Глава 17 воспроизведение единиц мощности и энергии и передача их размеров в российской системе обеспечения единства измерений

Глава 17 ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЕДИНИЦ МОЩНОСТИ И ЭНЕРГИИ И ПЕРЕДАЧА ИХ РАЗМЕРОВ В РОССИЙСКОЙ СИСТЕМЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

17. 1. Основы измерений энергетических параметров лазерного излучения

Основной физической величиной для энергетической группы параметров и характеристик лазерного излучения является его мощность, имеющая общее обозначение Р.

При этом лазерным излучением называется когерентное электромаг­нитное излучение с длиной волны не более 1 мм, генерируемое лазером [85].

Все остальные параметры и характеристики этой группы функционально связаны с Р, причем аргументами в этих функциональных зависимостях являются время t, пространственные координаты поперечного сечения пучка х, у, ζ (χ, у — декартовы координаты непосредственно в поперечном сечении, ζ — расстояние центра сечения от выходной грани резонатора лазера) или их сочетания.

Соответственно, речь может идти об измерениях интегральных энергети­ческих параметров, «локализованных» во времени или в пространстве, или же параметров и характеристик, отображающих распределение мощности лазерного излучения по той или иной координате. Таким образом, внутри энергетической группы можно выделить четыре подгруппы: интегральную, временную, пространственную и пространственно-временную.

Строго говоря, в соответствии с принятым делением на подгруппы к инте­гральным параметрам следует отнести лишь мощность непрерывного лазер­ного излучения. Величины, так или иначе функционально связанные с Ρ пара­метром t, нами отнесены к временной группе. Однако потребность в измерении интегральных по площади поперечного сечения пучка величин независимо от их связи со временем t предопределила общность метода, структурной схемы СИ и в значительной степени методики выполнения измерений для величин интегральной и временной подгрупп. Поэтому сначала обратимся к опреде­лениям и основным понятиям, необходимым для описания энергетического подвида лазерометрии.

Лазером, работающим в непрерывном режиме излучения, который для упрощения будет в дальнейшем именоваться непрерывным лазером, име­нуется лазер, генерирующий излучение в периоды времени, превышающие или равные 0, 25 с [85]. Соответственно, мощностью непрерывного излучения называется мощность Ρ выходного излучения непрерывного лазера [85].

Лазер, генерирующий излучение порциями в форме одиночных импульсов или импульсных последовательностей, именуется импульсным лазером.

Длительность импульса при этом должна быть менее 0, 25 с [85]. Номенклатура измеряемых величин у импульсного лазера шире, чем у непрерывного.

Энергия Q одного импульса излучения называется импульсной энер­гией, а ее отношение к длительности импульса  — импульсной мощно­стью Р_н. Средней мощностью P_av именуется произведение усредненной в импульсной последовательности энергии Q и частоты повторения им­пульсов f_p, под которой подразумевается число импульсов в секунду в этой последовательности. Максимальное значение Р_рк в зависимости мощности излучения импульсного лазера от времени называется пиковой мощно­стью [85].

Примечание. Здесь и далее используются стандартизованные ИСО термины, определения и обозначения. В русскоязычной научно-технической литературе по лазерам и лазерометрии авторы зачастую пользуются отлич­ными от приводимых здесь терминами и обозначениями. В тех случаях, когда сохранение авторских цитирований окажется целесообразным, это будет от­мечаться особо.

При измерениях перечисленных энергетических величин преимуществен­ное распространение получили прямые измерения, выполняемые методом непосредственной оценки.

Напомним, что прямым называется измерение, при котором искомое зна­чение величины находят непосредственно из опытных данных. Методом непо­средственной оценки значение величины определяется непосредственно по показывающему средству измерений.

Шкалы этих СИ, как правило, проградуированы в ваттах или джоулях, ли­бо в кратных или дольных им (что значительно чаще) единицах, т. е. в милли-или микроваттах (милли- или микроджоулях). В последнее время в связи с ак­тивизацией измерений параметров сверхслабого лазерного излучения шкалы СИ расширяются до нано- и даже пикоуровней мощности и энергии.

Помимо приведенных величин, которыми чаще всего интересуются при решении измерительных задач, нередко требуется количественно оценить нестабильности излучательных параметров и характеристик непрерывных и импульсных лазеров. С целью упорядочения понятий и терминов в [86] приведен ряд символов и определений.

Средневременная относительная флуктуация мощности в течение 1 мин при доверительном уровне 95% обозначается через Δ Ρ ι [Вт], а долговремен­ная при тех же условиях, но в течение 60 мин — через . Через  обозначены мощности, усредненные соответственно в течение временных интервалов 0, 01 с для t2 и 1 с для t2, а через  — средние мощности, полученные при оговоренных производителем лазера условиях путем усреднения соответственно в течение средневременного интервала t1 = 1 мин и долговременного интервала t2 = 60 мин. Наконец, через  обо­значается относительная флуктуация энергии излучения импульсного лазера при доверительном уровне 95 %.

Лазерные ваттметры и джоульметры как типовые РСИ описаны в седьмой главе. Ни структурные схемы, ни основные компоненты этих РСИ не претер­пели принципиальных изменений за последние два десятилетия. Усилия раз­работчиков и производителей РСИ мощности и энергии лазерного излучения были направлены преимущественно на совершенствование конструкций приборов, расширение диапазонов измеряемых величин, а также спектральных диапазонов работы РСИ. Разумеется, не менее серьезное внимание уделялось повышению точности практических измерений Ρ и Q.

В СИ рассматриваемой подгруппы нормируется ряд параметров и ха­рактеристик. Приведем несколько необходимых для дальнейшего изложения материала понятий и определений [26].

Коэффициент преобразования измерительного преобразователя (в данном случае ОЭИП) есть отношение изменения сигнала на его выходе, отображающего измеряемую величину, к вызывающему его изменению сигнала на входе. Заметим, что применительно к измерительному прибору эта характеристика называется чувствительностью. Для измерительных преоб­разователей энергетических параметров лазерного излучения коэффициент преобразования К_пр — это отношение сигнала на выходе преобразователя к вызывающей его мощности или энергии на входе. В частности, например, для калориметрических преобразователей энергии лазерного излучения , где  — значение ЭДС на выходе преобразователя; Q — энергия излучения на входе преобразователя.

Использование для этого параметра термина «коэффициент преобразо­вания» предполагает его постоянство во всей рабочей области значений ин­формативного и неинформативных параметров входного сигнала. Однако в технике измерений энергетических параметров лазерного излучения часто применяют измерительные преобразователи, у которых коэффициент преоб­разования не является постоянным, а изменяется в зависимости от параметров входного сигнала и связан с ними функциональными зависимостями. При этом чаще всего нормируют следующие характеристики: зависимость К_пр от значения измеряемой величины (характеристика преобразования), от длины волны измеряемого излучения (спектральная характеристика), от распреде­ления плотности измеряемой величины по сечению пучка излучения (зонная характеристика).

Диапазон измерений. Пределы измерений. Диапазон измерений — это область значений измеряемой величины, для которой нормированы до­пустимые погрешности СИ. Наибольшее и наименьшее значения диапазона измерений определяют пределы измерений.

Диапазон длин волн — это интервал длин волн измеряемого излучения, для которого нормированы допустимые погрешности СИ.

Размеры входного окна. Предельные значения размеров пучка. Нормируют один или оба эти параметра. Размеры входного окна у СИ раз­ных типов составляют от нескольких миллиметров до сотен миллиметров. Форма входного окна чаще всего круглая, но бывают СИ с прямоугольными и квадратными окнами. Значение максимального размера пучка измеряемого излучения обычно ограничено размером входного окна; иногда для согласо­вания размеров пучка и входного окна применяют трансформаторы пучка.

Иногда для СИ энергетических параметров нормируют номинальное зна­чение размеров пучка измеряемого лазерного излучения, т. е. такое, для кото­рого нормировано значение основной погрешности.

Максимально допустимое значение локальной плотности изме­ряемой величины на входе СИ. Для разных видов СИ энергетических параметров лазерного излучения обычно нормируют следующие параметры: для СИ мощности и средней мощности — максимально допустимое значение локальной плотности средней мощности на входе СИ; для СИ энергии одиноч­ных импульсов и СИ пиковой и средней мощности импульса — максимально допустимое значение локальной плотности энергии излучения и длительность импульса или максимально допустимое значение локальной плотности пико­вой мощности импульса лазерного излучения.

Максимально допустимые значения локальной плотности мощности и энергии на входе СИ разных типов и назначений могут сильно отличаться и зависят от механических, оптических и теплофизических свойств вещества приемного элемента и конструкции ОЭИП. Способность выдерживать максимально допустимые значения локальной плотности мощности и энергии нередко именуют лучевой стойкостью ОИП или ОЭИП.

Основная погрешность. Дополнительные погрешности. Для СИ энергетических параметров лазерного излучения обычно нормируют следую­щие характеристики погрешности: предел допустимой основной погрешности, т. е. погрешности СИ в нормальных условиях применения х) (или отдель­но предел допустимой систематической составляющей и предел допустимого среднего квадратического отклонения случайной составляющей основной по­грешности), и пределы допустимых дополнительных погрешностей, т. е. изме­нений погрешности, обусловленных изменением влияющих величин в преде­лах рабочей области их значений. В зависимости от вида влияющих величин различают следующие дополнительные погрешности: из-за изменения темпе­ратуры окружающего воздуха, напряжения и частоты питающей сети и др.

Примечание. В международном стандарте [86] введены следующие точностные характеристики и параметры выходных сигналов:

· m — отсчет по шкале аналогового прибора или на дисплее цифрово­го СИ;

·  — среднее значение из серии отсчетов;

· s — стандартное отклонение результата измерений;

· -относительная неопределенность калибровочного коэффициен­та при доверительном уровне 95 %;

· — относительная неопределенность результата измерений при до­верительном уровне 95 %.

Замена общепризнанного в русскоязычной литературе термина «погреш­ность» термином «неопределенность» (uncertainty) не меняет существа дела. Однако в связи с «привязкой» к международным стандартам приходится принимать во внимание этот терминологический дуализм.

Время установления показаний. Под временем установления пока­заний понимают интервал времени с момента подачи измеряемого сигнала на вход СИ до того момента, когда разность между показанием отсчетного устройства (в измерительном приборе) или сигналом с выхода измерительного преобразователя и его установившимся значением окажется меньше норми­рованного. Время установления показаний нормируют для СИ, у которых отсчитывают установившееся значение выходного сигнала. У СИ энергии, в которых отсчитывается максимальное значение выходного сигнала, норми­руют время достижения максимального показания (в измерительных прибо­рах) или максимального значения выходного сигнала измерительного преобразователя. Важным параметром СИ энергии является также минимальный интервал времени между двумя последовательными измерениями на одном уровне энергии.

Условия применения СИ, при которых влияющие величины находятся в допускаемых пределах.

Перечисленные характеристики являются наиболее общими. Они свой­ственны СИ энергетических параметров лазерного излучения различных ти­пов. В то же время каждому типу этих СИ могут быть присущи свои, только им свойственные характеристики. Например, приборы тепловой группы (ка­лориметры, болометры, пироэлектрические преобразователи) могут характе­ризоваться коэффициентом преобразования энергии или мощности электри­ческого тока, коэффициентом эквивалентности замещения и т. п.

СИ средней мощности и энергии можно классифицировать, прежде всего, по виду измеряемой величины (мощность или энергия). Нередко создаются комбинированные СИ для измерений нескольких энергетических величин (на­пример, СИ средней мощности и энергии). Иногда эту классификацию допол­няют характеристикой уровня измеряемой величины: СИ больших, средних или малых уровней мощности или энергии.

В классификации рассматриваемых СИ часто находят отражение:

· заложенные в них физические принципы преобразования; в этом случае в названии прибора могут добавляться слова: калориметрический, фотоэлек­трический, пондеромоторный, пироэлектрический, болометрический, термо­электрический и т. д., например, калориметрическое СИ средней мощности лазерного излучения или фотоэлектрическое СИ мощности лазерного излу­чения;

· основные конструктивные признаки, например широкоапертурный, ва­куумный, графитовый, полупроводниковый, проходной, сферический, дис­ковый;.

· режим работы, например проточный, глубокоохлаждаемый, сверхпро­водящий, изотермический (например, глубокоохлаждаемый полупроводнико­вый болометрический прибор);

· рабочий участок спектрального диапазона, например СИ мощности лазерного излучения ИК диапазона;

· вид отсчетного устройства, например цифровой, регистрирующий, са­мопишущий, стрелочный прибор.

Очевидно, что лазерные ваттметры и джоульметры становятся РСИ толь­ко после их градуировки или калибровки, для чего необходима система ОЕИ мощности и энергии лазерногоизлучения, основу которой составляет соответ­ствующая эталонная база. Рассмотрим подробнее российскую систему ОЕИ.

⇐ Предыдущая56575859606162636465Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: