7.2. Лазерные ваттметры и джоульметры

В настоящем параграфе опишем наиболее современные лазерные ваттмет­ры и джоульметры, а также дадим ряд рекомендаций по их выбору в зависи­мости от измерительной задачи [2].

В этих приборах в качестве ОЭИП используются преимущественно преоб­разователи тепловой и фотоэмиссионной групп, но чаще всего термобатарей­ные (калориметрические), пироэлектрические и квантовые ОЭИП [56]. Прин­ципы действия этих ОЭИП подробно рассмотрены во второй части данной книги.

Термобатарейные ОЭИП используются для измерений мощности излуче­ния непрерывных лазеров, а также мощности и энергии импульсных лазе­ров, генерирующих одиночные импульсы или импульсные последовательно­сти с частотой повторения импульсов более 10 Гц. Приемный элемент обычно представляет собой тонкий металлический диск в виде мембраны с тонко­слойным чернящим поглощающим излучение покрытием. Термобатарейные ОЭИП могут работать в широком спектральном диапазоне (0, 19-20, 0) мкм с достаточно низким порогом чувствительности, т. е. их пределы преобразо­ваний простираются от 1 мВт до 5 кВт по мощности и по импульсной энергии от 0, 01 до 300 Дж.

В качестве фотонных ОЭИП преимущественно распространены кремни­евые и германиевые фотодиоды (ФД). Эффективный квантовый выход этих материалов сильно зависит от длины волны излучения, поэтому кремниевые ФД используются в качестве ОЭИП в диапазоне длин волн (0, 2-1, 0) мкм, а германиевые — от 1, 0 до 2, 0 мкм. Пределы измерения мощности излучения непрерывных лазеров ограничены значениями от 1 нВт до 50 мВт, а пределы измерения энергии импульсных лазеров доходят от 1 пДж снизу до 1 мДж сверху. Следовательно, фотонные ОЭИП предпочтительны в РСИ мощности и энергии слабоинтенсивного лазерного излучения, а также при измерениях в волоконно-оптических системах. При постоянных времени этих ОЭИП по­рядка сотен микросекунд и менее, они могут быть использованы в РСИ формы импульса с последующим интегрированием, дающим значение импульсной энергии.

Пироэлектрические ОЭИП отличаются от вышеописанных тем, что они реагируют на изменение температуры и не могут быть использованы в пучках излучения непрерывных лазеров без их модуляции. Спектральный рабочий диапазон этих ОЭИП простирается от 0, 1 до 100 мкм, временной диапазон длительностей импульсов — от пикосекунд до десятков секунд. В результате на основе этих измерительных преобразователей созданы и серийно выпус­каются джоульметры с пределами измерений энергии импульсного лазерного излучения от 10 нДж до 20 Дж и ваттметры с пределами измерений мощности излучения непрерывных лазеров (с модуляцией пучка обычно механическим прерывателем) от 2 мкВт до 100 Вт. При этом пироэлектрический ОЭИП должен быть тщательно защищен от вибраций, порождающих паразитную модуляцию сигнала, являющуюся источником значительной дополнительной погрешности.

Наряду с традиционными ОЭИП, в последние годы появились модифика­ции типов и форм преобразователей мощности и энергии лазерного излучения. Например, в Китайском Институте Физики по заказам фирм Melles Griot (США) и Oriel Instruments (Англия) разработан ОЭИП на основе тонкого, черного, полированного неметаллического графитового диска, быстро пере­дающего без рассеяния тепло от приемной поверхности к тыльной стороне диска, где расположены структуры с небольшими термобатареями. Пределы преобразования этого ОЭИП — от 10 мкВт и 10 мкДж до 2 Вт и 2 Дж, соответ­ственно [56]. Этот дисковый ОЭИП продемонстрировал солидную лучевую стойкость: 100 МВт/см² и 200 Вт/см² при воздействии соответственно пико­вой импульсной мощности и мощности непрерывного излучения. Более того, модификация ОЭИП с верхним пределом преобразования 20 Вт мощности непрерывного излучения обладала лучевой стойкостью 1500 Вт/см².

Примечание. Под лучевой стойкостью здесь и далее подразумевается свойство приемной поверхности и структуры в целом чувствительного эле­мента ОЭИП сохранять свои физико-механические параметры под воздей­ствием падающего лазерного излучения в пределах, при которых изменения метрологических характеристик преобразователя не превышают допустимых значений.

