Вимірювач потужності випромінювання лазера

Реферат: UA 92803 U UA 92803 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 потужності безперервного і високочастотного лазерного випромінювання. Одним з відомих вимірювачів потужності випромінювання лазера 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 суттю до пропонованої корисної моделі є вимірювач потужності випромінювання лазера, 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 елемента 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 поставлено задачу вдосконалення приймача вимірювача потужності випромінювання лазера, що забезпечить можливість використання вимірювача у час експлуатації лазерного обладнання, отже і більш широкі можливості його використання. Поставлена задача вирішується тим, що в вимірювачі потужності випромінювання лазера, 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, приймач лазерного випромінювання містить додаткову частину у вигляді 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 потрібних заданих діаметрів може застосовуватись набір змінних діафрагм. Наявність пропонованої додаткової частини приймача випромінювання у вигляді діафрагми з центральним отвором, діаметр якого декілька менший діаметра апертури вимірюваного лазерного пучка, забезпечує вимірювання потужності випромінювання лазера не тільки під час налаштування обладнання, а й під час його експлуатації. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, на яких зображено: на Фіг. 1 - вимірювач потужності випромінювання лазера в режимі налаштування, коли випромінювання потрапляє на частину приймача з суцільним його перекриттям і повністю використовується для виміру його потужності (а) та вид на термобатарею в режимі налаштування (б); на Фіг. 2 - вимірювач в режимі експлуатації, коли значна частина випромінювання проходить скрізь діафрагмовану його частину і лише частково використовується для виміру (а) та вид на термобатарею під час експлуатації (б). Вимірювач потужності випромінювання лазера містить корпус 1, який має виступ 2 для розміщення приймача в вигляді плоского фланця 3, який кріпиться на корпусі 1 за допомогою, наприклад, трьох спеціальних гвинтів 4. Для переміщення плоского фланця 3 із одного крайнього положення (режим налаштування) в інше (режим експлуатації) служать направляючі пази 5. Фланець 3 має два посадочних місця. Перше - для установки диска 6, друге - для установки діафрагми 7 з центральним отвором. Як диск, так і діафрагма мають абсорбційне покриття 8 для підвищення поглинальної здатності приймача. Диск 6 суцільно перекриває лазерний пучок 9 і використовується в режимі налаштування (Фіг. 1, а), тоді як діафрагма 7 з центральним отвором - під час експлуатації (Фіг. 2, а). Зовнішній край виступу 2 корпусу 1 знаходиться в тепловому контакті з термостатом 10, що може мати, наприклад, водяне чи повітряне охолодження 11. Це забезпечує градієнт температури між внутрішнім (який безпосередньо контактує з приймачем лазерного випромінювання) та зовнішнім (постійно охолоджуваним) краєм виступу 2. На тильній (по підношенню до лазерного випромінювання) стороні виступу 2 корпусу 1 знаходяться 1 UA 92803 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 термоелектричні батареї 12 (Фіг. 1, б та Фіг. 2, б), що утворюють кільце, внутрішній діаметр якого відповідає апертурі вимірювального лазерного пучка 9 ("гаряча сторона"), а зовнішній внутрішньому діаметру термостата 10 ("холодна сторона"). Виходи термобатареї 12 сполучені з вимірювальним приладом 13, який фіксує електричний сигнал, пропорційний потужності вимірюваного лазерного випромінювання. Вимірювач потужності випромінювання лазера працює в такий спосіб. В режимі налаштування на корпусі 1 за допомогою спеціальних гвинтів 4 (наприклад, з головками для ручного загвинчування) закріпляється та частина плоского фланця 3, де встановлений суцільний диск 6, що повністю перекриває лазерний пучок 9. В даному режимі приймач поглинає весь лазерний потік і вимірювач показує абсолютне значення потужності лазерного вимірювання. Вимірювальний прилад 13 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 12 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 гвинти 4, що знаходяться в пазах, послабляються, а центральний (на Фіг. 1, а - верхній) - повністю відкручується. Плоский фланець 3 переміщується по пазах 5 в інше крайнє положення, так що місце суцільного диска 6 займає діафрагма 7. Гвинти 4, що в пазах, затискуються, а центральний вкручується та затискується внизу (див. Фіг. 2, а). Центральний отвір діафрагми 7 має діаметр декілька менший діаметра апертури вимірювального лазерного пучка. Це забезпечує, з однієї сторони, проходження основної частини лазерного 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 диска 6 при прийманні лазерного випромінювання на діафрагмований 7 вимірювальний прилад 13 буде показувати інше (значно менше) значення вимірюваної потужності. Але за рахунок зміни чутливості електричної частини вимірювального приладу 13 на його шкалі встановлюється те ж значення потужності, що і при вимірі абсолютного її значення (при використанні суцільного приймача). В посадочне місце фланця 3 (для діафрагм) можна встановлювати діафрагму іншого необхідного діаметра з виведенням чутливості електричної частини вимірювального приладу 13 теж на показання абсолютного значення. Якщо в процесі експлуатації показання вимірювального приладу 13 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 зміну абсолютного значення потужності, що і покаже потребу в профілактиці лазерного обладнання. Після профілактики обладнання знову потрібно вимірювач потужності спочатку встановити в режим налаштування, виміряти (використовуючи суцільний диск 6) абсолютне значення потужності лазерного вимірювання, а потім перевести в режим експлуатації, застосовуючи необхідний діафрагмований 7 приймач та зробивши перенастроювання вимірювального приладу 13. Пропонований вимірювач потужності випромінювання лазера істотно розширює можливості свого застосування за рахунок його використання не тільки в режимі налаштування, а й під час експлуатації лазерного обладнання. Джерела інформації: 1. Патент RU № 2084843, кл. G01J 5/00; заявл. 27.06.1994; опубл. 20.07.1997. 2 UA 92803 U 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. 5 10 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Вимірювач потужності випромінювання лазера, що містить перетворювач потужності лазерного випромінювання в еквівалентний за величиною електричний сигнал з чутливим елементом у вигляді суцільного приймача, який при вимірюванні повністю перекриває лазерний пучок, який відрізняється тим, що приймач лазерного випромінювання містить додаткову частину у вигляді діафрагми з центральним отвором, діаметр якого 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 92803 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова 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