18.2. Серийные рабочие средства измерений

пространственно-энергетических параметров

и характеристик лазерного излучения

Современное «идеальное» РСИ пространственно-энергетических парамет­ров и характеристик лазерного излучения, часто в литературе именуемое СИ профиля пучка, должно удовлетворять большой совокупности технических и метрологических требований [90]:

· одновременно измерять все параметры пучка, характеризующие его профиль в целом;

· измерять параметры пучков, как непрерывных, так и импульсных лазе­ров;

· измерять во всем диапазоне длин волн лазерного излучения;

· обеспечивать пространственную разрешающую способность порядка 1 мкм, при измерении распределения интенсивности в фокальном пятне;

· активная площадь приемной поверхности чувствительного элемента ОЭИП должна достигать ~ 6 см2, чтобы «перехватывать» поперечные сече­ния пучков большинства типов коммерческих лазеров;

· обеспечивать измерения с высокой точностью в широком диапазоне интенсивностей лазерного излучения;

· быть недорогим, надежным, простым в обращении, компактным, пор­тативным прибором и иметь несложное устройство ввода и восприятия изме­ряемого пучка;

· содержать компоненты регистрации и хранения измерительной инфор­мации, обеспечивающие отображение результатов на дисплее, запоминание и цифровую обработку данных, распечатку результатов измерений;

· гарантировать совместимость со всеми типами современных компью­теров, а также с различными ОЭИП, работающими в широких диапазонах интенсивностей, длин волн и длительностей импульсов;

· обеспечивать измерения в реальном масштабе времени.

Ни одно из современных типов измерительных устройств, часто имену­емых в литературе пространственно-временными анализаторами, не удовле­творяет совокупности перечисленных требований. Каждое из них имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому и производители приборов, и исследова­тели-разработчики лазеров и лазерных устройств отдают предпочтение тому или иному типу РСИ, которое либо собирают в лабораториях из отдельных элементов с ограниченными функциями, либо стараются создать и выпустить на рынок по возможности многофункциональный анализатор, предельно при­ближенный к «идеальному» РСИ.

Нередко выбираемые пользователями лазеров пути построения РСИ про­странственно-энергетических характеристик ориентированы на альтернатив­ные способы измерений поперечных размеров пучка лазерного излучения, описанные в 18. 1. 8. Однако наиболее современные анализаторы, серийно вы­пускаемые рядом ведущих фирм, базируются на стандартизованном [88] спо­собе измерений, в основу которого положено определение моментов распреде­ления плотности мощности (энергии) в поперечном сечении пучка. Опишем кратко подходы к созданию как нестандартизованных, так и стандартизован­ных РСИ.

Анализаторы профиля пучка с механическими сканирующими устройствами на основе точечной диафрагмы (пинхола), щели или острого края имеют в качестве существенного достоинства возможность измерения распределения плотности интенсивности в сфокусированных пучках с мини­мальными поперечными размерами до 1 мкм. К их недостаткам следует отне­сти сканирование лишь вдоль одной линии в сечении пучка и минимальный объем численных данных. Более того, приборы этого типа ввиду ограничен­ной скорости механического сканирования могут анализировать пучки лишь непрерывных лазеров.

Устройства измерения М2 обеспечивают получение количественной информации о качестве пучка, что позволяет пользователю заранее получить представление о параметрах и характеристиках сфокусированного лазерного излучения. Это особенно важно знать при использовании технологических лазеров. Однако подобные измерительные устройства полезны лишь при ра­боте с непрерывными лазерами и поставляют мало информации о пучках с равномерным распределением интенсивности в поперечном сечении, т. е. эффективность использования критерия М2 в данном случае велика только в ситуациях, когда распределение интенсивности в сечении пучка хотя бы приблизительно совпадает с гауссовым.

