СПОСОБ КАЛИБРОВКИ/ПОВЕРКИ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ МОЩНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD FOR CALIBRATION/VERIFICATION OF THE LASER RADIATION POWER MEASURING INSTRUMENT

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам высокоточной калибровки/поверки средств измерений (СИ) большой мощности лазерного излучения, и может быть использовано в метрологических целях.
Из уровня техники известна существующая метрологическая база для калибровки и поверки СИ мощности лазерного излучения, основанная на применении вторичного эталона единицы средней мощности. Основным его элементом является эталонный измерительный преобразователь (ЭП) мощности лазерного излучения термоэлектрического типа, на основе которого построена функциональная схема вторичного эталона (см. «Основы оптической радиометрии» под ред. Котюка А.Ф., Физматлит, 2003).
Государственный первичный эталон единицы средней мощности лазерного излучения (ГПЭ) обеспечивает воспроизведение и передачу вторичному эталону единицы мощности лазерного излучения в спектральном диапазоне 0,3 - 12,0 мкм и в диапазоне мощностей только до 2 Вт. Для решения задач, связанных с различными современными применениями лазеров, необходимо существенно увеличить верхнюю границу воспроизводимой и передаваемой мощности от вторичного эталона рабочим СИ.
Из уровня техники известно, что задача расширения диапазона измерений вторичного эталона может быть решена с помощью устройств, в которых применяется оптико-механический ослабитель мощности (ОМ) и ЭП как два независимых устройства (см. А.Ф. Котюк, Я.Т. Загорский, А.А. Кузнецов, М.В. Улановский «Образцовое средство измерений средней мощности лазерного излучения» Измерительная техника, 1983, №9, с. 49-51). Оптико-механический ОМ обладает такими важными преимуществами, как неселективность и возможность получать большие коэффициенты ослабления.
В упомянутом устройстве ОМ выполнен в виде механического модулятора, который содержит два соосных диска, приводимых во вращение электродвигателем. В одном из дисков имеются два диаметрально противоположных секторных окна с углами при вершине 36°±4' (ослабление в 10 раз на пределе 10 Вт) и 3,6°±2' (ослабление в 100 раз на пределе 100 Вт). Второй диск имеет секторное окно с углом при вершине около 45°. При вращении модулятора в одну сторону открывается окно с углом 36°, а при вращении в обратную - окно с углом 3,6°. При включении пределов измерений 100 мВт и 1 Вт диски ОМ устанавливаются в положение, обеспечивающее прохождение лазерного излучения на вход измерительного преобразователя без ослабления. Поверхности дисков со стороны излучения имеют зеркальные покрытия, обеспечивающие практически полное отражение излучения в поглотитель.
Недостатком известного решения является то, что ОМ рассматривается как самостоятельный блок, входящий в устройство, и для определения коэффициента ослабления ОМ калибруется независимо и отдельно от измерительного преобразователя излучения, что приводит к существенной погрешности при его калибровке, связанной с неточностью изготовления окон с требуемыми углами, и как следствие - к большой суммарной погрешности измерений. Так, для измерения мощности с погрешностью 3% предел допускаемой погрешности ОМ не должен быть более 1,5%.
д
а
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ калибровки/поверки средства измерений мощности лазерного излучения с помощью вторичного эталона, согласно которому исходный пучок лазерного излучения с помощью оптического делителя с коэффициентом деления K разделяют на проходящий и отраженный пучки, получают выходные сигналы калибруемого/поверяемого средства измерений мощности лазерного излучения, установленного на пути проходящего пучка, определяют мощность излучения на входе указанного калибруемого/поверяемого средства измерений с помощью измерений мощности отраженного излучения эталонным термоэлектрическим СИ и известного K, и проводят калибровку/поверку СИ (см. патент RU2687303, кл. G01J 1/16, опубл. 13.05.2019). Как показывает практика, в известном решении должен применяться ЭП, верхний диапазон измерения мощности которого составляет не менее 20 Вт. Однако, при этом для калибровки необходимо использовать ГПЭ, а его верхняя граница мощности составляет только 2 Вт.
В известном изобретении (прототипе) мощность отраженного излучения, поступающего на эталонное СИ, не может превышать 2 Вт, что определяется необходимостью:
- обеспечения малой погрешности измерений мощности излучения эталонным термоэлектрическим СИ с сохранением высокой степени линейности его функции преобразования в рабочем диапазоне до 2 ВТ;
- согласования верхнего предела измерений с верхней границей мощности, воспроизводимой ГПЭ (2 Вт), осуществляющего передачу единицы мощности эталонному преобразователю, что обеспечивает метрологическую прослеживаемость измерений.
Как показывает практика, для калибровки/поверки рабочих СИ верхний диапазон измерения мощности отраженного излучения, поступающего на эталонный преобразователь должен быть не менее чем на порядок больше, т.е. составлять не менее 20 Вт, что прототип обеспечить не может.
д
осл
оп
Таким образом, технической проблемой является создание способа калибровки/поверки, позволяющего расширить диапазон измерений и сохранить прослеживаемость измерений от эталонного преобразователя вторичного эталона к ГПЭ единицы средней мощности. Технический результат заключается в повышении точности измерений при расширении диапазона измерений мощности, а следовательно, и повышение точности калибровки/поверки. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе калибровки/поверки средства измерений мощности лазерного излучения, согласно которому исходный пучок лазерного излучения с помощью оптического делителя с коэффициентом деления K разделяют на проходящий и отраженный пучки, получают выходные сигналы калибруемого/поверяемого средства измерений мощности лазерного излучения, установленного на пути проходящего пучка, определяют мощность излучения на входе указанного калибруемого/поверяемого средства измерений и проводят его калибровку/поверку, при этом на пути отраженного пучка устанавливают эталонный преобразователь с оптико-механическим ослабителем мощности, выполненным в виде вращающегося с помощью электропривода диска с проходным окном, причем коэффициент ослабления K указанного ослабителя определяют предварительно с помощью эталонного источника излучения, расположенного непосредственно перед ослабителем мощности путем проведения двух серий измерений i=1, …n с идентичной мощностью входного излучения, соответствующей диапазону работы эталонного преобразователя, в одной из серий измерений измеряют выходные сигналы U(i) эталонного преобразователя при выключенном электродвигателе ослабителя мощности и установке проходного окна на оптической оси входного излучения, а в другой - выходные сигналы  эталонного преобразователя при включенном электродвигателе ослабителя мощности, после чего вычисляют средний коэффициент ослабления мощности как:
вх
а непосредственно в ходе калибровки/поверки проходящий пучок лазерного излучения подают на калибруемое/поверяемое средство измерений с мощностью, соответствующей диапазону его работы, измеряют мощность  отраженного пучка с помощью откалиброванного эталонного преобразователя, и определяют мощность излучения Р на входе калибруемого/поверяемого средства измерений как:  Предпочтительно используют ослабитель мощности с варьируемой величиной проходного окна.
На чертеже представлена оптическая схема, реализующая предлагаемый способ.
Для реализации предлагаемого изобретения используют вторичный эталон единицы мощности лазерного излучения, который представляет собой источник лазерного излучения 1, оптическую делительную пластину 2, ЭП 3 с ОМ 4 и термоэлектрическим преобразователем излучения 5 с верхней границей измерения мощности до 2 Вт, компьютер 6 и посадочное место для калибруемого СИ 7.
д
Коэффициент деления K оптической делительной пластины 2 определяют предварительно известными методами.
ОМ 4 имеет два режима функционирования - рабочий и нерабочий. В нерабочем состоянии питание на электродвигатель ОМ 4 не подается, проходное окно находится на оптической оси излучения и ослабления не происходит. В рабочем режиме подается питание на электродвигатель ОМ 4, диск вращается с постоянной скоростью и происходит ослабление излучения.
Таким образом, в нерабочем (выключенном)режиме ОМ 4 диапазон работы ЭП 3 полностью определяется диапазоном работы термоэлектрического преобразователя излучения 5 (до 2 Вт), а рабочем (включенном) - может быть расширен до 20 Вт.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
оп
оп
Предварительно ЭП 3 калибруют с помощью ГПЭ единицы средней мощности. Для этого в нерабочем режиме ОМ 4 (при выключенном электродвигателе) от ГПЭ на ЭП 3 в выбранной точке диапазона измерений мощности (0,25 - 2,0 Вт) подают оптическое излучение P(i) и преобразователем излучения 5 на выходе ЭП 3 измеряют соответствующие сигналы U(i), i=1, 2, …n, где n число измерений.
оп
оп
При этом посредством программы компьютера 6 устанавливают прямые показания мощности на выходе ЭП 3 в Вт. Средние значения результатов измерений U(i), и P(i) связаны соотношением
оп
где K - коэффициент преобразования ЭП 3 по оптическому излучению.
оп
оп
В рабочем режиме ОМ 4 (при включенном электродвигателе) от ГПЭ на ЭП 3 подают оптическое излучение P(i) той же мощности (в диапазоне 0,25 - 2,0 Вт), и измеряют соответствующие сигналы  преобразователем излучения 5 на выходе ЭП 3. Средние значения результатов измерений  и P(i) связаны соотношением
осл
где K - коэффициент ослабления ослабителя.
Из (1) и (2) получаем усредненную оценку коэффициента ослабления ОМ 4, вычисляемую по результатам измерений сигналов на выходе ЭП 3 в его нерабочем и рабочем режимах соответственно.
Параметры регулируемого ослабления ОМ 4 за счет варьируемого по ширине проходного окна диска выбирают таким образом, чтобы величина мощности после ослабления на входе преобразователя 5 попадала в интервал мощностей 0,025 Вт - 0,2 Вт.
Затем ЭП 3 помещают в схему вторичного эталона единицы мощности. Непосредственно в ходе калибровки/поверки на вторичный эталон в рабочем режиме ОМ 4 от источника излучения 1 подают высокоинтенсивное излучение, которое проходя через делительную пластину 2 попадает на калибруемое СИ 7, а отраженное от делительной пластины 2 мощностью до 20 Вт подается на ЭП 3, измеряется преобразователем излучения 5 (значение ) и поступает в компьютер 6.
Величина мощности излучения, поступающего на вход ЭП 3 определяется по формулам:
вх
При этом мощность излучения Р на входе СИ 7, по которому проводят калибровку/поверку составляет:
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить точность и расширить диапазон измерений мощности лазерного излучения для калибруемых СИ, сохраняя при этом метрологическую прослеживаемость измерений к ГПЭ. Заявленный способ расширяет верхнюю границу диапазона измерений мощности ЭП до 20 Вт.
Изобретение основано на калибровке ЭП 3 по оптическому излучению, при которой ОМ 4 и термоэлектрический преобразователь излучения 5 рассматриваются как единый блок, что позволяет увеличить точность измерений в расширенном диапазоне, необходимую для сертификации современных СИ мощности. При такой калибровке ЭП нет необходимости учитывать составляющие основной погрешности измерений, вносимые отдельными элементами устройства. Так, отсутствует необходимость высокоточного изготовления окон ОМ с требуемыми углами и контроля этих параметров, что приводит к тому, что суммарная погрешность измерений при ослаблении излучения не увеличивается. Для калибровки современных СИ суммарная погрешность вторичного эталона в расширенном диапазоне измерений мощности не должна превышать 2%, что может быть обеспечено предлагаемым способом калибровки/поверки.
Работа выполнена с использованием оборудования Центра коллективного пользования высокоточных измерительных технологий в области фотоники (ckp.vniiofi.ru), созданного на базе ФГУП «ВНИИОФИ» и поддержанного Минобрнауки России в рамках выполнения соглашения №075-11-2019-076 от 20.11.2019 г. (уникальный идентификатор RFMEFI59519X0005).