ВЫСОКОТОЧНОЕ МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ КОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ
HIGH-SPEED MULTICHANNEL DEVICE FOR ENERGY MEASURING SHORT LASER PULSES

Изобретение относится к области измерительной техники и технической физики, в частности - к высокоточному многоканальному устройству для измерения энергии коротких лазерных импульсов, например милли-, микро-, нано-, пико- и фемтосекундных, в широком диапазоне изменения диаметра пучка. Изобретение может быть использовано в средствах измерений энергии лазерных импульсов, предназначенных для применения в системах метрологического контроля характеристик лазеров в процессе их выпуска или эксплуатации.
Известно устройство для измерения мощности лазерного излучения, основанное на диффузном рассеянии [В.Б. Лощенков, К.Г. Линьков, Н.Н. Брысин, Т.А. Савельева. Патент RU №2381461 С1, кл. G01/G1/04, 2008]. Устройство предназначено для измерения мощности малоинтенсивного непрерывного излучения терапевтических лазерных установок с волоконно-оптическими зондами, использующими наконечники различной формы. Применяемый на выходе зондов рассеиватель позволяет сформировать излучение, близкое по интенсивности для всех используемых типов наконечников при равной оптической мощности, вводимой в волоконно-оптический зонд без дополнительной перенастройки устройства. Фактически, для разных типов наконечников пространственное распределение интенсивности на выходе рассеивателя выравнивается и зависимость от неравномерности зонной характеристики устройства уменьшается. Однако данное устройство не позволяет измерять мощности лазерных источников на разных длинах волн без изменения его конструкции с целью установки разных типов приемников излучения, селективных к требуемой длине волны. Кроме того, применяемый тип рассеивателя не предусматривает получение равномерного распределения интенсивности на его выходе с гарантированными метрологическими характеристиками, что ухудшает зонную характеристику устройства и приводит к большей погрешности измерений.
Известно устройство для измерения энергии лазерных импульсов, использующее фотоэлектрические и пироэлектрические первичные измерительные преобразователи, изготавливаемые фирмой «Ophir Optronics Solutions Ltd» [сайт www.ophiropt.com/laser-measurement. Каталог измерителей мощности и энергии «OPHIR»], принятый за прототип, которые позволяют производить измерение энергии лазерного пучка в широком диапазоне ее изменения. Однако предлагаемые фирмой первичные преобразователи (Energy Sensors) не содержат сведений для измерения нано-, пико- и фемтосекундных импульсов, кроме того, используют один канал измерения энергии, т.е. содержат один первичный измерительный преобразователь. Спектральная характеристика такого преобразователя является неравномерной, что приводит к разной погрешности измерения на разных длинах волн и может быть существенной в области малой спектральной чувствительности. Известные устройства классифицируются в зависимости от диаметра лазерного пучка: каждое отдельно взятое такое устройство не позволяет перекрыть широкий диапазон диаметров пучка из-за неравномерной зонной характеристики, что приводит к большей погрешности измерений.
Техническая задача, решаемая заявляемым изобретением, состоит в создании высокоточного многоканального устройства измерения энергии лазерных импульсов в расширенном спектральном диапазоне, при этом результат измерения слабо зависит от диаметра лазерного пучка в широком диапазоне его изменения (4-40) мм, места попадания пучка на вход устройства (точность юстировки), вида пространственного распределения интенсивности лазерного пучка.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в повышении точности измерения энергии лазерных импульсов в расширенном спектральном диапазоне вне зависимости от диаметра пучка, места его попадания на вход устройства и от вида пространственного распределения интенсивности лазерного пучка, при этом погрешность измерения энергии за счет зонной характеристики устройства не превышает 1%. Заявляемое устройство позволяет проводить измерения энергии коротких лазерных импульсов в широком диапазоне диаметров лазерного пучка.
Достижение технического результата обеспечивается предложенным высокоточным многоканальным устройством для измерения энергии коротких лазерных импульсов, содержащим диффузный формирователь равномерного распределения интенсивности (ФРРИ), включающий соосно расположенные по ходу лазерного излучения двояковогнутую линзу, диффузно пропускающую выпукло-вогнутую линзу из молочного стекла, закрепленную на входном окне полого фотометрического цилиндра (ФМЦ), выполненного из металла, внутренняя поверхность которого покрыта диффузно отражающим покрытием, и диффузно пропускающую пластину из молочного стекла, закрепленную на выходном окне ФРРИ, в центральной части которого размещен вход световолоконного коллектора, представляющего собой светопроводы, содержащие по меньшей мере два оптических волокна, заключенных во входную оправу, установленную на выходе ФРРИ в центральной его части, и в выходные оправы, разветвляющие оптический поток излучения по крайней мере на два канала для измерения энергии излучения на разных длинах волн, для чего на выходах световолоконного коллектора расположены спектральные фильтры и нейтральные ослабители, согласованные по спектру и уровню оптического сигнала с характеристиками соответствующих фотодиодов, переключаемых с помощью коммутатора, а также измерительно-вычислительный блок, включающий интегрирующее устройство, усилитель, пиковый детектор, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор и индикатор.
Отличительной особенностью предлагаемого устройства является создание нескольких измерительных каналов, оптимальных по спектральной чувствительности к различным длинам волн и формированием для измерения энергии равномерного распределения интенсивности с известными метрологическими характеристиками.
Предлагаемое устройство содержит:
- пассивный формирователь равномерного распределения интенсивности (ФРРИ) лазерного пучка, состоящий из двояковогнутой линзы, выполненной, например, из оптического стекла К-8, диффузно пропускающей выпукло-вогнутой линзы, выполненной, например, из молочного стекла МС-23, фотометрического цилиндра (ФМЦ), выполненного, например, из металла, например, из дюралюминиевого сплава Д 16, внутренняя поверхность которого покрыта диффузно отражающим материалом, например светотехнической эмалью марки АК-243, диффузно пропускающей пластины из молочного стекла, например МС-23;
- световолоконный коллектор, представляющий собой светопроводы, содержащие по меньшей мере два оптических волокона, заключенных во входную оправу, установленную на выходе ФРРИ в центральной его части и в выходные оправы, установленные на входе спектральных фильтров;
- спектральные фильтры, например, из стекла ЗС-11 и ИКС-1 и нейтральные ослабители, например, из стекла НС-3, согласованные по спектру и уровню оптического сигнала для работы на выбранных длинах волн 0,532 и 1,064 мкм соответственно с фотодиодами G8370 и S2386, переключаемыми с помощью коммутатора;
- измерительно-вычислительный блок, содержащий интегрирующее устройство, выполняющее функцию преобразования импульса тока с выхода соответствующего 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.
ФРРИ представляет собой пассивный формирователь равномерного распределения интенсивности лазерного пучка, в котором осуществляется выравнивание распределения интенсивности за счет многократных диффузных отражений излучения от внутренней поверхности ФМЦ и его прохождения через диффузно пропускающую пластину.
Параметры двояковогнутой линзы и ее расположение обеспечивают полную засветку диффузно пропускающей линзы и ФМЦ, улучшающую выравнивание распределения интенсивности. Выпукло-вогнутая форма диффузно пропускающей линзы обеспечивает выравнивание распределения интенсивности на краях за счет более интенсивного поглощения в центре и создания условий более эффективного использования ФМЦ. Диффузно пропускающая пластина на выходе ФМЦ позволяет осуществить дополнительное выравнивание распределения.
Наличие равномерного распределения интенсивности позволяет уменьшить влияние зонной характеристики устройства и повысить точность измерения энергии.
Наличие световолоконного коллектора позволяет реализовать многоканальное устройство измерений. Наличие отдельных каналов для измерения энергии на двух и более длинах волн дает возможность использовать в качестве первичных преобразователей излучения фотодиоды, имеющие высокую спектральную чувствительность на оптимальной для каждого фотодиода длине волны, и тем самым обеспечить независимую регулировку чувствительности каналов и расширить их динамический диапазон, что повышает точность измерения энергии.
Возможность снятия одинакового оптического сигнала для всех измерительных каналов с одной и той же центральной части ФРРИ, где равномерность распределения интенсивности наибольшая, позволяет повысить точность измерения энергии.
Световолоконный коллектор обеспечивает уменьшение влияния электромагнитной помехи во время импульса на работу устройства за счет конструктивного вынесения фотодиодов из тракта прямого лазерного излучения, что повышает точность измерения энергии.
Спектральные фильтры обеспечивают подавление принимаемого излучения на паразитных длинах волн, а нейтральные ослабители - согласование уровня принимаемого сигнала с характеристиками линейности фотодиодов. Схема заявляемого устройства для измерения энергии лазерных импульсов в предпочтительном варианте его осуществления представлена на Фиг. 1. Устройство представляет собой измерительный преобразователь, в состав которого входит ФРРИ 1, содержащий соосно расположенные по ходу лазерного излучения двояковогнутую линзу 2, изготовленную из оптического стекла К-8, диффузно пропускающую выпукло-вогнутую линзу 3 из молочного стекла МС-23, закрепленную на входном окне полого ФМЦ 4, выполненного из дюралюминиевого сплава Д 16 с внутренней поверхностью 5, покрытой светотехнической эмалью АК 243, и диффузно пропускающую пластину 6, изготовленную из молочного стекла МС-23, закрепленную на выходном окне ФМЦ, световолоконный коллектор 8, представляет собой светопроводы, содержащие по меньшей мере два оптических волокна 9, заключенных во входную оправу 7, помещенную в центральную часть выходного окна ФМЦ, и в выходные оправы 10, разветвляющие оптический поток излучения на два канала для измерения энергии на длинах волн 0,532 и 1,064 мкм, содержащие спектральные фильтры 11 и 14, нейтральные ослабители 12 и 15 и фотодиоды 13 G8370 и 16 S2386 соответственно, коммутатор 17, измерительно-вычислительный блок 24 включает интегрирующее устройство 18, усилитель 19, пиковый детектор 20, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 21, микропроцессор 22 и индикатор 23.
На Фиг. 2 представлена зонная характеристика устройства, характеризующая неравномерность его чувствительности h(n), представляющая зависимость отношения измеряемой энергии на выходе устройства к энергии лазера в зависимости от пяти мест попадания лазерного пучка диаметром 5 мм на ФРРИ, имеющего диаметр входной апертуры ≈25 мм: 1 - центральная часть ФРРИ; 2- справа от центральной части ФРРИ; 3 - слева от центральной части ФРРИ; 4 - сверху от центральной части ФРРИ; 5 - снизу от центральной части ФРРИ. Как следует из Фиг. 2, погрешность измерения энергии за счет зонной характеристики устройства не превышает 1%.
Устройство работает следующим образом. Излучение лазера поступает по нормали на центр двояковогнутой линзы 2 ФРРИ 1, полностью засвечивающуей диффузно пропускающую выпукло-вогнутую линзу 3, проходя которую распределяется внутри ФМЦ 4 по закону, близкому к закону Ламберта. Часть излучения достигает диффузно пропускающей пластины 6 без отражения от внутренней поверхности 5 полого ФМЦ 4, а другая часть - после многократных отражений от его внутренней поверхности. Поскольку внутренняя поверхность цилиндра выполнена их диффузно отражающего материала, то в каждой ее точке излучение также будет распределяться по закону Ламберта. В результате на входе диффузно пропускающей пластины 6 формируется распределение интенсивности, близкое к равномерному. Диффузно пропускающая пластина 6 осуществляет дополнительное выравнивание распределения. Световолоконный коллектор 8, входная оправа 7 которого закреплена в центральной части диффузно пропускающей пластины 6 ФРРИ 1, осуществляет разветвление лазерного пучка с равномерным распределением интенсивности на два канала с возможностью измерения энергии на длинах волн 0,532 мкм и 1,064 мкм. Для каждого из каналов излучение через волокна 9 световолоконного коллектора 8, заключенные в выходные оправы 10, проходит через спектральные фильтры 11 и 14, нейтральные ослабители 12 и 15, на фотодиоды 13 или 16, характеристики которых согласованы по спектру и уровню энергии с параметрами входного излучения. Подключение соответствующего фотодиода осуществляется с помощью коммутатора 17.
3
4
Поступающее на фотодиод импульсное лазерное излучение преобразуется в импульс тока. Импульс тока фотодиода поступает на интегрирующее устройство 18 измерительно-вычислительного блока 24, преобразующее его в импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна энергии излучения на входе фотодиода. Импульс напряжения с выхода интегрирующего устройства через усилитель 19 поступает на вход пикового детектора 20, который «запоминает» и «хранит» информацию о значении пиковой амплитуды этого импульса в течение времени (~100 мкс), необходимого для его измерения и регистрации. 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 21, где преобразуется в цифровую информацию. Оцифрованный сигнал от АЦП 21 поступает на микропроцессор 22. Микропроцессор считывает данные во внутреннюю память для последующей обработки и формирования сигналов для визуализации на индикаторе 23.
Хотя настоящее изобретение описано здесь на примере конкретного варианта его осуществления, для специалистов будут ясны возможности многочисленных модификаций данного изобретения, не выходящие за границы объема его правовой охраны, определяемого прилагаемой формулой.