Способ измерения и контроля мощности лазерного излучения и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники. Сущность изобретения: в процессе измерения используют термокапиллярную конвекцию в тонком слое прозрачной жидкости на поглощающей нетеплопроводной подложке, индуцируемую тепловым действием измеряемого излучения лазера. Мощность излучения определяют с помощью визуализирующего устройства по диаметру интерференционной картины, образуемой в результате отражения части индуцирующего конвекцию излучения от свободной поверхности жидкости, деформированной термокапиллярной конвекцией. Термокапиллярную конвекцию возбуждают в герметичной металлической кювете с прозрачным окном, частично наполненной химически неактивной, маловязкой и нелетучей прозрачной жидкостью. Для термостатирования жидкости при температуре окружающего воздуха кювета имеет ребра радиатора. Поглощающим излучение элементом служит погруженная в жидкость на заданную глубину черненая нетеплопроводная мембрана, расположенная в центре плавающей в жидкости симметричной платформы, которая обеспечивает строгую горизонтальность слоя жидкости на мембране. Предусмотрена возможность дискретного изменения толщины слоя жидкости с помощью двух наборов ферромагнитных балластных шайб. Шайбы из разных наборов имеют разную массу. Техническим результатом является упрощение процесса измерений и исключение влияния фонового излучения. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения и контроля мощности лазерного излучения в диапазоне длин волн от ближнего ультрафиолета до ближней инфракрасной области.

Известные фотоэлектрические способы измерения мощности светового излучения [1] , основанные на внешнем или внутреннем фотоэффекте, не позволяют проводить измерения в красной и инфракрасной областях спектра.

Предлагаемый способ относится к тепловым способам измерения мощности излучения лазера, принцип действия которых основан на поглощении излучения каким-либо приемником и измерении мощности излучения путем определения теплового воздействия излучения на приемник.

Известен способ, основанный на тепловом расширении газа в пневматической ячейке Голея [1], в котором измеряемое излучение нагревает черненую мембрану герметичной камеры, черненая мембрана передает тепло газу, заключенному в этой камере, в результате чего давление газа повышается, что ведет к прогибанию второй тонкой мембраны камеры с зеркальной поверхностью. Мощность измеряемого излучения регистрируют по отклонению светового луча, отраженного от зеркальной мембраны. Инерционность ячейки и ее чувствительность к фоновому излучению затрудняют измерения этим способом.

Известен болометрический способ измерения мощности светового потока [1]. В нем измеряемое излучение падает на тонкую проводящую черненую полоску или решетку. Нагревание полоски излучением ведет к изменению ее сопротивления, которое измеряют с помощью электрической схемы. Для повышения чувствительности способа полоску делают очень тонкой, чтобы она имела малую теплоемкость, а для снижения коэффициента теплоотдачи термочувствительный элемент болометра помещают в вакуумный сосуд.

Известен измеритель излучения ОКГ [2], в котором болометрический приемный элемент обдувается струей газа, вытекающей из сопла. Благодаря вытеснению окружающего воздуха струей газа в зоне размещения решеток болометрического приемника образуется термостатированный объем, исключающий воздействие окружающей среды на приемный элемент и тем самым уменьшающий дрейф начального уровня и искажение формы выходного сигнала измерителя.

Недостатками известного способа и устройства является сложность установки и процесса измерения, большая инерционность измерений, а также то, что на процесс измерения влияет наличие фоновых источников излучений и необходимость использования дополнительных устройств для термостатирования болометрического приемника при измерении.

Предлагаемые способ и устройство позволяют существенно упростить процесс измерения мощности лазерных пучков, исключить влияния на процесс измерения фонового излучения и упростить термостатирование приемника излучения.

Способ состоит в том, что для измерения мощности лазерного излучения используют термокапиллярную (ТК) конвекцию [3], индуцируемую тепловым действием измеряемого излучения в тонком слое прозрачной жидкости на поглощающей излучение нетеплопроводной подложке. Информацию о мощности измеряемого излучения несет геометрия интерференционной картины (ТК отклика), фиг.2, образуемой в результате отражения части индуцирующего конвекцию излучения от свободной поверхности жидкости, деформированной ТК конвекцией (ТК углубления), фиг. 1. Считывание информации может производиться с помощью любого визуализирующего ТК отклик устройства, чувствительного в диапазоне проводимых измерений (в простейшем случае с экрана). Диапазон длин волн излучения за пределами видимой области ограничивается лишь наличием соответствующих устройств визуализации ТК отклика (люминесцирующий экран, ИК преобразователь и т.д).

