18.4. Обеспечение единства измерений пространственно-энергетических параметров и характеристик лазерного излучения
В отличие от предыдущих глав этой части рассмотрение системы ОЕИ не предшествует описанию РСИ и технических измерений, поскольку таковая в принятом нами понимании (поверочная схема, эталоны, передача размеров единиц и т. д. ) отсутствует как у нас, так и за рубежом. Однако во ВНИИОФИ разработаны основы этой системы, частично материализованной в виде описываемых далее СИ. 18. 4. 1. Общие положения. При создании системы обеспечения единства измерений параметров и характеристик профиля пучка лазерного излучения приходится принимать во внимание как режим работы и тип лазера, так и специфические особенности способа и аппаратуры измерения ширины, угла расходимости и показателя качества пучка. Прежде всего необходимо учитывать специфику режима излучения лазерного устройства, так как он предопределяет выбор способа и средства измерений параметров профиля пучка. При измерениях в пучках непрерывного излучения можно использовать анализаторы последовательного (сканирующего) или параллельного (матричного) типа. При измерениях в пучках импульсного излучения используются, как правило, анализаторы параллельного типа. В анализаторе последовательного типа излучение воспринимается одноэлементным ОЭИП. Калибровка такого измерительного канала, являющегося, по существу, РСИ мощности (энергии) лазерного излучения, производится в полном соответствии с методиками, описанными в гл. 17. Специфика заключена лишь в размерах чувствительной площадки ОЭИП, предназначенного для измерения интенсивности излучения, т. е. необходимо согласование поперечных размеров пучка и активной площади преобразователя. В анализаторе параллельного типа в качестве ОЭИП используется линейка или матрица, состоящая из многих тысяч элементов. Поканальная калибровка поочередным зондированием каждого элемента в этом случае практически невозможна и приходится пользоваться либо пучком излучения с достаточно точно известным относительным распределением интенсивности в его поперечном сечении, либо эталонным средством измерений, у которого известны коэффициенты преобразования всех параллельных каналов ОЭИП. Однако для осуществления второго варианта необходимо предварительно произвести калибровку эталонного средства измерений, для чего, в свою очередь, требуется лазерное устройство с нормированным распределением интенсивности, лучше всего — равномерным.
Поэтому ознакомимся с возможными способами формирования пучка непрерывного или импульсного лазерного излучения с практически равномерным распределением мощности или энергии в его поперечном сечении. Один из таких способов описан в [94]. Обычные оптические элементы, поставляемые на рынок различными фирмами, использованы для построения разных вариантов оптической системы, преобразующей гауссово распределение в пучке диаметром 3 мм в равномерное в пределах границ 1/е2. Математически преобразование описывается формулой где г — радиус луча на входе оптической системы; R — положение соответствующего выходного луча; го — радиус уровня 1/е2 гауссова пучка; σ — равномерная энергетическая освещенность внутри окружности радиусом r0-Первоначально было решено использовать дублеты (Η --, --Ь) для выравнивания распределения плотности мощности в сечении пучка. Процесс выравнивания назовем для упрощения гомогенизацией. В дальнейшем они были с целью оптимизации заменены двумя триплетами, в результате чего, при длине волны излучения гелий-неонового лазера 0, 6328 мкм, неравномерность распределения мощности в сечении пучка, расположенном на расстоянии 1 м от задней вершины последнего элемента во втором триплете, не превышала 2, 6% в радиусе 1/е2 и возрастала до 4% на расстоянии 2 м.
