Пристрій для контролю потужності лазерного випромінювання

Реферат: Пристрій для контролю потужності лазерного випромінювання, який містить приймальну головку з чутливим елементом, підключену до входу підсилювача-індикатора, причому у приймальній головці як чутливий елемент використано елемент Пельт'є, який за допомогою термопровідної пасти щільно кріпиться до металевої приймальної головки, яка також застосовується як охолоджувальна батарея. UA 73842 U (12) UA 73842 U UA 73842 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі контрольно-вимірювальної техніки і може бути використана для вимірювання та індикації потужності лазерного випромінювання. Серед великої кількості медичних приладів значне поширення отримали лазерні медичні апарати, оскільки вони мають широку галузь застосування та перспективу подальшого розвитку. Важливим при цьому є оцінка та контроль потужності лазерного випромінювання. Адже незначне, без видимих ознак, відхилення потужності може призвести до неточних розрахунків дози випромінювання і, в результаті, до негативного впливу на організм людини. Особливо це актуально для хірургії, де використовуються лазерні апарати високої потужності, в основному в інфрачервоній області спектра. Відомий вимірювач теплового випромінювання [а. с. № 1179114 СССР, МКИ G01J5/16] з приймальним чутливим елементом, який знаходиться у тепловому зв'язку з пристроєм для стабілізації його температури, який складається із датчика температури, підсилювача і активного термостабілізуючого елемента, розташованого на стороні чутливого елемента, протилежній його приймальній поверхні. При цьому датчик температури розташовано на приймальній поверхні чутливого елемента і виконано пласким, що повторює її форму. Також існують вимірювачі потужності імпульсного лазерного випромінювання. Наприклад вимірювачі прохідного типу [Бабійчук С.В., Тесленко А.І., Прохідний вимірювач енергії. - М: ВНИИФТРИ, 1984. - С. 44], які мають приймальний елемент із прозорого в інфрачервоному діапазоні матеріалу, на поверхні якого нанесена плівка телуру, розміщена в металічному корпусі-тримачі. У цьому ж корпусі розташований 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. Недоліками даного приладу є: обмежений діапазон вимірювання потужності, можливість вимірювання тільки на одній довжині хвилі (пояснюється розрахунком товщини плівки телуру, високий рівень втрат оптичного випромінювання, висока похибка випромінювання (внаслідок залежності зміни температур, старіння плівки, нерівномірності її зонної характеристики). Відомий вимірювач потужності лазерного інфрачервоного випромінювання [UA № 38693А, G01J5/10, G01J5/16, 15.05.2001] містить у собі приймаючий елемент, виконаний із прозорого в інфрачервоному діапазоні матеріалу у вигляді платівки, на бічній поверхні якої розташовані датчики, підключені до входу підсилювача-індикатора. Принцип роботи даного пристрою ґрунтується на піроелектричному ефекті. Датчиками є термочутливі елементи, підключені по диференційному принципу і які знаходяться у тепловому контакті з поверхнею площинок, виконаних із матеріалів з різними коефіцієнтами поглинання 14 випромінювання, попередньо нанесених на бічну поверхню приймального елемента. Перевагами піроелектричних вимірювачів потужності є їхня висока чутливість і швидкодія. Недоліками піроелектричних вимірювачів потужності: чутливість до акустичних та вібраційних впливів, необхідність модуляції при проведенні вимірювань безперервних лазерних випромінювань, низька верхня межа вимірювань, нелінійна залежність показань вимірювача в залежності від температури. Прикладом вимірювачів на термопружному ефекті є швидкодіючий вимірювач оптичної потужності [WO0000214791 A3; G01J1/42; G01D3/028; 21.02.2002, Ophir Optronics LTD]. Вимірювач як чутливий елемент використовує блок термопар прямого нагріву. При вимірюванні спай термопари нагрівається під впливом потужності вимірювального сигналу, при цьому виробляється термоелектрорушійна сила (ЕРС). Вимірювальна інформація у вигляді сигналу постійного струму надходить на цифровий блок, де обробляється і надходить на пристрій індикації. До переваг даного вимірювача потужності можна віднести малий час реакції при подачі випромінювання, висока чутливість, мала інерційність, широкий динамічний діапазон, можливість вимірювання малих значень потужності (від 1 мкВт). Тому вони придатні для проведення прецизійних вимірювань потужності оптичних випромінювань. Їх використовують у технологічних та медичних лазерних установках, що генерують випромінювання широкої області спектра середньої і високої потужності. До недоліків можна віднести складність конструкції, високу вартість, трудомісткість юстування. Тому даний вимірювач не є доступним для власників лазерної апаратури. Вимірювач на термопружному ефекті був взятий як прототип для індикатора потужності лазерного випромінювання, що пропонується. Для часткового вирішення вищеописаних проблем ми розробили економічно доступний та простий в експлуатації пристрій для контролю потужності лазерного випромінювання. В основу даної розробки поставлена задача створення пристрою, котрий забезпечував контроль потужності як імпульсно-періодичного, так і безперервного випромінювання лазерів із широким інтервалом енергетичних потоків та температур при спрощенні його конструктивного виконання. Цього можна досягти завдяки тому, що у приймальній головці як чутливий елемент 1 UA 73842 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 використовують елемент Пельт'є, застосовуючи ефект Зеєбека для отримання електрорушійної сили. Ефект Зеєбека - явище виникнення ЕРС в замкнутому колі, яке складається з послідовно з'єднаних різнорідних провідників, контакти між якими знаходяться при різних температурах. Якщо різницю температур двох пластинок постійно підтримувати виникає різниця потенціалів, тобто електрорушійна сила, яка і реєструє подачу лазерного випромінювання на індикатор. З одного боку елемент Пельт'є має максимально чорнену поверхню, інший бік елемента щільно кріпиться (для кращої тепловіддачі) за допомогою термопровідної пасти до металевої пластини. Приймальна головка (фіг. 1, 3) металева і виконує роль охолоджувальної батареї (радіатора) при подачі на нього лазерного випромінювання, забезпечуючи потрібну температуру внутрішній частині елементу Пельт'є при подачі на нього лазерного випромінювання. Точний розрахунок об'єму охолоджувальної батареї забезпечує реальні показники лазерного випромінювання. Від приймальної головки йде два виводи: один вивід від елементу Пельт'є для передачі різниці потенціалів на АЦП, інший - земельний, який йде до сигнальної землі. При надходженні на АЦП аналоговий сигнал оцифровується та відображається на дисплеї корпусу індикатора (фіг. 2, 4) в одиницях потужності. Стабільність роботи завдяки пасивному охолодженні без використання вентиляторів та охолоджувачів теж значно зменшує витрати електроенергії - живлення відбувається від батарейки типу «крона». Використання у двох режимах 0-5 Вт, 0-30 Вт дає можливість застосовувати пристрій як для терапевтичних, так і для хірургічних лазерів з довжинами хвиль від 405 нм до 10,6 мкм. На фіг. 1, 3 наведено приймальну головку пристрою для контролю лазерного випромінювання. В приймальній головці розміщений елемент Пельт'є (1), як чутливий елемент. Приймальна головка металева, ребриста, виконує також роль охолоджувальної батареї (2). На фіг. 2 зображений корпус індикатора(і), дисплей для виведення результатів (4), кнопка для ввімкнення приладу (5), кнопка для зміни режимів вимірювання 0-5 Вт, 0-30 Вт (6). На фіг. 4 також показаний індикатор, вид збоку (7). Запропонований пристрій працює таким чином. Під дією падаючого лазерного випромінювання чорнена пластина приймального елементу Пельт'є нагрівається, залежно від потужності, що подається на неї. Інша частина, яка з'єднана з батареєю охолоджується (фіг. 1). Через деякий час (за рахунок теплообміну між площинками) встановлюється постійна різниця потенціалів і результат вимірювання відображається на моніторі індикатора (4) (фіг. 2). Прилад не чутливий до акустичних та вібраційних впливів. Недоліками даного пристрою можна вважати значну сталу часу встановлення показів, зростання похибки вимірювання на великих рівнях потужності через недостатнє охолодження елементу Пельт'є. В перспективі, після усунення недоліків, даний пристрій може бути застосований як вимірювач потужності лазерного випромінювання. Список використаних джерел: 1. a.c. №1179114 CCCP, MKИ G01J5/16. 2. Бабійчук С.В., Тесленко А.И. Прохідний вимірювач енергії. //Всес. науково-техн. конф.: "Фотометрія та її метрологічне забезпечення". - М.: ВНИИФТРИ, 1984. - С. 44. 3. UA № 38693А, G01J5/10, G01J5/16, 15.05.2001. 4. WO0000214791 A3; G01J1/42; G01D3/028; 21.02.2002, Ophir Optronics LTD. 5. Мейзда Ф. Електронні вимірюючі пристрої та методи вимірювання - М: Мир, 1990. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Пристрій для контролю потужності лазерного випромінювання, який містить приймальну головку з чутливимелементом, підключену до входу підсилювача-індикатора, який відрізняється тим, що у приймальній головці як чутливий елемент використано елемент Пельт'є, який за допомогою термопровідної пасти щільно кріпиться до металевої приймальної головки, яка також застосовується як охолоджувальна батарея. 2 UA 73842 U 3 UA 73842 U Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4