ВТОРИЧНЫЙ ЭТАЛОН ЕДИНИЦЫ ЭНЕРГИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ КАЛИБРОВКИ И ПОВЕРКИ ЛАЗЕРНЫХ ДЖОУЛЬМЕТРОВ

Изобретение относится к области технической физики и измерительной техники, в частности к обеспечению высокоточной калибровки и поверки средств измерений энергии лазерного излучения.

Из уровня техники известна существующая метрологическая база для калибровки и поверки лазерных джоульметров, основанная на применении вторичного эталона единицы энергии. Основным его элементом является эталонный измерительный преобразователь энергии лазерного излучения термоэлектрического типа, на основе которого построена функциональная схема вторичного эталона, приведенная в [1].

Эталон обеспечивает воспроизведение и передачу единицы энергии нано- и пикосекундных лазерных импульсов на длинах волн 0,532 мкм, 1,064 мкм и 1,54 мкм в диапазоне энергий 5⋅10^-3÷5⋅10^-1Дж с погрешностями ≈1% и ≈0,5% соответственно.

Современные лазерные джоульметры (рабочие средства измерений далее РСИ) энергии лазерных импульсов имеют более широкий диапазон измерений 10^-12÷5⋅10^-1 Дж.

В связи с этим возникает задача воспроизведения и передачи единицы энергии от вторичного эталона, имеющего указанный выше динамический диапазон энергий, РСИ, работающим в диапазонах меньших уровней энергии.

Известно устройство [2], позволяющее осуществлять передачу единицы энергии, содержащее соосно последовательно размещенные лазерный излучатель, затвор, поляризационный делитель, содержащий линейный поляризатор и двухлучевой поляризационный элемент, причем линейный поляризатор выполнен с возможностью вращения вокруг оси лазерного излучателя. Однако устройство не обеспечивает требуемый диапазон энергий для калибровки и поверки РСИ из-за технической сложности калибровки с высокой точностью поляризационных делителей устройства в широком энергетическом диапазоне.

Для решения поставленной задачи применяется вторичный эталон единицы энергии с френелевским ослабителем [3] для канала малых уровней энергии, входящий в состав вторичного эталона [1], являющегося наиболее близким аналогом предлагаемого эталонного устройства и позволяющего в результате передачи единицы энергии производить калибровку и поверку РСИ в диапазоне 5⋅10^-7÷5⋅10^-1Дж.

Однако применение в эталоне упомянутого ослабителя [3] не обеспечивает полного перекрытия требуемого диапазона энергий, предъявляет жесткие требования к его юстировке, неизменности юстировки при воздействии внешних факторов, приводящие к увеличению погрешности, а также приводит к погрешности, обусловленной изменением плоскости поляризации, характеризуется большими габаритами, что существенно при эксплуатации транспортируемых эталонных комплексов.

Техническая задача, решаемая заявляемым изобретением, состоит в создании высокоточного устройства для калибровки и поверки лазерных джоульметров, обеспечивающего работу в расширенном диапазоне энергий лазерного пучка.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в увеличении точности калибровки и поверки РСИ и расширении диапазона энергий, в котором вторичный эталон обеспечивает калибровку и поверку РСИ. Предлагаемое устройство для калибровки и поверки лазерных джоульметров позволяет устранить указанные выше недостатки.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что во вторичном эталоне единицы энергии лазерного излучения для калибровки и поверки лазерных джоульметров, содержащем источник лазерного излучения, оптическую делительную пластину, контрольный фотоэлектрический измерительный преобразователь энергии лазерного излучения, оптический ослабитель энергии лазерного излучения, калориметрический эталонный измерительный преобразователь, блок управления и компьютер, оптический ослабитель энергии лазерного излучения выполнен в виде вращающегося диска с четырьмя отверстиями, в трех из которых установлены входные нейтральные фильтры, а эталон снабжен интегрирующей сферой, расположенной после оптического ослабителя энергии лазерного излучения, с входным, выходным и дополнительным отверстиями, внутренняя поверхность которой покрыта диффузно-отражающим покрытием, в дополнительном отверстии установлена светоделительная пластина, разделяющая лазерное излучение на прямой проходящий поток, на пути которого установлен калориметрический эталонный измерительный преобразователь, и диффузно-отраженный поток, входное и дополнительное отверстия выполнены таким образом, что их центры расположены на оси прямого проходящего потока, а в выходном отверстии интегрирующей сферы установлен вход волоконно-оптического коллектора, содержащего три светопровода, на концах которых последовательно установлены выходные нейтральные фильтры и фотоприемные устройства для работы в различных диапазонах энергии.

Изобретение основано на введении четырех раздельных попарно взаимно перекрывающихся приблизительно в одном порядке энергий диапазонов калибровки и поверки, охватывающих требуемый динамический диапазон (Фиг. 1), и создании алгоритма обработки измеряемых сигналов в каждом диапазоне. Разбиение на четыре диапазона обусловлено тем, что применяемые в заявляемом изобретении фотоприемные устройства имеют высокую линейность в пределах трех десятичных порядков и в совокупности перекрывают весь требуемый диапазон измерений.

На Фиг. 2 приведена функциональная схема заявляемого устройства в предпочтительном варианте его осуществления.

Вторичный эталон единицы энергии лазерного излучения для калибровки и поверки лазерных джоульметров содержит источник лазерного излучения 1, оптическую делительную пластину 2, контрольный фотоэлектрический измерительный преобразователь энергии лазерного излучения 3, оптический ослабитель энергии лазерного излучения 23, калориметрический эталонный измерительный преобразователь 19, блок управления 21 и компьютер 22. Оптический ослабитель энергии лазерного излучения 23 выполнен в виде вращающегося диска 8 с четырьмя отверстиями, в трех из которых установлены входные нейтральные фильтры 5, 6 и 7, необходимые для ослабления сигнала от эталонного источника лазерного излучения 1, которые выполнены, например, из оптического стекла НС-2. Эталон снабжен интегрирующей сферой 9, выполненной из металла, например из дюралюминиевого сплава Д16, расположенной после оптического ослабителя энергии лазерного излучения 23, с входным, выходным и дополнительным отверстиями, внутренняя поверхность 10 которой покрыта диффузно-отражающим покрытием, например светотехнической эмалью типа А243. В дополнительном отверстии установлена светоделительная пластина 11, выполненная из оптического стекла, например, марки К-8 и разделяющая лазерное излучение на прямой проходящий поток, на пути которого установлен калориметрический эталонный измерительный преобразователь 19, и диффузно-отраженный поток. Входное и дополнительное отверстия выполнены таким образом, что их центры расположены на оси прямого проходящего потока. В выходном отверстии интегрирующей сферы 9 установлен вход 12 волоконно-оптического коллектора 24, содержащего три светопровода 13, на концах 14 которых последовательно установлены выходные нейтральные фильтры 15, выполненные из нейтрального стекла, например, марки НС-2, и фотоприемные устройства 16, 17 и 18 для работы в различных диапазонах энергии.

Сущность предлагаемого устройства, обеспечивающего достижение результата, состоит в том, что калибровка устройства, позволяющая охватить весь требуемый динамический диапазон энергий, содержит четыре этапа. На первом этапе расширения диапазона не требуется и его калибровка должна повторять работу вторичного эталона энергий в диапазоне I. На втором этапе по эталонному термоэлектрическому измерительному преобразователю энергии (ЭП) 19 калибруется ФПУ1 16 в диапазоне II и к нему переходят функции вторичного эталона (рабочий эталон 1 разряда), на третьем этапе по ФПУ1 16 калибруется ФПУ2 17 в диапазоне III и к нему переходят функции рабочего эталона 1 разряда (рабочий эталон 2 разряда), на четвертом этапе по ФПУ2 17 калибруется ФПУ3 18 в диапазоне IV и к нему переходят функции рабочего эталона 2 разряда (рабочий эталон 3 разряда). Фотоприемные устройства (ФПУ1, ФПУ2, ФПУ3) 16, 17, 18 с фотодиодами, например, типа S2386, работающие на длине волны 0,532 мкм или G8370, работающие на длинах волн 1,06 мкм и 1,54 мкм, обеспечивают возможность калибровки устройства в диапазонах энергий II, III и IV соответственно. Каждый из выходных нейтральных фильтров 15 подбирается таким образом, что обеспечивает работу соответствующего фотоприемного устройства в диапазоне его линейности. Сигналы с фотоприемных устройств 16, 17 и 18 поступают через блок управления 21 в компьютер 22, где обрабатываются по описываемому ниже алгоритму.

Работа устройства описана в разделах «Калибровка устройства» и «Калибровка и поверка рабочих средств измерений в диапазонах I-IV».

Сначала производится калибровка предлагаемого устройства, включающая четыре этапа. На первом этапе калибровка производится по ЭП 19 от импульсов лазерного излучения в диапазоне I энергий. В тракт лазерного излучения вводится отверстие 4 без нейтрального фильтра оптического ослабителя энергии лазерного излучения 23, расположенное на диске 8, вращение которого осуществляется от компьютера 22 через блок управления 21. Оптический сигнал источника лазерного излучения 1, проходя через светоделительную пластину 2, выполненную, например, из стекла марки К-8, разделяется на прямой и отраженный пучки. Энергия излучения на выходе пластины 11 должна соответствовать энергии оптического сигнала для диапазона I. Отраженный от светоделительной пластины 2 лазерный пучок поступает на контрольный фотоэлектрический измерительный преобразователь энергии лазерного излучения (КП) 3, являющийся средством контроля относительного изменения энергии импульсного лазерного излучения, а прямой пучок через отверстие 4 поступает во входное отверстие интегрирующей сферы 9. Основная часть прямого пучка излучения проходит сквозь дополнительное отверстие интегрирующей сферы 9 и через пластину 11, вектор нормали к которой расположен под углом 6-8° относительно оси излучения, и поступает на вход (ЭП) 19. Отраженный от пластины 11 поток излучения, многократно отражаясь от внутренней поверхности 10 интегрирующей сферы 9 по закону Ламберта, представляет собой диффузно-отраженный поток, который через выходное отверстие интегрирующей сферы 9 поступает на вход 12 волоконно-оптического коллектора 24. Его угол обзора α должен быть таким, что собирает диффузно-отраженное излучение, с области характеризующееся равномерностью распределения интенсивности, что уменьшает влияние зонной характеристики устройства на результат калибровки и поверки, что увеличивает его точность. Наличие небольшого угла расположения пластины 11 уменьшает влияние поляризации лазерного пучка и обеспечивает первое отражение от нее в область интегрирующей сферы, не совпадающей как с прямым излучением, так и расположением волоконно-оптического коллектора, что необходимо для получения точных результатов калибровки и поверки.

Волоконно-оптический коллектор 24 распределяет диффузно-отраженный поток по трем светопроводам 13. Затем диффузно-отраженный поток поступает на выходные нейтральные фильтры 15, расположенные на концах 14 светопроводов 13, и далее - на фотоприемные устройства 16, 17, 18, подключаемые к устройству с помощью компьютера 22 через блок управления 21 при работе в диапазонах II, III и IV соответственно (Фиг. 1).

Для работы в диапазоне I производится одновременное измерение энергии , поступающей на вход приемника 19, и выходного сигнала КП 3 . Определяется и запоминается коэффициент преобразования K₁ для первого диапазона КП/ЭП, равный .

На втором этапе в одной из общих точек взаимно перекрывающихся диапазонов I и II производится калибровка устройства в диапазоне II.

В тракт лазерного излучения вводится входной нейтральный фильтр 5 оптического ослабителя энергии лазерного излучения 23, расположенный на диске 8, вращение которого осуществляется от компьютера 22 через блок управления 21. Энергия излучения на выходе пластины 11 после ослабления должна соответствовать энергии оптического сигнала для диапазона II. Путь прохождения оптического сигнала источника лазерного излучения 1 повторяет описанный на первом этапе. В данном случае к устройству с помощью компьютера 22 через блок управления 21 подключается фотоприемное устройство 16. На втором этапе производится одновременное измерение энергии , поступающей на вход приемника 19, и сигнала с фотоприемного устройства 16. Определяется и запоминается коэффициент преобразования K₂ФПУ1/ЭП, равный , для диапазона II.

На третьем этапе в одной из общих точек взаимно перекрывающихся диапазонов II и III производится калибровка устройства в диапазоне III.

В тракт лазерного излучения вводится входной нейтральный фильтр 6 оптического ослабителя энергии лазерного излучения 23, расположенный на диске 8, вращение которого осуществляется от компьютера 22 через блок управления 21.

Энергия излучения на выходе пластины 11 после ослабления должна соответствовать энергии оптического сигнала для диапазона III. Путь прохождения оптического сигнала источника лазерного излучения 1 повторяет описанный на первом этапе. В данном случае к устройству с помощью компьютера 22 через блок управления 21 подключаются фотоприемные устройства 16 и 17. На третьем этапе производится одновременное измерение сигналов , фотоприемных устройств 16 и 17. Определяется и запоминается коэффициент преобразования K₃, ФПУ2/ФПУ1, равный , для диапазона III.

На четвертом этапе в одной из общих точек взаимно перекрывающихся диапазонов III и IV производится калибровка устройства в диапазоне IV.

В тракт лазерного излучения вводится входной нейтральный фильтр 7 оптического ослабителя энергии лазерного излучения 23, расположенный на диске 8, вращение которого осуществляется от компьютера 22 через блок управления 21.

Энергия излучения на выходе пластины 11 после ослабления должна соответствовать энергии оптического сигнала для диапазона IV. Путь прохождения оптического сигнала источника лазерного излучения 1 повторяет описанный на первом этапе. В данном случае к устройству с помощью компьютера 22 через блок управления 21 подключаются фотоприемные устройства 17 и 18. На четвертом этапе производится одновременное измерение сигналов , фотоприемных устройств 17 и 18. Определяется и запоминается коэффициент преобразования K₄, ФПУ3/ФПУ2, равный , для диапазона IV.

Таким образом, в результате калибровки устройства получаем следующую таблицу коэффициентов преобразований для всех диапазонов.

После проведения калибровки устройства производится калибровка или поверка РСИ.

Калибровка и поверка рабочих средств измерений в диапазоне I

Калибруемое или поверяемое РСИ устанавливается на посадочное место 20 для РСИ и вводится в оптический тракт установки взамен ЭП.

В тракт лазерного излучения вводится отверстие 4 без нейтрального фильтра оптического ослабителя энергии лазерного излучения 23, расположенное на диске 8, вращение которого осуществляется от компьютера 22 через блок управления 21. При калибровке РСИ после подачи лазерного импульса от источника лазерного излучения 1 производится одновременное измерение сигналов на выходе калибруемого РСИ 20 и выходного сигнала КП 3 , соответственно.

Величина энергии излучения, подаваемая после пластины 11 на вход РСИ, определяется по формуле .

Определяется коэффициент преобразования калибруемого РСИ

При поверке РСИ 20 производится одновременное измерение энергии на его входе и электрического сигнала на выходе КП 3 , при подаче от источника лазерного излучения 1 лазерного импульса. Определяется величина измеренной энергии после пластины 11 на входе РСИ . Относительная погрешность измерения энергии РСИ δ_РСИ определяется как

Калибровка и поверка рабочих средств измерений в диапазоне II

Калибруемое или поверяемое РСИ устанавливается на посадочное место 20 для РСИ и вводится в оптический тракт установки взамен ЭП.

В тракт лазерного излучения вводится входной нейтральный фильтр 5 оптического ослабителя энергии лазерного излучения 23, расположенный на диске 8, вращение которого осуществляется от компьютера 22 через блок управления 21. При калибровке РСИ после подачи лазерного импульса от источника лазерного излучения 1 производится одновременное измерение сигналов на выходе калибруемого РСИ 20 и выходного сигнала ФПУ1 16 , соответственно.

Величина энергии излучения, подаваемая после пластины 11 на вход РСИ, определяется по формуле .

Определяется коэффициент преобразования калибруемого РСИ

.

При поверке РСИ 20 производится одновременное измерение энергии на его входе и электрического сигнала на выходе ФПУ1 16 , при подаче от источника лазерного излучения 1 лазерного импульса. Определяется величина измеренной энергии после пластины 11 на входе .

Погрешность измерения энергии РСИ определяется по формуле (1).

Калибровка и поверка рабочих средств измерений в диапазоне III

Калибруемое или поверяемое РСИ устанавливается на посадочное место 20 для РСИ и вводится в оптический тракт установки взамен ЭП.

В тракт лазерного излучения вводится входной нейтральный фильтр 6 оптического ослабителя энергии лазерного излучения 23, расположенный на диске 8, вращение которого осуществляется от компьютера 22 через блок управления 21. При калибровке РСИ после подачи лазерного импульса от источника лазерного излучения 1 производится одновременное измерение сигналов на выходе калибруемого РСИ 20 и выходного сигнала ФПУ2 17 , соответственно.

Величина энергии излучения, подаваемая после пластины 11 на вход РСИ, определяется по формуле

Определяется коэффициент преобразования калибруемого РСИ

При поверке РСИ 20 производится одновременное измерение энергии на его входе и электрического сигнала на выходе ФПУ2 17 , при подаче от источника лазерного излучения 1 лазерного импульса. Определяется величина измеренной энергии после пластины 11 на входе

Погрешность измерения энергии РСИ определяется по формуле (1).

Калибровка и поверка рабочих средств измерений в диапазоне IV

Калибруемое или поверяемое РСИ устанавливается на посадочное место 20 для РСИ и вводится в оптический тракт установки взамен ЭП.

В тракт лазерного излучения вводится входной нейтральный фильтр 7 оптического ослабителя энергии лазерного излучения 23, расположенный на диске 8, вращение которого осуществляется от компьютера 22 через блок управления 21. При калибровке РСИ после подачи лазерного импульса от источника лазерного излучения 1 производится одновременное измерение сигналов на выходе калибруемого РСИ 20 и выходного сигнала ФПУ3 18 , соответственно.

Величина энергии излучения, подаваемая после пластины 11 на вход РСИ, определяется по формуле

Определяется коэффициент преобразования калибруемого РСИ

.

При поверке РСИ 20 производится одновременное измерение энергии на его входе и электрического сигнала на выходе ФПУ3 18 , при подаче от источника лазерного излучения 1 лазерного импульса. Определяется величина измеренной энергии после пластины 11 на входе РСИ

Погрешность измерения энергии РСИ определяется по формуле (1).

Расчеты, подтверждающие работоспособность заявляемого устройства для калибровки и поверки лазерных джоульметров

Введем обозначения для коэффициентов пропускания, отражения и преобразования элементов, представленных на фиг.2:

ρ₁ - коэффициент пропускания делительной пластины 2;

- коэффициент отражения делительной пластины 2;

- коэффициент пропускания входного нейтрального фильтра 5;

- коэффициент пропускания входного нейтрального фильтра 6;

- коэффициент пропускания входного нейтрального фильтра 7;

ρ₃ - коэффициент пропускания делительной пластины 11;

- коэффициент отражения делительной пластины 11;

ρ₄ - коэффициент пропускания интегрирующей сферы 9, световолоконного коллектора и выходного нейтрального фильтра 15, оптически связанных с ФПУ1 16;

ρ₅ - коэффициент пропускания интегрирующей сферы 9, световолоконного коллектора и выходного нейтрального фильтра 15, оптически связанных с ФПУ2 17;

ρ₆ - коэффициент пропускания интегрирующей сферы 9, световолоконного коллектора и выходного нейтрального фильтра 15, оптически связанных с ФПУ3 18;

K_ФПУ1 - коэффициент преобразования ФПУ1 16;

K_ФПУ2 - коэффициент преобразования ФПУ2 17;

K_ФПУ3 - коэффициент преобразования ФПУ3 18;

K_КП - коэффициент преобразования КП 3;

K_ЭП - коэффициент преобразования ЭП 19;

K_РСИ - коэффициент преобразования РСИ 20.

1. При калибровке заявляемого устройства в диапазоне I в соответствии с описанием устройства и фиг. 2 запишем электрические сигналы на выходе ЭП 19 и КП 3

где Q_I - энергия лазерного пучка в момент калибровки устройства в диапазоне I.

При калибровке РСИ в диапазоне I электрические сигналы на выходе ЭП и РСИ имеют вид

где - энергия лазерного пучка в момент калибровки РСИ в диапазоне I.

Из системы (2) получим: .

Из системы (3) запишем

Величина энергии лазерного пучка на выходе пластины 11, подаваемой на вход калибруемого РСИ в диапазоне I, равна

При поверке РСИ в диапазоне I величина энергии, подаваемой на вход РСИ, равна, где - значение электрического сигнала на выходе КП3.

2. При калибровке заявляемого устройства в диапазоне II в соответствии с описанием устройства и фиг. 2 запишем электрические сигналы на выходе ЭП 19 и ФПУ1 16

где Q_II - энергия лазерного пучка в момент калибровки устройства в диапазоне II.

При калибровке РСИ в диапазоне II электрические сигналы на выходе ФПУ1 16 и РСИ 20 имеют вид

Из системы (4) получим:

.

Из системы (5) запишем .

Величина энергии лазерного пучка на выходе пластины 11, подаваемой на вход калибруемого РСИ в диапазоне II, равна

При поверке РСИ в диапазоне II величина энергии, подаваемой на вход РСИ, равна, где - значение электрического сигнала на выходе ФПУ1 16.

3. При калибровке заявляемого устройства в диапазоне III в соответствии с описанием устройства и фиг. 2 запишем электрические сигналы на выходе ФПУ1 16 и ФПУ2 17

где Q_III - энергия лазерного пучка в момент калибровки устройства в диапазоне III.

При калибровке РСИ в диапазоне III электрические сигналы на выходе ФПУ2 17 и РСИ 20 имеют вид

Из системы (6) получим:

Из системы (7) запишем

Величина энергии лазерного пучка на выходе пластины 11, подаваемой на вход калибруемого РСИ в диапазоне III, равна

.

При поверке РСИ в диапазоне III величина энергии, подаваемой на вход РСИ, равна , где - значение электрического сигнала на выходе ФПУ2 17.

4. При калибровке заявляемого устройства в диапазоне IV в соответствии с описанием устройства и фиг. 2 запишем электрические сигналы на выходе ФПУ2 17 и ФПУ3 18

где Q_IV - энергия лазерного пучка в момент калибровки устройства в диапазоне IV.

При калибровке РСИ в диапазоне IV электрические сигналы на выходе ФПУ3 18 и РСИ 20 имеют вид

Из системы (8) получим: .

Из системы (9) запишем

Величина энергии лазерного пучка на выходе пластины 11, подаваемой на вход калибруемого РСИ в диапазоне IV, равна

.

При поверке РСИ в диапазоне IV величина энергии, подаваемой на вход РСИ, равна , где - значение электрического сигнала на выходе ФПУ3 18.

Источники информации

[1] «Основы оптической радиометрии» под ред. Котюка А.Ф., Физматлит, 2003.

[2] Иванов В.М. «Способ передачи размера единицы средней мощности или энергии лазерного излучения и устройство для его осуществления», Патент РФ 4459302/25, 12.07.1988, опубликовано 30.07.1994.

[3] Янкевич Е.Б., Микрюков А.С., Москалюк С.А., Либерман А.А., Ковалев А.А. «Френелевский ослабитель лазерного излучения», Полезная модель РФ, 123944.