Гомогенизаторами лазерного излучения могут служить интегрирующие сферы (ИС), а также фотометрические цилиндры (ФМЦ). Конструктивно ФМЦ выполнен в виде линзы из диффузнопропускающего стекла и цилиндра из диффузноотражающего стекла. Сравнительные экспериментальные исследования силы излучения ИС и ФМЦ выявили преимущества последнего. Например, ИС из молочного стекла МС-20 даже при оптимальном соотношении площадей ее внутренней поверхности и выходного окна обладает большим коэффициентом ослабления проходящего сквозь нее потока лазерного излучения (сфера диаметром порядка 150 мм имела коэффициент ослабления «S100-120, а ФМЦ с внутренним диаметром 25 мм и длиной 30 мм ослаблял тот же поток с длиной волны 1, 06 мкм всего в 4 раза). При измерениях параметров профиля пучка и калибровке соответствующих РСИ определенную роль играет точность определения геометрических размеров оптического тракта: расстояний, площадей отверстий диафрагм, угловых координат пучков и отклонений от оси распространения и пр. Однако применяемые для этой цели серийные отсчетные устройства с линейными и угловыми шкалами обладают вполне приемлемой точностью, практически не влияющей на точность определения параметров профиля пучка. Для исследования неравномерности поля излучения на выходе ФМЦ была собрана измерительная установка (рис. 18. 7). Источником излучения служил стабилизированный по мощности излучения одномодовый лазер ЛГ-38 с выходной мощностью ~ 35 мВт при диаметре пучка излучения 3 мм. Для за полнения всей апертуры ФМЦ в тракт вводились поочередно съемные линзы с фокусными расстояниями f' = 55 мм и f' = 60 мм. Апертура выходного излучения гомогенизатора сканировалась с шагом 1 мм. Приемником излучения служил фотодиод ФД-8 К, излучение на который подавалось через световод с диаметром светопроводящей жилы 1, 0 мм, сигнал с фотодиода поступал на вольтметр Ф4830. Были исследованы два ФМЦ с диаметрами 24 и 40 мм. При изменяющихся условиях облучения входной апертуры ФМЦ, при помощи линзы и сканирования световодом в его выходной плоскости, были получены результаты, указывающие на наличие «полки» в распределении энергии на площадке порядка 9-10 мм с приведенной погрешностью не хуже ±1, 0%. Было исследовано влияние угла поворота световода или фотодиода относительно выходной плоскости ФМЦ. Отклонения в пределах 10-12° на результаты измерений не влияли. Полученные результаты измерений распределения на входе и выходе ФМЦ удовлетворили требованиям, предъявляемым к источнику излучения описываемой далее поверочной установки для аттестации матричных СИ данного класса.
Рис. 18. 7. Функциональная схема измерительной установки для исследования неравномерности поля излучения на выходе ФМЦ: 1 — лазер ЛГ-38 (λ = 0, 63 мкм); 2 — делительная пластина; 3 — линза; 4 — исследуемый ФМЦ; 5 — световод; 6 — ОЭИП ФД-8 К; 7 — вольтметр Ф4830; 8 — контрольное средство измерений мощности лазерного излучения; 9 —цифропечатающее устройство
Наряду с описанными приемами гомогенизации пучка и выравнивания тем самым распределения интенсивности излучения в его поперечном сечении предпринимались попытки создания установок для калибровки СИ профиля пучка альтернативными способами (см. 18. 1. 8). Теоретически и экспериментально исследована [95] методика формирования френелевской дифракционной картины на широкой щели, образованной двумя параллельными острыми краями. Полученная таким образом картина достаточно точно рассчитывается, причем внесение поправок на незначительную неоднородность распределения в сечении падающего на щель пучка, кривизну его фронта и конечные размеры сканирующей сформированный пучок щели или диафрагмы перед ОЭИП позволяют достичь погрешности калибровки СИ профиля, не превышающей 1 % [95]. 18. 4. 2. Эталонное средство измерений относительного распределения плотности энергии в поперечном сечении пучка импульсного лазерного излучения. Как указывалось ранее, измерения относительного распределения плотности энергии (ОРГТЭ) в поперечных сечениях потока излучения импульсных лазеров могут проводиться матричным методом различными многоканальными измерителями с цифровой регистрацией результатов измерений и обработкой их на ЭВМ.
При исследованиях структуры распределения плотности энергии в пучках лазерного излучения относительно малого диаметра (менее 20 мм) возникают определенные трудности. Они связаны с тем, что при обеспечении высокой пространственной разрешающей способности СИ, определяемой количеством и размерами приемных площадок, их взаимным расположением и т. п., из-за близкого расположения приемных площадок преобразователя, их взаимовлияние становится существенным и достигает 15-20%. Это приводит к увеличению погрешности измерений. Высокую пространственную разрешающую способность без дополнительного увеличения погрешности измерений можно обеспечить специально разработанным многоканальным матричным преобразователем [2, 96]. На его входе установлен приемный коллектор, изготовленный из сплошного светово-локонного жгута, разветвленные концы которого отводят части измеряемой энергии излучения на дискретные измерительные преобразователи, например, на фотоэлектрические преобразователи. Высокочувствительное фотоэлектрическое СИ распределения плотности энергии (рис. 18. 8) с широким динамическим диапазоном и сравнительно высокой точностью измерения состоит из матричного первичного измерительного преобразователя (МПИП), многоканального коммутатора Μ К, аналого-цифрового преобразователя АЦП, цифропечатающего устройства ЦПУ, блока управления БУ и блока питания БП. В свою очередь, МПИП состоит из световолоконного коллектора СК, блока ОЭИП ФП, интегрирующего устройства ИУ и аналогового запоминающего устройства АЗУ. СК предназначен для пространственного разделения падающего на него излучения и передачи его непосредственно на вход ФП.
Рис. 18. 8. Структурная схема фотоэлектрического СИ ОРПЭ
Применение СК позволяет расположить ФП, ИУ и АЗУ на таком расстоянии друг от друга, что взаимное влияние каналов МПИП по электрическим цепям практически отсутствует. Взаимное влияние каналов в результате проникновения рассеянного излучения в зоне входной части СК составляет не более 0, 1-0, 2%. Измерения взаимного влияния СК проводились по схеме, приведенной на рис. 18. 9, где 1 — излучатель; 2-4 — разветвленные концы СК; 5 — входной торец СК.
Рис. 18. 9. Схема измерения взаимного влияния каналов
На вход одного из разветвленных концов СК 2 подавалось лазерное излучение от излучателя 1. Это излучение измерялось одновременно на входном торце 5 и поочередно на соседних разветвленных концах световодов 3 и 4. Измерения показали, что мощность излучения, проникшего в каналы 3 и 4, составляет не более 0, 2 % мощности, прошедшей через световод 2. Спектральный диапазон СК находится в пределах 0, 4-2, 0 мкм. В блоке ФП применены серийно выпускаемые кремниевые фотодиоды ФД-8 К.
Фоточувствительная приемная поверхность этих фотодиодов равна 2 мм2, а спектральная чувствительность лежит в диапазоне 0, 5-1, 1 мкм. Фотодиоды работают в фотовольтаическом режиме, при котором по сравнению с фотодиодным режимом температурный коэффициент чувствительности имеет меньшее значение, темновые токи отсутствуют, и не требуется применения источника напряжения обратного смещения, что позволяет существенно уменьшить массу и габаритные размеры МПИП. Влияние зонной характеристики фотодиодов уменьшалось установкой перед каждым из них рассеивающих фильтров, выполненных из молочного стекла МС-23. На рис. 18. 10 приведена упрощенная принципиальная схема одного из измерительных каналов. Остальные каналы идентичны. Фотодиод ФД используется как генератор тока, а интегрирующее устройство ИУ преобразует
Рис. 18. 10. Принципиальная схема измерительного канала этот ток в напряжение, пропорциональное энергии импульса излучения. Нагрузкой ФД служит входное сопротивление широкополосного операционного усилителя, выполненного на микросхеме D1 типа К544УД2 А, в цепь обратной связи которого включены интегрирующий конденсатор С1 и резистор R1· Постоянная времени разряда интегратора составляет около 0, 5 с.
Входное сопротивление операционного усилителя при замкнутой цепи обратной связи достаточно мало (меньше 10 Ом), что позволяет обеспечить линейность характеристики преобразования ФД при измерении энергии лазерного излучения в динамическом диапазоне не менее 120 отн. ед. ОРПЭ. Конденсатор С1, зарядившийся до напряжения, пропорционального энергии импульса измеряемого лазерного излучения, разряжается через резистор R1, в результате чего на выходе операционного усилителя Д1 генерируется импульс положительной полярности длительностью около 0, 9 с. Амплитуда выходного импульса в зависимости от сигнала ФД и значения С2 может линейно изменяться от 50 мВ до 6 В. Импульс положительной полярности с выхода ИУ поступает на АЗУ (см. рис. 18. 10). АЗУ выполнено на основе двух операционных усилителей Д2, ДЗ и диодно-емкостного пикового детектора VI, С2. Отрицательная обратная связь в АЗУ обеспечивает единичный коэффициент усиления и тем самым компенсирует прямое падение напряжения на VI. Операционный усилитель Д2 формирует положительный импульс с длительностью переднего фронта не более 10 мс, который заряжает конденсатор С2 до амплитуды напряжения этого импульса. Для увеличения времени запоминания напряжения конденсатором С2 применен повторитель на операционном усилителе ДЗ. Спад амплитуды импульса напряжения не превышает 150 мкВ/с. Амплитуды входного и выходного сигналов отличаются не более чем на ± 0, 2 % в диапазоне от 10 мВ до 6 В. Опрос запоминающих конденсаторов производится электромеханическим коммутатором Μ К с частотой 25 Гц. В качестве АЦП используется цифровой вольтметр Щ68003. Регистрация результатов измерений осуществляется с помощью печатающего устройства Щ68000 К. Блок БУ обеспечивает управление работой составных частей и СИ в целом. В БП применены источники питания Б5-7. Исследование СИ производилось на специальной установке путем подачи на приемную поверхность МПИП излучения импульсного лазера, работающего на длине волны 1, 06 мкм, с относительно равномерным полем распределения плотности энергии в его поперечном сечении. Равномерное распределение поля излучения устраняло разброс пропускания по каналам СК, а также разброс чувствительности отдельных фотодиодов за счет регулировки зазоров между выводами СК и фотодиодами. Неравномерность распределения плотности энергии излучения не превышала 1, 5 %. Описанное СИ имеет размер приемной площадки матричного преобразователя 16 х 16 мм2 и обеспечивает дискретизацию импульса излучения на 256 измерительных каналах при коэффициенте заполнения приемной поверхности, равном 100 %. Диапазон измеряемых плотностей относительного распределения энергии простирается от 0, 01 до 1 отн. ед. при допустимой плотности энергии излучения 1, 5 Дж/см2, при длительностях импульсов излучения от 10~8 до 10~6 с в спектральном диапазоне 0, 5-1, 1 мкм. Пределы основной допускаемой погрешности СИ не превышают ± 12 %. Этим эталонным СИ ОР-ПЭ можно пользоваться при калибровке аналогичных по техническим и метрологическим параметрам СИ. Но для этого необходимо независимым методом выполнить путем косвенных измерений его метрологическую аттестацию, т. е. определить в пределах диапазона измерений относительную погрешность этого СИ. Метрологическая аттестация была выполнена на измерительной установке, описанной в следующем параграфе. 18. 4. 3. Измерительная установка для исследований и калибровки эталонного средства измерений относительного распределения плотности энергии. Анализ принципов определения точностных характеристик матричных СИ пространственно-энергетических распределений импульсного лазерного излучения позволяет заключить, что процедура их аттестации состоит из двух этапов. Первый этап — предварительный, на котором производится оценка коэффициентов преобразования измерительных каналов и находится погрешность СИ при определении ОРПЭ в заданной точке поля. Второй этап включает в себя комплексную аттестацию СИ на распределениях различных классов и позволяет учесть методическую составляющую погрешности, зависящую от формы ОРПЭ. Ниже приведено подробное описание первого предварительного этапа аттестации СИ пространственно-энергетических характеристик с помощью разработанной в [97] измерительной установки для метрологической аттестации эталонного СИ ОРПЭ. Структура установки в режиме предварительной аттестации матричного СИ приведена на рис. 18. 11. Принцип действия установки в режиме предварительной аттестации состоит в том, что на матричное СИ поступает равномерно распределенный по плотности энергии в поперечном сечении пучка лазерного излучения оптический сигнал. При помощи набора ослабителей определяются коэффициенты преобразования каналов в пределах динамического диапазона матричного СИ. Установка состоит из лазера 2 ЛТИ-101, работающего на длине волны 1, 06 мкм, электромеханического затвора 4, формирующего оптические импульсы с заданной длительностью, фотометрического цилиндра 7, преобразующего произвольное распределение плотности энергии излучения в равно-
Рис. 18. 11. Структурная схема измерительной установки: 1 — котировочный лазер ЛГ52-22; 2 — лазер ЛТИ-101; 3, 5 — делительные пластины; 4 — электромеханический затвор; 6 — оптические ослабители; 7 — ФМЦ; 8, 12 — эталонные средства измерений энергии излучения; 9 — аттестуемое матричное СИ ОРПЭ; 10 — СИ мощности излучения со сканирующим устройством; 11 — ЭВМ; 13 — эталонное СИ мощности мерное, эталонных средств измерений энергии, предназначенных для определения коэффициентов деления оптического тракта установки и контроля энергии излучения при проведении аттестации матричных СИ.
Для подтверждения степени равномерности ОРПЭ в выходной плоскости ФМЦ 7 в состав установки включено средство измерений мощности лазерного излучения со сканирующим устройством 10. В процессе определения степени равномерности ОРПЭ для контроля уровня мощности излучения используется эталонное средство измерений мощности. Обработка результатов измерений производится на ЭВМ 11 по специально разработанным программам. Принцип действия аттестуемого матричного фотоэлектрического СИ основан на геометрическом разделении падающего импульсного потока излучения на 256 равных частей, при помощи установленного перед фотоприемником специального световолоконного коллектора с апертурой приемной поверхности 16 х 16 мм2 и преобразовании измерительными каналами оптических импульсов в пропорциональные электрические сигналы, преобразовании электрических сигналов в цифровой код с записью результатов измерений на бумажной ленте цифропечатающего устройства [96]. Основными метрологическими характеристиками матричных СИ являются коэффициенты преобразования каналов, а также предел допускаемого значения основной относительной погрешности при измерении распределения в точке поля ( )· ОРПЭ, измеренное матричным СИ, можно представить в следующем виде: (18. 50) где m, n — число элементов матрицы в строке и столбце соответственно (m = 1,..., 16; n = 1,..., 16); ; ; —значения сигнала, зарегистрированные матричным СИ при измерении распределения; — коэффициенты преобразования каналов матричного СИ. Исходя из (18. 50), а также из анализа работы матричного СИ, можно установить, что предел допускаемого значения основной относительной погрешности Леи определяется по формуле (18. 51) где К — коэффициент, зависящий от соотношения случайной и неисклю-ченной систематической погрешности, определяемой в соответствии с ГОСТ 8. 207-76; — среднее квадратическое отклонение (СКО) i-й случайной составляющей погрешности, %; · — границы интервала i-й погрешности, которая учитывается как неисключенная систематическая погрешность (НСП), %. В формуле (18. 51) где — СКО случайной составляющей погрешности измерения поля «наихудшим» каналом матричного СИ, %; — СКО случайной составляющей погрешности измерения поля за счет погрешности определения коэффициента преобразования «наихудшего» канала матричного СИ, %; — погрешность установки ОРПЭ, выраженная в виде СКО, характеризующая неравномерность излучения, падающего на приемную поверхность матричного СИ, %; — погрешность передачи размера единицы ОРПЭ, обусловленная погрешностью определения коэффициентов деления оптического тракта, %. Далее где — НСП основной погрешности матричного СИ, обусловленная зависимостью коэффициента преобразования «наихудшего» канала матричного СИ от уровня плотности энергии в канале, %; — НСП основной погрешности матричного СИ, обусловленная взаимовлиянием каналов преобразователя матричного СИ при измерении распределения. Процедура определения погрешности , составляющей 0, 1-0, 2 %, описана в [96]. Составляющие погрешности матричных СИ определяются в процессе метрологической аттестации, описание которой приведено ниже.
1. Определение составляющей погрешности σ π проводится по схеме, приведенной на рис. 18. 12, и входит в процедуру подготовки установки к передаче размера единицы ОРПЭ.
