УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ МОЩНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится области оптических измерений и может быть использована для измерения больших уровней мощности непрерывного лазерного излучения.
В настоящее время актуальной задачей при применении лазеров больших уровней мощности является измерение их мощности. Так, для лазерной сварки изделий применяются иттербиевые волоконные лазеры (серия ЛС) с мощностью до 50 кВт и диаметром пучка от 12 мм.
Известны водоохлаждаемые средства измерений (СИ) больших уровней мощности лазерного излучения от 1 Вт до 120 кВт (см. The True Measure of laser, performance [Офиц. Сайт Ophir Photonics]; http://www.ophiropt.com/laser-measurement). Необходимость принудительного охлаждения является недостатком СИ больших уровней мощности, что приводит к громоздким конструкциям. Кроме того, такие СИ не обеспечивают пропускания измеряемого излучения на объект воздействия, так как полностью поглощают все излучение, что неудобно для использования в технологическом процессе с применением мощного лазера.
Известны неохлаждаемые СИ больших уровней мощности лазерного излучения до 1 кВт. Такие СИ содержат электромеханические измерительные ослабители мощности лазерного излучения, располагающиеся на пути распространения лазерного пучка.
В частности, известен электромеханический измерительный ослабитель мощности лазерного излучения, содержащий ведущий диск тарельчатой формы, установленный на приводном валу, связанный с ведомым диском тарельчатой формы, установленным с возможностью реверсивного перемещения относительно ведущего диска и приводного вала (см. В.И Арбеков, А.А. Кузнецов, М.В. Улановский, Л.Ф. Шойхет «Электромеханический измерительный ослабитель мощного оптического излучения», Тезисы Докладов 4-ой Всесоюзной НТК «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», 1982, с. 181). В конусной части тарельчатых дисков расположены секторные прорези для пропускания оптического излучения от излучателя к приемнику. Наличие двух дисков в зависимости от направления их вращения позволяет получать значения коэффициента ослабления измеряемой мощности в 10 и 100 раз. В те промежутки времени, когда вращающаяся тарелка ведомого диска перекрывает доступ оптического излучения к приемнику, излучение отражается от внутренней конической поверхности и попадает в поглотитель мощности излучения. Такая конструкция ослабителя с дисками тарельчатой формы позволяет производить измерения мощности лазерного излучения только до 100 Вт. Средства измерений, использующие такие ослабители, также не являются СИ проходного типа, основная часть мощности поглощается при отражении от внутренней конической поверхности тарелок. Увеличение мощности вызывает термодеформацию тарелок, неконтролируемое изменение коэффициента ослабления излучения и возможное разрушение конструкции.
2
Из уровня техники также известно устройство для измерения энергетических параметров лазерного излучения, содержащее размещенные в теплоизолирующем корпусе отражатель конической формы с вершиной, обращенной к входному окну корпуса, и расположенный вокруг отражателя соосно с ним поглощающий цилиндр, снабженный датчиком температуры, соединенным с регистратором, при этом отражатель выполнен в виде сегментов с возможностью вращения симметрично относительно оси поглощающего цилиндра (см. а.с. SU 1165138, кл. G01J 5/08, опубл. 07.09.1991). В этом устройстве пучок измеряемого излучения проходит через входное и выходное окна в корпусе параллельно оси цилиндра. При этом непрерывно вращающийся с помощью привода отражатель отбрасывает часть энергии пучка на поглощающий цилиндр, нагревая его, что приводит к приращению сопротивления датчика температуры, которое преобразуется в электрический сигнал и отображается с помощью регистратора. Такое устройство позволяет производить измерение плотности мощности излучения до 10 кВт/см в течение времени измерений 10 с без дополнительного охлаждения и при выбранной форме сегментов отражателя пропускает 90% мощности пучка.
2
Недостатком такого устройства является необходимость подбора формы упомянутых сегментов и постоянное присутствие в проходящем пучке отражателя, что изменяет распределение мощности излучения в плоскости поперечного сечения (также - параметра м) и ухудшает характеристики технологического использования лазера (например, качество лазерной сварки). Так, наличие отражателя конической формы приводит к тому, что центральная и наиболее интенсивная часть излучения попадает в вершину конуса и не проходит на выход устройства. В случае использования лазера в режиме большой плотности мощности в течение продолжительного времени, устройство, с целью сохранения метрологических характеристик, должно быть выведено из пучка прямого лазерного излучения. Наличие протяженного датчика температуры ухудшает зонную характеристику устройства и увеличивает погрешность измерения мощности. Данное устройство не является быстродействующим, так как использует медленные датчики температуры.
Наиболее близким по технической сущность к предлагаемой полезной модели является устройство для измерений мощности лазерного излучения, содержащее интегрирующую сферу с входным, выходным и дополнительным отверстиями, причем входное и дополнительное отверстие выполнены таким образом, что их центры находятся на оптической оси прямого проходящего излучения, вращающийся отражательный элемент, выполненный с возможностью перекрытия дополнительного отверстия и направления части лазерного излучения на внутреннюю диффузно-отражающую поверхность интегрирующей сферы, и фотоприемный узел (ФПУ), подведенный к выходному отверстию интегрирующей сферы (см. патент CN 2665682, кл. G01J 1/00, опубл. 22.12.2004). Излучение на вход ФПУ поступает в результате многократных диффузных отражений по закону Ламберта от внутренней поверхности интегрирующей сферы, ослабляется до необходимого значения и выравнивается по распределению интенсивности, что уменьшает зонную характеристику устройства. На входе ФПУ установлена ограничивающая световой поток диафрагма, определяющая поле зрения ФПУ, и индикатор измеряемой мощности на выходе датчика. Вращающейся отражательный элемент для измерения больших уровней мощности выполнен в виде диска с мишенью, имеющей высокий коэффициент отражения, которая отражает  часть мощности излучения в интегрирующую сферу. Наличие вращения увеличивает площадь поверхности поглощения, что уменьшает тепловую нагрузку на мишень.
Описанное устройство имеет следующие недостатки:
- устройство не обеспечивают пропускания измеряемого излучения на объект воздействия, так как поглощает и отражает все излучение, что неудобно для использования в технологическом процессе с использованием мощного лазера;
- при измерении больших уровней мощности устройство имеет большие габариты и требует охлаждения.
- при измерении больших уровней мощности излучения устройство имеет недостаточную помехозащищенность из-за электрических наводок от источника питания лазера на ФПУ.
Технической проблемой является создание высокоточного и помехозащищенного устройства проходного типа, пропускающего все излучение большой мощности на объект воздействия без вмешательства в лазерный пучок и имеющее небольшие габариты, которое может проводить измерения и контролировать выходную мощность лазера непосредственно во время технологического процесса (сварки, резки и т.д.). Технический результат заключается в уменьшении доли мощности лазерного излучения, используемой для проведения высокоточных измерений. Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве для измерений мощности лазерного излучения, содержащем интегрирующую сферу с входным, выходным и дополнительным отверстиями, причем входное и дополнительное отверстия выполнены таким образом, что их центры находятся на оптической оси прямого проходящего излучения, вращающийся отражательный элемент, выполненный с возможностью перекрытия дополнительного отверстия и направления части лазерного излучения на внутреннюю диффузно-отражающую поверхность интегрирующей сферы, и фотоприемный узел, подведенный к выходному отверстию интегрирующей сферы, отражательный элемент оснащен прозрачной пластиной, пропускающей большую часть лазерного излучения и установленной во вращающемся держателе под углом к оптической оси с возможностью периодического открытия дополнительного отверстия для вывода лазерного излучения из интегрирующей сферы. Пластина предпочтительно выполнена из кварцевого стекла и с двух сторон снабжена просветляющим покрытием. Отражательный элемент предпочтительно содержит электродвигатель, установленный на его валу диск, на котором с диаметрально противоположных сторон закреплены пластина в держателе и противовес. При этом устройство предпочтительно снабжено блоком управления, подключенным к фотоприемному узлу, содержащему волоконно-оптический коллектор с нейтральным светофильтром и регистрирующим излучение фотодиодом, и соединенным с электродвигателем отражательного элемента.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства в момент перекрытия дополнительного отверстия отражательным элементом;
на фиг. 2 - то же в момент открытия дополнительного отверстия для вывода всего лазерного излучения из интегрирующей сферы;
на фиг. 3 - вид А по фиг. 1;
на фиг. 4 - график зависимости температуры Т на поверхности пластины, от L - расстояния между осью вращения отражательного элемента и центром пучка лазерного излучения;
2
на фиг. 5 - график зависимости коэффициента отражения K, определяемого геометрией установки, от ширины пластины отражательного элемента.
Предлагаемая установка для измерений больших уровней мощности содержит интегрирующую сферу 1, расположенную после источника 2 лазерного излучения, выполненную из металла, например, из дюралюминиевого сплава Д16, с входным 3, выходным 4 и дополнительным 5 отверстиями. Входное 3 и дополнительное 5 отверстия выполнены таким образом, что их центры расположены на оптический оси прямого проходящего потока лазерного излучения. Внутренняя поверхность сферы 1 покрыта диффузно-отражаюшим покрытием, например, светотехнической эмалью типа АК 243. На выходе дополнительного отверстия 5 расположен отражательный элемент, содержащий сменную (в зависимости от длины волны лазерного излучения) тонкую прозрачную пластину 6, например, изготовленную из кварцевого стекла марки КУ-1 с нанесенным с двух сторон диэлектрическим просветляющим покрытием для устранения ≈7,8% Френелевского отражения, например, типа 43Р, обеспечивающим коэффициент пропускания 99% для измерения мощности излучения в диапазоне длин волн 0,5-2,0 мкм. Пластина 6 закреплена в металлическом держателе 7, жестко связанном с металлическим диском 8, установленном на валу электродвигателя 9, например, типа УАД 32Ф. С диаметрально противоположной стороны на диске 8 закреплен противовес 10, например, из стальной фольги, для быстрого вывода отражателя из зоны излучения после окончания цикла измерений.
Пластина 6 разделяет лазерное излучение на прямой проходящий поток и отраженный поток. Отраженный поток поступает во внутреннюю поверхность интегрирующей сферы 1 и далее, после многократных отражений от внутренней ее поверхности - на выходное отверстие 4. К выходному отверстию 4 интегрирующей сферы 1 подведен вход 11 фотоприемного узла (ФПУ) 12, содержащего волоконно-оптический коллектор 13 со светопроводом 14, на выходе 15 которого последовательно установлен нейтральный светофильтр 16 из нейтрального стекла, например, марки НС-2 и регистрирующий излучение фотодиод 17, например, типа S2386 (работающий на длине волны в диапазоне 0,53-0,9 мкм) или G8370 (работающий на длине волны в диапазоне 0,9-1,06 мкм). Волоконно-оптический коллектор 13 обеспечивает устранение влияния электрических наводок, создаваемых блоком питания источника лазерного излучения 2 на работу ФПУ 12, что увеличивает помехозащищенность устройства, а нейтральный светофильтр 16 необходим для согласования уровня оптического сигнала с диапазоном линейности фотодиода 17. Сигналы с ФПУ 12 поступают через подключенный к нему блок управления 18, соединенный с электродвигателем 9, в компьютер 19.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Первоначально запускают пилотный (котировочный) лазер, входящий в состав источника лазерного излучения 2 на небольшом уровне выходной мощности (~0,5 мВт) и осуществляют юстировку устройства, где пучок излучения беспрепятственно проходит через входное 3 и дополнительное 5 отверстия интегрирующей сферы 1.
После проведения юстировки, запускают основной лазер источника излучения 2 в режиме большой мощности и после выхода на требуемый энергетический режим, с помощью компьютера 19 через блок управления 18 запускают цикл проведения измерения мощности излучения (длительность цикла не превышает двух-трех секунд). В процессе измерения включают электродвигатель 9, пучок лазерного излучения проходит через входное отверстие 3 интегрирующей сферы 1, попадает на поверхность вращающейся пластины 6 и разделяется на прямой поток, проходящий через дополнительное отверстие 5, и поток, отраженный от пластины 6 и попадающий в интегрирующую сферу 1. Вектор нормали к пластине 6 расположен под углом 6°-8° относительно оптической оси излучения. Отраженный от пластины 6 поток излучения, многократно отражаясь от внутренней поверхности интегрирующей сферы 1 по закону Ламберта, представляет собой диффузно-отраженный поток, который через выходное отверстие 4 поступает на ФПУ 12, а именно на вход 11 волоконно-оптического коллектора 13. Его угол обзора α должен быть таким, чтобы собирать диффузно-отраженное излучение с области, характеризующееся равномерностью распределения интенсивности (что уменьшает влияние зонной характеристики устройства на результат измерений и увеличивает его точность). Наличие небольшого угла установки пластины 6 относительно оптической оси уменьшает влияние поляризации лазерного пучка и обеспечивает первое отражение от нее в область интегрирующей сферы 1 в направлении, не совпадающем ни с прямым излучением, ни с расположением выходного отверстия 3 и волоконно-оптического коллектора 13, что необходимо для получения более точных результатов измерений мощности.
Волоконно-оптический коллектор 13 передает диффузно-отраженный поток по светопроводу 14. Затем этот поток поступает на выходной нейтральный фильтр 16, расположенный на выходе 15 светопровода 14 и далее на фотодиод 17. Полученный электрический сигнал с ФПУ 12 поступает в компьютер 19 с помощью блока управления 18 для получения результатов измерений. После их получения по сигналу от компьютера 19 с помощью блока управления 18 отключают электродвигатель 9 и завершают цикл измерений, а пластина 6 без вмешательства оператора благодаря противовесу 10 за счет дисбаланса быстро выводится из пучка и оказывается в положении, не оказывающим влияния на его структуру при дальнейшем технологическим применении лазера.
