17.6. Методика выполнения измерений серийными рабочими средствами измерений мощности и энергии лазерного излучения

Рассмотрим подробно стандартизованную методику выполнения измере­ний (МВИ) [86]. Она состоит из четырех разделов: выбора и соединения в функциональную схему СИ и вспомогательных устройств; измерения; об­работки сигналов и оценки результатов измерений; оформления протокола измерений.

Особо следует отметить настойчивую рекомендацию такого авторитетно­го органа, как ИСО, оценивать результаты даже технических измерений не погрешностью, а неопределенностью, что и продемонстрировано в настоящем параграфе.

17. 6. 1. Функциональная схема, измерительная аппаратура и вспомогательные устройства. При подготовке к выполнению измере­ний, прежде всего, следует убедиться в коаксиальное™ лазерного пучка и оптической оси измерительной установки. Далее необходимо выбрать оптическую систему с таким диаметром поперечного сечения, который был бы согласован с внешним диаметром поперечного сечения пучка и при этом потери мощности за счет дифракции и частичного непопадания излучения на приемную площадку ОЭИП не увеличивали бы основную погрешность результата более чем на 10% от нормируемого значения. Юстировка оптического тракта в случае некоторой первоначальной некоаксиальности осей осуществляется с помощью юстировочного лазера и направляющих зеркал. Затем при необходимости в оптический тракт вводятся ослабители и формирователи пучка. При этом их геометрические центры должны совпадать с оптической осью. С особенной тщательностью нужно исключать возможность появления систематических погрешностей, потенциальными источниками которых служат отраженные пучки, внешние засветки, тепловое излучение и конвективные воздушные потоки.

По окончании описанной предварительной подготовки следует убедить­ся в том, что измеряемый поток лазерного излучения достигает приемной поверхности ОЭИП. С этой целью перед каждым оптическим компонентом в оптический тракт поочередно вводятся диафрагмы с отверстиями разных диаметров. Размеры отверстий следует сокращать до тех пор, пока умень­шение выходного сигнала не составит 5 %. Отверстие последней диафрагмы должно иметь диаметр по крайней мере на 20 % меньший размера апертуры оптического компонента.

Далее следует организовать защиту измерительной установки от влияний окружающей среды или, по крайней мере, их ослабление и компенсацию возникающих дополнительных погрешностей. Желательно прежде всего осу­ществить механическую и акустическую изоляцию установки, экранировать ее от внешних электромагнитных полей, стабилизировать по возможности температуру в лаборатории, выбрать малошумящие усилители. Все эти меры должны гарантировать увеличение нормируемой основной погрешности не более чем на 10 %. В этом можно убедиться, производя измерения по описы­ваемой далее методике, но с перекрытым пучком лазерного излучения, т. е. исключив его попадание в ОЭИП. При этом полученный отсчет не должен превышать 10 % от показаний прибора при воздействии на ОЭИП измеряемого пучка.

Выбираемый для измерений серийный ваттметр или джоульметр должен быть поверен или калиброван. В процессе этих операций, о которых рассказано ранее, минимизируются составляющие основной погрешности РСИ, порожда­емые селективностью ОЭИП, нелинейностью его характеристики преобразо­вания (т. е. зависимостью Кпр от измеряемой величины), неравномерностью Кпр по активной площади приемной поверхности ОЭИП, именуемой зонной характеристикой. О наличии калибровки или поверки РСИ свидетельствует сертификат производителя.

Далее необходимо убедиться в том, что ширина полосы электрических частот ОЭИП соответствует форме импульса лазерного излучения, т. е. быст­родействие РСИ позволяет измерять временные параметры импульсов соот­ветствующей длительности.

Это означает, что верхняя граничная частота f_D РСИ, соответствующая спаду его частотной характеристики на 6 дБ, должна подчиняться неравен­ству

                                                (17. 51)

где  — время нарастания лазерного импульса [86].

Нижняя граничная частота должна равняться нулю. При этом не следует забывать о лучевой стойкости не только ОЭИП, но и всех введенных в тракт оптических элементов.

В случае, если площадь поперечного сечения пучка превышает активную площадь приемной поверхности ОЭИП, необходимо использовать согласую­щую оптическую систему, проецирующую изображение сечения пучка на чув­ствительный элемент оптоэлектрического измерительного преобразователя.

Оптические элементы должны соответствовать диапазону длин волн, а по­тери на отражение и поглощение следует определить и результаты учесть при выполнении всех измерений. Необходимо также принимать во внимание и оце­нивать влияние на результаты измерений состояния поляризации лазерного пучка.

При превышении измеряемой величиной верхнего предела измерений РСИ или допустимой лучевой стойкости элементов оптического тракта в него необ­ходимо ввести ослабитель, также используя калибровку для минимизации погрешностей, вносимых спектральной, поляризационной, угловой зависи­мостями коэффициента деления излучения, а также нелинейностью и ЗХ ослабителя.

17. 6. 2. Измерения. При отсутствии специальных указаний желатель­но выполнить измерения требуемой величины 10 раз, в том числе и измерений с оценкой влияний окружающей среды. Перед началом измерений лазер сле­дует прогреть по крайней мере в течение часа (если нет иных рекомендаций в технической документации на лазер) для достижения теплового равновесия. Все измерения должны выполняться в эксплуатационных условиях, оговорен­ных производителем лазера.

Измерение мощности Ρ непрерывного лазера следует выполнять калиброванным ваттметром, дополненным при необходимости калиброван­ным ослабителем.

Измерение стабильности Р. При определении средневременной неста­бильности Δ Ρ 1 период измерений равен 1 мин, причем отсчеты выполняются с интервалами 0, 01 с. Постоянная времени СИ должна быть (  1/300) с. Регистрируются максимальные и минимальные отсчеты.

Примечание. В стандарте [86] использован термин «стабильность», хотя правильнее вести речь о нестабильности Р. Однако в дальнейшем мы не будем отступать от стандартизованной терминологии.

Измерение импульсной энергии Q. Измерение энергии одиночного импульса следует выполнять калиброванным джоульметром, дополненным при необходимости калиброванным ослабителем.

Измерение стабильности Q. В этом случае следует повторить измере­ние Q только что описанным способом для последовательности, если возмож­но, из 100 импульсов. Регистрации подлежат максимальные и минимальные отсчеты.

Измерения формы импульса, его длительности  и времени нарастания  производятся так же, как для Ρ и Q, но при непременном соблюдении условия (17. 51). Определение Ррк выполняется одновременно с из­мерением Q. Чтобы убедиться в стабильности длительности импульса, нужно произвести 100 отсчетов и зарегистрировать максимальные и минимальные значения.

Измерения частоты повторения f_р импульсов осуществляются часто­томером. Наблюдение формы импульса удобнее всего производить с помощью осциллоскопа. По измеренному значению f_р можно вычислить период повто­рения импульсов

                                                    (17. 52)

Обработка сигналов и оценка результатов измерений. Стандартное отклонение s равно

                                                 (17. 53)

гдеn — число отсчетов mi;

---днее значение.                           (17. 54)

Относительная неопределенность  калибровочного коэффициента при доверительном уровне 95 % определяется по относительной неопределен­ности  калибровочного коэффициента ОЭИП, относительной неопре­деленности  калибровочного коэффициента ослабителя и относи­тельной неопределенности  электронной схемы:

                           (17. 55)

Мощность Ρ непрерывных лазеров. Сначала по результатам серии из 10 отсчетов значения Ρ вычисляется . Затем определяется относительная неопределенность  результата измерений:

                                      (17. 56)

Стабильность Р. Для средневременного и долговременного периодов вычисляются средние значения Р₁и P₆₀ стандартные отклонения  и , соответственно. Вычисления для первого периода производятся по серии из 6000 отсчетов, взятых в интервале 1 мин, а для второго периода — по 3600 отсчетам, взятым в интервале 1ч.

Тогда

                                     (17. 57)

И

                                   (17. 58)

Импульсная энергия Q. Сначала по результатам серии из 10 отсчетов значения Q вычисляется . Затем определяется относительная неопределен­ность  результата измерений:

                             (17. 59)

Стабильность Q характеризуется флуктуацией

                                      (17. 60)

Форма импульса, его длительность, время нарастания, пиковая мощность. Регистрация формы импульса P(t), где t — время, позволяет определить следующие параметры: .

· длительность импульса , представляющую собой максимальный ин­тервал времени между двумя точками на временной оси t, в которых мощность достигает значений 0, 5Ррк,

· 10%-ную длительность импульса , представляющую собой макси­мальный интервал времени между двумя точками на временной оси t в ко­торых мощность достигает значений 0, 1Ррк·

Если импульс лазерного излучения состоит из мощного импульса короткой длительности и последующего более длительного импульса меньшей мощно­сти (например, излучение ТЕА-лазера), то необходимо характеризовать оба импульса по  и -

Временем нарастания  (фронта импульса) является интервал на времен­ной оси между точками 0, 1Ррк и 0, 9Ррк-

Формой импульса P(t), отображаемой выходным сигналом ОЭИП U(t), является временная диаграмма мощности выходного излучения лазера:

                                                  (17. 61)

где  и  — пределы интегрирования, за которыми ( ) ; Q — измеренное значение импульсной энергии. Пиковая мощность вычисляется по формуле

                                                    (17. 62)

где  — пиковое (максимальное) значение U(t).

Стабильность длительности импульсов. По результатам 100 отсчетов при измерениях стабильности длительности импульсов вычисляются относи­тельные флуктуации длительности импульсов Δ τ _Η (или ) по средним значениям  (или ) и стандартным отклонениям s_H (или ):

                                             (17. 63)

Частота повторения импульсов. Относительная неопределенность  результата измерений  вычисляется по формуле

                           (17. 64)

где s и — соответственно, стандартное отклонение и относительная неопределенность калибровочного коэффициента частотомера.

Оформление протокола измерений. Протокол измерений должен со­держать, как минимум, следующие данные (разумеется, в зависимости от то­го, какие интегральные параметры и характеристики подлежали измерению).

Общие сведения, включающие:

· тип лазера с указанием производителя;

· активную среду; длину волны (или диапазон), при которых выполнялись измерения; модовый состав излучения (если известен); уровень мощности;

· методику измерений;

· измеряемые параметры;

· дату проведения измерений;

· наименование организации, проводившей измерения;

· фамилию и инициалы оператора; Результаты измерений:

· P, , s;

· —         Δ Ρ (Δ Ρ 1) и/или Δ Ρ 60 максимальное и минимальное значения мощно­сти во время измерений;

· Q, , s

· Δ Q, описание методики выбора отдельных нечередующихся импульсов из последовательности, максимальное и минимальное значения энергии во время измерений;

· , , , Ρ (t) в виде графика временной зависимости мощности от времени, Ρ pk;

· (  и/или ), максимальное и минимальное значения длитель­ности импульса во время измерений;

· f_p , s.

Типовые лазерные ваттметры и джоульметры для выполнения техниче­ских измерений описаны в гл. 7.

 

⇐ Предыдущая60616263646566676869Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: