Вимірювач потужності лазерного випромінювання

Вимірювач потужності лазерного випромінювання, який містить у собі приймальний елемент, 38693 ня. Послаблювачем френелєвського типу, який для запобігання інтерференції відбитих від його поверхонь пучків має невелику клиноподібність, є вихідне вікно резонатора, а послаблювачем тимчасового типу являється модулятор. Приймачі випромінювання працюють на основі термопружного ефекту у кварці і містять погоджувальний фокон. Він захищений екранами від електромагнітного випромінювання. Електромагнітний блок узгоджує сигнал, що розвивається приймачем, із вихідним пристроєм, що керується за допомогою ЕОМ. Вимірювачі на термопружному ефекті характеризуються високою чутливістю, малою інерційністю, великим динамічним діапазоном. Тому вони придатні для проведення прецизійних вимірювань потужності оптичних випромінювань малих інтенсивностей. Але їх використання у технологічних та медичних лазерних установках, що генерують інфрачервоне випромінювання середньої і високої потужності, невиправдано із-за високої вартості, трудомісткості юстування, складності конструкції, що обумовлене необхідністю використання у цьому приймачі як чутливого елементу вирізаної спеціальним чином відносно кристалографічних осей платівки із монокристалічного кварцу, а також цілого ряду додаткових допоміжним елементів, таких як перепроектувальне дзеркало, модулятор та інші, наявність яких ускладнює конструкцію пристрою і знижує точність вимірювання за рахунок втрати енергії на цих елементах. Наведені вимірювачі потужності лазерного випромінювання призначені для роботи у спектральному діапазоні довжин хвиль випромінювання: від 0,4 до 15 мкм; при діапазоні енергій випромінювання (10-6...10) Дж (при роботі в імпульсному режимі) або у діапазоні потужності випромінювання (10-7...1,5·10-2) Вт (при роботі у безперервному режимі), граничне значення щільності потужності не перевищує 1·103 Вт/см2. Є відомим вимірювач потужності імпульсного лазерного випромінювання [Бабійчук С.В., Тесленко А.И. Прохідний вимірювач енергії. Допов. 5 // Всес. науково-техн. конф.: "Фотометрія та її метрологічне забезпечення". - М.: ВНИИФТРИ, 1984. С. 44], який має приймальний елемент (підкладку) із монокристалічного NaCl (або іншого, прозорого в ІЧ-діапазоні матеріалу), на поверхні якого нанесена плівка телуру оптичної товщини l/2 (де l - довжина хвилі лазерного випромінювання), розміщена у металічному корпусі-тримачі. У цьому ж корпусі розташовано і проміжний підсилювач, на вхід якого підключено електричні контакти плівки телуру. Підсилений за допомогою проміжного підсилювача електричний сигнал, пропорційний потужності лазерного випромінювання, подається на індикатор. Даний вимірювач є вимірювачем прохідного типу. Недоліками цього прохідного приймача лазерного випромінювання є: - обмежений діапазон вимірювання потужності: діапазон вимірювання імпульсної потужності при середній потужності, що не перевищує 100 W, складає (20...2·103)W, а максимальна щільність потужності безперервного лазерного випромінювання не перевищує 103 Вт/см2; - можливість вимірювання потужності тільки на одній довжині хвилі, що пояснюється особливістю конструкції, а саме, - товщиною осадженої плівки телуру; - високий рівень втрат оптичного випромінювання (вимірювач відбирає від досліджуваного пучка до 15% потужності випромінювання); - висока похибка вимірювання, котра складає ±21%, внаслідок залежності від зміни температури, "старіння" плівки, нерівномірності її зонної характеристики, динамічних перекручень та інших причин; - складність технології виготовлення, яка потребує осаду плівок телуру рівної і точно заданої оптичної товщини. Недоліком цього вимірювача є також його суттєва чутливість до акустичних і вібраційних впливів, яка є наслідком нерівномірності зонної характеристики вимірювача і залежності його показників від зміни площини поляризації випромінення. Відомий вимірювач потужності лазерного випромінювання [а. с. № 1542203 СССР, МКИ G01 J5/10], який містить у собі приймальний чутливий елемент із