п
п
На фиг. 3 приведена схема движения пластины 6 относительно пучка излучения, имеющего диаметр d=2r.
1
Ось электродвигателя 9 (точка О), расположена на расстоянии L от центра пучка лазерного излучения (точка O). Можно показать, что на поверхности пластины 6 устанавливается температура
где P - мощность излучения; λ - теплопроводность пластины;  С - теплоемкость пластины; ρ - удельная плотность материала пластины; ƒ - частота вращения электродвигателя (число оборотов в секунду).
3
При использовании в качестве пластины кварцевого стекла КУ-1 его теплофизические характеристики равны λ=1,35 Вт/мс°; ρ=2200 Кг/м; С=728,0 Дж/кгс°. Температура размягчения 1400°С.
п
2
Зависимость температуры Т°С от L мм при Р=12 кВт, r=6 мм, (что определяет плотность мощности излучения ≈10 кВт/см) и ƒ=50 оборотов в секунду представлена на фиг. 4. Из фиг. 4 следует, что при выборе L≈150 мм температура на поверхности пластины будет порядка 1300°С, что меньше температуры размягчения кварцевого стекла.
0
0
1
2
1
2
Можно показать, что коэффициент пропускания отраженного излучения K, поступающего в интегрирующую сферу, определяется произведением коэффициентов пропускания K=K⋅K, где K определяется пропусканием за счет отражения ≈1% проходящей мощности от диэлектрического покрытия поверхности пластины 6, а K определятся геометрией расположения отражающего элемента в конструкции установки и может быть определена по формуле
n
где d - ширина пластины отражателя.
2
-3
-3
Из фиг. 5 видно, что при ширине пластины отражателя 1-2 мм можно достичь коэффициента пропускания K в диапазоне (10÷2⋅10).
0
-5
-5
Тогда K=(10÷2⋅10) и при мощности лазерного источника Р=10-50 кВт, средняя мощность излучения, отраженная от пластины 6 и попадающая в интегрирующую сферу 1, будет не более 0,1÷1,0 Вт.
Интегрирующая сфера 1 дополнительно ослабляет излучение. Коэффициент ее пропускания с учетом, того, что излучение с выходного отверстия 4 собирается на входе 11 волоконно-оптического коллектора 13 в линейном угле α может быть определен из следующего соотношения
вх
вых
доп
к
где ρ - коэффициент отражения от внутренней поверхности интегрирующей сферы 1; S, S, S, S - площадь внутренней поверхности интегрирующей сферы 1, площади сферических сегментов входного 3, выходного 4 и дополнительного 5 отверстий соответственно; S - площадь апертуры входа 11 волоконно-оптического коллектора 13.
СФ
п
СФ
o
-5
-10
Так, при диаметрах входного, выходного и дополнительного отверстий, равных 20 мм, 5 мм и 20 мм соответственно, диаметра апертуры входа 11 волоконно-оптического коллектора 13 5 мм, угла α≈12° и ρ=0,8, диаметра интегрирующей сферы 1 100 мм, коэффициент пропускания интегрирующей сферы 1 равен K≈2,5⋅10, что обеспечивает полный коэффициент пропускания устройства K=K⋅K≈2,5⋅10 и мощность, поступающую на фотодиод 17, от общего 12 кВт излучения лазера, составит всего порядка 3 мкВт, что достаточно для проведения точных измерений.
Таким образом, предлагаемая полезная модель за счет описанной конструкции позволяет значительно уменьшить долю лазерного излучения, используемую для проведения измерений, и создать высокоточное помехозащищенное устройство проходного типа, которое может проводить измерения и контролировать выходную мощность лазера непосредственно во время технологического процесса. Путем выбора материала пластины и ее покрытия, подбора скорости вращения двигателя, площади пластины и времени ее прохождения через поперечное сечение пучка, ослабления излучения в интегрирующей сфере и ФПУ, возможно получение отраженного оптического сигнала, позволяющего провести высокоточное измерение больших уровней мощности излучения устройством с меньшими габаритами и без вмешательства в лазерный пучок.
Работа выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования высокоточных измерительных технологий в области фотоники (ckp.vniiofi.ru), созданного на базе ФГУП «ВНИИОФИ» и поддержанного Минобрнауки России в рамках выполнения соглашения №14.595.21.0003 от 28.08.2017 г. (уникальный идентификатор RFMEFI59517X0003).