Установка для калибровки/поверки и способ калибровки средств измерений ширины лазерного пучка
CALIBRATION / VERIFICATION UNIT AND THE LASER BEAM WIDTH MEASUREMENT MEANS CALIBRATION METHOD

Изобретение относится к области оптических измерений, а именно к высокоточным фотометрическим установкам для калибровки/поверки и способам калибровки средств измерений ширины лазерного пучка.
Из уровня техники известна метрологическая база для калибровки и поверки средств измерений распределения плотности энергии в поперечном сечении лазерного пучка, основанная на применении Государственного первичного специального эталона (ГПСЭ) единиц энергии, распределения плотности энергии (РПЭ), длительности импульса и длины волны лазерного излучения (ГЭТ 187-2010). Современные средства измерений ширины лазерного пучка используют в своем составе многоэлементные измерительные преобразователи (МИП), позволяющие получать информацию о подробной структуре РПЭ лазерных пучков разных видов (гомоцентрические (стигматические), слабоастигматические и астигматические) и определять их ширину (в общем случае различную по осям координат х, y; в случае гомоцентрического пучка понятие ширины пучка по осям заменяется понятием диаметра пучка) по измеренному РПЭ с применением моментов второго порядка в соответствии с ГОСТ Р ИСО 11146-2008.
Алгоритм передачи единицы ширины лазерного пучка отличается от алгоритма передачи РПЭ, так как ширина пучка является функционалом РПЭ и представляет собой уже не скалярное поле, а числовую характеристику.
Известны способы и устройства для воспроизведения и передачи таких числовых характеристик, как единицы средней мощности и энергии лазерного излучения, позволяющие с высокой точностью воспроизводить и передавать данные единицы и производить калибровку и поверку соответствующих средств измерений, но которые не могут определять ширину пучка (см. а.с. SU 1408245, кл. G01J 5/00, опубл. 07.07.1988; Максак А.Г., Козак И.В., Плотников А.В., Ильин А.С., Улановский М.В. Обеспечение единства и точности измерений энергии пикосекундных импульсов лазерного излучения, Измерительная техника, №5, 2015, с. 37-40).
Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению в части установки является установка для измерения параметров лазерного пучка, содержащая закрепленные на едином основании источник лазерного излучения, делительную пластину, механизм изменения ширины лазерного пучка и выполненное с возможностью перемещения основное средство измерений, расположенные на линии прямого лазерного пучка, а также контрольное средство измерений, расположенное на линии отраженного от делительной пластины лазерного пучка (см. патент RU 2091729, кл. G01J 1/04, опубл. 27.09.1997). Однако в известном техническом решении механизм изменения ширины лазерного пучка выполнен в виде калиброванных диафрагм, что некорректно при определении ширины негомоцентрических пучков. Кроме того, известная установка не позволяет производить калибровку/поверку средств измерений, отслеживать уход координат центроида (энергетического центра) лазерного пучка при каждом измерении ширины пучка и плавно изменять ширину пучка из-за небольшого числа калиброванных диафрагм, что увеличивает погрешность определения ширины.
Таким образом, технической проблемой является обеспечение возможности передачи единицы ширины лазерного пучка от эталона к нижестоящим рабочим средствам измерений (РСИ) на основе МИП для их калибровки и поверки в широком диапазоне изменения ширины пучка с учетом устранения вышеупомянутых недостатков.
В предлагаемой установке для калибровки/поверки средств измерений ширины лазерного пучка, содержащей закрепленные на едином основании источник лазерного излучения, делительную пластину, механизм изменения ширины лазерного пучка и выполненное с возможностью перемещения основное средство измерений, расположенные на линии прямого лазерного пучка, а также контрольное средство измерений, расположенное на линии отраженного от делительной пластины лазерного пучка, механизм изменения ширины лазерного пучка выполнен в виде двухлинзовой оптической системы, включающей двояковыпуклую и двояковогнутую линзы, установленные на подвижном держателе, регулирующем расстояние между ними в соответствии с сигналами блока управления. Основное и контрольное средства измерений предпочтительно выполнены в виде многоэлементных измерительных преобразователей лазерного излучения с ПЗС-матрицами. На линии прямого лазерного пучка предпочтительно установлен ослабитель.
Согласно предлагаемому способу калибровки средств измерений ширины лазерного пучка с использованием предлагаемой установки выполняют следующие последовательные операции:
- с помощью блока управления устанавливают фиксированное значение ширины лазерного пучка в механизме изменения ширины лазерного пучка;
- одновременно измеряют распределение плотности энергии лазерного пучка с помощью основного и контрольного средств измерений;
- передают сигналы, соответствующие измеренным распределениям плотности энергии лазерного пучка, в блок управления;
xOC
yOC
xKC
yKC
- на основании полученных сигналов вдоль осей х, y рассчитывают ширины пучков d, d, соответствующие измерениям основного средства измерений, и d, d, соответствующие измерениям контрольного средства измерений, а также калибровочные коэффициенты для контрольного средства измерений , ;
- перемещают основное средство измерений и устанавливают на его место калибруемое средство измерений;
xPCИ
уРСИ
- одновременно измеряют вдоль осей х, y ширину лазерного пучка d, d с помощью калибруемого средства измерений и распределение плотности энергии лазерного пучка с помощью контрольного средства измерений, передают сигнал, соответствующий измеренному распределению плотности энергии лазерного пучка, в блок управления и рассчитывают ширины лазерного пучка , , соответствующие измерениям контрольного средства измерений;
- определяют калибровочные коэффициенты калибруемого средства измерений как , .
Совокупность изложенных признаков позволяет решить вышеуказанную техническую проблему и получить технический результат, заключающийся в повышении точности измерений, проводимых в ходе калибровки/поверки РСИ.
На чертеже приведена функциональная схема заявляемой установки.
Предлагаемая установка для калибровки/поверки средств измерений ширины лазерного пучка содержит закрепленные на едином основании источник лазерного излучения 1, делительную пластину 2 (например, из стекла марки К-8), контрольное средство измерений (КС) 3, оптический ослабитель 4, механизм 5 изменения ширины лазерного пучка и основное средство измерений (ОС) 6, а также блок управления 7 и компьютер 8.
Средства измерений 3 и 6 выполнены в виде многоэлементных измерительных преобразователей и могут содержать ПЗС-матрицы, например, Hamamatsu S7170-0909-01.
Механизм 5 формирует лазерный пучок с фиксированным значением ширины в заданном диапазоне и выполнен в виде двухлинзовой оптической системы, включающей двояковыпуклую и двояковогнутую линзы. Линзы выполнены, например, из стекла КУ-1 для интервала длин волн 0,5-1,1 мкм и установлены на подвижном держателе, приводимом в движение шаговым двигателем (например, типа FL39ST34-0306A) и регулирующем расстояние  между ними в соответствии с сигналами блока управления 7. Механизм 5 расположен на заданном расстоянии от ослабителя 4 и ОС 6 и обеспечивает некоторые произвольные фиксированные и определяемые впоследствии значения ширины в диапазоне измерений, например, 6-16 мм. В таблице для примера представлены результаты расчета зависимости диаметра d гомоцентрического лазерного пучка от расстояния  между линзами.
Предлагаемое выполнение механизма 5 позволяет обеспечить плавное изменение ширины лазерного пучка и, тем самым, повысить точность измерений ширины лазерного пучка.
Калибровку средств измерений ширины лазерного пучка с использованием описанной установки осуществляют следующим образом.
На первом этапе, согласно предлагаемому способу, калибруют КС 3 по ширине лазерного пучка, методом вторых моментов в соответствии с ГОСТ Р ИСО 11146-2008.
Сначала по сигналам с компьютера 8 с помощью блока управления 7 устанавливают значение расстояния  и, соответственно, ширины пучка в механизме 5. Излучение лазера 1, проходя через светоделительную пластину 2, разделяется на прямой и отраженный пучки. Отраженный пучок поступает на КС 3, а прямой пучок поступает на ослабитель 4 для согласования уровня энергии излучения лазера с характеристикой линейности ОС 6, затем в механизм 5 изменения ширины лазерного пучка и далее на ОС 6. По сигналу с управляющего компьютера 8 КС 3 и ОС 6 производят одновременное измерение РПЭ лазерного излучения в поперечных сечениях прямого и отраженного пучков и передают их в блок управления 7 и далее в компьютер 8 для последующей обработки.
По результатам измерений РПЭ в компьютере 8 определяют ширину (диаметр для гомоцентрического пучка) лазерного пучка на входе ОС 6 и КС 3 по формулам, представленным в ГОСТ Р ИСО 11146-2008, например, для гомоцентрических пучков:
,
где , , ,  - вычисленные вторые моменты измеренного РПЭ излучения по осям х и y, поступающего на входы ОС 6 и КС 3, соответственно. Далее определяют калибровочный коэффициент для КС 3 по формуле
.
На втором этапе производится непосредственно калибровка средства измерений ширины (диаметра для гомоцентрических пучков) лазерного пучка.
При калибровке в оптический тракт предлагаемой установки вместо ОС 6 вводят калибруемое средство измерений (РСИ) 9. Путь прохождения оптического сигнала аналогичен описанному выше. В данном случае прямой пучок поступает на ослабитель 4, необходимый для согласования уровня энергии излучения лазера с характеристикой линейности калибруемого РСИ 9.
PCИ
КС 3 по сигналам с компьютера 8 через блок управления 7 производят измерение РПЭ лазерного излучения в поперечном сечении отраженного от светоделительной пластины 2, а РСИ 9 одновременно производит измерение ширины (диаметра d для гомоцентрического пучка) прямого лазерного пучка.
По аналогии с первым этапом по измеренному РПЭ на компьютере 8 определяют ширину (диаметр  для гомоцентрического пучка) лазерного пучка, поступающего на вход КС 3.
Далее с помощью компьютера 8 рассчитывают ширину (диаметр . К для гомоцентрического пучка) лазерного пучка, поступающего на вход РСИ 9, определенную КС 3 с учетом его калибровки на первом этапе.
По полученным данным определяют калибровочный коэффициент для РСИ 9
.
Определение диаметра лазерного пучка РСИ 9 в процессе его эксплуатации производят с учетом вышеупомянутого калибровочного коэффициента, так для гомоцентрического лазерного пучка
,
где  - измеренный РСИ некалиброванный диаметр лазерного пучка, определенный в соответствии с ГОСТ Р ИСО 11146-2008.
При проведении поверки РСИ 9 по сигналам с компьютера 8 через блок управления 7 измеряют РПЭ лазерного излучения, поступающего на вход КС и определяют ширину (диаметр . К для гомоцентрического пучка) лазерного пучка на входе РСИ 9 и ширину, измеренную РСИ 9 (диаметр  для гомоцентрического пучка).
Определяют погрешность измерения ширины поверяемого РСИ 9 (диаметра для гомоцентрического пучка по формуле ).
При наличии слабоастигматических и астигматических лазерных пучков в ходе калибровки согласно предлагаемому способу по результатам измерений РПЭ в компьютере 8 по формулам ГОСТ Р ИСО 11146-2008 раздельно для координат вдоль осей x и y определяют ширину лазерного пучка ОС 6 и КС 3
,
,
,
.
где , , , , ,  - вычисленные вторые моменты измеренного распределения интенсивности на выходах ОС 6, и КС 3 соответственно, , .
Далее определяют набор калибровочных коэффициентов
, , , .
Поверку и определение погрешности РСИ 9 в этом случае производят аналогично раздельно по координатам х и y.
Благодаря описанным особенностям предлагаемых установки и способа заявленное изобретение позволяет значительно повысить точность измерений ширины лазерного пучка: за счет проведения калибровки/поверки РСИ, «привязки» проводимых измерений к эталону, обеспечивающей единство измерений; за счет возможности отслеживания ухода координат центроида в каждом измерении ширины пучка при применении МИП; а также за счет возможности плавного изменения ширины пучка.