18.3. Сравнительные исследования точности стандартизованных способов измерений серийными рабочими средствами измерений

При ознакомлении в предыдущих параграфах со стандартизованными спо­собами и средствами измерений пространственно-энергетических параметров и характеристик лазерного излучения возникает естественный вопрос о це­лесообразности использования и применимости каждого из них при решении конкретных измерительных задач. Для ответа на этот вопрос рассмотрим две типичных ситуации: малоинтенсивное излучение обычного лабораторного лазера (например, гелий-неонового) и высокоинтенсивное излучение техноло­гического лазера (например, лазера на углекислом газе). Сравнение различ­ных описанных в стандарте [88] способов для обеих ситуаций позволяет дать полезные рекомендации по выбору методики и измерительной аппаратуры.

Напомним, что все три основных параметра (ширина, угол расходимости и показатель качества), характеризующих пучок распространяющегося в про­странстве лазерного излучения, с теоретической точки зрения базируются на ширине его поперечного сечения. Следовательно, корректное измерение того, что принято считать шириной пучка, поставляет достоверную информацию о его пространственно-энергетических параметрах и характеристиках, имену­емых в дальнейшем обобщающим термином «профиль пучка». Из предыдуще­го материала следует, что существует ряд рекомендуемых [88] подходов к экс­периментальному определению профиля пучка, каждый из которых имеет определенные ограничения, а также обладает достоинствами и недостатками. Поэтому важно сравнить эти подходы и выработать полезные рекомендации пользователю, эксплуатирующему серийные лазерные устройства в условиях лабораторий и в промышленности.

18. 3. 1. Измерения профиля пучка малоинтенсивного лазерного излучения. Наиболее популярны три определения ширины пучка [92]: ста­тистическое, согласно которому ширина пучка определяется по стандартному отклонению нормированного распределения плотности мощности в попереч­ном сечении пучка, и два других, опирающиеся на выделение заданного про­цента суммарной мощности в центральной части сечения, ограниченной либо окружностью, либо симметрично расположенными относительно оси двумя точками.

Первое определение подробно рассмотрено в 18. 1. 1 и 18. 1. 2, а второе и третье — в 18. 1. 8. Статистическое определение строго соответствует лишь параксиальным оптическим системам и пучкам, т. е. оно может быть распро­странено далеко не на все типы лазеров. Второе и третье определения также не универсальны, но удобны при анализе гауссоподобных пучков.

В работе [92] в целях сравнения эффективности различных подходов к определению и способу измерения профиля пучка малоинтенсивного лазер­ного излучения были собраны три модификации измерительной установки, позволившие поставить эксперименты как с гауссоподобными, так и с пучка­ми, ограниченными отверстием диафрагмы.

Все измерения выполнялись в чистом, защищенном от вибраций лабора­торном помещении. Источником излучения мощностью 5 мВт служил He-Ne лазер с полуконфокальным резонатором. Согласно сертификату производи­теля, лазерное излучение содержало только ТЕМОО моду с шириной (диа­метром) перетяжки 800 мкм, а степень его линейной поляризации характери­зовалась отношением ^ 500: 1. Кратковременная нестабильность мощности излучения не превышала ±5%. На рис. 18. 6 изображена оптическая схема части измерительной установки, общей для всех трех модификаций.

Каустика пучка формируется безаберрационной ахроматической линзой АС диаметром 128 мм с фокусным расстоянием f = 1000 мм. Диаметр пучка в плоскости расположения линзы АС равен 2 мм, а расстояние между ней и ла­зером выбрано таким, чтобы сфокусированный пучок имел рэлеевское рассто­яние ~ 750 мм и диаметр перетяжки 780 мкм. При таких геометрических параметрах оптической схемы измерения ширины пучка могли выполняться в сечении с координатой 4, 52 . Для одной из модификаций необходимым оказалось существенное ослабление мощности пучка.

Это достигалось введением в оптическую схему установки четырех призм Р1-Р2· Призмы Р2 и Рз не имели покрытий, т. е. обладали коэффициентом отражения 4 % каждая, в результате чего коэффициент ослабления мощности достигал 600. Призмы Р1 и Р4 имели полированные поверхности с отклонении

Рис. 18. 6. Оптическая схема общей части измерительной установки: Pi, Р-2, Рз, Рл — призмыем от плоской формы не более λ /10 и служили лишь зеркалами. Призмы P1 и Рз имели углы при основании 60°, что позволяло избежать вызванных интерференцией искажений пучка.

 

Измерения преследовали две цели: а) определить параметры профиля пуч­ка при различных его положениях и тем самым оценить согласованность полу­ченных данных; б) измерить углы расходимости пучков путем непосредствен­ного определения их диаметров в фокальном пятне. Оба варианта измерений были реализованы путем введения второй безаберрационной ахроматической линзы после зеркала Μ 1. Она имела диаметр 80 мм и фокусное расстояние 1000 мм. Для диаметра перетяжки 540 мкм рэлеевское расстояние за второй линзой оценивалось значением 360 мм, что позволяло выполнять измерения на расстояниях порядка 8 .

Ограничивавшие диаметр пучка диафрагмы с отверстиями располагались между лазером и зеркалом М1.

Измерения профилей гауссоподобных пучков. Сначала была вы­полнена серия измерений без введенной в оптический тракт диафрагмы. Срав­нивались результаты, полученные тремя способами: дифференциальным спо­собом острого края, с помощью камеры COHU и программного обеспечения SPIRICON (см. 18. 1. 2) и с использованием ПЗС-камеры ASTROMED. Все измерения выполнялись в зоне каустики лазера, причем для сравнения трех способов (острого края, выделения 86, 5 % суммарной мощности пучка, стати­стического по двойному стандартному отклонению функции распределения плотности мощности) использовались результаты либо прямых измерений, либо те же результаты, но с применением соответствующего алгоритма вычис­лений, в том числе с элементами виртуального смещения острого края перед матрицей чувствительных элементов камеры.

В табл. 18. 2 представлены обработанные результаты измерений и вычисле­ний, полученные в ходе эксперимента способом острого края. Экран с острым краем вместе с ОЭИП перемещался вдоль направления распространения пуч­ка на расстояние 3240 мм, а измерения выполнялись через каждые 100 мм вне зоны перетяжки и через каждые 20 мм в зоне ее расположения. В каждом сечении измерение повторялось 5 раз. В итоге стандартное отклонение результатов измерений в разных сечениях не превысило 0, 4%.

 

Таблица 18. 2. Сопоставление данных, полученных способом острого края
Измерения способом острого края	Острый край	Момент второго порядка	86, 5 % мощности
Местоположение перетяжки, мм
Диаметр перетяжки, мкм	770, 8		797, 4
Угол расходимости, мрад — параболическая аппроксимация — гиперболическая аппроксимация	1, 062 1, 064	1, 064 1, 067	1, 041 1, 041
Коэффициент К — параболическая аппроксимация — гиперболическая аппроксимация	0, 984 0, 982	0, 980 0, 977	0, 971 0, 968

Вторая строка табл. 18. 2 свидетельствует о том, что расхождение между данными сертификата и результатами измерений способом острого края не превышает 2 % для трех вычисленных значений диаметра перетяжки.

Измерения с помощью камеры COHU и программного обеспечения SPIRICON не давали возможности определения профиля пучка с использо­ванием моментов второго порядка.

Поэтому в табл. 18. 3 приведены обработанные результаты измерений с ис­пользованием лишь двух алгоритмов вычислений.

 

Таблица 18. 3. Сопоставление данных, полученных с помощью камеры COHU

Измерения с камерой COHU	Острый край	86, 5 % мощности
Местоположение перетяжки, мм
Диаметр перетяжки, мкм		802, 9
Угол расходимости, мрад — параболическая аппроксимация — гиперболическая аппроксимация	1, 031 1, 04	1, 017 1, 028
Коэффициент К — параболическая аппроксимация — гиперболическая аппроксимация	0, 985 0, 977	0, 987 0, 976

Результаты определения местоположения перетяжки хорошо согласуются с данными табл. 18. 2, а диаметр перетяжки оказался большим. Последнее объясняется, по-видимому, тем, что при расчетах точки среза острым краем, при вычислении, были выбраны равными 10 и 90%.

Данные измерений и вычислений с использованием камеры ASTROMED приведены в табл. 18. 4.

Представленные в таблицах результаты, полученные тремя способами, подтверждают их высокую согласованность. Максимальные значения погреш­ностей определения диаметра, угла расходимости пучка и коэффициента К его качества равны соответственно 6; 4, 9 и 4 %.

 

Таблица 18. 4. Сопоставление данных, полученных с помощью камеры ASTROMED

Измерения с камерой ASTROMED	Острый край	Момент второго порядка	86, 5% мощности
Местоположение перетяжки, мм
Диаметр перетяжки, мкм	752, 3		769, 1
Угол расходимости, мрад — параболическая аппроксимация — гиперболическая аппроксима­ция	1, 061 1, 063	1, 061 1, 061	1, 044 1, 047
Коэффициент К — параболическая аппроксимация — гиперболическая аппроксима­ция	1, 010 1, 008	0, 989 0, 989	1, 004 1, 000

Расхождения между результатами, полученными разными способами, не превышают 5 %, т. е. мы имеем дело с высокой воспроизводимостью результа­тов измерений профиля пучка.

Однако представляет интерес ответ на вопрос, можно ли результаты изме­рений считать самосогласованными, т. е. являющимися основой для коррект­ных расчетов профиля пучка вдоль всей трассы распространения излучения. С этой целью линза располагалась за зеркалом М2 в схеме рис. 18. 6. С по­мощью камеры ASTROMED были измерены диаметры пучка вдоль каустики за линзой, а результаты сопоставлены с данными, полученными расчетом по результатам измерений каустики перед второй линзой, т. е. в зоне за лин­зой АС. Измерения выполнялись по основной методике, предусматривающей определение моментов второго порядка. Результаты измерений приведены в табл. 18. 5.

Таблица 18. 5. Проверка самосогласованности результатов измерений

 

Самосогласованность измерений	Перед второй линзой	За второй линзой
	Оценка	Расчет	Эксперимент
Местоположение перетяжки, мм — 86, 5 % — острый край — момент второго порядка	1634 1647 1630		1828 1820 1824
Диаметр перетяжки, мкм - 86, 5 % — острый край — момент второго порядка	769, 1 752, 3 768	540, 5	542, 1 537, 6 544, 5
Угол расходимости, мрад - 86, 5 % — острый край — момент второго порядка	1, 044 1, 061 1, 061	1, 444	1, 459 1, 411 1, 445
Коэффициент К -86, 5% — острый край — момент второго порядка	, 1, 000 1, 008 0, 989	0, 990	1, 019 1, 066 1, 024

 

Из всего изложенного следует, что диаметры гауссовых или гауссоподоб-ных пучков, распространяющихся в свободном пространстве, с достаточной точностью описываются и измеряются всеми рассмотренными способами, регламентируемыми стандартом [88]. Более того, результаты измерений яв­ляются хорошей основой для анализа профиля распространения в рамках формализма ABCD.

Влияние ограничения размера пучка отверстием диафрагмы на параметры его распространения. В той же измерительной установке (рис. 18. 6) гауссов пучок подвергался усечению тремя последовательно распо­ложенными между лазером и зеркалом Ml диафрагмами. После прохождения пучка сквозь отверстие первой диафрагмы начальная мощность уменьшалась до 98, 89 %, после прохождения второй диафрагмы оставалось 95, 25 %, а после третьей — 87, 6% мощности лазерного излучения. Измерения при установке каждой из диафрагм выполнялись за линзой АС с помощью камеры AS-TROMED.

 

Таблица 18. 6. Результаты измерений параметров усеченного пучка

	Полный	Усечение	Усечение	Усечение
	пучок	на 1, 11%	на 4, 75%	на 12, 4 %
Местоположение перетяжки, мм:
— острый край;
— момент второго порядка;
-86, 5%
Ширина пучка, мкм:
— острый край;
— момент второго порядка;
-86, 5%
Угол расходимости, мрад:
— острый край;	1, 063	1, 062	1, 074	1, 063
— момент второго порядка;	1, 061	1, 014	0, 971	0, 922
-86, 5%.	1, 045	1, 014	0, 957	0, 873
Коэффициент К:
— острый край;	1, 007	0, 952	0, 879	0, 833
— момент второго порядка;	0, 989	0, 969	0, 908	0, 845
-86, 5%.	1, 002	0, 967	0, 938	0, 927

В табл. 18. 6 приведены результаты измерений и расчетов при трех различ­ных значениях усеченной доли мощности пучка, а в табл. 18. 7 — максимальные значения погрешностей, возрастающие по мере уменьшения отверстия диа­фрагмы.

Из данных в двух последних таблицах можно сделать вывод о том, что ограничение поперечных размеров пучка оптическими элементами тракта распространения излучения приводит к возникновению дифракции, оказыва­ющей существенное влияние на параметры профиля гауссоподобного пучка. Это влияние, по-видимому, должно усиливаться при ограничении (усечении) пучков с отличным от гауссова распределением интенсивности излучения в поперечном сечении.

 

18. 3. 2. Измерения профиля пучка высокоинтенсивного лазерно­го излучения. Объектом измерений служил СОг-лазер, пучок излучения которого мощностью 2 кВт был пропущен сквозь линзу из ZnSe с фокусным расстоянием 15 м [93].

 

 

Таблица 18. 7. Максимальные значения погрешностей измерений

Максимальная погрешность, %	Полный пучок	Усечение на 1, 11%	Усечение на 4, 75 %	Усечение на 12, 4%
Ширина пучка	2Д	3, 14		12, 2
Угол расходимости	1, 7	4, 7	12, 2	21, 8
Коэффициент К	1, 8	1, 8	6, 7	11, 3

Средством измерений распределения мощности в поперечном сечении фо­кального пятна ответвленной части пучка служило устройство, состоящее из колеблющейся пары зеркал гальванометра, сканирующих пучок по плоско­сти, в которой расположена точечная диафрагма (пинхол) с размещенным за ней пироэлектрическим ОЭИП. Первоначальное расстояние этого измери­тельного устройства от лазера составляло ~9м. Затем оно смещалось вдоль направления распространения пучка, и через каждые 150 мм производились измерения М2. Оказалось, что никаких заметных изменений М2 по мере смещения измерительного устройства не наблюдалось. В табл. 18. 8 приведены средние значения и стандартные отклонения результатов измерений парамет­ров пучка. Во избежание влияния дифракции на результаты измерений реко­мендуется выбирать размеры апертуры оптической системы измерительного устройства примерно в 1, 5 раза большими ширины пучка.

Таблица 18. 8. Средние значения и стандартные отклонения измеряемых параметров

пучка ССЬ-лазера

 

Параметры пучка	ОсьХ		Ось У
	Момент второго порядка	Острый край	Момент второго порядка	Острый край
Полуширина пучка, мм	4, 2±0, 4	3, 9±0, 3	4, 4±0, 5	4, 3±0, 5
Расстояние от лазера до перетяжки, м	3, 7±0, 4	3, 3±0, 5	3, 1±0, 3	3, 2±0, 3
М2	2, 3±0, 2	2, 3±0, 2	2, 5±0, 1	2, 5±0, 1

⇐ Предыдущая63646566676869707172Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: