Результат интеллектуальной деятельности: Способ калибровки/поверки средств измерения мощности лазерного излучения

Изобретение относится к фотометрии, а именно, к способам калибровки/поверки средств измерений большой мощности лазерного излучения и может быть использовано в метрологических целях.

В настоящее время актуальной задачей при измерении больших уровней мощности лазерного излучения является задача калибровки/поверки применяемых средств измерений (СИ) и прослеживаемость результатов измерений мощности от эталонов до СИ, что обеспечивает единство измерений.

Известные из уровня техники способы передачи единицы мощности (энергии), предназначенные для калибровки эталонов, поверочных установок и СИ мощности (энергии) лазерного излучения, основаны на одновременном измерении интенсивности эталонным приемником и средством контроля относительного изменения мощности (энергии) лазерного излучения, на который в дальнейшем переходит функция эталонного приемника, а эталонный приемник заменяется калибруемым СИ. При этом для обеспечения высокоточных измерений проводят также электрическую калибровку СИ с определением коэффициента преобразования по значениям электрической и оптической мощности (энергии) и вычисление коэффициента эквивалентности (см. А.Г. Максак, И.В. Козак, А.В. Плотников, А.С.Ильин, М.В. Улановский «Обеспечение единства и точности измерений энергии пикосекундных импульсов лазерного излучения», Измерительная техника, №5, 2015, с. 37-40).

Из уровня техники известен способ воспроизведения размера единицы средней мощности, при котором одновременно подают излучение на эталонное и калибруемое СИ и проводят калибровку с помощью замещения оптической мощности электрической (см. а.с. SU 1408245 А1, кл. G01J 5/00, опубл. 07.07.1988).

Кроме того, из уровня техники известен способ передачи размера единицы средней мощности или энергии лазерного излучения, согласно которому линейно поляризуют лазерное излучение, устанавливают заданное значение коэффициента деления средней мощности и делят исходный пучок с помощью двухлучевого поляризационного элемента на обыкновенный и необыкновенный лазерные пучки, один из которых направляют на эталонное средство измерений, а другой на калибруемое (см. патент RU 2017085, кл. G01J 5/50, опубл. 30.07.1994).

Однако, известные способы не позволяют проводить калибровку/поверку СИ больших уровней мощности, поскольку существующий эталонный приемник излучения не предназначен для измерения больших уровней мощности (киловатты), а создание нового сопряжено с большими трудностями по сохранности метрологических характеристик при больших мощностях излучения. Кроме того, возникают сложности передачи единицы мощности от эталона единицы средней мощности ГЭТ 28-2016 (единицы ватт) такому приемнику, в силу большой разницы значений измеряемых мощностей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ калибровки/поверки СИ большой мощности лазерного излучения, согласно которому исходный пучок лазерного излучения, идущий вдоль оптической оси, с помощью оптического делителя разделяют на проходящий и отраженные от передней и задней граней оптического делителя пучки, определяют коэффициент деления оптического делителя, одновременно получают выходные сигналы эталонного и калибруемого/поверяемого СИ мощности лазерного излучения для указанных пучков и проводят калибровку/поверку соответствующего СИ (см. патент JPH 05223632, кл. G01J 1/02, опубл. 31.08.1993). Основным недостатком известного устройства является относительно высокая погрешность измерения, обусловленная неконтролируемым нагревом оптического делителя во время прохождения высокомощного лазерного излучения.

Технической проблемой является устранение указанных недостатков и создание высокоточного способа калибровки/поверки СИ большой мощности лазерного излучения за счет уменьшении доли излучения, поступающего на эталонное СИ. Технический результат заключается в повышении достоверности результатов калибровки/поверки. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что согласно предлагаемому способу калибровки/поверки СИ мощности лазерного излучения вводятся два этапа его реализации. На первом этапе исходный пучок лазерного излучения, идущий вдоль оптической оси, с помощью оптического делителя разделяют на проходящий и отраженные от передней и задней граней оптического делителя пучки и определяют коэффициент деления K_Д оптического делителя. На втором этапе реализации способа одновременно получают выходные сигналы эталонного и калибруемого/поверяемого СИ мощности лазерного излучения для указанных пучков и проводят калибровку/поверку соответствующего СИ, причем в качестве оптического делителя используют снабженную системой жидкостного охлаждения призму, передняя и задняя грани которой расположены под разными углами к оптической оси, при этом пучок лазерного излучения, отраженный от передней грани призмы, направляют на эталонное средство измерений мощности, а пучок, отраженный от задней грани призмы, направляют на контрольное СИ мощности, в серии одновременно проводимых измерений i=1,2, … n по значениям выходных сигналов эталонного Р_эn (i) и контрольного U_н(i) СИ, определяют текущий коэффициент нестабильности и проводят калибровку/поверку, если K_н находится в пределах заданного доверительного интервала.

На Фиг. 1 представлена схема установки на этапе определения коэффициента деления оптического делителя;

на Фиг. 2 - схема установки на этапе калибровки/поверки.

Первый этап предлагаемого способа - определение коэффициента деления оптического делителя может быть реализован на установке, содержащей источник 1 лазерного излучения (например, иттербиевый волоконный лазер серии ЛС с мощностью ≈ 10 кВт), металлическую охлаждаемую заслонку 2, поглотитель излучения 3, например, в виде металлического радиатора с входной полостью, СИ мощности лазерного излучения 4 и 6, (например, 15К-W-BB-45 фирмы OPHIR), охлаждаемый оптический делитель 5, блок управления 7 и компьютер 8. В качестве оптического делителя 5, используют снабженную системой жидкостного охлаждения призму, например, из кварцевого стекла КУ-1 с нанесенным с двух сторон диэлектрическим просветляющим покрытием, типа 43Р, обеспечивающим коэффициент пропускания 99%. Передняя и задняя грани призмы делителя 5 расположены под разными углами к оптической оси.

На первом этапе определения коэффициента деления K_Д установка работает следующим образом.

После выхода на рабочий режим источника излучения 1 открывают заслонку 2, и излучение от источника 1 поступает на оптический делитель 5. Пучок лазерного излучения, отраженный от передней грани призмы делителя 5, направляют на СИ 4, где производят серию из n измерений выходного сигнала U₁(i), i=1,2, … n, задаваемую от блока управления 7 и поступающую в компьютер 8, а пучок лазерного излучения, отраженный от задней грани призмы делителя 5, направляют на поглотитель излучения 3. Излучение, прошедшее через оптический делитель 5, направляют на СИ 6, где одновременно с СИ 4 производят серию n измерений выходного сигнала U₂(i), i=1,2, … n. Далее закрывают заслонку 2, СИ 4 и 6 меняют местами, после чего снова производят серию измерений выходных сигналов СИ 4 (i) и СИ 6 (i), i=1,2, … n.

Коэффициент деления K_Д оптического делителя определяют по формуле

где .

Второй этап реализации способа - непосредственно калибровка/поверка СИ может быть реализован на установке, содержащей источник 1 лазерного излучения (например, иттербиевый волоконный лазер серии ЛС с мощностью ≈ 10 кВт), металлическую охлаждаемую заслонку 2, эталонное СИ мощности лазерного излучения 3 из состава ГЭТ 28-2016, контрольное СИ 4 (например, 15К-W-BB-45 фирмы OPHIR), охлаждаемый оптический делитель 5, калибруемое/поверяемое СИ 6, блок управления 7 и компьютер 8.

На втором этапе установка работает следующим образом.

После выхода источника излучения 1 на необходимый для осуществления калибровки/поверки СИ 6 режим, открывают заслонку 2, и излучение от источника 1 поступает на оптический делитель 5. Пучок лазерного излучения, отраженный от задней грани призмы делителя 5, направляют на контрольное СИ 4, где производят серию из n измерений выходного сигнала U_н(i), i=1,2, … n, задаваемую от блока управления 7 и поступающую в компьютер 8, а пучок лазерного излучения, отраженный от передней грани призмы делителя 5, направляют на эталонное СИ мощности лазерного излучения 3, излучение, прошедшее через оптический делитель 5, направляют на СИ 6.

В указанной серии измерений одновременно с U_н (i) получают выходные сигналы P_эп(i) эталонного СИ 3 (значения мощности лазерного излучения) и выходные сигналы U_си(i) калибруемого/поверяемого СИ 6 (выходное напряжение). Измерения в эталонном СИ 3 проводят на отраженном излучении, составляющем ≈1% мощности источника, что при мощности ≈10 кВт составляет ≈100 Вт, при которой с высокой степенью точности обеспечивается прослеживаемость результатов измерений и передача единицы мощности от эталона ГЭТ 28-2016.

Значение мощности на входе калибруемого/поверяемого СИ 6 составляет

Результатом калибровки будет рассчитанное значение калибровочного коэффициента на который необходимо разделить значение выходного сигнала калибруемого СИ 6 в процессе его эксплуатации, что определяет значение измеренной им мощности Р_си=U_си/K_си.

Результатом поверки будет сравнение рассчитанного по формуле (1) значения мощности лазерного излучения на входе калибруемого/поверяемого СИ 6 со значением, отображаемым на СИ 6. При проведении поверки СИ 6 по результатам измерений определяют величину , по которой устанавливают его пригодность для проведения измерений.

Поскольку основным источником погрешности в данном способе является оптический делитель 5, на который поступает мощное лазерное излучение, в процессе калибровки/поверки необходимо контролировать его коэффициент нестабильности K_н. Для этого по проведенной серии n одновременных измерений значений выходных сигналов Р_эп (i), i=1,2, … n (значения мощности лазерного излучения) для эталонного СИ 3 и U_н (i) (значения выходного напряжения) контрольного СИ 4, определяют текущий коэффициент нестабильности

Значение коэффициента K_н должно находиться в заданном доверительном интервале, определяемым, исходя из требуемой погрешности измерений мощности. Калибровку/поверку СИ 6 проводят, если K_н находится в пределах указанного интервала. Таким образом, за счет контроля характеристики нестабильности основного источника погрешности, значительно повышается достоверность полученных результатов 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 №14.595.21.0003 от 28.08.2017 г. (уникальный идентификатор RFMEFI59517X0003).