Устройство для измерения мощности излучения волоконных лазеров
DEVICE FOR MEASURING RADIATION POWER OF FIBER LASERS

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к области измерения оптической мощности лазерного излучения.
Мощность излучения современных непрерывных волоконных лазеров достигает 100 кВт [Е. Shcherbakov, V. Fomin, A. Abramov, A. Ferin, D. Mochalov, and Valentin P. Gapontsev. "Industrial grade 100 kW power CW fiber laser," Advanced Solid-State Lasers Congress, 2013]. Точное измерение большой мощности оптического излучения является актуальной задачей.
2
.
Традиционные методы измерения оптической мощности, в основном, подразделяются на фотоэлектрические и тепловые. Методы первого типа, как правило, основаны на прямом преобразовании энергии излучения в электрический ток с использованием полупроводниковых элементов. Такой метод обладает высокой точностью, но имеет строгие ограничения по диапазону измеряемой мощности. Для измерения мощного лазерного излучения таким способом необходимо ослаблять или разделять лазерное излучение, что требует применения дополнительных оптических элементов, таких, как светоделители, оптические ответвители и аттенюаторы, которые, в свою очередь, также имеют ограничения по проходящей через них мощности. Используемые для деления мощных лазерных пучков светоделители не предназначены для излучения, плотность мощности которого значительно превышает 1 МВт/см[https://www.lasercomponents.com/de/?embedded=1&file=fileadmin/user_upload/home/Datasheets/lco/katalog/beschichtungen/high_power_beamsplitter.pdf].
Методы второго типа, как правило, включают в себя поглощение излучения чувствительным элементом, вызывающее изменение его температуры, которое измеряется датчиками температуры [Power meter for measurement of radiation, US Patent 3596514]. Приборы, основанные на таком методе, менее точны, но имеют более широкий динамический диапазон измеряемой мощности.
Описанные выше способы имеют общий недостаток - при измерении либо все излучение, либо его значительная часть поглощается чувствительным элементом и не может быть в дальнейшем использована по назначению. При этом использование внешних оптических элементов, описанных выше, налагает ограничения на величину проходящей мощности. Это ограничивает возможность измерения мощности лазерного излучения одновременно с его практическим использованием. Существуют другие методы измерения мощности оптического излучения, сохраняющие большую часть мощности для ее дальнейшего использования.
Известен пондеромоторный метод измерения оптической мощности, основанный на отражении света от чувствительного элемента и измерении давления света на элемент [Пондеромоторный измеритель мощности оптического излучения, Авт.свид. СССР №396564]. Однако такой метод отличается высокой сложностью. Известен также калориметрический метод измерения оптической мощности, основанный на поглощении малой доли излучения в прозрачной пластине, что вызывает изменение ее температуры, которое измеряется термодатчиком [Transparent optical power meter, US Patent 4019381]. Данный способ принят за прототип изобретения.
Еще одним недостатком описанных методов является сложность их использования для измерения мощности лазерного излучения непосредственно в условиях выполнения лазерным излучением технологических операций в промышленном производстве или научных исследованиях. В этих условиях необходимо использовать светоделители, которые вносят искажения в проходящий пучок и ухудшают его качество, а также, как указано выше, имеют ограничения по измеряемой оптической мощности. Чем выше мощность излучения (сильнее и неоднороднее разогрев материала светоделителя), тем сильнее искажения проходящего лазерного пучка.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений, снижение потерь и уменьшение искажений пространственного распределения мощности пучка измеряемого излучения при использовании устройства для измерения мощности волоконного лазера.
Для достижения технического результата используется устройство, содержащее прозрачный оптический элемент, представляющий собой оптическое волокно с металлическим покрытием, связанным с измерителем электрического сопротивления. Повышение точности измерений достигается использованием волокна с малыми поперечными размерами, обеспечивающего малый перепад температур внутри волновода; уменьшение искажений пространственного распределения мощности пучка измеряемого излучения обеспечивается волноведущими свойствами волокна. Для снижения оптических потерь волоконный световод механически соединяется с выходным волокном лазера, в частности, путем сплавления методом оптической сварки. Для изменения диапазона измерений, в частности, для увеличения точности измерений волоконный световод может подвергаться контролируемому изгибу. Кроме того, снижение потерь и уменьшение искажений пространственного распределения мощности пучка измеряемого излучения достигается изготовлением волоконного световода с профилем показателя преломления, совпадающим с профилем показателя преломления выходного волокна лазера.
Принцип работы устройства заключается в измерении мощности оптического излучения волоконного лазера по изменению сопротивления участка сенсорного волокна с металлической оболочкой, через который пропускается излучение, что вызвано поглощением рассеянного в волноведушей жиле излучения. Перед проведением измерений проводится калибровка при помощи теплового измерителя мощности.
При распространении лазерного излучения в кварцевой сердцевине происходит рассеяние излучения на мелких дефектах и флуктуациях показателя преломления. Основной механизм рассеяния - Рэлеевское, представляющее собой упругое рассеяние излучения на объектах, размер которых значительно меньше длины волны, таких как отдельные примесные атомы или молекулы, дефекты или локальные флуктуации показателя преломления. Значение коэффициента Рэлеевского рассеяния в однородных средах зависит от свойств материала, а также обратно пропорционально четвертой степени длины волны излучения, что обуславливает значительный вклад этого механизма в оптические потери в прозрачных материалах для излучения на коротких длинах волн. Стандартные значения Рэлеевского рассеяния в кварцевых волокнах с полимерной оболочкой - 0,2 дБ/км для длины волны 1,55 мкм и 1 дБ/км для 1,06 мкм.
В волокнах с металлическим покрытием потери на рассеяние в несколько раз больше, что связано с тем, что при вытяжке таких волокон они разогреваются до температур порядка 2000°С, а в процессе остывания большая разность коэффициентов термического расширения металлов и кварцевого стекла приводит к сильным механическим напряжениям и дефектам в кварце. Металлическая и углеродная оболочки волокна поглощают рассеянное в кварцевой сердцевине оптическое излучение, что приводит к их разогреву. При этом сопротивление металлического слоя в широком диапазоне температур линейно зависит от температуры металла. Таким образом, измерение сопротивления металлического покрытия сенсорного волокна позволяет определять мощность проходящего в кварцевой сердцевине этого волокна лазерного излучения. Преимущество использования такого сенсора состоит в том, что при правильном подборе параметров волновода, он сохраняет модовый состав и качество проходящего лазерного излучения.
На фиг. 1 представлена структура волоконного световода с металлическим покрытием, где 1 - волноведущая жила с повышенным показателем преломления, 2 - оболочка из кварцевого стекла с пониженным показателем преломления, 4 - металлическое покрытие, 3 - дополнительный слой углерода, часто добавляемый для повышения адгезии некоторых металлов, например, меди, к кварцевому стеклу. [Metal coated glass fibers, US Patent 3019515].
На фиг. 2 представлена схема эксперимента по реализации устройства. Здесь 5 -волоконный лазер на основе активного волокна с кварцевой сердцевиной и полимерной защитной оболочкой, используемый в качестве источника оптического излучения, 6 - волоконный световод с металлическим покрытием, 7 - измеритель электрического сопротивления, 8 - тепловой измеритель оптической мощности. На краях металлической оболочки данного сенсорного волокна созданы электрические контакты, соединяющие датчик с измерителем электрического сопротивления, в частном случае миллиомметром, используемым для измерения сопротивления оболочки волоконного датчика.
3+
3+
3+
В ходе эксперимента использовались два волоконных лазера с активной средой, представляющей из себя волоконный световод из кварцевого стекла, легированный ионами редкоземельных элементов: Yb с центральной длиной волны излучения 1064 нм и мощностью непрерывного излучения до 30 Вт, и Yb/Er c центральной длиной волны излучения 1550 нм и мощностью непрерывного излучения до 15 Вт; волоконный датчик был выполнен из участка волокна длиной 30 см, покрытого медной металлической оболочкой, кварцевая сердцевина которого сплавлена с кварцевой сердцевиной выходного волокна лазера 5 методом оптической сварки. Для осуществления оптической сварки полимерная оболочка была снята на выходном участке волоконного лазера длиной 2 см, аналогично были сняты металлическая и углеродная оболочка на привариваемом конце волокна, покрытого металлом. Для уменьшения потерь на оптической сварке и сохранения модового состава излучения подобрано волокно с металлической оболочкой, имеющее такой же диаметр световедушей жилы и профиль показателя преломления, как у выходного световода волоконного лазера.
ro
На фиг. 3 представлен график зависимости изменения сопротивления металлической оболочки сенсорного волокна от мощности проходящего излучения. Зависимость имеет линейный характер в данном диапазоне мощностей. По наклону зависимости определяется калибровочный коэффициент K.
Таким образом, мощность проходящего излучения определяется по формуле:
opt
opt
0
ro
P=K(R(P)-R)
ro
ro
1.06
1.55
Аппроксимация представленных на фиг. 3 данных показала, что калибровочные коэффициенты равны K=0.47 мОм/Вт и K=0,17 мОм/Вт для излучения на длинах волн 1064 нм и 1550 нм соответственно.
Изменение диапазона измерений датчика, в частности, повышение максимальной измеряемой мощности, может быть достигнуто изменением условий теплообмена, например, использованием радиатора либо тепловым контактом со средой с повышенным коэффициентом теплопроводности.
Рассеиваемая в сердцевине оптическая мощность достаточно мала для исследуемого диапазона, особенно для больших длин волн (1,5-2 мкм и более), что может затруднить измерение лазерного излучения с небольшой мощностью. Для повышения чувствительности предлагается подвергать волокно контролируемому изгибу, например, намотке на цилиндр, что приведет к появлению сильных изгибных потерь излучения, и, следовательно, увеличению поглощения излучения в металлической оболочке и более сильному ее разогреву. Предлагаемая схема показана на фиг. 4.
В оптических волокнах с контролируемым изгибом радиуса R (R>>a, где а - радиус волноведущей жилы) наблюдается перераспределение мощности излучения из жилы в оболочку в виде расходящейся волны, которое поглощается металлической оболочкой волокна, что вызывает дополнительный разогрев и, следовательно, повышает чувствительность датчика. Соответствующий коэффициент оптических потерь имеет следующую зависимость от радиуса изгиба для фундаментальной моды излучения [Marcuse D. Curvature loss formula for optical fibers // JOSA. - 1976. - V. 66. - №. 3. - P. 216-220.]:
g
2
где β - постоянная распространения моды в волокне без изгибов,  n - показатель преломления оболочки волокна, k - волновое число излучения на данной длине волны.
Таким образом, регулируя радиус изгиба волокна можно варьировать чувствительность и диапазон измерений в зависимости от поставленной задачи. В частных случаях измерения малых мощностей лазерного излучения внесение изгиба сенсорного волокна позволяет увеличить чувствительность и минимальную детектируемую оптическую мощность, однако ограничивает максимально детектируемую оптическую мощность и увеличивает величину потерь оптической мощности при детектировании. Необходимый радиус изгиба волокна следует определять при создании устройства, исходя из требуемого диапазона измерений оптической мощности.
Для уменьшения влияния перепадов температуры окружающей среды и перепадов напряжения в сети переменного тока в качестве устройства для измерения сопротивления может быть использована мостовая схема, например, представленная на фиг. 5 с использованием реостата, где 9 - реостат, 10, 11 - резисторы, 12 - вольтметр либо гальванометр. При этом материал реостата может совпадать с материалом оболочки волокна, чтобы влияние перепадов температуры внешней среды оказывало одинаковое влияние на сопротивление реостата и оболочки волокна. Здесь для проведения измерения должно быть подобрано такое сопротивление реостата, чтобы напряжение на вольтметре равнялось нулю. Тогда будет выполняться соотношение:
вол
p
1
2
Здесь R - сопротивление сенсорного волокна, R - сопротивление реостата, R, R - сопротивления резисторов. Таким образом, при известных номиналах резисторов и сопротивлении реостата можно однозначно определить сопротивление медной оболочки волокна, его температуру и, следовательно, оптическую мощность проходящего излучения.
Таким образом, теоретически и экспериментально установлена возможность использования описанного устройства для измерения оптического излучения волоконных лазеров. Преимуществом данного устройства являются возможность прямого измерения высокой оптической мощности без прерывания или разделения пучка, потери мощности в сенсорном волокне составляют менее 0.03% от выходной. При этом волноводные свойства сенсора позволяют сохранять качество оптического излучения без искажений при измерениях, что позволяет использовать данный способ для контроля мощности излучения в условиях выполнения лазером технологических задач.
Кроме того, данный способ позволяет измерять мощность излучения не только волоконного лазера, а также других источников лазерного излучения. Это может быть достигнуто изменением геометрических размеров волновода в соответствии с оптическими параметрами измеряемого излучения (диаметр пучка, числовая апертура, модовый состав и т.п.). В частности, для широких пучков сенсор может представлять собой оптическое волокно большого диаметра. В таком случае, чтобы излучение заводилось в волокно без потерь на отражение от торцов, на торцы стержня следует нанести просветляющее покрытие. Чувствительность такого объемного сенсора будет ниже, чем волоконного, но позволит измерять более высокие мощности лазерного излучения.