Рис. 18. 12. Схема определения погрешности σ π: 1 — лазер ОГМ-40 (λ = 1, 06 мкм); 2 —делительная пластина; 3 — оптические ослабители; 4 — фотометрический цилиндр; 5, б — средства измерений энергии импульсного лазерного излучения ИФЦ-ЗМ
Меняя ослабители (светофильтры) в диапазоне изменения коэффициента пропускания 0, 008—1, 0, проводят пять синхронных измерений энергии P1 и Р2 с помощью ИФЦ-ЗМ. В результате измерений определяют средние значения коэффициентов деления оптического тракта установки, а также СКО средних значений по следующим формулам: где — коэффициент деления оптического тракта, , Ν — номер соответствующего ослабителя. В качестве составляющей погрешности принимается величина, равная
2. Определение составляющих погрешности и коэффициентов преобразования матричного СИ производится по схеме, приведенной на рис. 18. 13.
Рис. 18. 13. Схема определения погрешностей < т„ и σ α: 1 — лазер ЛТИ-101; 2 — электромеханический затвор; 3 — оптический делитель; 4 — оптические ослабители; 5 — фотометрический цилиндр; 6 — матричное СИ; 7 — эталонное средство измерений энергии
Для каждого из установленных ослабителей осуществляется подача на матричное СИ к импульсов излучения, имеющих равномерное распределение по сечению пучка, и их регистрация по всем каналам. Плотность энергии, падающей на матричное СИ, определяется по формуле , при j=1, 2, …, (18. 52) где N — номер соответствующего ослабителя; — энергия излучения, регистрируемая ИФЦ-ЗМ; S — площадь приемной поверхности преобразователя матричного СИ. Затем для каждого канала матричного СИ определяют коэффициенты преобразования по формуле при m, n=1, 2, …, Где — показание регистрирующего прибора матричного СИ; · — плотность энергии, падающей на приемную поверхность матричного СИ, определяемая по (18. 52). Для каждой серии из к импульсов определяют средние значения и относительные СКО коэффициентов преобразования измерительных каналов по формулам (18. 53) при m, n = 1, 16. Из последней формулы определим составляющую погрешности σ α в виде Можно сказать, что между составляющими σ α и основной погрешности матричного СИ имеет место неравенство , в силу которого в дальнейшем заменим его верхней границей, т. е. . В качестве коэффициентов преобразования каналов целесообразно принять следующие величины: (1. 8. 54) Где — определены по формуле (18. 53). Можно сказать, что СКО определения величины соответствует неравенству 3. Значение НСП основной погрешности матричного СИ — определяется по формуле , где при m, n = 1, 2... 16. Здесь — наибольшее значение коэффициента преобразования канала, достигаемое с ослабителем Ν ι; — наименьшее значение коэффициента преобразования канала, достигаемое с ослабителем N2; — среднее значение коэффициента преобразования, определяемое по (18. 54). Полученное значение погрешности матричного СИ — соответствует определенному динамическому диапазону матричного СИ, который находится из соотношения , где , - соответственно, максимальное и минимальное значение плотности энергии, воспроизводимые установкой ОРПЭ и достигаемые с ослабителями Ν 1 и N2- Значения плотностей энергий, падающих на приемную поверхность матричного СИ, позволяют установить такое значение плотности, при котором каналы матричного СИ будут работать в режиме, наиболее близком к линейному, а также позволяют определить абсолютный диапазон плотностей энергией, при котором работа СИ характеризуется найденной погрешностью Леи- Данная методика апробировалась во ВНИИОФИ при метрологической аттестации фотоэлектрического матричного СИ, описанного выше и в [96]. Приведем составляющие основной погрешности фотоэлектрического матричного СИ в процентах: σ α = 0, 41; σ П = 1, 12; σ И = 1, 6; = 6, 0; Θ Β = 0, 2. Суммирование составляющих погрешностей по (18. 51) позволяет утверждать, что предел допускаемого значения основной относительной погрешности измерений матричным СИ составляет Аси и 12% в диапазоне 0, 008—1, 0 относительных единиц ОРПЭ, в энергетическом диапазоне (5 · 10~4-10~1) Дж при длительностях импульса излучения 10-100 не и длине волны излучения 1, 06 мкм.
Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|