Эталонный источник лазерного излучения для калибровки измерителей мощности
LASER EMISSION STANDARD SOURCE FOR POWER METER CALIBRATION

1. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области энергетической фотометрии и применяется в составе эталонной техники в сфере метрологии параметров оптического излучения, а конкретно - обеспечения высокоточной поверки средств измерений средней мощности коллимированного лазерного излучения.
2. Уровень техники
На практике широко применяются полупроводниковые лазерные и светодиодные источники излучения. Некоторые из них обладают рядом полезных свойств, которые расширяют возможности их применения, в том числе и в области метрологии параметров излучения. К числу таких свойств можно отнести, например, то, что потребляемая ими мощность электрического тока при прямом включении их питания преобразуется в оптическую и в тепловую энергию, а при обратном включении только в тепловую энергию. Это позволяет, контролируя, например, температуру нагрева корпуса лазера при прямом и обратном включении его электрической цепи и обеспечивая при этом одинаковый его нагрев в этих режимах путем соответствующего подбора уровней средней мощности подаваемого в эти источники электрического тока и измеряя их значения в каждом из этих режимов, оценивать среднюю мощность излучения как разность значений средней мощности тока при прямом и обратном включениях. Это позволяет использовать такие источники в качестве инструмента воздействия их излучением на различные объекты в разных, в том числе и метрологических, целях, оценивая при этом уровень средней мощности их излучения именно во время этого воздействия [Ловинский Л.С. Способ определения потока излучения полупроводникового излучателя. Авт. св. СССР №409156, Kл. G01R 31/26, 1972]. Однако метрологическое применение рассматриваемых источников излучения, особенно в составе высокоточной эталонной техники, сопряжено с необходимостью сложного поиска как конструктивных, так и методических решений, направленных на эффективное подавление влияния многих негативных оптических, тепловых, электротехнических, аппаратурных и целого ряда других факторов, связанных со сложностью скрупулезного учета потерь мощности электрического тока, излучения и тепловых потоков, а также влияния изменений температуры окружающей среды. Влияние названных факторов может усиливаться, если учитывать, что алгоритмы ведения измерительных процессов на эталонных устройствах как правило требуют проведения многократных измерений различных величин с большой выборкой. Это, в свою очередь, ведет к увеличению времени этих процессов и усиливает опасность изменений за это время, например, параметров окружающей среды, уровня генерируемой источником мощности излучения или электрического тока и т.п.Это приходится учитывать как в процессе поиска наиболее эффективных схемотехнических решений устройств, так и при выборе алгоритмов ведения измерительных процессов при их эксплуатации и метрологических исследованиях. Кроме того, разработка рассматриваемого источника излучения направлена на совершенствование и развитие метрологического обеспечения области измерений средней мощности лазерного излучения, которое характеризуется коллимированными пучками, а указанный аналог предназначен для измерений средней мощности расходящихся потоков излучения, характеризующихся угловой апертурой 30° и более. Поверка высокоточных средств измерений средней мощности лазерного излучения с использованием подобных источников потребует применения вспомогательных оптических систем с объективами и набором диафрагм, обеспечивающих требуемую пространственную направленность потока излучения. Это приведет к тому или иному ослаблению оптическими элементами таких систем нормированного по средней мощности на выходе лазерного диода расходящегося пучка излучения и будет вносить дополнительную, трудно учитываемую неопределенность в оценку этого параметра в прошедшем оптические элементы коллимированном пучке.
С учетом вышеизложенного в качестве наиболее близкого аналога изобретения (прототипа) выбран Государственный первичный эталон единицы средней мощности лазерного излучения [ГОСТ 8.275-78 ГСИ. Государственный первичный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений средней мощности лазерного излучения в диапазоне длин волн 0,3 -12,0 мкм], устройство которого подробно рассмотрено также и в опубликованных в журнале «Измерительная техника» работах [Загорский Я.Т., Кауфман С.А., Козаченко М.Л. и др. Воспроизведение единицы средней мощности лазерного излучения. Измерительная техника, №11, 1979. - С. 28-30; Берман А.Ш., Весельницкий И.М., Козаченко М.Л. и др. Эталонный первичный измерительный преобразователь средней мощности лазерного излучения. Измерительная техника, №11, 1979. - С. 38-39]. Выбор в качестве прототипа названного эталона обосновывается тем, что в процессе поиска и выбора его технических решений были пройдены, найдены и успешно реализованы пути весьма эффективного подавления многих из негативных факторов, сопровождающих работу как этого прототипа, так и изобретения. Устройство этого эталона, схематически изображенного на рис. 1, представляет собой сложную измерительную систему, содержащую стабилизированный источник непрерывного лазерного излучения на базе стандартного лазера 1, объектив 2, каскад диафрагм 3 и 4, пластину-делитель излучения 5, контрольный приемник излучения 6, установленный в отраженном от делителя 5 пучке излучения и образующий таким образом совместно с пластиной проходное средство измерений средней мощности, и калибруемый по методу замещения эталонный калориметрический преобразователь 7 средней мощности постоянного электрического тока и непрерывного лазерного излучения в выходной сигнал измерительной информации, работающий в пучке прошедшего проходной измеритель излучения и полностью его поглощающий во время воспроизведения единицы средней мощности. В свою очередь, преобразователь 7 содержит массивный медный термостат 8 и размещенный в нем градиентный полостный медный приемный элемент 9. При этом полостный приемный элемент 9 выполняет две функции - как поглотителя попадающего в его внутреннюю полость 10 излучения, так и трубчатого теплопровода 11, характеризующегося свойственной меди высокой теплопроводностью и обеспечивающего интенсивный сток выделяемого в приемном элементе 9 тепла к массивному термостату 8. При этом приемный элемент 9 содержит расположенный около одного из торцов теплопровода 11 калибровочный электрический нагреватель 12, а также чувствительный элемент 13 в виде дифференциальной термобатареи, размещенный со стороны его противоположного торца в максимально приближенной к термостату 8 зоне и вырабатывающий сигнал измерительной информации, пропорциональный градиенту температуры и средней мощности проходящего через его зону к термостату 8 теплового потока. Калибровочный электрический нагреватель 12 отгорожен от окружающей среды воздушными зазорами и тонкостенным медным тепловым экраном 14, имеющим хороший тепловой контакт с теплопроводом 11. Расстояние от электронагревателя 12 до чувствительного элемента 13 вдоль теплопровода 11 превышает длину его полуокружности. Медные подводящие провода 15 калибровочного электрического нагревателя 12 проложены по всей длине теплопровода 11, плотно к нему прижаты и разветвляются на токовые и потенциальные непосредственно перед чувствительным элементом 13. Теплопровод 11 расположен внутри термостата 8 и отделен от него за исключением области 16 контакта приемного элемента 9 с термостатом 8 воздушными зазорами 77. При этом в термостате 8 помимо рассмотренного рабочего приемного элемента 9 размещен второй - компенсационный приемный элемент 18, идентичный рабочему 9, а их чувствительные элементы 13 включены по дифференциальной схеме. Термостат 8 с приемными элементами 9 и 18 защищен от внешних тепловых и механических воздействий теплоизолирующей оболочкой 19, а также внешним корпусом 20.
В процессе работы прототипа пучок генерируемого лазером 1 расходящегося излучения проходит объектив 2 и диафрагмы 3 и 4, с помощью которых приобретает характер коллимированного, и попадает на делительную пластину 5, от которой небольшая часть излучения отражается и направляется в контрольный приемник излучения 6, а большая проходит через нее и попадает в эталонный преобразователь средней мощности 7 (см. рис 1. а). При этом вошедшее в преобразователь 7 излучение попадает в приемный элемент 9 на покрытое черной эмалью АК-243 донышко полости 10, где уже после первого их взаимодействия ~98% этого излучения поглощается и преобразуется в тепловой поток от донышка к массивному термостату 8 по образованному медными стенками полости 10 теплопроводу 11. Остальные 2% диффузно отраженного от донышка полости 10 излучения попадают на ее остальную развитую черненую поверхность, где также поглощаются, преобразуются в тепловой поток и, сливаясь с идущим от донышка полости 10 основным тепловым поток, также передаются пассивному термостату 8 через зону, охваченную чувствительным элементом 13, и таким образом обеспечивается пропорциональность ее выходного сигнала средней мощности проходящего через ее зону полного теплового потока. При этом благодаря выбранному соотношению длины и поперечного размера теплопровода 11, обеспечивающему увеличенное время распространения тепловой волны вдоль его оси по сравнению с поперечным направлением, температурное поле на участке теплопровода 11 в зоне чувствительного элемента 13 характеризуется автомодельным характером, т.е. не зависит от характера распределения тепловых источников в их наиболее активной зоне, т.е. в зоне донышка полости 10. При этом благодаря высокой теплопроводности теплопровода 11, обеспечивающего высокую интенсивность тепловых стоков к термостату 8, даже несмотря на увеличенную длину теплопровода 11, удается минимизировать нагрев даже его наиболее удаленного донышка полости 10. Это, в свою очередь, позволяет минимизировать тепловые потери с внешней поверхности теплопровода 11 к термостату 8 через разделяющие их воздушные зазоры благодаря малой теплопроводности воздуха, слабому развитию конвективных потоков в узких зазорах и невысокой интенсивности теплообмена излучением между обращенными друг к другу медными полированными внутренними поверхностями термостата 8 и внешними поверхностями теплопровода 11. При этом аналогичные виды тепловых потерь имеют место также и с поверхностей донышка полости 10 и электронагревателя 12, но и они минимизируются благодаря применению медного экрана 14 в совокупности с воздушными зазорами. В этом случае эти потери перехватываются экраном 14 и за счет его высокой теплопроводности возвращаются в теплопровод 11 и, вливаясь в общий тепловой поток к термостату 8, проходят через зону чувствительного элемента 13, а следовательно, учитываются. Таким образом чувствительный элемент 13 вырабатывает сигнал измерительной информации, пропорциональный средней мощности проходящего через его зону по теплопроводу 11 полного теплового потока, а следовательно, и средней мощности воздействовавшего на преобразователь лазерного излучения. Справедливость последнего утверждения подтверждает достигнутая и отмеченная ранее минимизация всех видов тепловых потерь с поверхности теплопровода, миновавших зону чувствительного элемента 13 и не вызвавших соответствующих приращений его выходного сигнала. При проведении необходимой электрической калибровки устройства по методу замещения средней мощности измеряемого непрерывного лазерного излучения средней мощностью постоянного электрического тока известной величины в электрический нагреватель 12 подают постоянный электрический ток с известным уровнем его средней мощности, адекватным уровню средней мощности измеряемого лазерного излучения. При этом значение средней мощности подаваемого в преобразователь постоянного электрического тока определяют как результат косвенного измерения этого тока и падения напряжения на электрическом нагревателе 12 с использованием соответствующих стандартных источников тока и электроизмерительных приборов, включаемых в цепь электрического нагревателя 72 с помощью подводящих токовых и потенциальных электрические проводов. После подачи постоянного электрического тока в электрический нагреватель 12 в его обмотке этот ток преобразуется в тепловой поток адекватной мощности. При этом благодаря тому что электрический нагреватель 12 максимально приближен к зоне поглощающего излучение донышка полости 10 и также защищен от окружающей среды экраном 14 образующийся в электрическом нагревателе тепловой поток направляется к термостату 8 по теплопроводу 11 по тому же самому руслу, по которому передается тепловой поток, порожденный рассмотренным ранее оптическим воздействием. Поэтому практически все рассмотренные ранее факторы, сопровождающие процесс передачи к термостату 8 теплового потока, порожденного оптическим воздействием, аналогичным образом проявляют себя и на стадии электрической калибровки. Спецификой процесса электрической калибровки является то, что он сопровождается еще и выделениями тепла на электрическом сопротивлении токовых проводов при протекании по ним тока. Для минимизации потерь этого тепла в окружающую среду, минуя участок чувствительного элемента 13, все подводящие провода плотно проложены и приклеены к теплопроводу 11 по всей его длине от нагревателя 12 вплоть до места их отвода от теплопровода 11 непосредственно перед зоной чувствительного элемента 13. Поэтому выделяемое в проводах тепло передается теплопроводу 11 и, добавляясь к идущему по нему от электрического нагревателя 12 основному тепловому потоку, проходит вместе с ним зону чувствительного элемента 13. При этом благодаря тому, что отвод проводов от теплопровода произведен в наиболее «холодной» его части рядом с термостатом 8, минимизируется перепад температуры по длине отведенных проводов, а, следовательно, и уменьшены соответствующие неконтролируемые чувствительным элементом 13 тепловые потери. Рассмотренные решения прототипа позволили также и в процессе электрической калибровки не менее эффективно минимизировать все виды тепловых потерь, а также добиться их адекватности потерям, сопутствующим оптическому воздействию на преобразователь, в том числе и за счет реализации автомодельного теплового режима его работы.
Однако следует отметить, что высокие метрологические характеристики прототипа обеспечиваются за счет его реализации в виде сложной измерительной системы, включающей в себя целый набор аппаратуры, а именно источника излучения в виде стандартного лазера 1, ряда оптических элементов в виде объектива 2, диафрагм 3 и 4, пластины-делителя излучения 5, контрольного приемника излучения 6, установленного в отраженном от делителя 5 пучке излучения и образующего таким образом совместно с ним проходное средство измерений средней мощности, и, наконец, тупикового эталонного преобразователя средней мощности излучения 7, работающего в пучке прошедшего проходной измеритель излучения и полностью его поглощающего во время воспроизведения единицы средней мощности. При реализации подобной сложной схемы эталона, даже применение всего входящего в его состав перечисленного набора аппаратуры и оптических элементов, тем не менее не может обеспечить одновременность воздействия на эталонный и поверяемый приемники излучения, единица средней мощности которого в этот же момент и воспроизводится. Это вызывает необходимость усложнения алгоритмов ведения измерительных процессов из-за введения дополнительных измерительных операций, направленных на предварительную оптическую калибровку с помощью эталонного - контрольного приемника излучения и его дальнейшего использования в последующих операциях по передаче единицы средней мощности поверяемому на эталоне средству измерений. Увеличение количества метрологических операций и продолжительности измерительных процессов отражается не только на повышении трудоемкости и снижении производительности проводимых метрологических работ, но и ведет к усилению влияния на результаты измерений различных негативных факторов, связанных, например, с нестабильностью параметров окружающей среды, источников тока и лазера, вызывающих соответствующие увеличения их погрешностей.
Поскольку рассмотренное техническое решение прототипа имеет ряд существенных перечисленных ранее недостатков, на их устранение с целью дальнейшего повышения уровня метрологического обеспечения этой области измерительной техники было предпринято создание заявляемого устройства.
3. Раскрытие изобретения
Разработка заявляемого устройства направлена на дальнейшее развитие метрологического обеспечения области измерений средней мощности коллимированного лазерного излучения путем создания отличающегося компактностью самокалибруемого эталонного источника коллимированного лазерного излучения (меры), обеспечивающего высокоточное воспроизведение единицы средней мощности пучка коллимированного лазерного излучения именно в момент его воздействия на поверяемое средство измерений при одновременном упрощении оптической схемы за счет исключения вспомогательных оптических и электротехнических элементов в виде пластины-делителя излучения 5, работающего в отраженном от нее пучке контрольного приемника излучения 6 и средств измерений его выходного сигнала, а также сокращение объема выполняемых измерительных операций и упрощение алгоритмов измерительных процессов при проведении поверочных и аттестационных работ, а также повышение точности измерений за счет исключения удвоенной погрешности контрольного прибора, а также случайных погрешностей, вызванных нестабильностью параметров окружающей среды, источника электрического тока и лазера, благодаря совмещению во времени операций воспроизведения и передачи единицы средней мощности излучения поверяемому средству измерений, обеспечивающему благодаря этому снижение трудоемкости проводимых метрологических работ и повышение производительности труда.
Конструкция заявляемого источника лазерного излучения схематически представлена на рис. 2. Эталонный источник лазерного излучения для калибровки измерителей мощности, содержащий непрерывный лазерный излучатель 1, объектив 2, каскад диафрагм 3 и 4 и эталонный преобразователь, содержащий термостат 8 и идентичные компенсационный 18 и рабочий 9 полостные приемные элементы, каждый из которых включает теплопровод 11, длина которого превышает длину полуокружности его сечения, чувствительный элемент 13 на переднем торце теплопровода, а на заднем торце теплопровода установлен тепловой экран 14, имеющий тепловой контакт с теплопроводом, при этом передний торец теплопровода закреплен в термостате, а остальная его часть размещена внутри термостата и отделена от него воздушным зазором 17, теплопровод выполнен в виде полого цилиндра, внутри которого скомпанованы непрерывный лазерный излучатель 1, объектив 2 и диафрагмы 3 и 4, при этом непрерывный лазерный излучатель 1 установлен в заднем торце теплопровода и выполнен с возможностью использования в качестве калибровочного электрического нагревателя, при этом медные подводящие провода 15 непрерывного лазерного излучателя 1 проложены по всей длине теплопровода 11 и плотно к нему прижаты и представляют собой фрагменты последнего, а их функциональное разветвление на токовые и потенциальные произведено непосредственно перед чувствительным элементом 13, обращенные друг к другу поверхности рабочего приемного элемента 9 и термостата 8 выполнены полированными, чувствительные элементы приемных элементов 9 и 18 включены по дифференциальной схеме, при этом их общий термостат 8 защищен от внешней среды теплоизолирующей оболочкой 19 и внешним корпусом 20 устройства. Корпус непрерывного лазерного излучателя 1 запрессован с хорошим тепловым контактом теплопровода 11, а открытую тыльную часть корпуса отгораживают от термостата 8 воздушный зазор и экран 14, при этом объектив 2 закреплен на выходном окне корпуса лазера с помощью теплопроводящего клея, а диафрагмы 3 и 4 выполнены в виде кольцевых выступов на внутренней поверхности теплопровода 11 и на все ее внутренние поверхности, включая диафрагмаы 3 и 4, нанесено поглощающее излучение покрытие, при этом токовые провода 15 электрического питания непрерывного лазерного излучателя 1 выполнены в виде тонкостенных медных шин, плотно прижатых с хорошим тепловым контактом к теплопроводу 11 через тонкий слой электроизолирующего клея, а ответвляющиеся от концов этих шин 15 токовые и потенциальные подводящие электрические провода выполнены идентичными и также как и шины плотно проложены вдоль теплопровода 11 через зону термобатареи 13 и таким образом также представляют собой фрагмент теплопровода, при этом токовые провода рабочего приемного элемента 9 последовательно включены в цепь одной пары токовый - потенциальный провод одной из токовых шин компенсационного приемного элемента 18.
Таким образом, сущность изобретения как технического решения выражается в наличии ниже приведенных условий.
В части наличия связей между элементами в заявляемом эталонном источнике лазерного излучения следует отметить, что он характеризуется сильной тепловой связью между объективом и непрерывным лазерным излучателем; непрерывным лазерным излучателем и теплопроводом; экраном и теплопроводом, диафрагмами и теплопроводом; токовыми шинами и теплопроводом; подводящими проводами и теплопроводом; чувствительным элементом и теплопроводом; теплопроводом и термостатом, а также слабой тепловой связью между окружающей воздушной средой и корпусом; корпусом и теплоизолирующей оболочкой; теплоизолирующей оболочкой и термостатом 8.
