Результат интеллектуальной деятельности: МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ МОЩНЫХ НАНО- И ПИКОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Изобретение относится к области измерительной техники и технической физики, в частности к созданию устройств для измерения энергии мощных импульсов лазерного излучения.

Из уровня техники известны устройства для измерения энергии мощных лазерных импульсов, использующие пироэлектрические первичные измерительные преобразователи, изготавливаемые фирмой «Ophir Optronics Solutions Ltd» [1]. Устройства типа PE50-DIF-ER-C и PE100BF-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 ≈2,5·10⁶ Вт/см², что характерно для импульсов микро- и миллисекундного диапазона длительностей.

Однако для решения задач измерения энергии мощных лазерных импульсов в нано- и пикосекундном диапазонах длительностей упомянутые устройства по своей структуре не приспособлены к высоким плотностям мощности ≈(1-5)·10⁹ Вт/см² из-за низкого значения предельной оптической мощности пироэлектрических приемников, превышение которой ведет к их повреждению или к необратимому изменению метрологических характеристик.

Задача расширения диапазона длительностей мощных лазерных импульсов при измерении энергии может эффективно решаться посредством применения устройств, основанных на рассеянии измеряемого излучения.

Из уровня техники известно устройство измерения мощности лазерного излучения, основанное на диффузном рассеянии [2]. 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 мощных 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)·10⁹ Вт/см². Кроме того, тракт измерения и обработки электрического сигнала упомянутого устройства не содержит элементов, позволяющих измерять энергию мощных лазерных импульсов или импульсной последовательности.

Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является 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 10³ Вт/см² [3]. 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 [3] 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. Применение в устройстве одного приемного элемента, работающего в широком спектральном диапазоне, приводит к разной чувствительности устройства при измерении энергии на разных длинах волн. На длинах волн, где спектральная чувствительность падает, увеличивается погрешность измерения энергии.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в создании многоканального высокоточного устройства для измерения энергии мощных нано- и пикосекундных лазерных импульсов с плотностью мощности ≈(1-5)·10⁹ Вт/см² в расширенном спектральном диапазоне, определяемым числом измерительных каналов, с обеспечением независимости результата измерений от вида пространственного распределения интенсивности лазерного пучка и высокой спектральной чувствительности на фиксированной длине волны для каждого измерительного канала.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в расширении спектрального диапазона излучения, в увеличении диапазона плотности мощности при измерении энергии лазерных импульсов до (1-5)·10⁹ Вт/см², повышении точности измерения энергии, обеспечении независимости точности измерений от формы пространственного распределения интенсивности.

Достижение этого результата обеспечивается применением нескольких измерительных каналов, оптимальных по спектральной чувствительности для разных длин волн. При этом устройство содержит калиброванный нейтральный ослабитель лазерного излучения с высокими характеристиками стабильности ослабления мощных импульсов, диффузный рассеиватель со световолоконными коллекторами, согласованными по длине волны излучения и уровню оптического сигнала с соответствующими фотодиодами для работы на выбранных длинах волн, например на длинах волн 0,53 и 1,06 мкм, переключаемых с помощью коммутатора. На входе фотодиодов установлены нейтральные ослабители с возможностью регулировки расстояния положения концов световолоконных коллекторов, подводящих рассеянное излучение к поверхности ослабителей, что позволяет изменять интенсивность излучения, поступающего на фотодиод, так как интенсивность изменяется обратно пропорционально квадрату упомянутого расстояния, а разветвленные концы световолоконного коллектора, на которые поступает рассеянное излучение от диффузного рассеивателя, установлены с возможностью регулировки расстояния от них до внешней цилиндрической поверхности диффузного рассеивателя, что позволяет осуществлять выравнивание зонной характеристики устройства, т.е. добиться того, что интенсивность излучения, попадающего на разветвленные концы световолоконного коллектора будет слабо зависеть от положения входящего в устройство лазерного пучка относительно диффузного рассеивателя, что в конечном счете влечет за собой повышение точности измерения энергии.

В состав заявляемого устройства для измерения энергии входят также 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, этот сигнал затем поступает на вход пикового детектора для запоминания и хранения информации о значении пиковой амплитуды импульса, измерительно-вычислительный блок, в котором посредством специально разработанного программного обеспечения, путем программной аппроксимации характеристик преобразования фотодиодов методом наименьших квадратов снижается нелинейность упомянутой характеристики до уровня 0,5-0,7% в диапазоне двух-трех десятичных порядков изменения энергии.

Наличие отдельных каналов измерения для двух или более длин волн позволяет использовать фотодиоды, имеющие высокую спектральную чувствительность, на оптимальной для конкретного фотодиода длине волны и тем самым обеспечивать возможность независимой регулировки чувствительности каналов, что повышает точность измерения энергии.

Независимо от вида пространственного распределения интенсивности лазерного пучка, поступающего на диффузный рассеиватель, структура распределения на его выходе выравнивается и приближается к равномерной, что обеспечивает возможность измерения энергии вне зависимости от вида пространственного распределения интенсивности.

Световолоконный коллектор обеспечивает передачу рассеянного оптического сигнала на фотодиоды, что уменьшает влияние электромагнитной помехи во время импульса за счет конструктивного вынесения фотодиодов из тракта прямого лазерного излучения, что повышает точность измерения энергии.

Описанная конструкция оптической схемы устройства обеспечивает требуемое ослабление энергии лазерного пучка до уровня, необходимого для измерения его фотодиодом. Возможность регулировки с помощью винтов расстояния от внешней цилиндрической поверхности диффузного рассеивателя до разветвленных концов световолоконных коллекторов позволяет уменьшать влияние зонной характеристики устройства на результат измерения энергии, что повышает точность измерения энергии.

Наличие нейтральных ослабителей на входе фотодиодов и возможность регулировки с помощью винтов расстояния от концов световолоконных коллекторов, противоположных к разветвленным концам, до поверхности ослабителей позволяет согласовать уровень отбираемого для проведения измерения рассеянного излучения с диапазоном линейности фотодиодов, что повышает точность измерения энергии.

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 толщиной около 4 мм, диффузный рассеиватель 3, выполненный в виде цилиндрической шайбы из молочного стекла, например, марки МС-23, установленный во фланец, причем на внешней цилиндрической поверхности рассеивателя равномерно по окружности установлены и закреплены посредством винтов 4 разветвленные концы двух световолоконных коллекторов 5, 6, противоположные концы которых закреплены в оправу с помощью винтов 7, где соосно с концами 5, 6 размещены нейтральные ослабители излучения 8, и фотодиоды 9, 10, например, типа G8370 для длины волны 1,06 мкм или S2386 для длины волны 0,53 мкм, далее устанавливаются коммутатор 11 и измерительно-регистрирующий блок 18, состоящий из интегрирующего устройства 12, усилителя 13, пикового детектора 14, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 15, микропроцессора 16 и индикатора 17.

На фиг. 2 приведена характеристика стабильности коэффициента ослабления ослабителя, выполненного из стекла НС-2 и используемого для измерения энергии импульсов с плотностью мощности ≈6·10⁹ Вт/см² и длительностью импульса ≈6·10^-9 с в серии из пяти измерений. Характеристика подтверждает стабильность коэффициента пропускания подобранного стекла при упомянутом уровне плотности мощности.

Устройство работает следующим образом. Излучение лазера поступает на нейтральный ослабитель 2 и на диффузный рассеиватель 3. Рассеянное излучение поступает на разветвленные концы световолоконных коллекторов 5, 6, далее - на нейтральные ослабители 8 и на включенный с помощью коммутатора 11, в зависимости от длины волны измеряемого излучения, фотодиод 9 или 10.

Поступающее на соответствующий фотодиод импульсное лазерное излучение преобразуется в импульс тока. Импульс тока фотодиода поступает на интегрирующее устройство 12, преобразующее его в импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна энергии излучения на входе фотодиода. Импульс напряжения с выхода интегрирующего устройства через усилитель 13 поступает на вход пикового детектора 14, 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 10³ - 10⁴ Гц.

С выхода пикового детектора сигнал поступает на АЦП 15, где преобразуется в цифровую информацию. Затем оцифрованный сигнал поступает на микропроцессор 16. Микропроцессор считывает данные во внутреннюю память для последующей обработки и формирования сигналов для индикации на индикаторе 17.

Литература

[1] Сайт www.ophiropt.com/laser-measurement. Каталог измерителей мощности и энергии «OPHIR».

[2] Лощенков В.Б., Линьков К.Г., Брысин Н.Н., Савельева Т.А. Патент RU №2381461 С1, кл. G01J 1/04, 2008.

[3] Белов Н.Н., Негин А.А. Авторское свидетельство SU №701221, кл. МПК: G01J 1/58, 1986.