монокристала, виконаного у вигляді диску, на бічну поверхню якого нанесені електроди, підключені до узгоджувального підсилювача. При цьому електроди нанесені на ті ділянки бокової поверхні, в яких функція, що визначає кутову залежність електростатичного потенціалу, має визначений вигляд для різних зрізів. Електроди, що покривають ділянки з одним і тим самим знаком функції, яка визначає кутову залежність електростатичного потенціалу, електрично сполучені між собою і підключені до входів узгоджувального підсилювача. Підвищення точності і верхньої межі динамічного діапазону (до 103 Вт/см2 у частотно-імпульсному режимі лазерного випромінювання) обумовлене використанням у пристрої більш температуростабільних зрізів кристалу, а також виконанням чутливого елементу у вигляді диску, що зменшує величини поперекових градієнтів температури. Принцип роботи даного пристрою грунтується на піроелектричному ефекті. Цей вимірювач потужності дає можливість вимірювати потужність безпосередньо модульованого лазерного випромінювання, яке проходить крізь кристал. Перевагами піроелектричних вимірювачів потужності є їхня висока чутливість і дуже висока швидкодія. Недоліками піроелектричних вимірювачів потужності є : - чутливість до акустичних та вібраційних впливів; - необхідність модуляції при проведенні вимірювань безперервних лазерних випромінювань, що пояснюється принципом роботи вимірювачів цього типу, який базується на піроелектричному ефекті, тобто появою спонтанної поляризації піроелектричного кристалу внаслідок градієнта температури, що виникає у кристалі внаслідок його нагріву прохідним імпульсно-періодичним або модульованим лазерним випромінюванням; - низька верхня межа вимірювань (густина потужності в імпульсно-безперервному або модульованому режимі лазерного випромінювання не перевищує 1·10 Вт/см2), тому для вимірювання і реєстрації лазерного випромінювання з більш високою густиною потужності ці вимірювання можна 2 38693 провадити лише у спеціальному вимірювальному тракті з використанням послаблювачів випромінювання; - нелінійна залежність показань вимірювача в залежності від температури. Невисока верхня межа зареєстрованої щільності потужності пов'язана з наявністю у піроелектричних матеріалів температури фазових переходів (температури Кюрі), котра у сучасних піроелектриків дорівнює 100...600 К. Піроелектричний ефект знижується з ростом температури, що також обмежує застосування піроелектричних вимірювачів при підвищених температурах. Діапазон хвиль, в якому реєструються і вимірюються потоки лазерного випромінювання, залежить від використовуваного в піроелектричних приймачах матеріалу і для різних матеріалів становить: 0,2-3 мкм; 1,82,0 мкм; 0,5-12 мкм. Ці недоліки ускладнюють застосування піроелектричних вимірювачів прохідної потужності оптичного випромінювання ІЧ діапазону на практиці, наприклад, у технологічних та медичних СО2-лазерних установках. Найбільш близьким за технічною суттю, досягнутому ефекту і обраним як прототип є вимірювач потужності за а. с. № 1542203. В основу даного винаходу поставлена задача створення вимірювача потужності лазерного ІЧ випромінювання, котрий забезпечував би можливість вимірювання потужності як імпульсно-періодичного, так і безперервного випромінювання ІЧ лазерів у широких інтервалах енергетичних потоків та температур при спрощенні його конструктивного виконання. Вирішення поставленої задачі забезпечується тим, що у вимірювачі потужності лазерного ІЧ випромінювання, який містить приймальний елемент, виконаний із прозорого в ІЧ діапазоні матеріалу у вигляді платівки, на бічній поверхні котрої розташовані датчики, що підключені до входу підсилювача-індикатора, згідно з винаходом, датчиками є термочутливі елементи, що включені за диференційним принципом і знаходяться у тепловому контакті з поверхнею площинок, що попередньо нанесені на бокову поверхню приймального елементу і виконані із матеріалів, які мають різні коефіцієнти поглинання ІЧ випромінювання. Спрощення конструктивного виконання запропонованого вимірювача забезпечується завдяки можливості використання як приймального елементу будь-якого моно- або полікристалічного матеріалу, що звичайно використовується в ІЧ техніці при виготовленні пасивних оптичних елементів прохідного типу і не потребує вибору спеціальної кристалографічної орієнтації, місця розташування контактів або нанесення покриттів. Як показали дослідження, вольт-ватна залежність запропонованого вимірювача є лінійною у широкому діапазоні потужностей падаючого оптичного випромінювання, а його показання у широкому інтервалі температур (від 0°С до 120°С) не залежать від температури. Верхня межа вимірюваних потужностей і робочих температур визначається тільки характеристиками променевої та механічної міцностей матеріалу, що використовується як приймальний елемент. Такими матеріалами можуть бути: КСl, NaCl, LiF, BaF2, Si, Ge, ZnSe, ZnS, CdTe, CdS, GaAs, GaP, А2О3, а також оптичні кераміки К03, К04, К06, кристали KDP, DKDP та інші. Використання диференційного принципу включення термочутливих елементів, виводи котрих знаходяться в однакових умовах теплового контакту з поверхнею платівок, що виконані із матеріалів з різними коефіцієнтами поглинання ІЧ випромінювання, а також незалежність отриманого сигналу від температури самого вимірювача, дозволяє вимірювати величину, пропорційну потужності, що проходить через вимірювач, як у разі безперервного, так і імпульсно-періодичного падаючого ІЧ випромінювання. Запропонований вимірювач не є джерелом додаткових втрат падаючого лазерного випромінювання, таких, наприклад, як втрати у світлочутливих плівках, послаблювачах, модуляторах і т.п. На фіг. 1 наведено ескіз запропонованого вимірювача, що не потребує примусового охолодження і використовується для вимірювання потужності ІЧ лазерів, виконаного у переносному варіанті і розташованого у корпусі. На фіг. 2 наведено використання запропонованого вимірювача потужності в ІЧ-лазері, де приймально-чутливим елементом вимірювача є безпосередньо вихідне вікно лазера. На фіг. 3 наведена схема вимірювань потужності оптичного випромінювання з використанням запропонованого вимірювача. Запропонований вимірювач складається з приймального елементу 1, що виконаний у вигляді платівки із прозорого в ІЧ області спектру матеріалу, на бічній поверхні котрого нанесені площинки 2 і 3 , виконані із матеріалів з різними коефіцієнтами поглинання. У тепловому контакті з вказаними площинками знаходяться виводи 4 і 5 термочутливих елементів, що підключені за диференційним принципом, другі виводи котрих підключені до входу підсилювача-індикатора 6. На фіг. 1 наведено корпус 7, який не потребує примусового охолодження, в який вміщено запропонований вимірювач. На фіг. 2 наведено ІЧ-лазер 7 і лазерний промінь 8. На фіг. 3 додатково наведено два об'єкти опромінювання при використанні запропонованого вимірювача у схемі вимірювань. Термочутливими елементами можуть бути термопари, терморезистори, напівпровідникові діоди, підключені за диференційним принципом. Площинки 2 і 3 можуть бути виконані із металевих, оксидних матеріалів у вигляді тонких платівок або нанесених у вигляді покриттів. При цьому не має значення геометрія розташування цих площинок - паралельно або перпендикулярно (як вказано на фіг.) осі приймального елементу вони розташовані, а сам приймальний елемент може мати будь-яку геометричну форму, а не тільки у вигляді диску. Запропонований вимірювач працює таким чином. При проходженні падаючого ІЧ випромінювання крізь приймальний елемент 1, частина цього випромінювання розсіюється у ньому і попадає на площинки 2 і 3 (як правило відбиваюча і поглинаюча площинки). Під дією розсіяного випромінювання поглинаюча площинка нагрівається швидше 3 38693 відбиваючої. Через деякий час (за рахунок теплообміну між площинками) встановлюється постійна різниця температур, яка детектується термочутли вими елементами, виводи 4 і 5 яких підключені до підсилювача-індикатора 6. Вимірювач не чутливий до акустичних і вібраційних впливів. Фіг. 1 Фіг. 2 4 38693 Фіг. 3 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5