Эталонная установка единицы мощности лазерного излучения и световод для нее
REFERENCE INSTALLATION OF LASER RADIATION POWER UNIT AND OPTICAL FIBER GUIDE THEREFOR

Изобретение относится к области оптических измерений, а именно к энергетической фотометрии, и может быть использовано в составе эталонной техники для метрологического обеспечения высокоточной поверки или калибровки средств измерений (СИ) средней мощности коллимированного лазерного излучения.
Из уровня техники известна эталонная установка для воспроизведения и передачи единицы мощности коллимированного лазерного излучения, содержащая поглотитель и фотометрическую сферу, соосно размещенную перед входным окном поглотителя таким образом, чтобы исключить их механический и тепловой контакт, причём выходной проём фотометрической сферы полностью перекрывает входное окно поглотителя (см. А.В. Кубарев, А.С. Обухов, И.Н. Говор, В.М. Нестеренко «Государственный специальный эталон единиц энергии и мощности когерентного излучения оптического диапазона» // Измерительная техника. 1 1973. - №8. С. 3, 4;  ГОСТ 8.056-73. Государственный специальный эталон единиц мощности и энергии когерентного излучения оптического излучения. М., Изд.-во Стандартов, 1973). Фотометрическая сфера обеспечивает возможность учёта большей части излучения, отражённого от стенок полости поглотителя и выходящего через его входное окно. Тем не менее, основным недостатком известной установки является недостаточная точность измерений, обусловленная неполнотой учета этого излучения (его часть теряется через входной проём фотометрической сферы, минуя ее внутреннюю поверхность) и наличием слабого потока излучения (который окружает область основного пучка и не попадает ни в поглотитель, ни в фотометрическую сферу), не учитываемого при воспроизведении единицы средней мощности. После вывода рассмотренного эталонного устройства из лазерного пучка и замены его поглотителем поверяемого СИ (с апертурой, превышающей размер входного проёма фотометрической сферы), это СИ будет подвергаться воздействию периферийного потока излучения, который ранее был экранирован фотометрической сферой и не был учтён при воспроизведении единицы мощности, что приводит к увеличению погрешности проводимых поверочных работ.
При измерении энергетических параметров лазерного излучения его коллимированный пучок обычно направляют во входное окно используемого приемника, диаметр которого несколько превышает диаметр пучка. Учитывая слабую расходимость пучков лазерного излучения, во многих случаях такой подход при практических измерениях на уровне рабочих средств измерений (РСИ) можно считать вполне оправданным. Однако, с повышением требований к точности измерений, приходится учитывать, что пучок интенсивного лазерного излучения, как правило, сопровождается окружающим его потоком излучения значительно меньшей интенсивности, но большего диаметра. При этом часть этого потока  может в той или иной степени не вписываться в апертуру используемого приемника. Этот фактор негативно проявляется при проведении поверочных или калибровочных работ при передаче единиц энергии и средней мощности излучения методом сличений от рабочих эталонов (РЭ) к РСИ, отличающихся размерами приемных поверхностей. В этом случае наличие малоинтенсивного потока излучения может приводить к связанным с этим фактором значительным погрешностям измерений из-за неадекватности воздействия этого потока на сличаемые СИ.
Кроме того, из уровня техники известен световод, ограничивающий диаметр потока и уменьшающий потери излучения при передаче от источника к приёмнику, который выполнен в виде полой трубки с отражающей внутренней поверхностью (см. патент RU219322, кл. G02B 6/20, опубл. 20.11.2002). Недостатками известного устройства являются относительно большой вклад вносимых энергетических искажений и невозможность его использования в составе описанной выше эталонной установки.
Таким образом, технической проблемой является создание световода, использование которого в составе эталонной установки позволит воспроизводить и передавать единицу мощности коллимированного лазерного излучения с погрешностями на уровне (0,01–0,005)%, а технический результат заключается в повышении точности проводимых поверочных работ.
В части световода поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что он выполнен в виде полой трубки с отражающей внутренней и внешней поверхностями, которая на одном конце снабжена диафрагмирующим радиатором охлаждения, отсекающим периферический световой поток, не попавший в полость трубки, а  на противоположном торце трубки снаружи выполнена заостряющая фаска. Трубка предпочтительно выполнена в форме усечённого конуса. Радиатор охлаждения может быть выполнен в виде бочкообразного утолщения с развитой внешней поверхностью или в виде водяной рубашки и жидкостного термостата. Световод предпочтительно выполнен из полированного алюминия.
В части установки поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что эталонная установка для воспроизведения и передачи единицы мощности коллимированного лазерного излучения, содержащая поглотитель и фотометрическую сферу, соосно размещенную перед входным окном поглотителя таким образом, чтобы исключить их механический и тепловой контакт, в которой выходной проём фотометрической сферы полностью перекрывает входное окно поглотителя, снабжена указанным световодом, установленным во входном проёме фотометрической сферы по скользящей посадке, причём радиатор охлаждения расположен снаружи входного проёма фотометрической сферы, а трубка проходит вдоль её диаметра так, что её свободный торец расположен в выходном проёме фотометрической сферы. Внутренний диаметр трубки световода предпочтительно составляет 0,3–0,5 от диаметра входного окна поглотителя. Наибольший линейный размер радиатора охлаждения предпочтительно превышает диаметр фотометрической сферы. Поглотитель предпочтительно выполнен по типу абсолютно чёрного тела в виде конической, цилиндрической, сферической или эллиптической полости или их комбинаций. Поглотитель предпочтительно снабжен калибровочным электрическим нагревателем и источником тока. Поглотитель и фотометрическая сфера могут быть снабжены термоэлектрическими, пироэлектрическими, болометрическими и/или фотоэлектрическими чувствительными элементами. Фотометрическая сфера может быть снабжена радиатором охлаждения, образованным её развитой внешней поверхностью, или радиатором охлаждения в виде водяной рубашки и жидкостного термостата. Установка может быть снабжена охлаждающим вентилятором и/или охлаждающими термоэлектрическими модулями. Установка может быть снабжена контрольным измерителем мощности проходного типа, размещённым перед световодом. Установка может быть снабжена средствами отображения информации в виде индикатора или дисплея, аналого-цифровыми преобразователями и/или автоматическими средствами перемещения поглотителя и фотометрической сферы, подключенными к управляющему компьютеру.
На фиг.1 представлена схема предлагаемой установки;
На фиг.2 – использование предлагаемого световода при поверке или калибровке средств измерения.
Предлагаемая эталонная установка для воспроизведения и передачи единицы мощности коллимированного лазерного излучения состоит из соосно размещённых поглотителя 1, фотометрической сферы 2 из материала с высокой теплопроводностью и световода. Поглотитель 1 выполнен по типу абсолютно чёрного тела в виде конической, цилиндрической, сферической или эллиптической полости или их комбинаций.  Для калибровки поглотителя 1 по методу замещения измеряемой средней мощности излучения известной средней мощностью электрического тока его снабжают калибровочным электрическим нагревателем и источником тока (не показаны). Поглотитель 1 и фотометрическая сфера 2 снабжены термоэлектрическими, пироэлектрическими, болометрическими и/или фотоэлектрическими чувствительными элементами.
Световод выполнен из материала с высокой теплопроводностью, например полированного алюминия, и представляет собой тонкостенную полую трубку 3 небольшой конусности с отражающей внутренней и внешней поверхностями. Один конец трубки 3 с хорошим тепловым контактом запрессован в массивный диафрагмирующий радиатор 4 охлаждения, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью, например алюминия.  Радиатор 4 представляет собой бочкообразное утолщение с коническими отражающими (зеркально отполированными) передней и задней поверхностями и развитой внешней поверхностью (например, снабжён радиальными прорезями, увеличивающими поверхность его теплообмена с окружающей средой). Также возможно выполнение радиатора 4 в виде водяной рубашки и жидкостного термостата. Радиатор 4 предназначен для отвода излишнего тепла трубки 3 и отсечения периферического светового потока, не попавшего в её полость (для этого его наружный диаметр превышает поперечные размеры всех слабых потоков излучения, сопутствующих основному пучку лазерного излучения). На противоположном торце 5 трубки 3 снаружи выполнена заостряющая фаска.
Сфера 2 расположена перед входным окном 6 поглотителя 1 с зазором, чтобы исключить их механический и тепловой контакт, причём её выходной проём 7 полностью перекрывает входное окно 6. Световод установлен во входном проёме 8 фотометрической сферы 2 по скользящей посадке. Радиатор 4 при этом расположен снаружи входного проёма 6, а трубка 3 проходит вдоль диаметра фотометрической сферы 2 так, что её свободный торец расположен в выходном проёме 7 (длина свободной части трубки 3 равна диаметру сферы 2). Для учета нестабильности используемого лазера перед световодом размещают контрольный измеритель мощности проходного типа (не показан).
О
О
Внутренний диаметр трубки 3 составляет 0,3–0,5D (где D – диаметр входного окна 6), что позволяет гарантированно направить всё излучение из трубки 3 в поглотитель 1. Наибольший линейный размер радиатора 4 превышает диаметр фотометрической сферы 2, что позволяет защитить её от нагрева периферийным излучением, не попавшим в полость трубки 3. Фотометрическая сфера 2 также может быть снабжена радиатором охлаждения, образованным её развитой внешней поверхностью, или радиатором охлаждения в виде водяной рубашки и жидкостного термостата (чертежах не показано). Для более эффективного теплоотвода установку дополнительно снабжают охлаждающим вентилятором и/или охлаждающими термоэлектрическими модулями (не показано).
Для повышения удобства использования установку снабжают средствами отображения информации в виде индикатора или дисплея, аналого-цифровыми преобразователями и автоматическими средствами перемещения поглотителя 1 и фотометрической сферы 2, подключенными к управляющему компьютеру (не показано).
Предлагаемое изобретение работает следующим образом.
Эталонную установку располагают в области пучка измеряемого коллимированного лазерного излучения соосно с ним. Поскольку внутренний диаметр трубки 3 световода превышает диаметр основного интенсивного пучка (a) лазерного излучения, оно беспрепятственно проходит сквозь трубку 3 без взаимодействия с её стенками и попадает в полость поглотителя 1. Часть сопутствующего основному пучку (a) потока слабого излучения (b), вписавшая в апертуру трубки 3, также проходит в поглотитель 1. Оставшаяся часть (c) слабого потока излучения (b) обрезается диафрагмирующим бочкообразным радиатором 4 и, отражаясь от ее передней поверхности с небольшой конусностью, отклоняется в сторону от оси лазерного пучка (т.е. минует выходную апертуру лазера и не оказывает влияния на его работу) и уходит в окружающую среду. Третья часть (d) слабого потока излучения (b), обусловленная дифракцией на входной кромке трубки 3, после переотражений от её внутренней поверхности и дифракции на выходном торце 5, тоже поступает в полость поглотителя 1.
Из-за неполноты соответствия реального поглотителя 1 свойствам абсолютно чёрного тела (АЧТ), часть попавшего в его полость излучения отражается от ее внутренних поверхностей и выходит через входное окно 6. При этом его доли (e) и (f) выходят из полости через кольцевой зазор между стенкой входного окна 6 и заострённым торцом 5 световода. Доля излучения (e) попадает в фотометрическую сферу 2 после отражения от наружной поверхности трубки 3, а доля (f) – напрямую. Ещё одна доля излучения (g) покидает полость поглотителя 1 через трубку 3 в обратном направлении, либо напрямую, либо с переотражениями от его зеркальных стенок.
О
Несмотря на то, что доля излучения (g) теряется в окружающей среде, предложенная схема эталонной установки позволяет учитывать полные потери излучения Р через входное окно 6, исходя из зависимости
О
С
O
З
С
О
О
ТС
2
2
2
Р=Р⋅F/F= Р⋅D/(D – D), где
С
Р – средняя мощность излучения, попавшего в фотометрическую сферу 2 через зазор;
O
F– площадь входного окна 6;
З
F – площадь воздушного зазора между кромкой входного окна 6 и торцом 5;
О
D – диаметр входного окна 6;
ТС
D– диаметр торца 5 световода.
Поскольку торец 5 заострён, он является «невидимым» для выходящего из поглотителя 1 потока излучения, т.к. поток выходит полностью, без обратного отражения от торца 5. При этом соотношение упомянутых ранее долей этого излучения оценивается с высокой точностью согласно приведенной выше зависимости. Некоторая часть вошедшего в фотометрическую сферу 2 излучения, после переотражений от ее внутренней поверхности, выходит из нее и возвращается обратно в поглотитель 1, где поглощается, а следовательно, также учитывается.
Не менее важно, что световод и фотометрическая сфера 2 не оказывают заметного негативного теплового воздействия.
Минимизация нагрева световода достигается тем, что его внутренний диаметр превышает диаметр основного интенсивного пучка (a), а его стенки обладают высокой отражательной способностью. Небольшая доля слабого потока излучения, взаимодействующая с внутренней стенкой трубки 3 и всё же поглощённая ее отражающей поверхностью, преобразуется в тепловой поток, который передаётся по теплопроводящей трубке 3 к радиатору 4 и отводится от него в окружающую среду. Таким образом, световод гарантированно защищён от сколь-нибудь существенного повышения температуры. Кроме того, тепловому взаимодействию световода с поглотителем 1 препятствует очень низкая теплопроводность воздуха в разделяющем их зазоре.
Тепловое взаимодействие поглотителя 1 с фотометрической сферой 2 также минимизировано, благодаря слабости воздействующих на последнюю потоков излучения, хорошей теплопроводности ее материала, развитой поверхности теплообмена с окружающей средой и защищенности с помощью диафрагмирующего радиатора 4 (от идущих от лазера слабых, но широких  потоков излучения).
Для передачи воспроизведенной единицы мощности излучения поглотитель 1 и фотометрическую сферу 2  эталонной установки аккуратно стягивают с предлагаемого световода в осевом направлении, избегая при этом малейших смещений последнего, и выводят из области лазерного пучка.  На их место вводят поглотитель 9 из состава поверяемого или калибруемого СИ. После завершения переходных процессов, фиксируют реакцию поверяемого СИ на воздействие нормированного по уровню средней мощности пучка лазерного излучения и оценивают его метрологические характеристики.
На этой стадии важна не только «невидимость» заострённого торца 5, но отражательные свойства задней поверхности радиатора 4. Выходящие из окна поглотителя 9 потоки излучения (f) отражаются от этой поверхности в стороны и рассеиваются в окружающей среде без возврата в окно 6, не вызывая искажений результатов метрологических исследований поверяемого СИ. Кроме того, диафрагмирующий радиатор 4 исключает воздействие на поглотитель 9 сопутствующих основному пучку (a) периферийных неконтролируемых слабых потоков излучения, искажающих адекватность его показаний. Также (аналогично описанному выше случаю работы эталонной установки) исключено паразитное тепловое воздействие на поглотитель 9 со стороны световода и радиатора 4, а значит, и связанные с ним искажения измерений и дополнительные погрешности.
Таким образом, использование  предлагаемого изобретения  обеспечивает проведение измерений на более высоком метрологическом уровне за счет практически идеального выполнения условия
В
П
Р = Р = сonst, где
В
Р – воспроизведенное значение единицы мощности лазерного излучения;
П
Р– значение единицы средней мощности лазерного излучения, переданного поверяемому СИ.
Предлагаемые световод и эталонная установка позволяют значительно повысить точность измерений благодаря эффективному подавлению негативного влияния большинства факторов, сопутствующих процессам воспроизведения и передачи единицы средней мощности коллимированного лазерного излучения. Указанные преимущества достигаются за счёт:
- полного и надежного ввода всего интенсивного пучка коллимированного лазерного излучения в поглотитель 1 за счет применения соосного с пучком световода, внутренний диаметр которого превышает диаметр пучка;
- четкого формирования диаметра сопутствующего этому пучку потока слабого излучения, соответствующего внутреннему диаметру трубки 3 световода, благодаря высокой отражательной способности его полированных зеркальных внутренних поверхностей, исключающих потери части слабого потока из-за дифракции на кромке входного торца световода;
- исключения непопадания в поглотитель 1 части передаваемого по световоду слабого потока излучения из-за дифракции на кромке его выходного торца 5, благодаря размещению этого торца 5 в створе плоскости входного окна 6 и выбранному соотношению их диаметров;
- обрезания диафрагмирующим радиатором 4 слабого потока излучения, сопутствующего интенсивному лазерному пучку;
- отражения широкого потока слабого излучения от скошенной (конической) передней поверхности радиатора 4 в сторону от его выходной апертуры и исключения его влияния на режим работы лазера;
- высокой поглощательной способности поглотителя 1 за счет использования модели АЧТ;
- учета части потерь выходящего из поглотителя 1 излучения через кольцевой зазор между кромками входного окна 6 и торцом 5 благодаря применению фотометрической сферы 2 и отражающей наружной поверхности трубки;
- учета части потерь выходящего из поглотителя 1 излучения через трубку 3 за счет применения фотометрической сферы 2 и выбранного конкретного соотношения диаметров входного окна 6 и внутреннего диаметра трубки 3, а также отражающей внутренней поверхности последнего;
- учета с помощью поглотителя 1 выходящего из фотометрической сферы 2 (в результате отражения от ее внутренней полости) и возвращающегося в поглотитель 1 излучения;
- минимизации теплового взаимодействия корпуса фотометрической сферы 2 с поглотителем 1 благодаря отсутствию их механического и теплового контактов, развитой внешней поверхности теплообмена корпуса фотометрической сферы 2 с окружающей средой, слабости воздействующих на неё отраженных потоков излучения, и, как следствие, минимизации её нагрева в процессе работы и вызванных этим тепловых помех;
- минимизации теплового взаимодействия трубки 3 световода с поглотителем 1 или 9 благодаря отсутствию их механического и теплового контактов, большому термическому сопротивлению разделяющего их воздушного зазора, слабости воздействующих на трубку 3 потоков излучения, высокой теплопроводности её материала, хорошему тепловому контакту с радиатором 4 и, как следствие, минимизации нагрева трубки 3 в процессе работы и вызванных этим тепловых помех;
- минимизации теплового взаимодействия радиатора 4 с поглотителем 1 благодаря отсутствию их механического и теплового контактов, развитой внешней поверхности теплообмена с окружающей средой, слабости воздействующих на него окружающих основной пучок потоков излучения, высокой отражательной способности воспринимающих эти потоки отражающих передней и задней поверхностей и, как следствие, - минимизации ее нагрева в процессе работы;
- переотражения части воздействующего на боковую поверхность радиатора 4 широкого потока слабого излучения, выходящего из входного окна поглотителя 9 из состава поверяемого СИ в сторону от этого окна, благодаря конусности и зеркальности этой боковой поверхности, что исключает возврат части этого излучения в поглотитель поверяемого СИ и искажения результатов определения его метрологических характеристик при поверке;
-  исключения возврата части отражаемого поглотителем 9 поверяемого СИ излучения в поглотитель 9 от торца 5 световода и, следовательно, искажения результатов определения его метрологических характеристик при поверке, благодаря выполненной на этом торце 5 заостряющей фаске.