражательная способность ρ=0,5, то указанная доля составит КПП=1-0,515=0,999969, т.е. приемная полость 3 поглотит 99,9969% входящего в нее лазерного излучения. Значение заданного угла β находят предварительно, для этого используют расчетно-геометрический метод, угол β определяют исходя из требуемого значения КПП и соответствующего ему количества отражений N - путем подбора такого угла β, который обеспечит количество отражений в приемной полости 3 не меньше заданного количества N.
Подбор пространственного положения плоскости поляризации лазерного излучения заключается в регулировании положения плоскости поляризации лазерного излучения до полного (максимально-достижимого) его совпадения с плоскостью Брюстера входного окна Брюстера 2. Регулировка, в частности, осуществляется поворотом источника поляризованного лазерного излучения 1 относительно его продольной оси. В результате такой регулировки на современном уровне развития науки и техники можно достичь доли прошедшего через окно Брюстера лазерного излучения, равной КБ=0,9998, или КБ=99,98%.
В результате применения двух перечисленных выше операций (установка заданного угла β и подбор положения плоскости поляризации) доля поглощенного излучения абсолютным криогенным радиометром в сумме составит:
ПП
АКР
Для приведенного выше случая К=0,999969 эта доля будет равна К=0,999969.0,9998=0,99977, т.е. доля энергетических потерь в абсолютном криогенном радиометре с выходным окном Брюстера будет снижена до значения 0,00023, или 0,023%.
Способ осуществляют следующим образом. Сначала задают требуемое значение доли КПП поглощенного приемной полостью 3 лазерного излучения. Исходя из известной отражательной способности р материала внутренней поверхности приемной полости 3 из соотношения (1) рассчитывают требуемое количество отражений N. Затем расчетно-геометрическим путем для заданного расстояния L между источником поляризованного лазерного излучения 1 и входным окном Брюстера 2 подбирают угол β таким образом, чтобы он обеспечивал количество отражений в приемной полости 3 не меньше рассчитанного количества N. При этом входной поток поляризованного лазерного излучения должен первоначально попадать на коническую поверхность приемной полости 3 абсолютного криогенного радиометра вблизи основания ее конуса.
После выполнения расчетных операций устанавливают источник поляризованного лазерного излучения 1 на заданном расстоянии L от входного окна Брюстера 2 (фиг. 1). Направляют поток лазерного излучения от источника поляризованного лазерного излучения 1 под рассчитанным углом β в точку конической поверхности приемной полости 3, которая была взята при расчетах (фиг. 2). После этого вращают источник поляризованного лазерного излучения 1 относительно его продольной оси и одновременно с помощью фотоприемного устройства 4 и измерительно-регистрирующего устройства 5 регистрируют мощность U2 отраженного от внешней поверхности окна Брюстера 2 лазерного сигнала. Путем вращения источника поляризованного лазерного излучения 1 добиваются минимума измеряемого сигнала U2 с фотоприемного устройства 4. По достижении указанного минимума считают, что все регулировки завершены, а энергетические потери в абсолютном криогенном радиометре с выходным окном Брюстера сведены к достижимому минимуму. После этого с помощью измерительно-регистрирующей системы 6 абсолютного криогенного радиометра измеряют мощность U1 поляризованного лазерного излучения и считают данное значение U1 абсолютным, измеренным с наивысшей точностью.