В общем случае форма и размеры ТК отклика при фиксированном расстоянии от поверхности жидкости до визуализирующего устройства определяются, в основном, свойствами жидкости (вязкостью , поверхностным натяжением , термическим коэф. поверхностного натяжения _т, температурой T, температуропроводностью к₁); и подложки (коэф. поглощения a_u, температуропроводностью к_u); а также параметрами пучка лазера (мощностью P, диаметром d на поверхности жидкости, расходимостью ) и слоя жидкости (толщиной h, неоднородностью толщины h'_x,y, кривизной свободной поверхности жидкости k), т.е. B случае проведения измерений мощности все вышеперечисленные параметры, кроме P, должны быть фиксированы. Поскольку из всех свойств жидкости от температуры сильнее других зависит вязкость, то выбираемая жидкость должна быть маловязкой и термостатирована. Чтобы устранить зависимость диаметра ТК отклика D от диаметра лазерного пучка d, в представленные в примере зависимости входит обезразмеренный диаметр ТК отклика. Чтобы исключить неоднородность толщины слоя и обеспечить постоянство его толщины, последний создается на плавающей уравновешенной платформе. Возбуждение ТК конвекции в слое, у которого диаметр жидкого зеркала не менее 2 см [4], исключает влияние боковых границ на плоскостность свободной поверхности жидкости в центре.

Схема процесса измерения мощности лазерного излучения показана на фиг. 3. Здесь: 1 зеркало, 2 визуализирующее устройство, 3 измеряемое лазерное излучение; 4 лазер, 5 пучок, отраженный от ТК углубления; 6 герметичная кювета; 7 штатив.

Схема герметичной кюветы и устройства для изменения толщины слоя жидкости на поглощающей излучение мембране показаны на фиг. 4: 8 кольцевые накладки, в которые вставлены постоянные магниты; 9 герметично закрывающаяся металлическая крышка кюветы; 10 диэлектрические "магнитопрозрачные" вставки; 11 плавающая металлическая платформа; 12 балластные шайбы из ферромагнетика; 13 стекло с лиофобным покрытием на внутренней поверхности; 14 магниты; 15 штырьки для фиксации накладок; 16 металлический корпус кюветы; 17 симметричные отверстия для сообщения внутренней части платформы с внешним объемом жидкости; 18 поглощающая лазерное излучение мембрана, под которой расположена воздушная полость; 19 штырь треугольного сечения, центрирующий платформу и фиксирующий ее положение по отношению к крышке; 20 прозрачная жидкость; 21 радиатор.

Жидкость в кювете должна быть химически инертной по отношению к материалам кюветы, мембраны и балластных шайб, маловязкой в диапазоне температур, при которых проводятся измерения, и малолетучей. Лиофобное покрытие стекла служит для предотвращения его запотевания. Воздушная полость под поглощающей мембраной уменьшает ее теплоемкость, тем самым повышая чувствительность. Симметричная уравновешенная плавающая платформа обеспечивает плоскопараллельность и постоянство толщины слоя жидкости над мембраной. Металлический корпус с ребрами радиатора служат для термостатирования жидкости в кювете при температуре воздуха в помещении. Штатив фиксирует расстояние от свободной поверхности жидкости в кювете до визуализирующего устройства. С целью расширения динамического диапазона измерений предусмотрена возможность дискретного изменения толщины слоя жидкости на поглощающей мембране. Для этих целей предлагается использовать два набора (по 4 в каждом) ферромагнитных балластных шайб с коническими отверстиями. Шайбы из разных наборов отличаются массой. На платформе шайбы фиксируются коническими штырьками, расположенными строго симметрично по периметру платформы. Установка одной (или обеих) кольцевой накладки приводит к съему с платформы соответствующего набора шайб и прилипанию его к крышке кюветы, что уменьшает массу платформы, которая частично всплывает и толщина слоя жидкости на мембране уменьшается. В зависимости от того, какая накладка помещена на крышке кюветы (также могут быть использованы обе накладки либо ни одной), задается одна из четырех толщин слоя жидкости. Гидростатический расчет платформы и ее нагрузки производится таким образом, чтобы обеспечить изменение толщины слоя с шагом в 200-300 мкм в диапазоне от 100 до 1000 мкм.