Устройство с ОЭИП в виде линейки чувствительных элемен­тов (пикселей) позволяет сканировать сечение пучка путем выполняемого мультиплексором их последовательного опроса. Элементами линейки обычно служат кремниевые фотодиоды или пироэлектрические приемники излуче­ния. В первом случае разрешающая способность и общая длина линейки составляют обычно 25 мкм и « 25 мм, соответственно, а во втором — 100 мкм и » 50 мм.

Достоинством ОЭИП этого типа является интегрирование выходных сиг­налов элементов за весь период одного цикла сканирования, что позволяет измерять распределение интенсивности в одиночном импульсе излучения. Кроме того, анализаторы подобного типа снабжаются механическим устрой­ством, перемещающим линейку в плоскости сечения пучка перпендикулярно его оси в то время, как производится измерение в направлении вдоль линейки. Таким образом появляется возможность определения распределения плотно­сти интенсивности излучения во всем сечении пучка. Это устройство лучше работает в непрерывных пучках, но может быть использовано и для измерений в пучках импульсного излучения, но при условии стабильности распределения в течение промежутка времени, необходимого для завершения полного цикла перемещения линейки.

Устройство с матричным пироэлектрическим ОЭИП позволяет производить двухкоординатное измерение профиля пучка как непрерывного, так и импульсного излучения. Очевидным преимуществом ОЭИП с пироэлек­трическими элементами (в отличие от кремниевых фотодиодов) является его слабая селективность в широком спектральном диапазоне от ультрафиолето­вого излучения до субмиллиметровых длин волн. Кроме того, рабочий диапа­зон пироэлектрических элементов равен 104 мкм, а кремниевых фотодиодов — всего 300 мкм. Эти ОЭИП могут «перехватывать» пучки с поперечными размерами 25 χ 25 мм2 и даже до 50 х 50 мм2. Кроме того, выходные сигналы матриц (впрочем, как и линеек) легко обрабатываются современными компью­терами, что является несомненным и существенным достоинством подобного прибора. Его главным недостатком следует признать относительно невысокую пространственную разрешающую способность.

Камеры с кремниевыми матричными ОЭИП хорошо совмещаются с компьютерами типа IBM PC, обладают высокой пространственной разре­шающей способностью, пригодны для количественного анализа и наглядного отображения на экране дисплея профиля пучка непрерывного или импульс­ного лазера.

Автономная измерительная установка позволяет производить пол­ное диагностирование пучка излучения, причем некоторые фирмы считают целесообразным отказаться от совмещения измерительного устройства с се­рийным персональным компьютером, а предпочитают базировать установку на микропроцессорах. Это позволяет не только повысить быстродействие системы цифровой обработки данных, но и сделать прибор малогабаритным, легким, транспортабельным, пригодным для измерений в полевых услови­ях. Вместе с тем, использование интерфейсов типа RS-232 С или IEEE-488 (GPIB) обеспечивает при необходимости возможность стыковки установки с персональным компьютером для последующего хранения данных, их до­полнительной обработки или использования в системах управления и кон­троля. Обычно такая установка имеет интерфейс для стыковки с серийными камерами, в которых в качестве ОЭИП используются: матрицы на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС — матрицы) или приборов с интегрирова­нием заряда, видиконы с чувствительными элементами из сульфида свинца, пироэлектрические видиконы и пр. Несмотря на разнообразие типов приме­няемых дисплеев, все они, как правило, дают цветное изображение двух- или трехмерного профиля пучка с распределением интенсивности в любом его сечении плоскостью X-Y. Обычно на экране дисплея отображаются в цифре ряд параметров пучка: местоположение в пространстве декартовой системы координат, размеры сечения пучка, координаты центра тяжести, суммарная мощность или энергия, угол расходимости, степень приближения (или отли­чия) к гауссову профилю или к равномерному распределению интенсивности в поперечном сечении пучка и т. д. Современные анализаторы позволяют также измерять ширину пучка с эллиптическим сечением. Они могут работать с импульсно-модулированными пучками в реальном масштабе времени при частотах повторения импульсов 1 Гц и более.

Многокамерные измерительные установки позволяют проводить измерения параметров пучка одновременно в 10-20 сечениях или же такого же количества пучков различных лазеров, причем все измерительные устрой­ства такой установки управляются главной ЭВМ. Подобные установки весьма полезны при управлении технологическими процессами или одновременном контроле и юстировке нескольких оптических объектов.

Не останавливаясь далее на более детальном описании устройств, реализу­ющих рассмотренные подходы, приведем в качестве примера данные, относя­щиеся к одной из наиболее современных и совершенных, достаточно универ­сальных измерительных установок фирмы SPIRICON (США) [91]. В табл. 18. 1 приведены основные сведения о видеокамерах, воспроизводящих изображение профиля пучка и выполняющих первичное преобразование входных оптиче­ских сигналов в выходные электрические, поступающие далее в цифровые процессоры.

Весьма перспективной из числа приведенных в табл. 18. 1 камер следует признать камеру PYROCAM 1124 χ 124, модель Ρ Υ 128 х 128-100. Эта камера позволяет:

· быстро и легко юстировать лазерное устройство вместе с оптической системой;

· отображать в реальном масштабе времени профиль пучка в двух и трех координатах;

· менять углы ее наклона и поворота для отображения трехмерного про­филя;

· анализировать пучки излучения непрерывных и импульсных лазеров;

· выполнять измерения с высокой разрешающей способностью во всем ИК диапазоне спектра;

· производить с высокой точностью измерения: ширины пучка, координат центра тяжести его сечения, уровня максимальной относительной плотности интенсивности излучения и его координат, суммарной относительной плотно­сти интенсивности;

· воспринимать в 106 раз большую интенсивность, чем камеры с ПЗС-мат-рицами;

· наблюдать в реальном масштабе времени за изменениями модового состава пучка;

· выполнять измерения параметров профиля пучка излучения лазеров следующих типов: эксимерного, Nd: YAG, гольмиевого, Er-YAG, оптических параметрических генераторов света, HF/DF лазеров, СО- и СОг лазеров, а также любых других лазеров, генерирующих в ИК и УФ диапазонах спектра;

· увеличить эффективность, надежность и точность лазерных систем.

При измерениях профиля пучка непрерывного лазера используется опти­ческий модулятор с частотой прерывания 24 или 48 Гц. Чувствительность ОЭИП при этом составляет 220 (24 Гц) и 320 (48 Гц) нВт/пиксель или же, соответственно, 2, 2 (24 Гц) и 3, 2 (48 Гц) мВт/см2. Для электронной схемы, работающей в режиме интегрирования, NEP = 45 нВт/Гц1/2/пиксель (1 Гц). Плотность мощности насыщения 2, 2 (24 Гц) и 3, 2 (48 Гц) Вт/см2. Для матрицы в целом лучевая стойкость не превышает 2 Вт или 8 Вт/см2.

При измерениях профиля пучка импульсных лазеров камера может рабо­тать при частотах повторения импульсов от одиночного импульса до 105 Гц; однако существует модификация, позволяющая выполнять измерения при частотах от 100 до 1000 Гц. Диапазон длительностей импульса простирается от 1 фс до 4 мс, чувствительность равна 7 нДж/пиксель или 70 мкДж/см2, плотность энергии насыщения 10 мДж/см2, а лучевая стойкость (порог раз­рушения) зависит от длительности импульса: 20 мДж/см2, при г„ = 1 не, и 600 мДж/см2, при т„ = 1 мкс.

 

Таблица 18. 1. Видеокамеры в измерительной установке фирмы SPIRICON, 1пс [91]

	одель	Кремниевые ПЗС-матрицы, λ =0, 19-1, 1 мкм
Μ		SPIRICON Thin Cam	SPIRICON FTS-170	COHU 4800	COHU 6400	COHU 6700	COHU 4913 4915	PULNIX Τ Μ -6	PULMIX Τ Μ -745Ε	PULNIX Τ Μ -765Ε
Число элементов		752 χ 582	754 χ 487	754 χ 488	739 χ 484	699 χ 576	768 χ 494	768 χ 482	768 χ 493	756 χ 581
Габаритные размеры элемента, мкм2		6, 5 Χ 6, 85	8, 7 Χ 9. 8	11, 5 χ 13, 5	8, 5 χ 9, 9	9, 2 χ 8, 3	8, 4 χ 9, 8	8, 4 χ 9, 3	11 χ 13	11 χ 11
Активная площадь, мм2		4, 9 Χ 3, 6	6. 6 Χ 4, 8	8, 7 χ 6, 6	6, 3 χ 4, 8	6, 5 χ 4, 8	6, 5 χ 4, 8	6. 5 χ 4, 8	8, 5 χ 6. 4	8, 3 χ 6, 4
Предельный диаметр пучка, мм			4, 7	6, 4	4, 7	3, 9	4, 7	4, 7	6, 2	5, 2
Тип ОЭИП		Кремн. ПЗС	Кремн. ПЗС	Кремн. ПЗС	Кремн. ПЗС	Кремн. ПЗС	Кремн. ПЗС	Кремн. ПЗС	Кремн. ПЗС	Кремн. ПЗС
Рабочий диапазон длин волн, мкм		0, 19-1, 10	0, 19-1, 10	0, 19-1, 10	0, 19-1, 10	0, 19-1, 10	0, 19-1, 10	0, 19-1, 10	0, 19-1, 10	0, 19-1, 10
Непре­рывный режим	Облученность всей активной площади, мкВт/см2	0, 40	0, 50	0, 20	0, 25	0, 19	0, 30	0, 30	0, 30	0, 30
	Отношение С/Ш, дБ
Импульс­ный режим	Облученность всей активной площади, мкДж/см2
	Максимальная частота повто­рения, Гц
Размеры, мм3		133 Χ 50 χ χ 25, 4	50, 8 χ χ 43, 2 χ χ 140, 0	69, 0 χ χ 58, 4 χ χ 140, 0	45, 7 χ χ 38, 1 χ Χ 50, 8	45, 7 χ χ 38, 1 χ Χ 50, 8	66, 0 χ χ 63, 5 χ Χ 160, 0	45, 7 χ Χ 45, 7 Χ Χ 76, 2	33, 0 Χ χ 43, 2 Χ χ 119, 0	33, 0 Χ χ 43, 2 Χ χ 119, 0
Масса, кг		0, 227	0, 346	0, 440	0, 113	0, 113		0, 170	0, 190	0, 190

 

	1одель	Малошумящие с высоким разрешением, Λ = 0, 19-1, 1 мкм						Камеры для ближнего И К диапазона Λ = 0, 4-2, 3 мкм			Пироэлектр. твердотельная для λ = 0, 1-400 мкм
		PULNIX ТМ-1300	PULNIX ТМ-1001	SMD-IM15	DVC-10	DVC-1300	SPICON PY-128 X X 128 X X 100Si	SU-128	SU-320	7290 Α 7290 Α -06	SPIRICON PY-128 X 128-100-(PYROCAMI)
Число элементов		1300 X X 1030	1024 χ X 1024	1024 X X 1024	755 X 484	1300 X X 1030	124 χ 124	128 X 120	308 Χ 236		124 X 124
Габаритные размеры элемента, мкм2		6, 7 X 6, 7	9x9	14 χ 14	9, 87 X X 9, 87	6, 7 X 6, 7	100 χ 100	60 χ 60	40 Χ 40	19, 5 χ 19, 5	100 X 100
Активная площадь, мм		6, 8 X 6, 8	9, 2 X 9, 2	14, 3x14, 3	6, 4 χ 4, 7	6, 8 X 6, 8	12, 4 χ 12, 4	7, 7 X 7, 2	12, 3X9, 4	12, 7 Χ 9, 5	12, 4 X 12, 4
Предельный диаметр пучка, мм		6, 9	9, 1	14, 3	4, 7	6, 9	12, 4	7, 2	9, 4	9, 0	12, 4
Тип ОЭИП		Кремн. ПЗС	Кремн. ПЗС	Кремн. ПЗС	Кремн. ПЗС	Кремн. ПЗС	Кремн. МОП-структура	In Ga As	In Ga As	In Ga As	PbO-PbS
Рабочий диапазон длин волн, мкм		0, 19-1, 10	0, 19-1, 10	0, 19-1, 10	0, 19-1, 10	0, 19-1, 10	0, 40-1, 10	0, 90-1, 70	0, 90-1, 70	0, 40-1, 80; 0, 40-2, 20	0, 19-0, 37; 1, 04-400
Непре­рывный резким	Облученность всей активной площади, мкВт/см2	0, 60		0, 30	0, 60		0, 30	0, 8	1, 3	5(λ = =и 1, 5 мкм) 50 (λ = = 1, 8 мкм) 100 (λ = = 2, 2 мкм)	3, 2
	Отношение С/Ш, дБ
Импульс­ный режим	Облученность всей активной площади, мкДж/см3									83 (λ = = 1, 5 мкм) 830 (λ = = 1, 8 мкм) 1660 (λ = = 2, 2 мкм)
	Максимальная частота повто­рения, Гц
Размеры, мм3		50, 8 X X 66, 0 X X 162, 6	56, 0 χ X 43, 2 X X 150, 0	94, 0 X X 94, 0 X X 107, 0	94, 0 X X 119, 0 X X 63, 5	107, 0 χ X 117, 0 X X 63, 5	102, 0 X X 102, 0 X X 178, 0	107, 0 Χ χ 107, 0 χ χ 157, 5	107, 0 χ χ 107, 0 Χ χ 157, 5	89, 0 χ Χ 134, 6 χ Χ 290, 0	101, 6 X 114, 3 X X 177, 8
Масса, кг		0, 482	0, 340	0, 850	0, 454	0, 227	1, 474

 

На основе любой из этих камер фирмой SPIRICON, Inc. предлагается скомпоновать анализатор профиля пучка (именуемый изготовителем анализа­тором распространения пучка) модели М2-200, работающий в автоматическом или ручном режиме измерения. Для компоновки автоматически работающей установки необходимы:

· ПЗС или любая другая камера из табл. 18. 1;

· оптический ослабитель пучка;

· отклоняющие зеркала для юстировки;

· персональный компьютер.

· Для компоновки установки, работающей в ручном режиме, дополнительно необходимо иметь фокусирующую оптику и оптическую скамью.

· Анализатор имеет следующие технические и метрологические характери­стики:

· диапазон длин волн:

· в автоматическом режиме — 0, 4-1, 1 мкм;

· в ручном режиме — в зависимости от оптики и типа камеры;

· ширина пучка:

· в автоматическом режиме — 1, 0-10, 0 мм;

· в ручном режиме — в зависимости от оптики и типа камеры;

· измеряемые параметры, выводимые на дисплей в цифровом виде: ; астигматизм, коэффициент асимметрии пучка;

· типичные значения погрешности: ± 5 % для всех измеряемых параметров за исключением zqx, zoy, погрешность определения которых равна ± 10%;

· габариты 28 х 14 χ 82 см3, масса 6 кг, питание 120/240 В, 50/60 Гц, 26 Вт.

Этой же фирмой в 1998 г. рекламировалась модель LBA-300 PC с несколько более широкими возможностями, чем М2-200, благодаря использованному в приборе запатентованному изготовителем алгоритму автокалибровки каме­ры Ultracal и наличию перефокусаторов изображения сцены. В остальном этот анализатор не имеет принципиальных отличий от М2-200 и поэтому здесь не описывается.

⇐ Предыдущая62636465666768697071Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: