ШИРОКОАПЕРТУРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫХ НАНО- И ПИКОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ
LARGE APERTURE DEVICE FOR MEASURING ENERGY OF HIGH-INTENSITY NANO-AND PICOSECOND LASER PULSES

Изобретение относится к области измерительной техники и технической физики, в частности - к созданию устройств для измерений энергии широкоапертурных высокоинтенсивных импульсов лазерного излучения.
6
2
Из уровня техники известны устройства для измерений энергии высокоинтенсивных лазерных импульсов, использующие пироэлектрические первичные измерительные преобразователи, изготавливаемые фирмой «Ophir Optronics Solutions Ltd» [1]. Устройства типа PES50-DIF-ER-СиPE100BF-DIF-C позволяют производить измерение энергии импульсного лазерного пучка с энергией до 40 Дж с длительностью импульсов от 0,002 мс до 20 мс с частотой следования до от 25 Гц до 10 кГц. При этом плотность мощности измеряемого лазерного излучения в одном импульсе при диаметре пучка ≈33 мм составляет ≈2,5·10 Вт/см, что характерно для импульсов микро- и миллисекундного диапазона длительностей.
9
2
Однако для решения задач измерения энергии высокоинтенсивных лазерных импульсов в нано- и пикосекундном диапазонах длительностей упомянутые устройства по своей конструкции не приспособлены к высоким плотностям мощности ≈(1-5)·10 Вт/см из-за низкого значения предельной плотности оптической мощности пироэлектрических приемников, превышение которой ведет к их повреждению или к необратимому изменению метрологических характеристик.
Кроме того, упомянутые 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. В этом также состоит недостаток известных из уровня техники устройств, который преодолевается заявляемым изобретением.
Задача расширения диапазона длительностей высокоинтенсивных лазерных импульсов и создания равномерной зонной характеристики при измерении энергии широкоапертурных пучков может эффективно решаться посредством применения устройств, основанных на рассеянии измеряемого излучения.
3
2
Известно устройство, работающее на основе бесконтактного способа измерения мощности лазерного излучения, основанного на измерении рассеяния вторичного свечения от частиц аэрозоля из тугоплавкого материала при воздействии лазерного излучения с интенсивностью более 10 Вт/см [2]. Погрешность измерения лазерных характеристик предлагаемым способом определяется точностью измерения концентрации светящихся частиц. Эта концентрация, в свою очередь, может быть измерена с высокой точностью, если поток аэрозоля сформирован в виде плоского слоя. Однако, создание широкого однородного слоя является достаточно сложной технической задачей, о чем непосредственно в документе [2] упоминают авторы, причем в возможном решении этой задачи не рассматривается метрологический аспект, являющийся существенным при создании как новых способов измерения, так и соответствующих этим способам устройств.
9
2
Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является устройство для измерения мощности лазерного излучения, основанное на диффузном рассеянии [3]. 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. Однако данное устройство не предназначено для измерения энергии широкоапертурных высокоинтенсивных коротких (нано- и пикосекундных) импульсов, так как не рассчитано на работу с большими плотностями мощности излучения, приводящими к выходу из строя применяемых оптических элементов устройства из-за недостаточно высокой их лучевой стойкости к уровням плотности ≈(1-5)·10 Вт/см.
Кроме того, тракт измерения и обработки электрического сигнала упомянутого устройства не содержит элементов, позволяющих измерять энергию высокоинтенсивных лазерных импульсов или импульсной последовательности.
9
2
Техническая задача, решаемая заявляемым изобретением, состоит в создании высокоточного устройства для измерения энергии широкоапертурных (40÷100) мм высокоинтенсивных нано- и пикосекундных лазерных импульсов с плотностью мощности ≈(1-5)·10 Вт/см, в котором результат измерения не зависит от диаметра лазерного пучка в широком диапазоне его изменения, места попадания пучка на вход устройства (точность юстировки) и вида пространственного распределения интенсивности лазерного пучка.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в увеличении диапазона плотности мощности при измерении энергии широкоапертурных лазерных импульсов, повышении точности измерения энергии вне зависимости от диаметра пучка, места его попадания на вход устройства и от вида пространственного распределения интенсивности лазерного пучка. Таким образом, заявляемое устройство позволяет проводить измерения энергии лазерного импульса в широком диапазоне диаметров лазерного пучка.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство содержит калиброванный нейтральный ослабитель лазерного излучения из материала, обеспечивающего высокие характеристики стабильности при ослаблении высокоинтенсивных импульсов, например из стекла марки НС-2, рассеивающую среду из диффузно-рассеивающей пластины, выполненной, например, из молочного стекла МС-23, канала распространения рассеянного лазерного излучения из волоконно-оптического коллектора, ступенчатого ослабителя, выполненного из двух стекол, например стекол марки К-8 и МС-23, спектрального фильтра и нейтрального ослабителя.
Диффузно-рассеивающая пластина, расположенная перед волоконно-оптическим коллектором, осуществляет выравнивание распределения интенсивности лазерного пучка за счет процесса рассеяния. Волоконно-оптический коллектор представляет собой набор оптических волокон, заключенных во входную оправу, которая может быть выполнена в виде пластины из металла с отверстиями для волокон. По оптическим волокнам излучение, рассеянное диффузно-рассеивающей пластиной, расположенной на расстоянии Н=(8-10) мм от входной оправы коллектора, передается на дополнительную диффузно-рассеивающую пластину, заключенную в выходную оправу волоконно-оптического коллектора, где также осуществляется выравнивание распределения интенсивности. При этом широкоапертурный пучок преобразуется в узкоапертурный, необходимый для измерения его энергии фотодиодом. Ступенчатый ослабитель необходим для дополнительного выравнивания распределения интенсивности, и его наличие уменьшает влияние зонной характеристики устройства на результат измерения энергии, спектральный фильтр необходим для устранения влияния паразитной гармоники излучения, а нейтральный ослабитель из стекла НС-3 - для согласования уровня оптического сигнала с фотодиодом, что в совокупности приводит к независимости результата измерения энергии от диаметра пучка в широком диапазоне его изменения (40÷100) мм, места попадания пучка на вход устройства, формы распределения интенсивности и повышение точности измерения энергии. Для обеспечения равномерности распределения интенсивности на выходе волоконно-оптического коллектора расстояния между отверстиями на входной его оправе должно быть ≈0,65Н, где Н - расстояние от диффузно-рассеивающей пластины до входной оправы коллектора.
Таким образом, независимо от вида пространственного распределения интенсивности лазерного пучка, поступающего на устройство, структура распределения на его выходе выравнивается и приближается к равномерной.
В состав заявляемого устройства для измерения энергии входит измерительно-вычислительный блок, содержащий интегрирующее устройство, выполняющее функцию преобразования импульса тока с выхода 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 фотодиода 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.
Схема заявляемого устройства для измерения энергии лазерных импульсов в предпочтительном варианте его осуществления представлена на Фиг. 1. Устройство представляет собой измерительный преобразователь 1, в состав которого входит нейтральный ослабитель 2 из стекла НС-2, толщиной около 4 мм, диффузно-рассеивающая пластина из молочного стекла 3, волоконно-оптический коллектор 8, состоящий из волокон 5, заключенных во входную оправу 4 и в выходную оправу 6 с дополнительной диффузно-рассеивающей пластиной 7 из молочного стекла марки МС-23, ступенчатый ослабитель из стекла 9 марки К-8 и молочного стекла 10 марки МС-23, спектральный фильтр 11 и нейтральный ослабитель 12 из стекла НС-3, фотодиод 13, измерительно-вычислительный блок 20, содержащий интегрирующее устройство 14, усилитель 15, пиковый детектор 16, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 17, микропроцессор 18 и индикатор 19. В микропроцессоре осуществляется программная аппроксимация характеристики фотодиода методом наименьших квадратов посредством использования специально разработанного программного обеспечения.
9
2
-9
На Фиг. 2 приведена характеристика стабильности коэффициента ослабления ослабителя, выполненного из стекла НС-2 и используемого для измерения энергии импульсов с плотностью мощности ≈6·10 Вт/см и длительностью импульса ≈6·10 с в серии из пяти измерений. Представленная характеристика подтверждает возможность обеспечения стабильности коэффициента пропускания подобранного стекла при упомянутом уровне плотности мощности.
На Фиг. 3 представлена зонная характеристика устройства, характеризующая неравномерность чувствительности устройства h(х), h(y) по горизонтальной x и вертикальной y координатным осям и определяемая как отношение измеряемой энергии на выходе устройства к энергии входного сигнала в зависимости от положения входного пучка на апертуре, определяемого координатами х или y, нормированное к измеряемой энергии в центре пучка со ступенчатым ослабителем (штрихпунктирная кривая, полученная по координате x, и пунктирная кривая, полученная по координате y) и без него (сплошная кривая) при шаге сканирования пучка 8 мм на апертуре 40 мм. Результаты, приведенные на Фиг. 3, получены при диаметре молочного стекла МС-23 ступенчатого ослабителя 8 мм при толщине 2 мм. Видно, что применение ступенчатого ослабителя выравнивает зонную характеристику устройства.
3
4
Устройство работает следующим образом. Излучение лазера поступает на нейтральный ослабитель 2, диффузно-рассеивающую пластину 3, волоконно-оптический коллектор 8, где выравнивается по площади поперечного сечения пучка. Равномерное излучение поступает на ступенчатый ослабитель 9 и 10, спектральный фильтр 11, нейтральный ослабитель 12 и далее на фотодиод. 13. Поступающее на фотодиод 13 импульсное лазерное излучение преобразуется в импульс тока. Импульс тока фотодиода поступает на интегрирующее устройство 14 измерительно-вычислительного блока 20, преобразующее его в импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна энергии излучения на входе фотодиода. Импульс напряжения с выхода интегрирующего устройства через усилитель 15 поступает на вход пикового детектора 16, 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 17, где преобразуется в цифровую информацию. Оцифрованный сигнал от АЦП 17 поступает на микропроцессор 18. Микропроцессор считывает данные во внутреннюю память для последующей обработки и формирования сигналов для визуализации на индикаторе 19.
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.
Литература
[1] Сайт www.ophiropt.com/laser-measurement. Каталог измерителей мощности и энергии «OPHIR».
[2] Н.Н. Белов, А.А. Негин. Авторское свидетельство СССР №554719, кл. G01J 1/58, 1977.
[3] В.Б. Лощенков, К.Г. Линьков, Н.Н. Брысин, Т.А. Савельева. Патент RU №2381461 С1, кл. G01/G1/04, 2008.