МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ МОЩНЫХ НАНО- И ПИКОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ ПРОХОДНОГО ТИПА
MULTICHANNEL DEVICE FOR MEASURING ENERGY OF POWERFUL NANO-AND PICOSECOND TRANSMISSION-TYPE LASER PULSES

Изобретение относится к области измерительной техники и технической физики, в частности к созданию устройств для измерения энергии мощных импульсов лазерного излучения.
Из уровня техники известны устройства для измерения энергии мощных лазерных импульсов, использующие пироэлектрические первичные измерительные преобразователи, изготавливаемые фирмой «Ophir Optronics Solutions Ltd» [1]. Устройства типа PE50-DIF-ER-C и PE100BF-DIF-C позволяют производить измерение энергии импульсного лазерного пучка с энергией до 40 Дж с длительностью импульсов от 0,002 мс до 20 мс с частотой следования от 25 Гц до 10 кГц.
6
2
При этом плотность мощности измеряемого лазерного излучения в одном импульсе при диаметре пучка ≈33 мм составляет ≈2,5·10 Вт/см, что характерно для импульсов микро- и миллисекундного диапазона длительностей.
9
2
Однако для решения задач измерения энергии мощных лазерных импульсов в нано- и пикосекундном диапазонах длительностей упомянутые устройства по своей структуре не приспособлены к высоким плотностям мощности ≈(1-5)·10 Вт/см из-за низкого значения предельной оптической мощности пироэлектрических приемников, превышение которой ведет к их повреждению или к необратимому изменению метрологических характеристик.
Кроме того, данные устройства не являются устройствами проходного типа и тем самым не позволяют одновременно проводить измерения энергии и использовать лазерный пучок для дальнейшего применения.
Задача расширения диапазона длительностей мощных лазерных импульсов при измерении энергии и использовании лазерного пучка для дальнейшего применения может эффективно решаться посредством применения устройств проходного типа, основанных как на измерении лишь малой части рассеянного излучения, так и обеспечивающих прохождение основной части излучения через оптически-прозрачный рассеиватель без существенного ослабления.
3
2
Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является устройство, работающее на основе бесконтактного способа измерения мощности лазерного излучения, основанного на измерении рассеяния вторичного свечения от частиц аэрозоля из тугоплавкого материала при воздействии лазерного излучения с интенсивностью более 10 Вт/см[2]. Погрешность измерения лазерных характеристик предлагаемым способом определяется точностью измерения концентрации светящихся частиц. Эта концентрация, в свою очередь, может быть измерена с высокой точностью, если поток аэрозоля сформирован в виде плоского слоя. Однако создание широкого однородного слоя является достаточно сложной технической задачей, о чем непосредственно в документе [2] упоминают авторы, причем в возможном решении этой задачи не рассматривается метрологический аспект, являющийся существенным при создании как новых способов измерения, так и соответствующих этим способам устройств. Применение в устройстве одного приемного элемента, работающего в широком спектральном диапазоне, приводит к разной чувствительности устройства при измерении энергии на разных длинах волн. На длинах волн, где спектральная чувствительность падает, увеличивается погрешность измерения энергии.
9
2
Техническая задача, решаемая заявляемым изобретением, состоит в создании многоканального высокоточного устройства для измерения энергии мощных нано- и пикосекундных лазерных импульсов проходного типа с плотностью мощности ≈(1-5)·10 Вт/см в расширенном спектральном диапазоне, определяемом числом измерительных каналов, с обеспечением независимости результата измерений от вида пространственного распределения интенсивности лазерного пучка с возможностью использовать лазерный пучок для дальнейшего применения, в упрощении конструкции устройства и высокой спектральной чувствительности на фиксированной длине волны для каждого измерительного канала.
9
2
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в расширении спектрального диапазона излучения, в увеличении диапазона плотности мощности при измерении энергии лазерных импульсов до ≈(1-5)·10 Вт/см, повышении точности измерения энергии, обеспечении независимости точности измерений от формы пространственного распределения интенсивности лазерного пучка с возможностью использовать лазерный пучок для дальнейшего применения, а также в упрощении конструкции устройства.
Достижение этого результата обеспечивается применением нескольких измерительных каналов, оптимальных по спектральной чувствительности для разных длин волн. При этом устройство содержит оптический элемент, выполненный в виде цилиндрической шайбы из оптического стекла, расположенный под углом α≈5°÷7° к оптической оси лазерного пучка для устранения влияния отраженного от шайбы обратного излучения. Таким образом, основная часть излучения проходит без существенного ослабления, а рассеянное излучение поступает на световолоконные коллекторы, согласованные по длине волны излучения и уровню оптического сигнала с соответствующими фотодиодами для работы на выбранных длинах волн, например на длинах волн 0,53 и 1,06 мкм, переключаемых с помощью коммутатора. На входе фотодиодов установлены нейтральные ослабители с возможностью регулировки расстояния положения концов световолоконных коллекторов, подводящих рассеянное излучение к поверхности ослабителей, что позволяет изменять интенсивность излучения, поступающего на фотодиод, так как интенсивность изменяется обратно пропорционально квадрату упомянутого расстояния, а разветвленные концы световолоконного коллектора, на которые поступает рассеянное излучение от боковой поверхности шайбы, установлены с возможностью регулировки расстояния от них до внешней цилиндрической поверхности шайбы рассеивателя, что позволяет осуществлять выравнивание зонной характеристики устройства, т.е. добиться того, что интенсивность излучения, попадающего на разветвленные концы световолоконного коллектора будет слабо зависеть от положения входящего в устройство лазерного пучка относительно цилиндрической шайбы, что в конечном счете влечет за собой повышение точности измерения энергии.
В состав заявляемого устройства для измерения энергии входят также коммутатор, необходимый для подключения нужного канала в зависимости от длины волны излучения, измерительно-вычислительный блок, содержащий интегрирующее устройство, выполняющее функцию преобразования импульса тока с выхода фотодиода в импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна энергии излучения на входе фотодиода, усилитель напряжения с переменным коэффициентом усиления, определяемым величиной значения энергии лазерного излучения для создания необходимого уровня электрического сигнала для работы пикового детектора, пиковый детектор для запоминания и хранения информации о значении пиковой амплитуды импульса, аналого-цифровой преобразователь для преобразования электрических сигналов пикового детектора в цифровую информацию, микропроцессор, в котором посредством специально разработанного программного обеспечения, путем программной аппроксимации характеристик преобразования фотодиодов методом наименьших квадратов снижается нелинейность упомянутой характеристики до уровня 0,5-0,7% в диапазоне двух-трех десятичных порядков изменения энергии, индикатор для визуализации результатов измерений.
Наличие отдельных каналов измерения для двух или более длин волн позволяет использовать фотодиоды, имеющие высокую спектральную чувствительность, на оптимальной для конкретного фотодиода длине волны и тем самым обеспечивать возможность независимой регулировки чувствительности каналов, что повышает точность измерения энергии.
Независимо от вида пространственного распределения интенсивности лазерного пучка, поступающего на цилиндрическую шайбу, структура распределения на его выходе за счет рассеяния выравнивается и приближается к равномерной, что обеспечивает требуемую точность измерения энергии вне зависимости от вида пространственного распределения интенсивности.
Световолоконные коллекторы обеспечивают передачу оптического сигнала от цилиндрической шайбы за счет рассеяния на фотодиоды, что уменьшает влияние электромагнитной помехи во время импульса за счет конструктивного вынесения фотодиодов из тракта прямого лазерного излучения, что повышает точность измерения энергии.
Описанная конструкция оптической схемы устройства обеспечивает требуемое ослабление энергии лазерного пучка до уровня, необходимого для измерения его фотодиодом. Возможность регулировки с помощью винтов расстояния от внешней цилиндрической поверхности шайбы до разветвленных концов световолоконных коллекторов позволяет уменьшать влияние зонной характеристики устройства на результат измерения энергии, что повышает точность измерения энергии.
Наличие нейтральных ослабителей на входе фотодиодов и возможность регулировки с помощью винтов расстояния от концов световолоконных коллекторов, противоположных к разветвленным концам, до поверхности ослабителей, позволяет согласовать уровень отбираемого для проведения измерения рассеянного излучения с диапазоном линейности фотодиодов, что повышает точность измерения энергии.
Схема заявляемого устройства для измерения энергии лазерных импульсов в предпочтительном варианте его осуществления представлена на Фиг. 1. Устройство представляет собой измерительный преобразователь 1, состоящий из оптически-прозрачного рассеивателя проходного типа 2, обеспечивающего прохождение излучения через него и выполненного в виде цилиндрической шайбы из оптического стекла, например, марки К-8, установленной во фланец под острым углом α≈5°÷7° оси симметрии шайбы к оптической оси для предотвращения обратного отражения на лазер, причем на внешней цилиндрической поверхности шайбы равномерно по окружности установлены и закреплены посредством винтов 3 разветвленные концы двух световолоконных коллекторов 4, 5, противоположные концы которых закреплены в оправу с помощью винтов 6, где соосно с концами 4, 5 размещены нейтральные ослабители излучения 7 и фотодиоды 8, 9, например, типа G8370 для длины волны 1,06 мкм или S2386 для длины волны 0,53 мкм, коммутатора 10 и измерительно-вычислительного блока 17, состоящего из интегрирующего устройства 11, усилителя 12, пикового детектора 13, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 14, микропроцессора 15 и индикатора 16. В микропроцессоре осуществляется программная аппроксимация характеристики фотодиода методом наименьших квадратов посредством использования специально разработанного программного обеспечения.
Устройство работает следующим образом. Излучение лазера поступает на рассеиватель 2. Основная часть потока излучения проходит через рассеиватель без существенного ослабления, а рассеянное излучение с боковой его поверхности поступает на разветвленные концы световолоконных коллекторов 4, 5, далее - на нейтральные ослабители 7 и на включенный с помощью коммутатора 10, в зависимости от длины волны измеряемого излучения, фотодиод 8 или 9.
Поступающее на соответствующий фотодиод импульсное лазерное излучение преобразуется в импульс тока. Импульс тока фотодиода поступает на интегрирующее устройство 11, преобразующее его в импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна энергии излучения на входе фотодиода. Импульс напряжения с выхода интегрирующего устройства через усилитель 12 поступает на вход пикового детектора 13, который «запоминает» и «хранит» информацию о значении пиковой амплитуды этого импульса в течение времени (~100 мкс), необходимого для его измерения и регистрации.
3
4
Благодаря этому устройство позволяет проводить измерение энергии как одиночного импульса, так и последовательности лазерных импульсов с частотой следования до 10-10 Гц.
С выхода пикового детектора сигнал поступает на АЦП 14, где преобразуется в цифровую информацию. Затем оцифрованный сигнал поступает на микропроцессор 15. Микропроцессор считывает данные во внутреннюю память для последующей обработки и формирования сигналов для индикации на индикаторе 16.
Источники информации
[1] Сайт www.ophiropt.com/laser-measurement. Каталог измерителей мощности и энергии «OPHIR».
[2] Н.Н. Белов, А.А. Негин. Авторское свидетельство SU №701221, кл. МПК: G01J 1/58, 1986.