В части взаимного расположения элементов в заявляемом устройстве следует отметить, что его рабочий и компенсационный приемные элементы, термостат, теплоизолирующая оболочка и корпус в названной последовательности концентрически размещены внутри друг друга. При этом объектив, непрерывный лазерный излучатель, диафрагмы и теплопровод в названной последовательности концентрически размещены внутри как рабочего, так и компенсационного приемных элементов. Непрерывный лазерный излучатель отстоит по длине теплопровода от чувствительного элемента на расстояние, превышающее поперечный размер сечения теплопровода. Внешние поверхности теплопровода и внутренние поверхности полости термостата разделяет воздушный зазор. Токовые шины плотно проложены с хорошим тепловым контактом их развитой плоской поверхности к теплопроводу по всей его длине от участка чувствительного элемента до лазера. Каждая токовая шина контактирует с одним токовым и одним потенциальным подводящим электрическим проводом в зоне ее торца перед чувствительным элементом. Чувствительный элемент расположен на теплопроводе вблизи его контактирующего с термостатом торца. Два токовых подводящих провода двух токовых шин рабочего приемного элемента последовательно подключены к токовому и потенциальному проводам одной токовой шины компенсационного приемного элемента.
В части формы выполнения элементов в заявляемом устройстве следует отметить специфическую форму трубчатого теплопровода, характеризующегося сквозным внутренним цилиндрическим каналом, по длине которого выполнены в виде остроконечных кольцевых выступов две отстоящие друг от друга увеличивающиеся по диаметру диафрагмы, одна - в середине канала, а вторая - на его торце. Электрические подводящие провода в области теплопровода выполнены в виде плоских тонких токовых шин, обеспечивающих увеличение их теплового контакта с теплопроводом по сравнению с проводами. Разветвление каждой токовой шины на подводящие токовый и потенциальный электрические провода равного диаметра выполнено непосредственно перед чувствительным элементом и эти провода без отрыва проложены по теплопроводу через зону чувствительного элемента.
В части формы выполнения связей между элементами в заявляемом устройстве следует отметить, что контактная тепловая связь между компенсационным и рабочим приемными элементами и термостатом обеспечивается с помощью винтовых соединений. Контактная тепловая связь между объективом и корпусом непрерывного лазерного излучателя обеспечивается за счет применения теплопроводящего клеевого соединения. Контактная тепловая связь между непрерывным лазерным излучателем и теплопроводом обеспечивается за счет плотной посадки и применения теплопроводящего клеевого соединения. Контактная тепловая связь между экраном и теплопроводом обеспечивается за счет прессовой посадки и развитой поверхности их контакта. Контактная тепловая связь между плоскими широкими токовыми шинами и теплопроводом обеспечивается за счет применения тонкого электроизолирующего слоя клея, увеличенной поверхности их контакта, плотного прижатия и использования клеевого соединения по всей длине теплопровода. Ослабление тепловой связи между внешними поверхностями теплопровода по всей его длине от непрерывного лазерного излучателя до чувствительного элемента с окружающими его поверхностями внутренней полости термостата достигается за счет использования разделяющего их узких воздушным зазором, а также полирования этих поверхностей.
В части параметров и характеристик элементов и их взаимосвязи в заявляемом устройстве следует отметить, что длина участка трубчатого теплопровода от непрерывного лазерного излучателя до чувствительного элемента превышает длину полуокружности его кольцевого сечения. Поэтому время прохождения тепловой волны по теплопроводу от нагреваемого электрическим током непрерывного лазерного излучателя до чувствительного элемента превышает время ее распространения по кольцевому сечению теплопровода. В связи с этим характер температурного поля приемного элемента в зоне термобатареи приобретает автомодельный характер. Поэтому реакция чувствительного элемента не зависит от характера пространственного распределения тепловых источников по теплопроводу в области непрерывного лазерного излучателя и по его черненой полости. Сечение теплопровода и теплопроводность его материала выбраны таким образом, что его нагрев в процессе работы не превышает единиц градуса. В связи с этим, а также наличием воздушных зазоров между приемными элементами и термостатом 8 обеспечивается уменьшение интенсивности их теплового взаимодействия через этот зазор и связанных с этим неконтролируемых чувствительным элементом тепловых потерь. Благодаря уменьшению воздушных зазоров до значений, не превышающих 3 мм, уменьшена интенсивность неконтролируемых чувствительным элементом тепловых потерь с поверхности приемных элементов за счет конвекции. Благодаря полированию обращенных друг к другу медных поверхностей приемных элементов и термостата уменьшена интенсивность неконтролируемых чувствительным элементом тепловых потерь с поверхности приемных элементов тепловым излучением при комнатных температурах.
В части материалов, из которых выполнены элементы заявляемого устройства следует отметить, что приемные элементы и термостат выполнены из меди, обладающей необходимой для приемного элемента высокими тепло- и температуропроводностью, а также необходимой для термостата высокой теплоемкостью. Теплоизолирующая оболочка выполнена из твердого материала (пенопласта), обладающего низкой теплопроводностью. Токовые шины и подводящие токовые и потенциальные провода выполнены из меди, обладающей низким удельным электрическим сопротивлением и высокой теплопроводностью.
В части среды, выполняющей роль элемента в заявляемом устройстве, следует назвать воздух, заполняющий зазоры между приемными элементами и термостатом и затрудняющий неконтролируемый чувствительным элементом теплообмен между ними теплопроводностью и конвекцией.
Совокупность существенных признаков заявляемого устройства позволила, добиться для него:
- высокой поглощательной способности, свойственной полости его рабочего приемного элемента;
- минимизации температуры нагрева приемного элемента за счет интенсивного отвода тепла по медному трубчатому теплопроводу к массивному медному термостату, обладающему большой теплоемкостью;
- устранения прямых тепловых потерь в окружающую среду с поверхности лазера путем их возврата в теплопровод за счет использования теплового экрана, отгораживающего непрерывный лазерный излучатель от окружающей среды и имеющего тепловой контакт с теплопроводом;
- минимизации неконтролируемых чувствительным элементом тепловых потерь теплопроводностью, конвекцией и излучением с поверхности приемного элемента к окружающим его стенкам термостата через разделяющие их воздушные зазоры;
- независимости выходного сигнала чувствительного элемента от характера пространственного распределения тепловых источников в зонах активных тепловыделений в непрерывном лазерном излучателе и в полости трубчатого теплопровода благодаря выбору такой длины его участка от лазера до чувствительного элемента, которая превышает длину полуокружности его сечения, что обеспечивает такое время прохождения тепловой волны от зоны тепловых источников до зоны чувствительного элемента, которое превышает время прохождения тепловой волны по сечению теплопровода и обеспечивает реализацию автомодельного характера температурного поля в зоне чувствительного элемента;
- учета доли энергии, выделяемой в шинах и подводящих электрических проводах при электрической калибровке заявляемого устройства за счет их плотной прокладки по всей длине теплопровода и их отвода от последнего только лишь за зоной, охваченной чувствительным элементом;
- высокой точности независимой электрической калибровки устройства по методу замещения измеряемой средней мощности излучения средней мощностью электрического тока известной величины;
- эффективной защиты устройства от негативного влияния внешних тепловых и механических воздействий за счет применения массивного термостата, компенсационного приемного элемента, теплоизолирующей оболочки и внешнего корпуса;
- высокой эквивалентности замещения, достигнутой в дополнение к названным ранее признакам благодаря реализации электрической схемы последовательного включения токовых подводящих проводов питания непрерывного лазерного излучателя рабочего приемного элемента с одной парой токовый - потенциальный провод компенсационного приемного элемента;
- компактности источника;
- уменьшения количества применяемых в нем элементов за счет исключения из его состава всех оптических и электротехнических деталей и блоков контрольного прибора;
- совместимости во времени процессов воспроизведения единицы средней мощности лазерного излучения и ее передачи поверяемому средству измерений;
- сокращения количества и продолжительности измерительных операций воспроизведения и передачи единицы средней мощности лазерного излучения, связанных с применением контрольного прибора, и, как следствие, снижения трудоемкости и повышения производительности метрологических работ;
- повышения точности воспроизведения и передачи единицы средней мощности лазерного излучения за счет двукратного исключения погрешностей контрольного прибора и снижения случайных погрешностей, связанных с нестабильностью параметров окружающей среды, источника тока и непрерывного лазерного излучателя, благодаря сокращению продолжительности измерительных процессов;
- повышения точности измерений за счет дополнительного уменьшения неконтролируемых чувствительным элементом тепловых потерь благодаря использованию токовых шин и их плотной прокладке по теплопроводу, включая зону чувствительного элемента, и предложенной схеме соединения токовых и потенциальных подводящих проводов рабочего и компенсационного приемных элементов.
Все перечисленные существенные признаки заявляемого устройства обеспечили достижение поставленной цели.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство дополнительно снабжено электрическим нагревателем, размещенным на теплопроводе в зоне непрерывного лазерного излучателя и закрытого общим с ним экраном.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство дополнительно снабжено водяной рубашкой и жидкостным термостатом.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство дополнительно снабжено воздушным радиатором для охлаждения термостата.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство дополнительно снабжено воздушным вентилятором для охлаждения термостата.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство дополнительно снабжено термоэлектрическими охлаждающими модулями для охлаждения термостата.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство имеет составной теплопровод, участок которого, охваченный термобатареей, выполняют элементы его механического соединения с термостатом, (винты, заклепки, стержни, втулки, шайбы, их комбинации и т.п.).
Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство дополнительно снабжено средством отображения информации.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения средство отображения информации выполнено в виде индикатора или дисплея.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения средство отображения информации выполнено в виде аналого-цифрового преобразователя.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство дополнительно снабжено средствами его электрической калибровки в виде источника и средств измерений тока и напряжения.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство дополнительно снабжено компьютером для автоматического управления его работой, в том числе и при проведении измерительных процессов с многократными измерениями и обработкой всей измерительной информации, поступающей от средств отображениия информации, и электрической калибровки в соответствии с заданными алгоритмами ведения этих процессов и с автоматической выдачей протоколов полученных результатов.
О
O
O
В процессе работы заявляемого устройства проводится электрическая калибровка преобразователя по методу замещения средней мощности измеряемого непрерывного лазерного излучения средней мощностью постоянного электрического тока известной величины. В процессе этой калибровки, обеспечивающей передачу единицы средней мощности заявляемому эталонному источнику от электрических стандартов, в непрерывный лазерный излучатель 1, выполняющий в случае его обратного включения только функцию электрического нагревателя, подают постоянный электрический ток известной мощности Р, определяемой как результат косвенного измерения тока I и падения напряжения U на суммарном сопротивлении непрерывного лазерного излучателя 1 и токовых шин 75 с использованием известной зависимости
О
O
O
Р=I×U.
O
Рmn
O
O
При этом применяют стандартные источники тока и электроизмерительные приборы, включаемые в цепь электрического питания непрерывного лазерного излучателя 1 с помощью шин 75, токовых и потенциальных электрические проводов. После подачи постоянного электрического тока в непрерывный лазерный излучатель 1 (он же - электрической нагреватель) в нем, в случае обратного включения, его мощность полностью преобразуется в тепловой поток адекватной мощности, который затем последовательно передается сначала теплопроводу 77, по стенкам запрессованного в него корпуса непрерывного лазерного излучателя 7, а далее по этому теплопроводу - термостату 8, по большой массе которого тепловой поток рассеивается. При этом чувствительный элемент 13 вырабатывает электрический сигнал измерительной информации V, пропорциональный перепаду температуры на занятом им участке теплопровода 77, а, следовательно, пропорциональный средней мощности протекающего через этот участок к термостату 8 теплового потока, а следовательно, и средней мощности электрического тока, подаваемого в непрерывный лазерный излучатель 1 при его обратном включении. При этом выделяемый при прохождении электрического тока в подводящих ленточных медных шинах 75 тепловой поток, во-первых, минимизирован благодаря их малому электрическому сопротивлению, а, во-вторых, благодаря развитой поверхности теплового контакта шин 15 с теплопроводом 11 передается главным образом теплопроводу 11, а не теряется в окружающую среду через воздушные зазоры. При этом шины 75 представляют собой дополнительные фрагменты основного теплопровода 11, повышающие интенсивность теплостоков к термостату 8. Последнее достигается благодаря тому, что медный теплопровод 11 характеризуется высокой теплопроводностью, обеспечивающей высокую интенсивность тепловых стоков от занятой непрерывным лазерным излучателем 1 его зоны к термостату 8. Это позволяет, даже несмотря на увеличенную длину теплопровода 11, минимизировать нагрев даже его наиболее удаленного занятого непрерывным лазерным излучателем 1 участка. Это, в свою очередь, позволяет минимизировать тепловые потери с внешней поверхности теплопровода 11 к термостату 8 через разделяющие их воздушные зазоры благодаря малой теплопроводности воздуха, слабому развитию конвективных потоков в узких зазорах и невысокой интенсивности теплообмена излучением между обращенными друг к другу медными полированными внутренними поверхностями термостата 8 и внешними поверхностями теплопровода 11 в условиях комнатных температур. При этом аналогичные виды тепловых потерь имеют место также и с тыльной поверхности непрерывного лазерного излучателя 7, но и они минимизируются благодаря применению медного экрана 14 в совокупности с воздушными зазорами. В этом случае эти потери перехватываются экраном 14 и за счет его высокой теплопроводности возвращаются в теплопровод 11 и, вливаясь в общий тепловой поток к термостату 8, проходят через зону чувствительного элемента 13, а следовательно, учитываются. Таким образом чувствительный элемент 13 вырабатывает сигнал измерительной информации, пропорциональный средней мощности проходящего через его зону по теплопроводу 11 полного теплового потока. При этом благодаря достигнутой минимизации неконтролируемых чувствительным элементом 13 тепловых потерь с поверхности приемного элемента, а также автоматической компенсации тепловых помех, вызванных протеканием электрического тока в проложенных через зону чувствительного элемента 13 подводящих проводах, включенных при этом в электрическую цепь калибровки компенсационного приемного элемента 18, с высокой точностью обеспечивается пропорциональность его выходного сигнала также и средней мощности подаваемого в непрерывный лазерный излучатель 1 постоянного электрического тока. Это позволяет оценивать значение коэффициента преобразования проходящего по теплопроводу 11 через зону чувствительного элемента 13 теплового потока К, исходя из полученных ранее значений мощности электрического тока Р и выходного сигнала чувствительного элемента 13 V согласно зависимости
Рmn
O
О
К=V/Р.
П
П
П
И
В процессе дальнейшей работы устройства переключают непрерывный лазерный излучатель 1 в режим прямого включения, подают в него электрический ток, измеряют его значение I, падение напряжения U на суммарном сопротивлении непрерывного лазерного излучателя 1 и токовых шин 15 и выходной сигнал чувствительного элемента V, после чего оценивают среднюю мощность коллимированного лазерного излучения на выходе заявляемого устройства Р, исходя из зависимости
И
П
П
П
Рmn
P=I×U-V/К.
П
Рmn
И
Справедливость такой оценки средней мощности коллимированного излучения на выходе заявляемого устройства объясняется тем, что подаваемый в непрерывный лазерный излучатель 1 электрический ток в режиме прямого включения частично преобразуется в расходящийся поток лазерного излучения, а частично в тепловой поток. При этом последний претерпевает преобразования, аналогичные рассмотренным ранее преобразованиям теплового потока, вызванного воздействием электрического тока на непрерывный лазерный излучатель 1 при его обратном включении. Это позволяет оценивать мощность проходящего через зону чувствительного элемента 13 полного теплового потока, используя полученные значения его выходного сигнала V и коэффициента преобразования теплового потока К, как это отражено в приведенной, используемой для оценки P зависимости. Что касается той доли мощности электрического тока, которая при прямом включении непрерывного лазерного излучателя 1 преобразовалась в расходящийся поток излучения, то часть его, попадая на внутренние стенки его корпуса, сливается с тепловым потоком, полученным в результате прямого преобразования части мощности тока в тепловой поток и вместе с ним передается теплопроводу 11 и также следует по нему через занятую чувствительным элементом 13 зону к термостату 8. Другая часть расходящегося излучения выходит через окно в корпусе непрерывного лазерного излучателя 1 и попадает на закрепленный на нем объектив 2, где частично поглощается и преобразуется в тепловой поток, передаваемый корпусу непрерывного лазерного излучателя 1 благодаря хорошей теплопроводности используемого их клеевого соединения, а затем и теплопроводу 11. Остальная часть расходящегося потока излучения непрерывного лазерного излучателя 1, проходя объектив 2, преобразуется в коллимированный пучок и проходит через несколько превышающие размер его диаметра две расширяющиеся диафрагмы 3 и 4, завершающие процесс его коллимирования. При этом первая диафрагма 3 отсекает от прошедшего объектив 2 и коллимированного им лазерного пучка окружающий его слабый поток излучения, вызванный дифракцией на кромках окна непрерывного лазерного излучателя и других его элементах, а вторая диафрагма 4 обрезает еще более ослабленный поток излучения, вызванный дифракцией на рабочей кромке первой 3 и завершает таким образом процесс окончательного коллимирования выходящего из устройства пучка лазерного излучения. При этом все излучение, захваченное и поглощенное чернеными поверхностями диафрагм 2 и 3, преобразуется в тепловой по теплопроводу 11 к термостату 8 через зону чувствительного элемента 13 и соответствующим образом учитывается. При этом отраженное от поверхностей диафрагм 2 и 3 излучение, а также некоторая небольшая доля проходящего через объектив 2 и рассеянного его поверхностями излучения попадает на развитую черненую внутреннюю поверхность полости 10, где после многократных отражений поглощается, преобразуется в тепловой поток и по теплопроводу 11 и в составе полного теплового потока с минимизированными потерями проходит зону чувствительного элемента 13 и учитывается.
4. Краткое описание чертежей
Иллюстративный материал к описаниям прототипа и заявляемого устройства представлен в виде их отдельных рисунков с нумерацией всех входящих в него элементов. На рис. 1 представлена конструкция прототипа, на рис. 2 - заявленное устройство.
5. Осуществление изобретения
На практике реализовано заявляемое устройство, предназначенное для поверки средств измерений мощности лазерного излучения, конструктивное решение которого соответствует представленному на рис. 2 и достаточно полно описано в статике и динамике в разделе 4 в материалах настоящей заявки. К этой части описания можно добавить только перечень конкретной поддерживающей его работу стандартной электроизмерительной аппаратуры. Так в качестве непрерывного лазерного излучателя 1 использовался лазерный диод мощностью 200 мВт, источника подаваемого в этот лазер тока - прибор В1-13, а косвенные измерения его средней мощности проводились по результатам измерений значений этого тока и падения напряжения на суммарном электрическом сопротивлении непрерывного лазерного излучателя 1 и подводящих шин 75 с помощью двух высокоточных мультиметров 3458А. В качестве чувствительного элемента 13 использовался термоэлемент 1MD02-04-TEG, а для измерений его выходного сигнала - высокоточный нановольтметр 34420А.
Что касается более детального представления о возможных алгоритмах ведения измерительного процесса, то они могут варьироваться в достаточно широких пределах, включая целые ряды многократных прецизионных измерительных операций, выполняемых с большими выборками и т.д. Эти алгоритмы, как правило, предусматривают прогрев и стандартное тестирование применяемой аппаратуры, прогрев источника тока в режиме его работы на резервное сопротивление, адекватное сопротивлению лазерного диода, контроль параметров окружающей среды и внесение соответствующих поправок, четкое соблюдение заданных временных отрезков между всеми измерительными операциями, контроль и учет дрейфа нулевого уровня выходного сигнала устройства и оценку его скорости, прогнозирование и учет этого дрейфа на моменты теплового воздействия на устройство, когда его выходной сигнал приобретает аддитивный характер, т.е. включает в себя не только его информативное приращение, но и составляющую его постоянного дрейфа и уходы последнего в процессе проведения серий многократных измерений с большими выборками. При этом все операции, сопровождающие работу реализованного на практике заявляемого устройства, проводятся в автоматическом режиме в соответствии с разработанными и загруженными в компьютерную технику программами.