Способ формирования лазерного излучения эталонной мощности
METHOD OF GENERATING LASER RADIATION OF REFERENCE POWER

Изобретение относится к области энергетической фотометрии, а именно, к способам формирования лазерного излучения эталонной мощности и может быть использовано в сфере метрологии параметров оптического излучения для обеспечения высокоточных измерений и масштабных преобразований уровня средней мощности лазерного излучения при воспроизведении и передаче ее единицы по ступеням поверочных схем.
При измерении или передаче единицы средней мощности непрерывного коллимированного лазерного излучения по ступеням ряда поверочных схем, например, в области традиционных лазеров и волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) часто возникает необходимость масштабных преобразований этого параметра. Весьма простым способом решения этой задачи является использование механических ослабителей, аттестация которых с определением коэффициента ослабления может быть проведена независимыми методами с использованием, например, высокоточных средств измерений угловых или линейных размеров рабочих элементов этих ослабителей. В пользу применения таких устройств свидетельствует то, что во главе названных поверочных схем используется высокоточная калориметрическая техника, характеризующаяся достаточно большой инерционностью, обеспечивающая высокоточные измерения средней мощности не только непрерывного, но и импульсно-периодического излучения при частотах модуляции (50-100) Гц и более, образующегося на выходе механических ослабителей. Анализ характеристик применяемой, например, в действующем в области ВОСП эталоне ГЭТ 170-2013 аппаратуры, выявил возможность значительного расширения диапазона воспроизводимых на его ступени значений средней мощности оптического излучения как в сторону увеличения, так и уменьшения этих значений.
Из уровня техники известен способ формирования высокостабильного лазерного излучения, включающий ослабление мощности лазерного излучения от источника с помощью основного вращающегося механического ослабителя из поглощающего материала с ответными полукруговыми прорезями (см. патент CN 202230246, кл. G01J 1/04, опубл. 23.05.2012). Однако, известный способ не позволяет варьировать мощность излучения в широких пределах и может быть использован в метрологических целях.
э
м
м
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является способ формирования лазерного излучения эталонной мощности, включающий ослабление мощности лазерного излучения от выбранного источника с помощью вращающегося механического ослабителя из поглощающего материала с угловой прорезью, измерение полученной мощности Р с помощью эталонного приемника, расчет эталонной мощности Р лазерного излучения и формирование лазерного излучения эталонной мощности Р, реализованный при калибровке Государственного рабочего эталона единицы средней мощности непрерывного и импульсно-модулированного излучения 1 разряда в диапазоне от 0,05 до 5 Вт на эталоне ГЭТ 170-2013 (см. А.И. Глазов, М.Л. Козаченко, С.В. Тихомиров, Н.П. Хатырев. «Государственный рабочий эталон единицы средней мощности оптического излучения для волоконно-оптических систем и лазеров. // Измерительная техника, 2016, №3, С. 7-11). Согласно этому способу лазерное излучение от источника направляют по волоконно-оптическим кабелям к оптической скамье, с помощью которой формируют открытый коллимированный пучок лазерного излучения, и располагают ослабитель на пути указанного открытого пучка, а ослабленное лазерное излучение от оптической скамьи по волоконно-оптическим кабелям направляют к приемнику.
-4
-3
-5
-2
Описанный выше способ позволяет при использовании независимо калибруемого механического ослабителя раздвинуть границы воспроизводимых значений единицы средней мощности от (5⋅10-10) Вт до (10-5⋅10) Вт. Учитывая, что в настоящее время на практике начинают все шире использоваться источники непрерывного и импульсно-периодического оптического излучения, вывод которого осуществляется с помощью волоконно-оптических световодов, а рабочий диапазон средней мощности достигает (20-200) мВт, расширение пределов работы Государственного эталона до приведенных выше уровней может существенно улучшить метрологическое обеспечение в областях, где применяются подобные источники.
Однако сопутствующее развитию лазерной и измерительной техники повышение требований к точности и надежности, достигаемые за счет уменьшения погрешностей воспроизведения и передачи энергетических единиц лазерного излучения в соответствии с поверочными схемами между эталонами различных рангов и рабочими средствами измерений (РСИ), вызывает необходимость постоянного поиска все более эффективных схемотехнических решений применяемых при этом устройств, направленных на дальнейшую минимизацию влияния многих негативных факторов. В частности, недостатком наиболее близкого аналога является возникновение неколлимированного рассеянного потока излучения, вызываемого дифракцией проходящего внутри волоконно-оптической скамьи через ослабитель коллимированного пучка при его взаимодействии с кромками прорези ослабителя в моменты пересечения ими ослабляемого потока. Это, в свою очередь, приводит к потерям созданного таким образом неколлимированного излучения при вводе его в волоконно-оптический кабель с помощью фокусирующей системы скамьи. Поскольку такие потери имеют место только при работающем ослабителе и не проявляется при выводе его из области пучка, то оценка средней мощности излучения на выходе скамьи оказывается несколько меньше ее реального значения. Иными словами реализация известного способа формирования лазерного излучения эталонной мощности связана с возникновением некоторой трудно учитываемой неопределенности в оценке средней мощности излучения на выходе.
Поскольку в настоящее время требования к надежности и точности измерений средней мощности излучения начинают достигать значений 0,005%, то на дополнительный фактор влияния дифракции и вызванные этим потери излучения в волоконно-оптической скамье, следует обратить должное внимание.
э
м
м
м
э
о
в
о
в
Таким образом, технической проблемой является устранение указанных недостатков и создание способа формирования лазерного излучения эталонной мощности, соответствующего современным метрологическим требованиям. Технический результат заключается в повышении точности воспроизведения эталонной мощности. Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что согласно предлагаемому способу формирования лазерного излучения эталонной мощности, включающему ослабление мощности лазерного излучения от выбранного источника с помощью основного вращающегося механического ослабителя из поглощающего материала с угловой прорезью, измерение полученной мощности Р с помощью эталонного приемника, расчет эталонной мощности Р лазерного излучения и формирование лазерного излучения эталонной мощности Р, при формировании лазерного излучения эталонной мощности используют вспомогательный вращающийся механический ослабитель в виде углового фрагмента, по форме повторяющий указанную угловую прорезь, а эталонную мощность сформированного лазерного излучения рассчитывают как Р=Р⋅К/К, где К - коэффициент ослабления основного ослабителя, а К - вспомогательного. Могут быть использованы основной ослабитель в виде диска и вспомогательный в виде пластины или основной ослабитель в виде цилиндра и вспомогательный в виде цилиндрического сектора. Лазерное излучение от источника предпочтительно направляют по волоконно-оптическим кабелям к оптической скамье, с помощью которой формируют открытый коллимированный пучок лазерного излучения, и располагают ослабители на пути указанного открытого пучка, а ослабленное лазерное излучение от оптической скамьи по волоконно-оптическим кабелям направляют к приемнику.
На фиг. 1 представлена установка для формирования лазерного излучения с основным ослабителем (первый этап);
на фиг. 2 - вид основного ослабителя в плоскости, перпендикулярной его оси;
на фиг. 3 представлена установка для формирования лазерного излучения с вспомогательным ослабителем (второй этап);
на фиг. 4 - вид вспомогательного ослабителя в плоскости, перпендикулярной его оси.
э
Установка для реализации предлагаемого способа содержит источник лазерного излучения 1, соединенный волоконно-оптическим кабелем 2 с волоконно-оптической скамьей 3, внутри которой формируется участок открытого коллимированного пучка излучения. В указанный открытый участок может вводиться и выводиться основной механический ослабитель 4 излучения, выполненный в виде вращающегося диска или цилиндра (на чертежах не показано) и имеющий сквозную прорезь 5 с радиально ориентированными острыми стенками, угол между которыми составляет n°. Выходящий из скамьи 3 волоконно-оптический кабель 6 соединен с эталонным приемником 7, выполненным в виде преобразователя средней мощности из состава эталона, выходные сигналы которого обрабатываются и представляются в виде информации об уровне средней мощности воздействующего на этот преобразователь излучения Р. Основной ослабитель 4 приводится во вращение электродвигателем 8, а стенки его прорези 5 скошены в сторону приемника 7.
Кроме того установка содержит вспомогательный ослабитель 9, рабочий элемент которого выполнен в виде вращающегося углового фрагмента в виде пластины (на чертежах не показано) или цилиндрического сектора, по форме повторяющего указанную угловую прорезь 5, грани которого ориентированы в радиальном направлении под углом m° и имеют скошенные грани. В случае установки ослабителя 9, волоконно-оптический кабель 6 соединяют с рабочим средством измерения 10. Рабочий элемент вспомогательного ослабителя 9 имеет поглощающее излучение покрытие и приводится во вращение с помощью электродвигателя 11, а его стенки его скошены в сторону приемника рабочего средства измерения 10.
Длина прорези 5 и вспомогательного ослабителя 9 в радиальном направлении должны превышать диаметр пучка лазерного излучения не менее чем в (1,2-1,3), а их верхняя кромка - перекрывать область пучка излучения на расстояние не менее чем на (0,2-0,3) его диаметра. Ослабители 4, 9 выполняют из непрозрачного для лазерного излучения материала, обладающего высокой теплопроводностью, а на их поверхности наносят хорошо поглощающие излучение покрытия, например, чернение. Охлаждение элементов 4 и 9 происходит при их вращении за счет теплообмена с окружающей воздушной средой.
Установку дополнительно снабжают компьютером для автоматического управления ее работой (в том числе и при проведении измерительных процессов с многократными измерениями и обработкой всей измерительной информации с автоматической выдачей протоколов полученных результатов), средствами отображения информации в виде индикатора, дисплея или аналого-цифровых преобразователей, а также контрольным средством измерений средней мощности проходного типа для учета нестабильности используемого лазера (на чертежах не показано). Ослабители 4 и 9 могут в соответствии с заданным алгоритмом вводиться и выводиться в область коллимированного пучка излучения, сформированного в проеме волоконно-оптической скамьи 3, с помощью устройств для автоматических линейных перемещений.
Предлагаемый способ реализуют следующим образом.
э
На первом этапе включают электродвигатель основного ослабителя 9 и лазерный источник 1. При этом излучение источника по состыкованному с ним волоконно-оптическому кабелю 2 подают на вход волоконно-оптической скамьи 3, где оно на некотором участке своего пути трансформируется в открытый коллимированный пучок, упирающийся в основной ослабитель 4. Наибольшая доля пучка лазерного излучения поглощается этим основным ослабителем 4, а наименьшая, периодически проскакивающая через прорезь 5, преобразуется в ослабленный по средней мощности импульсно-модулированный поток, входящий в выходной волоконно-оптический кабель 6, по которому он поступает на вход эталонного приемника 7, обеспечивающего измерение полученной мощности Р.
На втором этапе эталонный приемник 7 отсоединяют от волоконно-оптического кабеля 6, после чего ослабитель 4 выводят из области коллимированного пучка в волоконно-оптической скамье 3, а на его место вводят вспомогательный ослабитель 9, предварительно включив его электродвигатель 11. При этом на выходе кабеля 6 формируют лазерное излучение эталонной мощности, которая может быть рассчитана как:
м
э
о
в
Р=Р⋅К/К,
о
в
где К=360°/n° - определяемый геометрически коэффициент ослабления ослабителя 4, а К=360°/(360°-m°) определяемый геометрически коэффициент ослабления вспомогательного ослабителя 9.
При этом рабочие кромки вспомогательного ослабителя 9 на втором этапе, точно так же как и рабочие кромки прорези 5 основного ослабителя 4 на первом этапе, взаимодействуют внутри скамьи с пучком коллимированного излучения, пространственные и энергетические параметры которого остаются на этих этапах неизменными. Поэтому занижение оценки средней мощности излучения на выходе волоконно-оптического кабеля 6 при ее оценке на первом этапе приводится в соответствие реальному значению. Объясняется это тем, что на каждом этапе имеет место дифракция излучения на идентичных кромках рабочих элементов основного 4 и вспомогательного 9 ослабителей, что уравнивает потери неколлимированного излучения на этих стадиях и позволяет подавить связанную с этим фактором погрешность измерений.
Проведенные испытания показали, что использование предлагаемого способа формирования лазерного излучения эталонной мощности в процессе воспроизведения и передачи ее единицы поверяемым средствам измерений позволяет при поверке и калибровке обеспечить достижение современных требований к точности измерений средней мощности оптического излучения для эталонной техники на уровне (0,01-0,005)%.