Вимірювач енергії та потужності лазерного випромінювання

Реферат: UA 92802 U UA 92802 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до додаткових пристроїв до лазерного технологічного обладнання, зокрема до вимірювачів енергії імпульсного та потужності безперервного і високочастотного лазерного випромінювання. Одним з відомих вимірювачів енергії та потужності лазерного випромінювання є вимірювач прохідного типу, в якому як приймач випромінювання застосовується плівковий анізотропний термоперетворювач, що одноразово переміщається упоперек лазерного пучка з такою швидкістю, при якій час проектування лазерного пучка на апертурі приймача випромінювання не перевищує 0,1 с [1]. Цей вимірювач, на відміну від класичних вимірювачів потужності прохідного типу, значно зменшує теплове навантаження на приймач лазерного випромінювання, проте він досить складний, має малу надійність та високу вартість. Найбільш близьким за технічною сутністю до пропонованого технічного рішення є вимірювач енергії та потужності лазерного випромінювання, що містить перетворювач потужності лазерного випромінювання в еквівалентний за величиною електричний сигнал, який генерується термобатареєю за наявності градієнта температур між її "гарячими" і "холодними" спаями. Чутливим елементом цього приймача є алюмінієвий диск з оксидованим покриттям, який суцільно перекриває та поглинає лазерний пучок [2]. Завдяки виконанню чутливого елементу вимірювача суцільним приймачем, порівняно з аналогом, що розглянуто, значно спрощується його конструкція та підвищується точність вимірювання. Проте цей вимірювач має той недолік, що він повністю перекриває лазерний пучок при вимірюванні і не може бути використаний під час експлуатації лазерного обладнання. В основу корисної моделі покладено задачу вдосконалення приймача вимірювача енергії та потужності лазерного випромінювання, що забезпечить можливість використання вимірювача у час експлуатації лазерного обладнання, отже і більш широкі можливості його використання. Поставлена задача вирішується тим, що в вимірювачі енергії та потужності лазерного випромінювання, що містить приймач (наприклад, в вигляді алюмінієвого диска), який суцільно перекриває лазерний пучок, з абсорбційним покриттям, що поглинає лазерне випромінювання (наприклад, керамічне напилене покриття, або оксидоване покриття), цей приймач перетворює енергію або потужність лазерного випромінювання в еквівалентний за величиною електричний сигнал, який генерується термобатареєю за наявності градієнта температур між її "гарячими" і "холодними" спаями, згідно з пропонованою корисною моделлю новим є те, що приймач лазерного випромінювання виконаний в наборі як мінімум з двох приймачів: суцільним та у вигляді змінної діафрагми з центральним отвором, діаметр якого декілька менший діаметра апертури вимірюваного лазерного пучка. У найприйнятнішому прикладі змінна діафрагма може мати діаметр отвору на 10 % менший діаметра апертури пучка. При необхідності формування лазерних пучків заданих діаметрів може застосовуватись набір змінних діафрагм потрібних діаметрів. Виконання пропонованої додаткової змінної діафрагми з центральним отвором забезпечує вимірювання потужності лазерного випромінювання не тільки під час налаштування обладнання, а й під час його експлуатації. Сутність корисної моделі пояснюється кресленнями, на яких зображено: на Фіг.1 - вимірювач енергії та потужності лазерного випромінювання з суцільним приймачем в режимі налаштування; на Фіг. 2 - вимірювач з діафрагмованим приймачем в режимі експлуатації; на Фіг. 3 - вид на термобатарею в режимі налаштування та під час експлуатації (пунктир). Вимірювач енергії та потужності лазерного випромінювання містить корпус 1, який має виступ 2 для розміщення приймача в вигляді диска 3, що суцільно перекриває лазерний пучок 4 (під час налаштування) (Фіг. 1), або в вигляді діафрагми 5 з центральним отвором (під час експлуатації) (Фіг. 2) з абсорбційним покриттям 6, що поглинає лазерне випромінювання (в обох випадках - для підвищення поглинальної здатності приймача). Як суцільний 3, так і діафрагмований 5 приймач кріпиться в корпусі 1 за допомогою притискача 7, який може, наприклад, укручуватися в корпус 1 завдяки різьбовому з'єднанню. Внутрішній край виступу 2 корпусу 1 знаходиться в тепловому контакті з термостатом 8, що може мати, наприклад, водяне чи повітряне охолодження 9. Це забезпечує градієнт температури між внутрішнім (який безпосередньо контактує з приймачем лазерного випромінювання) та зовнішнім (постійно охолоджуваним) краєм виступу 2. Па тильній (по відношенню до лазерного випромінювання) стороні виступу 2 корпусу 1 знаходяться термоелектричні батареї 10 (Фіг. 3), що утворюють кільце, внутрішній діаметр якого відповідає апертурі вимірювального лазерного пучка 4 ("гаряча сторона"), а зовнішній - внутрішньому діаметру термостата 8 ("холодна сторона"). Виходи термобатареї 10 сполучені з вимірювальним приладом 11, який фіксує електричний сигнал, пропорційний потужності вимірюваного лазерного випромінювання. 1 UA 92802 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Вимірювач енергії та потужності лазерного випромінювання працює в такий спосіб. В режимі налаштування на виступі 2 корпусу 1 встановлюється приймач, в вигляді суцільного диска 3, що повністю перекриває лазерний пучок 4. В даному режимі приймач поглинає весь лазерний потік, вимірювач показує абсолютне значення потужності лазерного вимірювання, і вимірювальний прилад 11 відтарований належним чином. Проте при цьому вимірювач не може працювати в режимі експлуатації, оскільки не пропускає лазерне випромінювання для подальшого використання. Принцип роботи приймача для вимірювання потужності лазерного випромінювання базується на перетворенні потужності лазерного випромінювання в еквівалентний за величиною електричний сигнал, який генерується термобатареєю 10 за наявності градієнта температур між її "гарячими" і "холодними" спаями. Різниця температур між цими спаями термобатареї може складати до 70 °C, а товщина приймача (близько 1 мм) вибрана таким чином, щоб забезпечити лінійну залежність температури при різних потужностях. Адаптуючи товщину приймача, з одного боку, можливо підібрати достатню його чутливість, що дозволяє отримати постійну часу приймача в межах 2 сек., а з іншої - охопити діапазон, принаймні, до трьох порядків величин вимірюваних потужностей. Застосування ж абсорбуючого поглинального покриття дозволяє значно підвищити чутливість приймача. Використання напівпровідникових термоелектричних матеріалів з оптимізованими параметрами на основі потрійних з'єднань телуриду вісмуту дозволяє підвищити коефіцієнт перетворення і розширити діапазон вимірів ще на 1-2 порядки. При цьому термобатарея складається з щільно упакованих гілок n- і р- типу малого поперечного перерізу з ізолюючим прошарком на основі епоксидних компаундів між ними. Для переведення вимірювача в режим експлуатації приймач замінюється на приймач у вигляді змінної діафрагми 5 з центральним отвором, діаметр якого декілька менший діаметра апертури вимірювального лазерного пучка. Це забезпечує, з однієї сторони, проходження основної частини лазерною випромінювання для подальшого використання, а, з другої сторони, незначна частина (у найприйнятнішому прикладі - до 10 %) використовується для поточного та постійного вимірювання під час експлуатації. Звичайно, при заміні суцільного 3 приймача лазерного випромінювання на діафрагмований 5 вимірювальний прилад 11 буде показувати інше (значно менше) значення вимірюваної потужності. Але за рахунок зміни чутливості електричної частини вимірювального приладу 11 на його шкалі встановлюється те ж значення потужності, що і при вимірі абсолютного її значення (при використанні суцільного приймача). Аналогічно можна використати діафрагму іншого необхідного діаметру з виведенням чутливості електричної частини вимірювального приладу 11 теж на показання абсолютного значення. Якщо в процесі експлуатації показання вимірювального приладу 11 не змінюється, то це свідчить, що потужність лазерного випромінювання теж не змінюється, і лазерне обладнання не потребує переналадки. Зміна ж відносного показання потужності випромінювання (наприклад, зменшення в результаті роз'юстування) буде сигналізувати про змін) абсолютного значення потужності, що і покаже потребу в профілактиці лазерного обладнання. Після профілактики обладнання знову потрібно вимірювач енергії та потужності спочатку встановити в режим налаштування, виміряти (використовуючи суцільний 3 приймач) абсолютне значення потужності лазерного вимірювання, а потім перевести в режим експлуатації, застосовуючи необхідний діафрагмований 5 приймач та зробивши перенастроювання вимірювального приладу 11. Пропонований вимірювач енергії та потужності лазерного випромінювання істотно розширює можливості свого застосування за рахунок його використання не тільки в режимі налаштування, а й під час експлуатації лазерного обладнання. 1. Патент RU № 2084843, кл. G01J5/00; заявл. 27.06.1994; опубл. 20.07.1997. 2. Разиньков В.В., Бухараева Н.Р., Демчук Б.М. и др. Термоэлектрические сенсоры для измерителей мощности лазерного излучения. - М., Термоэлектричество, № 4, 2008. - С. 66, рис. 1. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 1. Вимірювач енергії та потужності лазерного випромінювання, що містить перетворювач енергії або потужності лазерного випромінювання в еквівалентний за величиною електричний сигнал з чутливим елементом у вигляді суцільного приймача, що при вимірюванні повністю перекриває лазерний пучок, який відрізняється тим, що приймач лазерного випромінювання виконаний в 2 UA 92802 U змінному наборі: як суцільним, так і у вигляді діафрагми з центральним отвором, діаметр якого декілька менший діаметра апертури вимірюваного лазерного пучка. 2. Вимірювач за п. 1, який відрізняється тим, що діафрагми з центральним отвором мають необхідний набір заданих діаметрів. 3 UA 92802 U Комп’ютерна верстка І. Мироненко 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