Добавление к графитовому диску пироэлектрического кристалла позволи­ло реализовать джоульметр с пределами измерений от 4 мкДж до 2 Дж при частоте повторения импульсов до 100 Гц [56].

Некоторые производители предпочитают поставлять на рынок портатив­ные приборы, позволяющие оперативно оценивать интенсивность рассеянного излучения, например, при работе лазерных установок. По существу, такие РСИ являются лазерными дозиметрами. Примером может служить разрабо­танный фирмой Synrad (США) малогабаритный ваттметр для измерений (при высоких частотах повторения) в широком спектральном диапазоне, простирающемся от УФ до И К излучения [56]. Суммарная погрешность этого прибора не превышает ± 5 % в диапазоне длин волн от 0, 19 до 11 мкм.

В табл. 7. 2 в качестве примеров приведены заимствованные из [56] данные о серийных ОЭЦП для ваттметров и джоульметров, предлагавшихся раз­личными фирмами в середине 90-х годов. Пользователям, эксплуатирующим подобные ОЭИП, в [56] даются некоторые общие рекомендации, в том числе и по выбору регистрирующего устройства, если оно не входит в состав прибора. В табл. 7. 3 сведены данные о серийных ваттметрах и джоульметрах [56].

Американской фирмой SCIENTECH разработаны и поставляются на ми­ровой рынок современные ОЭИП тепловой группы (калориметрические и пи­роэлектрические), с использованием которых этой же фирмой освоены не­сколько моделей лазерных ватт-джоульметров. Эти ОЭИП представляют со­бой современные радиометрические головки (РГ).

Основные сведения об ОЭИП приведены в табл. 7. 4-7. 7 [57]. В [57] также кратко описаны измерительные приборы трех типов, в которых процессоры с аналоговым (стрелочным) и/или цифровым дисплеем соединены с соответ­ствующими ОЭИП, представленными в таблицах.

Столь обширная номенклатура этих радиометров и ОЭИП свидетельству­ет о широчайшей распространенности за рубежом лазерной техники, в том числе измерительной.

Ватт-джоульметры типа S310 и S3100 могут соединяться с ОЭИП моделей Astral, Vector и Ultra и имеют 14 переключаемых диапазонов измерений с пре­делами от 3000 мкДж или мкВт до 30 Дж или 150 Вт в зависимости от модели ОЭИП. Малогабаритный, портативный ватт-джоульметр с батарейным пита­нием типа Н310 и Н3100 работает с любым ОЭИП моделей Astral или Vector (за исключением Vector HR моделей) и, в зависимости от выбранного ОЭИП, имеет пределы измерений от 10 до 3000 Вт (Дж). Этими приборами можно пользоваться как в полевых, так и в лабораторных условиях.

Модель D200 является двухканальным прибором и выпускается в трех вариантах, перекрывающих пределы измерений от 20 мкВт (мкДж) до 3000 Вт(Дж). В варианте D200P оба канала работают с любым пироэлектри­ческим ОЭИП Vector, а в варианте D200C — с любым калориметрическим ОЭИП Astral. В варианте D200PC один канал стыкуется с ОЭИП Vector, а дру­гой — с ОЭИП Astral. Приборы могут выполнять измерения поканально, либо определять отношения измеряемых мощностей (энергий) в каждом канале.

Прежде всего, необходимо согласовать параметры пучка лазерного из­лучения с параметрами приемной площадки ОЭИП. Активная поверхность последней должна хотя бы слегка превышать площадь поперечного сечения пучка. Это позволяет не только воспринять весь падающий поток лазерно­го излучения, но и избежать необходимости строгой юстировки оптического тракта. Время спада импульсной переходной характеристики РСИ должно не менее чем в 10 раз превышать полную ширину на полувысоте импуль­са лазерного излучения, а частота повторения лазерных импульсов должна быть меньше частоты повторения, нормируемой для данного ваттметра или джоульметра. Очевидно также, что поверхностная плотность энергии или мощности не должна превышать порога «метрологической надежности» для данного ОЭИП, названного в предыдущем примечании лучевой стойкостью.

Примечание. Обычно в литературе в этом случае употребляется тер­мин «порог разрушения» (damage threshold). Очевидно, что для любого СИ уровень энергии, приводящий к нарушению целостности ОЭИП, категориче­ски недопустим и нужно учитывать именно лучевую стойкость в принятом нами определении.

 

Таблица 7. 1. Спектральный коэффициент отражения, тепловое сопротивление и теплоемкость наиболее распространенных непрозрачных поглощающих покрытий

 

 

 

Материал	Спектральный коэффициент отражения в процентах в диапазоне длин волн (мкм)						Типичные значения теплового сопротивления [мкК*Вт-1м-2]	Теплоемкость [Дж*К-1м-2]
	0, 35	0, 50	1, 0	1, 5	2, 0	2, 5
Черная бархатная краска ЗМ	2, 2	2, 2	2, 3	2, 4	2, 5	2, 7
Оптическая чернь Эппли-Парсонса (лак Парсонса)	2, 0	1, 8	1, 6	3, 7	5, 5	6, 1
Черный лак со спеканием фирмы KodaK	3, 5	3, 3	3, 2	3, 4	3, 7	4, 2	—	—
Сверхплоское черное крилоновое эмалевое покрытие алюминия	0, 2	0, 3	0, 9	1, 2	1, 4	1, 4	—	—
Высокой плотности золотая чернь в воздухе	0, 5	0, 2	0, 4	0, 5	1, 0	1, 4	< 50	0, 25
Низкой плотности золотая чернь в воздухе	0, 8	0, 3	0, 5	0, 5	0, 5	0, 5		0, 25
Углеродная чернь (сажа)	1, 8	2, 0	1, 8	1, 2	1, 0	0, 9

 

Таблица 7. 2. Серийные ОЭИП для лазерных ваттметров и джоульметров [56]

Модель	Фирма	Тип ОЭИП	Длины волн, мкм	Макс, диа­метр входной апертуры, мм	Пределы измерений	Примечания
Laser Mate Series	Coherent, Instruments Div	Термо­батарея	0, 3-10, 6		10 мВт — 100 Вт	Размер единицы передается от эталона NIST, USA через вторичный эталон MIL SPEC-45662A.
EPD	Gentes	Пиро-электрик	Широко­полосный	33 (диа­метр пучка)	100 мВт — 20 Вт	Максимальная частота повторения импульсов 5 кГц. Предельная средняя мощность 1 Вт
П. 1455	International Light	Кремние­вый ФД	0, 40-1, 06	5, 5	100 нВт — 300 мВт	Только для непрерывных лазеров. Портативный, с рукояткой для переноски. Интегрирующая сфера внутри прибора гарантирует юстировку.
RjP-667	Laser Probe	Кремние­вый ФД	0, 18-1, 10	10 χ 10	< 1 пДж — 0, 25 мДж	Частота повторения импульсов 500 Гц. Пиковая мощность 5 мВт. Встроена калибровочная кривая.
РМЗ	Molectron	Термо­батарея	0, 19-11		0, 1 мВт — 3 Вт	Размер единицы передается от эталона NIST. По­стоянная времени < 2 с.
818-IG	Newport	In Ga As	0, 8-1, 6		100 фВт -3 мВт	Квантовый детектор. Пиковая мощность с ослаби­телем 2 Вт.
Pe-25 Series	Ophir Optronics	Пиро-электрик	0, 19-20	25 х25	15 мкДж — 10 Дж	Максимальная частота повторения импульсов 1 кГц. Предельная средняя мощность 10 Вт.
70816 Series	Oriel Instruments	Кремние­вый ФД	0, 20-1, 1		(4, 5-450) нДж	Максимальная частота повторения импульсов 4 кГц. Предельная средняя мощность 50 Вт.
AC25HD	Scientech	Термо­батарея	0, 19-10, 6	25, 4	0, 5 мВт — 10 Вт	Лучевая стойкость 1500 Вт/см2, при работе с непрерывными лазерами и 14 Дж/см2 при работе с импульсными лазерами.
210-S	Sensor-Physics	Термо­батарея	0, 18-20		10 мВт — 2 Вт	—
PW-250	Synrad	Термо­батарея	0, 19-11		1-250 Вт	Портативный. Самокалибровка, регистрация сиг­налов.
P-444	Terahertz Technologies	Пиро- электрик	0, 35-2	12, 7 (диа­метр пучка)	10 мкДж — 1Дж	При т„ = 100 не, лучевая стойкость 1 мВт/см2.

 

Таблица 7. 3. Серийные лазерные ваттметры и джоульметры [56]

Модель	Фирма	Дисплей	Выход	Число каналов	Статистичес­кая обработка результатов	Примечания
Laser Mate	Coherent, Instruments Div	Стрелочный/ Цифровой	Аналоговый		Нет	Портативный, питание сетевое или батарейное (200 ч. )
LPA-1 (анализа­тор лазерных импульсов)	Gentes	Стрелочный/ Цифровой	Аналоговый/ GPIB/RS-232C		Да	Регистрация и запоминание фор­мы импульса.
IL 1400A с модификациями	International Light	Алфавитно-цифровой	Аналоговый/ RS-232C		Да	Самокалибровка. Батарейное пи­тание (36ч). Сетевой адаптер. Пе­реносной прибор с рукояткой.
Rm-3700	Laser Probe	Стрелочный/ Цифровой	Аналоговый/ RS-232C		Да	Частота повторения 500 Гц. Бата­рейное или сетевое питание.
Power Max Series	Molectron	Стрелочный/ Цифровой	Аналоговый/ RS-232C		Да	—
2835-C	Newport	Цифровой	Аналоговый/ GPIB/RS-232C		Да	Частота выборок в 1- и 2-х ка­нальном режимах, соответствен­но, 1 кГц и 500 Гц.
Nova	Ophir Optronics	Стрелочный/ Цифровой	Аналоговый/ RS-232C		Да	Самокалибровка. Переносный прибор с рукояткой. Батарейное (18 ч) и сетевое питание.
	Oriel Instruments	Цифровой	Аналоговый/ RS-232C		Да	Для пироэлектрический ОЭИП. Частота повторения до 400 Гц. Ба­тарейное и сетевое питание.
	Scientech	Стрелочный/ Цифровой	Аналоговый/ RS-232C		Да	С перепрограммированием под рабочие длины волн.
ST-1	Star Tech Instruments	Цифровой	Аналоговый		Да	Двухканальная модификация для стоечного монтажа.
K-950	Terahertz Technologies	Гистограммный/ цифровой	Аналоговый/ Цифровой		Да	Двухканальная модификация для стоечного монтажа.

 

Таблица 7. 4. Калориметры ULTRA™ фирмы SCIENTECH [57]

 

Наименования параметров калориметрического ОЭИП	Модель
	UC150	UC 150UV	UC 150 HD	UC 150 ND 40
Апертура	0 25, 5 мм	40 χ 40 мм2	0 25, 5 мм	40 х 40 мм2
Спектральный диапазон, мкм	0, 25-35	• 0, 19-0, 36	0, 19-12	0, 19-12
Предельно допустимая Pav, Вт
Минимальное разрешение, Вт	0, 1	0, 1	0, 1	0, 1
Плотность мощности, Вт/см2
Предельная плотность Ррк, МВт/см2
Предельная плотность Q, Дж/см2	1*		14*·	14"
Сходимость, %	< 1	< 1	< 1	< 1
Суммарная погрешность, %
Габариты, см3	12, 5 χ 8, 6 х 10, 2	12, 5 х 8, 6 χ 10, 2	12, 5 χ 8, 6 χ 10, 2	12, 5 χ 8, 6 χ 10, 2
Масса, кг	1, 2	1, 2	1, 2	1, 2
* Длительность импульса 1 мкс. *' Длительность импульса 10 мкс.

 

Таблица 7. 5. Калориметры ASTRAL™ фирмы SCIENTECH [57]

Наименования параметров калориметрических ОЭИП	Модель
	АС2500	ACX25HD	АС2501	АСХ2501	FC25UV	АС2504	АС5000
Тип поглотителя	Поверхн.	Поверхн.	Объемн.	Объемн.	Объемн.	Объемн.	Поверхн.
Максимальный диаметр пучка, мм
Спектральный диапазон, мкм	0, 25-35	0, 4-2	0, 266-1, 2	0, 4-1, 2	0, 19-0, 36	0, 85-4, 2	0. 25-35
Предельно допустимая Pav, Вт
Минимально допустимая* Pav, мВт
Уровень шума	10 мкВт или мкДж	10 мкВт или мкДж	10 мкВт или мкДж	10 мкВт или мкДж	10 мкВт или мкДж	10 мкВт или мкДж	10 мкВт или мкДж
Предельная плотность мощности, Вт/см2		12 · 103
Предельная плотность Ррк, МВт/см2			100 · 103	8, 5 · 103	1-Ю3	100 ■ 103
Предельная плотность импульса, Дж
Предельная плотность Q, Дж/см2	1~	42, 5+	Зависит от λ ο ο	26, 4Л		3, 3Л	1~
Сходимость, %	< 1	< 1	< 1	< 1	< 1	< 1	< 1
Суммарная погрешность, %
Время нарастания импульса (с отсчетом в ваттах), с
Габариты: внешний диаметр χ длина, см2	9, 53 χ 5, 6	9, 53 χ 9, 70	9, 53 χ 5, 6	9, 53x9, 7	9, 53 χ 5, 6	9, 53 х 5, 6	18, 9 χ 5, 8
Масса, кг	0, 68	0, 77	0, 68	0, 77	0, 68	0, 68	1, 3

 

Окончание табл. 7. 5

 

Наименования параметров калориметрических ОЭИП	Модель
	AC50HD	ACX50D	АС5001	АСХ5001	AC50UV	АС5004
Тип поглотителя	Поверхн.	Поверхн.	Объемн.	Объемн.	Объемн.	Объемн.
Максимальный диаметр пучка, мм
Спектральный диапазон, мкм	0, 19-12	0, 4-2	0, 266-1, 2	0, 4-1, 2	0, 19-0, 36	0, 85-4, 2
Предельно допустимая Pav, Вт
Минимально допустимая* Ρ Ά ν, мВт
Уровень шума	1мВт или мДж	1 мВт или мДж	1 мВт или мДж	1мВт или мДж	1мВт или мДж	1 мВт или мДж
Предельная плотность мощности, Вт/см2		12 · 103
Предельная плотность Ррь МВт/см2			100 · 103	8, 5 · 103	1-Ю3	100 · 103
Предельная плотность импульса, Дж
Предельная плотность Q, Дж/см2	14#	42, 5+	Зависит от λ ο ο	26, 4Л		3, 3Л
Сходимость, %	< 1	< 1	< 1	< 1	< 1	< 1
Суммарная погрешность, %
Время нарастания импульса (с отсчетом в ваттах), с
Габариты: внешний диаметр χ длина, см2	18, 9 х 5, 8	18, 9 χ 9, 96	18, 9 χ 5, 8	18, 9 х 9, 96	18, 9 х 5, 8	18, 9 χ 5, 8
Масса, кг	1, 3	1, 4	1, 3	1, 4	1, 3	1, 3
* При установке калориметра в изопараболическом корпусе; ~ микросекундные импульсы: Л А = 1, 064 мкм; зависит от дли­тельности импульса: Дж/см2 = 4500 х длительность импульса на полувысоте до 14 Дж/см2; + зависит от длительности импульса: Дж/см2 = 36000 χ длительность импульса на полувысоте до 42, 5 Дж/с; 4, 1 Дж/см2 при λ = 1, 064 мкм, 3, 2 Дж/см2 при λ = 0, 532 мкм, 1, 2 Дж/см2, при λ = 0, 266 мкм.

 

Таблица 7. 6. Пироэлектрические ОЭИП VECTOR™ фирмы SCIENTECH [57]

 

Наименования параметров пироэлектрических ОЭИП	Модель
	SP25	SPHD25	SP50	SPHF50	SPHD50	Р25	PHF25	PHD25
Максимальный диаметр пуч­ка, мм
Спектральный диапазон, мкм	от ~ 0, 25 до ~ 25
Предельно допустимая* Pav, Вт
Шумовой эквивалент энергии (NEQ), мкДж
Предельно допустимая плот­ность энергии, Дж/см2	от 10~2, при т„ = 10~9 с, до 10, при т„ = 10~3 с
Суммарная погрешность, %
Коэффициент преобразова­ния, В/Дж
Предельная частота повторе­ния импульсов, Гц
Предельная длительность им­пульсов, мс	0, 2	0, 2	0, 4	0, 045	0, 4	0, 2	0, 045	0, 2
Габариты: диаметр χ длина, см2 или ширинах высотах χ длина, см3	5, 8 х 5, 8 χ χ 1, 4	5, 8 χ 5, 8 χ χ 1, 4	7, 6 χ 7, 6 χ χ 1, 5	7, 6 х 7, 6 х χ 1, 5	7, 6 χ 7, 6 χ χ 1, 5	6, 12 χ 5, 77	6, 12 χ 5, 77	6, 12 χ 5, 77
Масса, кг	0, 14	0, 14	0, 18	0, 18	0, 18	0, 41	0, 41	0, 41

 

 

 

Окончание табл. 7. 6Наименования параметров пироэлектрических ОЭИП	Модель
	SP25	SPHD25	SP50	SPHF50	SPHD50	Р25	PHF25 PHD25
Максимальный диаметр пучка, мм
Спектральный диапазон, мкм	от ~ 0, 25 до ~ 25
Предельно допустимая* Pav, Вт
Шумовой эквивалент энергии (NEQ), мкДж
Предельно допустимая плотность энергии, Дж/см2	от 10~2, при т„ ± 10~9 с, до 10, при т„ = 10~3 с
Суммарная погрешность, %
Коэффициент преобразования, В/Дж
Предельная частота повторения импульсов, Гц				20-
Предельная длительность импуль­сов, мс	0, 2	0, 2	0, 4	0, 4	0, 4	0, 045	0, 4
Габариты: диаметр χ длина, см2 или ширина χ высота χ длина, см3	6, 12 χ 9, 88	6, 12 χ 9, 88	8, 76 х 9, 88	8, 76 χ 9, 88	8, 76 х 5, 77	8, 76 χ 5, 77	8, 76 χ 5, 77
Масса, кг	0, 5	0, 5	0, 77	0, 77	0. 68	0, 68	0, 68
* При 100 % заполнении приемной площадки ОЭИП.

 

 

Таблица 7. 7. Пироэлектрические ОЭИП VECTOR HR фирмы SCIENTECH

 

Наименования параметров пироэлектрических ОЭИП	Модель
	PHF02	PHF09	РО5	РОЭ
Максимальный диаметр пучка, мм
Вольтовая чувствительность, В/мДж 1, 2 3	15 0, 15	1 0, 01	3, 0	0, 8
RC-постоянная времени, мс 1 2 3	0, 05 0, 5 2, 5	0, 05 0, 5 2, 5	2, 0	2, 0
Шумовой эквивалент энергии (NEQ), нДж 1, 2 3	3, 0 150	35 3500
Предельная частота повторения импульсов, Гц 2 3	4000 400 80	4000 400 80
Предельная длительность импульсов, мке 3	5 50 250	5 50 250
Предельное выходное напряжение, В	4, 5	4, 5	4, 5	4, 5
Предельная Pav, Вт
Суммарная погрешность, %
Предельно допустимая плотность энергии, Дж/см2	от 10~2, при т„ = 10~9 с, до 10, при т„ = 10~3 с
Габариты: диаметр χ длина, см2	0 4, 45 χ 10, 8
Масса, кг	0, 21
1 — длительность импульса ζ 5 мкс; 2 — длительность импульса 50 мкcс 3 — длительность импульса 250 мкс.

Уменьшению поверхностной плотности энергии или мощности падающего на ОЭИП излучения способствуют делители пучков, играющие роль ослаби­телей. Рекомендуется использовать клиновидные делители пучков при малых углах падения импульсного излучения, когда состояние поляризации пучка меняется от импульса к импульсу. В пучках со стабильным состоянием поляризации хорошо работает 45^о-ные двигатели.

При измерениях интенсивностей слабых пучков желательно, чтобы NEP ОЭИП не превышала 10% минимального измеряемого значения мощности (соответственно, это же относится к энергии, если ввести понятие шумовой эквивалентной энергии и минимального измеряемого значения энергии).

Конструкция приемной поверхности в целом чувствительного элемента ОЭИП предопределяет его спектральную характеристику. Полостные ОЭИП с чернением или покрытием внутренней поверхности полости золотой чернью являют собой пример практически неселективных в коммерческом диапазоне длин волн лазерного излучения 0, 3-12 мкм измерительных преобразователей. Плоская металлическая черненая поверхность порождает некоторую селек­тивность ОЭИП тепловой группы, а фотоэмиссионные ОЭИП селективны по своей природе. Поэтому РСИ с ОЭИП этих подгрупп нуждаются в градуи­ровках и калибровках в их рабочих диапазонах длин волн.

