Спосіб вимірювання лінійної поляризації лазерного випромінювання двоґратовим болометром

Спосіб вимірювання лінійної поляризації лазерного випромінювання двоґратовим болометром шляхом реєстрації сигналів болометричних ґраток U1 та U2 за дією лазерного випромінювання з визначеним коефіцієнтом дихроїзму їх тонкодрото вих болометричних елементів KD з використанням багатоканального малоінерційного і високочутливого аналого-цифрового перетворювача та електронно-обчислювальної машини, який відрізняється тим, що використовують двоґратовий болометр зі взаємно перпендикулярними тонкодротяними елементами з кутами напрямів ψ1 = 0 Корисна модель відноситься до лазерної вимірювальної техніки, а саме до способів вимірювання лінійної поляризації імпульсного і безперервного лазерного випромінювання. У класичній оптиці відомі способи і засоби для досліджень і вимірювання поляризації лазерного випромінювання [1]. Для цього використовують прозорі ізотропні пластинки, чверть хвильові і напівхвильові пластинки з одновісних кристалів, призми Рошена, Волластона, Ніколя, Фуко, ГланаТомсона та інші. До недоліків зазначених засобів випромінювання параметрів і характеристик поляризації лазерного випромінювання можна віднести: малу вхідну апертуру, низькі рівні оптичної інтенсивності випромінювання, обмежений спектральний діапазон, труднощі виміру імпульсного випромінювання. Найбільш близьким аналогом за сукупністю ознак є вимірювач поляризації лазерного випромінювання [2], що (з метою збільшення рівня оптичної інтенсивності, збільшення розмірів вхідної апертури і можливості вимірювання імпульсного випромінювання) містить приймальний боломет ричний пристрій у вигляді трьох ідентичних тонкодротяних болометричних граток, що розміщені у близьких перетинах оптичного пучка, елементи кожної з яких з'єднані послідовно і заживлені від джерела постійного струму через опори навантаження. Недоліками такого способу вимірювання є використання трьох ідентичних болометричних граток, недостатня точність вимірювань та зменшений коефіцієнт передачи випромінювання. Технічним завданням запропонованого способу є удосконалення відомого способу вимірювання лінійної поляризації лазерного випромінювання і збільшення точності вимірювань. Поставлене завдання розв'язується так, що у запропонованому способі використовуються тільки дві ідентичні болометричні гратки (з відомим коефіцієнтом дихроїзму KD), які являють собою прийомний болометричний пристрій, що виконано з тонкодротяної платини, і вони розташовані перпендикулярно одна до одній у перетині оптичного пучка (Фіг.1). Болометричні елементи кожної гратки з'єднані послідовно і заживлюються від джере та ψ 2 = π / 2 і по сигналах ґраток визначають можливі два кути напряму лінійної поляризації випромінювання відносно кожної ґратки за виразом 1 ϕi1,i2 ⎡ 1 ⎛ ⎞⎤ 2 Ui ⎜ (KD + 1) = ψi ± arcsin⎢ − 1⎟⎥ , i = 1,2 , ⎜ ⎟ U1 + U2 ⎢ KD − 1 ⎝ ⎠⎥ ⎣ ⎦ (19) UA (11) 41595 (13) U а за дійсне значення кута φ беруть середнє значення кутів, які збігаються для обох ґраток у перетині оптичного пучка. 3 ла постійної напруги є через навантажувальні опори R1 і R2. Сигнали граток реєструються багатоканальним швидкодіючим і високочутливим аналогоцифровим перетворювачем (АЦП) та запам'ятовуються в електронно-обчислювальній машині (ЕОМ). Гратки виконані з таким періодом, що забезпечує просторове інтегрування інтенсивності випромінювання у перетині пучка з похибкою менш 1%. Опори R1, і R2 обирають набагато більшими за початкові опори граток R01 і R02, а вхідні опори АЦП також набагато більші R0i. Тому АЦП реєструє сигнали пропорційні напрузі на опорах решіток. У принцип роботи запропонованого способу покладено залежність фактора ефективності поглинання (ФЕП) металевого циліндра від напряму лінійної поляризації електричного поля випромінювання відносно геометричної осі циліндра. Ця залежність визначається коефіцієнтом дихроїзму KD, який дорівнює відношенню ФЕП болометра для Н-поляризованого випромінювання, коли електричне поле випромінювання направлено перпендикулярно до осі циліндра, до ФЕП болометра для Е-поляризованого випромінювання, коли електричне поле випромінювання направлено паралельно осі циліндра. Під час дії оптичного випромінювання частина його поглинається болометричними елементами граток, що призводить до їх нагрівання і, як наслідок, до зростання електричного опору, що реєструється індикаторною системою АЦП. Сигналами граток Uj вважають відносні зростання їх опорів, тобто e − e oi ∆R i Ui = = i , i = 1,2 (1) R oi e oi де i - номер гратки, R та ∆Ri - початкові опори граток та їх при0і ріст відповідно, Е0і - напруги на опорах решіток від струму зсуву, ej - максимальні напруги на опорах граток під час дії оптичного випромінювання. У випадку лінійного режиму роботи болометрів, коли зміни опорів ∆Ri прямо пропорційні поглиненої ними оптичної енергії, сигнали граток Uі і коефіцієнт дихроїзму болометрів KD повністю визначають лінійну поляризацію лазерного випромінювання. При вимірах з імпульсним випромінюванням необхідно, щоб теплова постійна часу болометричних елементів τ була набагато більше тривалості оптичного імпульсу ti. Нехай кути напрямів болометричних елементів першої гратки ψ 1 = 0 і другої гратки - ψ 2 - 90. Тоді сигнали граток для імпульсу лазера можна записати E Ui = η 0 k i , i = 1,2 (2) m η де 0 - коефіцієнт перетворення болометрів для Е-поляризованого випромінювання; E - середня погонна падаюча енергія на болометр; m погонна маса болометру; kі - поляризаційний кое 41595 4 фіцієнт взаємодії випромінювання з болометром, що дорівнює k i ( ϕ) = cos 2 (ϕ − ψ i ) + K D sin 2 ( ϕ − ψ i ), i = 1,2 (3) де ϕ - кут напряму лінійної поляризації випромінювання. Сума сигналів граток буде U1 + U 2 = η 0 E E (k 1 + k 2 ) = η 0 (K D + 1) m m (4) Нормовані сигнали граток будуть Ui Ui Uiн = = (K D +1) = ki U1 + U 2 E η0 m (5) і вони дорівнюють поляризаційним коефіцієнтам ki. Виходячи із виразу (3), отримуємо значення кутів ϕ відносно кожної гратки 1 ϕ i1,i2 ⎡ 1 ⎛ ⎞⎤ 2 Ui ⎜ (K D + 1) = ψ i ± arcsin⎢ − 1⎟ ⎥ ⎟ KD − 1⎜ U1 + U 2 ⎢ ⎝ ⎠⎥ ⎣ ⎦ (6) ϕ Для кожної гратки визначають два кути i1,i2 . Неоднозначність вимірювання кута ϕ усувається збігом кутів граток у перетині оптичного пучка. Таким чином, використовуючи двохгратовий болометр можна вимірити напрям лінійної поляризації широкоапертурного імпульсного і безперервного лазерного випромінювання з більш високою точністю, ніж трьохгратовим болометром та з більшим коефіцієнтом передачі випромінювання. Спосіб вимірювання лінійної поляризації лазерного випромінювання має такі дії: 1. Включають напругу зміщення є, аналогоцифровий перетворювач та електроннообчислювальну машину. 2. Подають імпульс лазера на двохгратовий болометр зі взаємно перпендикулярними тонкодротяними елементами з кутами напрямків ψ1 = 0 та ψ 2 = π / 2 . 3. Після дії імпульсу лазера реєструють на ЕОМ сигнали граток U1 та U2. 4. За виразом (6) обчислюють можливі кути ϕ напрямів поляризації випромінювання i1,i2 . 5. За дійсне значення кута лінійної поляризації випромінювання ϕ беруть те значення, яке співпадає для двох граток. Приклад реалізації способу вимірювань проводився на експериментальній установці, схема якої показана на Фіг.2, де 1 - неодимовий лазер ГОС-1001, що працює у режимі вільної генерації на довжині хвилі 1,06мкм з тривалістю імпульсу випромінювання 0,8мс і діаметром оптичного пучка близько 50мм. Випромінювання лазера падало під кутом Брюстера на плоско паралельну пластинку 2 та відбите від неї випромінювання спрямоване вертикально вверх і мало лінійну поляризацію, проходило через двухгратовий болометр 3 і далі поглиналося калориметром 6. Болометричні грати виконані з платинового дроту діаметром 10мкм з періодом 4мм і довжиною 80мм кожного з n=16 елементів. Сигнали решіток реєструвалися швидкодіючим і високочутливим аналого-цифровим перетворювачем 4 типа ЛA-2USB-14 з частотою вимірювань 400кГц і запам'яталося у ЕОМ 5. Ви 5 промінювання, що пройшло через пластинку, поглиналось калориметром 7. Болометричні гратки у цій схемі розташовані горизонтально, що забезпечує однаковий теплообмін з навколишнім середовищем, і вони мали можливість повертатись відносно осі оптичного пучка. Попередньо проводилось калібрування граток, що полягає у визначенні коефіцієнта дихроїзму болометрів КD. Для цього елементи однієї гратки розташовувалися паралельно лінійної поляризації випромінювання і проводилось вимірювання сигналів граток. Потім гратки поверталися на певний кут у межах кутів від 0° до 90° і реєструвалися сигнали решіток. Для кожного кута за виразом (3) обчислювався коефіцієнт взаємодії ki( ϕ ) через коефіцієнт дихроїзму KD і він за виразом (5) дорівнювався значенню Uiн і із цієї рівності знаходився коефіцієнт KD. Для кожного кута отримується по два значення KD відносно двох граток, а для кутів 0° і 90° - по три значення KD, тому що відношення сигналів давало значення KD. Було виконано 20 вимірювань і середнє значення склало KD =1,8285 з абсолютним середнім квадратичним σ відхиленням K D = 0,52·10-2. Поправочні коефіцієнти у сигналах граток за рахунок обмеженого відношення тривалості імпульсу випромінювання ti і теплової постійної часу болометру у виразі (5) скорочуються і не впливають на значення KD. Для повороту граток на кут 30° отримали наступні значення сигналів граток U1 ϕ =0,1859 і U2= 0,2491. Обчислені за виразом (6) значення кутів отримані ϕ 11,12=±30,13° і ϕ 21,22=+90,13°±59,87°. Кути, які співпали у перетині оптичного пучка ϕ =+30,15° і ϕ =+30,13°. Тому кут напряму лі11 22 нійної поляризації випромінювання дорівнює 1 ϕ = (ϕ11 + ϕ22 ) 2 = 30,13°. Проаналізуємо випадкову похибку виміряного кута ер, виходячи з виразу (6). Визначимо U2 =x U1 + U 2 . Сигнали решіток реєструвались з 41595 6 σUio =4,5-10-3 і тоді абсолютні СКВ σ U1 σ U2 =0,84-10-3 і =1,2-10-3, а сигналів будуть відносним СКВ σ2 абсолютна дисперсія величини x буде x =0,5-106 . Якщо визначити вираз за арксинусом у формулі (6) через A, то абсолютне СКВ виміряного кута ϕ буде відповідати виразу 1 σϕ = 1 1 (1 − A 2 ) 2 ⎤2 1 1 ⎡ (1 − 2 x ) 2 2 σ + (K D + 1) 2 σ 2 ⎥ ⎢ x 2 A K D − 1 ⎢ (K D − 1) 2 K D ⎥ ⎣ ⎦ (7) K D, σK , x, і σ ч D Після підстановки значень ,а отримуємо абсолютне СКВ вимірюваного кута поσϕ ляризації випромінювання = 0,23°, що більш ніж у два рази менше, ніж для трьохгратового болометра [3]. Таким чином у способі з двохгратовим болометром суттєво зменшується похибка результату вимірювань у порівнянні з прототипом і збільшується коефіцієнт проходження випромінювання. Спосіб може використовуватися для безперервної потужності випромінювання та у широкому спектральному діапазоні. Джерела інформації: 1. Дитчберн Р. Физическая оптика. - М.: Наука. - 1965. - 632с. 2. Патент №35374 Україна. МПК (2006) G01J1/04 G01J5/00/ Вимірювач поляризації лазерного випромінювання /Кузьмичов В.М., Сафронов Б.В., Балкашин В.П., Приз І.А., Погорєлов С.В., Коонс П. - № г 2008 05632; заява 30.04.2008. Зареєстр. 10.09.2008. 3. V.M. Kuzmichov, S.V. Pogorelov, B.V. Safronov, V.P. Balkashin, I.A. Priz, P. Kohns. Laser radiation polarization state measurement with threegratings bolometer // Proceedings of CAOL-2008, September 29 - October 4, 2008, Alushta, Cremea, Ukraine, - P.338-342. 7 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 41595 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601