Процесс измерения состоит в следующем: в герметичную кювету, откалиброванную при разных температурах (в диапазоне температур, при которых предполагается проведение измерений), установленную на штатив, направляют измеряемый пучок. О мощности излучения судят по диаметру ТК отклика, определяемому с помощью визуализирующего устройства.

Поскольку ТК отклик определяется градиентом температуры в зоне поглощения пучка, площадь которого значительно меньше площади жидкого слоя, то градиентом температуры, создаваемым фоновой засветкой, можно пренебречь.

Простой и эффективный механизм термостатирования приемника излучения позволяет проводить измерения и контроль мощности лазерного излучения в непрерывном режиме. Использование светоделительных пластинок, ответвляющих небольшую часть измеряемого излучения, делает возможным применение данного способа для измерения и контроля мощных лазерных источников с высокой точностью.

Пример. На фиг. 5 представлены зависимости обезразмеренного диаметра ТК отклика (D/D₀, где D - диаметр ТК отклика на экране, D₀ - диаметр свободно распространяющегося лазерного пучка, на расстоянии, равном оптическому пути лазерного излучения в условиях измерения мощности. В приведенном примере D₀ = 5 мм). Зависимости сняты при температуре воздуха 20^oС с использованием дюралюминиевой кюветы и платформы, поглощающей мембраны из полиэтилентерефталата (толщиной 0,1 мм, диаметром 20 мм) и октана (он хорошо удовлетворяет предъявляемым требованиям: в приведенных условиях химически нейтрален, = 0,77 сСт (при T = 20^oC), температура кипения T_b = 125,7^oC) и He-Ne лазера с максимальной мощностью 20 мВт. Изменение мощности осуществляли путем ослабления лазерного пучка перпендикулярными пучку прозрачными стеклянными пластинками, отражающими по 4% излучения на каждой грани. Ряд 1 снят при толщине слоя октана 200 мкм, а ряд 2 при 800 мкм. При толщине слоя 200 мкм в диапазоне измерения мощности 1,2-4 мВт, при 800 мкм - 4,5-20 мВт погрешность составляла 4%.

Таким образом, представленный способ и устройство обладают следующими преимуществами. Схемы способа и устройства не требует точной юстировки, простоты и надежны. Термостатирование приемника излучение обходится без дополнительных устройств. Способ нечувствителен к фоновой засветке и позволяет с высокой точностью измерять мощность лазерного излучения и осуществлять контроль мощности в непрерывном режиме.

Источники информации 1. Фриш С.Э. Оптические методы измерения.- Ч. 1, Л.: ЛГУ 1976, с. 42-59.

2. А.С. N 688833, G 01 J 1/24, 1979, БИ N 36.

3. Безуглый Б.А. Канд. диссертация. М.: МГУ, 1983, с. 228-235.

4. Maijgren В., Odberg L. Surface tension data from slight deformations of the surface. The ring method. J. Colloid & Interf. Science, 18 (1), 1982, pp. 197-203.

Формула изобретения

1. Способ измерения и контроля мощности лазерного излучения, включающий поглощение измеряемого лазерного пучка приемником излучения и измерение мощности пучка по тепловому воздействию излучения на приемник, отличающийся тем, что приемником излучения служит нетеплопроводная поглощающая излучение мембрана, покрытая тонким слоем жидкости, а мощность лазерного излучения определяют по диаметру интерференционной картины, образуемой в результате отражения части излучения измеряемого пучка от свободной поверхности жидкости, деформированной термокапиллярной конвекцией, индуцированной тепловым действием измеряемого пучка.

2. Устройство для измерения и контроля мощности лазерного излучения в виде герметичной кюветы с прозрачным окном, частично наполненной прозрачной жидкостью и с погруженной в жидкость поглощающей излучение мембраной, отличающееся тем, что мембрана закреплена на плавающей уравновешенной платформе.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что кювета снабжена двумя наборами ферромагнитных балластных шайб равной массы, нагружающими плавающую платформу, и съемными кольцевыми накладками со встроенными постоянными магнитами, с помощью которых наборы балластных шайб можно вынуждать прилипать к крышке кюветы, чтобы разгрузить платформу и изменить ее плавучесть.

4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что плавающая платформа и кювета изготовлены из немагнитного теплопроводного металла и кювета имеет ребра радиатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5