Выбор электронной измерительной схемы, воспринимающей для дальней­шей обработки выходной аналоговый сигнал ОЭИП, не вызывает затрудне­ний. В серийных РСИ, о которых речь шла выше, используются аналоговые или цифровые электроизмерительные приборы. Производитель РСИ либо закупает готовые приборы и стыкует их со своими ОЭИП, либо разраба­тывает их сам, включая в состав СИ при необходимости дисплей и снаб­жая ваттметр или джоульметр программным обеспечением. Вместе с тем, на мировом рынке представлено достаточное количество типов разных РГ для СИ энергетических величин, характеризующих лазерное излучение, и многие пользователи предпочитают сами стыковать их с серийными вольтметрами, осциллографами, мультиметрами и др. приборами, имеющимися в наличии в производственных и научно-исследовательских лабораториях. Однако при этом возникает потребность в их калибровке и сертификации в метрологиче­ских организациях соответствующего профиля.

Интенсивные разработки и производство типовых лазерных ваттметров и джоульметров привели к появлению отечественных РСИ тепловой и фо­тонной групп, эксплуатируемых по настоящее время. Технические характери­стики наиболее распространенных типов этих приборов приведены в табл. 7. 8 и 7. 9 [26].

Завершая описание серийных РСИ мощности и энергии лазерного излу­чения, остановимся на разработанном во ВНИИОФИ оригинальном джоульметре ИЭЛ300 так называемого «проходного» типа, предназначенном для измерений энергии короткоимпульсного лазерного излучения без прерывания пучка, проходящего сквозь прозрачную приемную площадку ОЭИП. (Под короткими подразумеваются импульсы лазерного излучения длительностью =(10^-12-5 · 10^-4) с, где — максимальный интервал времени между двумя точками, в которых значения мощности достигают половины пиковой мощности (Р_рк/2)).

Рассмотрим более подробно фотоакустический ОЭИП «проходного» типа, принцип действия которого поясняется рис. 7. 2. Он содержит оптический эле­мент из легированного стекла в форме диска, торцевая поверхность которого охвачена кольцевым тонкопленочным пироэлектрическим преобразователем. Существенным достоинством такого ОЭИП является возможность передачи основной части пучка импульсного лазерного излучения пользователю при одновременном преобразовании незначительной части энергии в измеритель­ный сигнал.

 

Наименование и тип СИ	Рабочий диапазон длин волн, мкм	Диапазон измерения		Максимальный диаметр пучка, мм	Основная по­грешность, %
		мощности, Вт	энергии, Дж
Измеритель средней мощности и энергии им­пульсов лазерного излучения ИМО-2	0, 33-10, 6	10-3-100	10-2-10		=5-6 =7
Измеритель калориметрический твердотельный ИКТ-1М	0, 4-4	—	5•10-2-150
Ваттметр поглощаемой мощности калориметри­ческий МКЗ-18 А	0, 4-3, 5	10-4-10-2	10-2-0, 3		___, ___=10
Измеритель мощности и энергии калориметри­ческий М-3-24	0, 4-3, 5	10-2-1	1, 5 • 10-10		__ = 12, 5; __ = 15
Ваттметр поглощаемой мощности калориметри­ческий МЗ-49	0, 4-11	10-3-0, 1	10-3-1		___= 4-10; ___е = 6
Преобразователь энергии одиночных импульсов излучения лазеров в электрический сигнал ЭП-50-01	0, 4-10, 6	—	0, 1-100
Измеритель энергии излучения ИЭИ-1 К-1М (с измерительным преобразователем ТПИ-2-5)	0, 5-2; 10, 6	—	0, 5-30
Образцовый измеритель мощности лазерного излучения ИМО-2-2	0, 49-10, 6	10-2-1	—

 

 

Таблица 7. 9. Основные технические характеристики серийных
Наименование и тип	Назначение	Спект­ральный диапа­зон, мкм	Рабочие длины волн, мкм	Энергия Е, Дж
1. Фотометр нано-секундный — ФН	Измерение энергии и максимальной мощности одиночных импульсов	0, 4-1, 1	0, 53 0, 69 1, 06	10-3-10
2. Фотометр ча­стотный — ФЧ	Дополнительно к п. 1. Из­мерение среднего значения энергии импульсов в серии, среднего абсолютного отклонения и максималь­ного отклонения энергии импульсов в серии	0, 4-1, 1	0, 53 0, 69 1, 06	10-3-10
3. Лабораторный фотометр общего назначения ЛФО	Перечисленное в п. 1 и 2	0, 4-1, 1	0, 53 0, 69 1, 06	10-4-10
4. Фотометр уда­ленного располо-жения — ФУР	Измерение энергетической экспозиции (плотности энергии), создаваемой направленным излучением на значительном удалении от источника излучения		0, 53 1, 06	10-9 -10-4 Дж/см-2
5. Фотометр ма­лых потоков — ФМП	Измерение энергии и мак­симальной мощности	0, 4-1, 1	0, 91 1, 06	10-13-10-9
6. Фотометр пе­реносной малога­баритный широ­кого применения для импульсных и непрерывных лазеров:   ФПМ-01     ФПМ-02	Измерение энергии и сред­ней мощности Измерение энергии	0, 4-1, 1	0, 69 1, 06 0, 488  0, 63   0, 53 0, 691, 06 0, 87-0, 91	510-2-10-8     10-3-5*10-9

 

Потери энергии при прохождении излучения сквозь оптический элемент порождены следующими явлениями:

· отражением от границ раздела стекла с воздухом;

· поглощением излучения в стекле;

· диффузией, вызываемой неоднородностями материала оптического эле­мента.

В отличие от потерь на отражение, которые не участвуют в процессе преоб­разования и могут быть минимизированы применением противоотражающих покрытий, потери за счет поглощения и диффузии остаются и зависят от опти­ческих свойств материала, из которого изготовлен оптический элемент. Обычно они находятся в пределах от 0, 1 до 1 % энергии падающего на оптический эле­мент излучения. Поэтому для их исполь­зования в измерительных целях необ­ходим высокочувствительный преобра­зователь. Оказывается, что он может быть построен на оптоакустическом эф­фекте, являющемся следствием объем­ного поглощения энергии импульсного лазерного излучения в твердотельном оптическом элементе. Однако обычно коэффициенты поглощения и линейно­го расширения стекол настолько малы, что предпочтительнее использовать не поглощенную, а рассеянную часть излу­чения.

 

Рис. 7. 2. Конструкция фотоакустическо­го ОЭИП

 

В случае, когда размеры неоднородностей среды распространения излуче­ния меньше длины волны, индикатриса рассеяния в первом приближении описывается формулой Рэлея и представляет собой поверхность, симметричную относительно направления распространения потока:

,

Где — интенсивность падающего излучения;  — коэффициент, зависящий от показателя преломления; V — объем области оптического элемента с неод­нородностями; λ — длина волны;  — угол рассеяния.

Материалом для оптического элемента может служить кварц или селенид цинка (ZnSe). Результаты детального метрологического исследования ОЭИП этого типа позволили оценить суммарную погрешность его коэффициента преобразования значением 2, 5 %.

Созданный на основе описанного ОЭИП портативный прибор ИЭЛЗОО массой 0, 5 кг имеет диапазон измерений от 10^-3 до 10 Дж при частоте повторения импульсов до 100 Гц и основной погрешности 3 %. Пироэлектри­ческий ОЭИП с входным оптическим элементом обладает лучевой стойкостью при плотностях пиковой мощности до 5 10⁸ Вт/см². Диапазон длин волн (0, 2—15) мкм, в котором можно выполнять измерения этим джоульметром, перекрывается РГ в двух вариантах, отличающихся спектральными характе­ристиками входного оптического элемента (из кварца или селенида цинка). Прибор имеет встроенный энергонезависимый микропроцессор для управле­ния и может хранить результаты измерений после выключения питания. При габаритах РГ — диаметр 90 мм и толщина 50 мм — джоульметр позволяет выполнять измерения энергии пучков диаметром от 2 до 16 мм. Коэффи­циент пропускания лазерного излучения пироэлектрической пленкой — не менее 92 %. Джоульметр позволяет производить:

· измерение энергии в каждом импульсе в серии до 5000 импульсов;

· измерение средней энергии в режиме реального времени и ее вычисление в заданной оператором серии импульсов;

· просмотр измеренных значений энергии для каждого импульса;

· определение минимума и максимума энергии импульса в серии.

⇐ Предыдущая27282930313233343536Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: