СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01J5/00 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике измерения энергетических параметров лазерного излучения и может быть использовано для измерения мощности излучения технологических, в том числе CO₂-лазеров, работающих в непрерывном режиме.

В связи с развитием мощных технологических лазеров, работающих в непрерывном режиме возникла необходимость в широкоапертурных измерителях мощности, работающих в проходном режиме. Традиционно такие задачи решались с помощью ответвителя небольшой части (0,1-1,0%) измеряемого мощного излучения /1/. В настоящее время мощность технологических лазеров достигла 20 кВт и имеет тенденцию к дальнейшему росту. Существует несколько типов ответвителей (ослабителей) мощных лазерных пучков (ЛП) /2/ для систем измерения мощности лазерного излучения (ЛИ): работающие в непрерывном режиме и работающие в периодическом режиме. Последние реализуют принцип пространственно-временного ослабления и целесообразны для мощного ЛИ.

Известен измеритель мощности лазерного излучения /3/ проходного типа, содержащий приемный элемент из оптически прозрачного материала, фотоприемник и блок обработки сигнала фотоприемника, причем фотоприемник расположен с зазором на середине боковой поверхности приемного элемента. Ответвление части измеряемого ЛИ осуществляется постоянно во времени за счет рассеивающих центров (дефектов) как в объеме, так и на входной и выходной поверхностях приемного элемента.

Основным недостатком этого аналога является противоречие между большой мощностью измеряемого ЛИ и качеством прозрачного материала, количество дефектов в котором должно быть минимально возможным. Кроме того, толщина оптически прозрачного элемента соизмерима с его апертурой, что противоречит требованию уменьшения поглощения при работе в мощных ЛП. По нашему мнению, такое решение не пригодно для систем измерения ЛП мощностью 1 кВт и более.

Известен другой аналог /4/ проходного измерителя мощности для технологических CO₂-лазеров мощностью до 6 кВт. Измерительная система включает ответвитель ЛП на базе выходного окна из хлорида калия (KCl), после чего ответвленное излучение ослабляется модулятором и поступает на маломощный приемник излучения, работающий на основе термоупругого эффекта в кристаллическом кварце, сигнал последнего является мерой средней мощности излучения.

Можно отметить следующие недостатки этого аналога. Велика потеря ответвленной мощности, что для окна из KCl составляет ≈6% Недостаточна стабильность во времени коэффициента ответвления элемента из KCl при мощности излучения более 1 кВт, т.к. в процессе эксплуатации на поверхностях образуется решетчатый рельеф из-за роста поверхностного поглощения /5/. В силу низкой термопрочности KCl его применение в длительном режиме эксплуатации при ЛИ мощностью более 5 кВт проблематично.

Известен способ измерения проходной мощности непрерывного лазерного излучения в проходном режиме /6/. Способ заключается в пространственно-временном ответвлении не более 1% измеряемой мощности вращающимися поперек ЛП зеркалами и приемниками излучения, причем зеркала ответвляют излучение в калориметрический измеритель средней мощности, а болометрические широкоапертурные приемники формируют импульсные сигналы, амплитудное значение которых является мерой мгновенной мощности (прототип).

Недостатки прототипа: сложность технической реализации и невысокая надежность устройства пространственно-временного ответвления излучения, т.к. ответвляющие зеркала и болометрические приемники вращаются с большой скоростью; наличие периодической 100%-ной модуляции ЛП, что для некоторых технологических процессов может быть неприемлемым (велико возмущение ЛП); необходимость в подготовительных установочных и юстировочных операциях, что увеличивает реальное время измерения.

Целью изобретения являются расширение предела измерения излучения в область больших значений мощности, уменьшение возмущения ЛП, упрощение технической реализации и экспрессность измерений.

В основу предложенного способа положен принцип пространственно-временного ответвления измеряемого мощного непрерывного лазерного излучения. Этот принцип реализуется за счет перемещения широкоапертурного приемника излучения поперек лазерного пучка, причем приемная поверхность приемника обращена в сторону источника излучения. При этом измеряют амплитудное значение сигнала приемника излучения, что является мерой мгновенной мощности измеряемого непрерывного лазерного излучения.

Предлагаемый способ имеет следующие существенные признаки новизны. Первый в качестве приемника излучения применяют широкоапертурный пленочный анизотропный термопреобразователь (АТП). В литературе /7, 8/ известно применение АТП для измерения средней мощности ЛИ и энергии импульсного излучения. Однако во всех случаях эти приемники использовались в стационарном (неподвижном) режиме. Ответвление части ЛП на эти приемники излучения осуществлялось с помощью непрерывных или пространственно-временных ответвителей. Известно также применение зеркальных АТП в проходном режиме /9/, которые могут применяться без ослабителей в стационарном режиме. Применение широкоапертурного пленочного АТП в режиме пространственно-временного ослабления (ПВО) за счет его перемещения имеет следующие основные преимущества. В силу большой апертуры нет необходимости в согласующем с ЛП оптическом устройстве, что упрощает реализацию. В силу высокого быстродействия приемники АТП, работающие в режиме ПВО, формируют импульсный сигнал, амплитудное значение которого пропорционально мгновенной мощности измеряемого ЛИ. Второй приемник однократно, преимущественно в ручном режиме, перемещают в плоскости его приемной поверхности. Это условие означает, что режим ПВО реализуется в виде единичного акта перемещения, при котором ЛП проецируется на апертуре приемника, причем все остальное время ЛП остается невозмущенным и используется по прямому назначению в технологических процессах. Наиболее просто, а следовательно дешево, однократный режим перемещения приемника АТП реализуется в ручном режиме, этим же достигается и экспрессность измерения. Условие "в плоскости его приемной поверхности" означает, что угол падения излучения в процессе его проецирования на апертуру приемника АТП не меняется, что стандартизирует коэффициент его поглощения, а, следовательно, не вносит дополнительной погрешности измерений. Третий перемещают приемник АТП с такой скоростью, при которой время проецирования ЛП на апертуре ЛИ не превышает 0,1 с. Известно, что с целью расширения предела измерения ЛИ с большей мощностью необходимо уменьшать тепловую нагрузку на ЛИ. В режиме ПВО уменьшение тепловой нагрузки на ЛИ в нашем случае достигается за счет уменьшения времени проецирования (по сравнению со стационарным режимом) и за счет увеличения повторения акта проецирования (который стремится к бесконечности). Время проецирования не более 0,1 с выбрано из соображения, что оно должно быть минимально возможным, но уверенно реализуемыме в ручном режиме перемещения, с учетом того, что постоянная времени АТП мала (10^-4-10^-6с). В таком случае даже при применении ЛИ с апертурой 100 мм при скорости его перемещения 1 м/с уверенно реализуется время проецирования 0,1 с. Таким образом, при однократном акте перемещения ЛИ относительно ЛП с временем проецирования не более 0,1 с существенно уменьшается тепловая нагрузка на ЛИ, а следовательно, расширяется предел измерения в сторону больших значений мощности. По этим же причинам уменьшается возмущение ЛП.

Рассмотренные существенные признаки образуют новую совокупность признаков, не обнаруженную в технической и патентной литературе.

На фиг. 1 дана структурная схема измерительной системы, реализующей предложенный способ измерения мощности непрерывного ЛИ, где: мощный технологический лазер 1 генерирует лазерный пучок 2, приемное устройство включает в себя широкоапертурный АТП 3, который находится в исходном состоянии, пунктиром показан ЛИ в момент пересечения им ЛП, заштрихованная зона на ЛИ соответствует площади проецирования ЛП на его апертуре. Перемещение ЛИ поперек ЛП осуществляют ручкой 4, амплитудное значение сигнала ЛИ, возникающего в момент пересечения приемником излучения ЛП, измеряется электронным блоком 5, соединенным с ЛИ гибким электрическим кабелем 6.

На фиг. 2 дан вариант применения приемника АТП "поглощающего" типа 1, изображенного в момент пересечения им ЛП 2. В соответствии с требованиями техники безопасности при работе с мощными лазерами не допускаются блики, энергия которых представляет опасность для человека. В этом случае при угле падения ЛИ в области, близкой к нулю, необходимо, чтобы коэффициент отражения ЛИ стремился к нулю (или поглощение стремилось к 100%).

На фиг. 3 дан вариант применения ЛИ АТП со значительной величиной коэффициента отражения 1, в том числе и зеркального АТП. В этом случае с учетом требований техники безопасности отраженное от ЛИ излучение должно быть "погашено". В данном примере реализован угол падения около 45^o, а отраженный луч "гасится" в ловушке 3. Этот вариант применения ЛИ более универсальный, т.к. не предъявляет особых требований к коэффициенту отражения "поглощающего" ЛИ, при этом в случае зеркального АТП возможности измерения мощных ЛИ расширяются.

Для осуществления предложенного способа измерения мощности непрерывного лазерного излучения, например мощного технологического CO₂-лазера, необходимо собрать измерительную систему в соответствии с фиг. 1, включающую приемное устройство с широкоапертурным приемником АТП и электронный измеритель амплитудного значения термоЭДС с чувствительностью не менее 10 мкВ. В зависимости от максимальной мощности излучения могут быть использованы "поглощающий" или "зеркальный" АТП с апертурой, превышающей сечение ЛП.

Оператор включает электронный измерительный блок и приводит его в исходное состояние. Далее оператор вручную располагает приемное устройство в непосредственной близости от ЛП (ориентируясь по ранее сделанным отметкам, например, на оргстекле, кирпиче и т.д.) таким образом, чтобы апертура ЛИ была обращена в сторону лазера. Затем оператор однократно перемещает рукой приемное устройство поперек ЛП так, чтобы ЛИ перемещался в плоскости его приемной поверхности с такой скоростью, при которой время проецирования ЛП на апертуре ЛИ не превышало 0,1 с. На табло электронного блока фиксируется амплитудное значение сигнала приемника излучения, выраженное в единицах мгновенной мощности. Для тех лазеров, которые имеют существенную временную нестабильность уровня мощности, можно получить среднее значение за конкретный промежуток времени, для чего производят до 10 независимых измерений мгновенных значений, а затем вычисляют среднее значение за реальный интервал времени.

Практически нами был изготовлен действующий макет измерительной системы, состоящей из приемного устройства с широкоапертурным приемником АТП и электронного измерителя амплитудного значения термоЭДС, соединенных между собой гибким электрическим кабелем, позволяющим оператору свободно манипулировать приемным устройством в зоне измеряемого ЛП. В приемном устройстве использовался ЛИ АТП с апертурой 80 мм, изготовленный на основе косонапыленной пленки хрома, с чувствительностью 0,05 мВ/Вт падающей мощности и коэффициентом отражения около 45% охладитель подложки не применялся. Измеритель амплитудного значения термоЭДС был изготовлен на основе полупроводниковых микросхем и имел коэффициент усиления не менее 100 и погрешность не более 5%
Проверка предложенного способа измерения мощности ЛИ проводилась на технологическом CO₂-лазере ТЛ-1,5, выпускаемом НИЦ ТЛ РАН. Измерения проводились на дискретных уровнях мощности, на основе "поглощающего" приемника АТП совместно с частично прозрачным высокоотражающим задним резонаторным зеркалом /10/, имеющего погрешность измерения не более 10% На каждом уровне мощности делалось по 5-7 независимых измерений мгновенной мощности. Результаты приведены в таблице.

Разброс показаний макета относительно показаний встроенного измерителя средней мощности находится в интервале ±10% что, по нашему мнению, определяется совокупной погрешностью как встроенного измерителя мощности, так и испытываемого макета. Испытания показали, что пленочный приемник излучений АТП, имеющий в непрерывном режиме эксплуатации с охладителем предельную нагрузочную характеристику около 100 Вт/см², может успешно применяться в предложенном способе измерения мощности непрерывного ЛИ без охладителя при плотности мощности по крайней мере 0,5 кВт/см². По сравнению с прототипом время проведения измерения существенно уменьшилось из-за отсутствия установочных и юстировочных подготовительных операций, что обеспечило экспрессность измерений не более 3 мин. По причине отсутствия ответвителей, установочных и сканирующих устройств предложенный способ имеет явное преимущество в простоте, а следовательно, и в стоимости.

Источники информации
1. Голубев В.С. Лебедев Ф.В. Инженерные основы создания технологических лазеров. М. Высшая школа, 1988.

2. Иващенко П.А. Калинин Ю.А. Морозов Б.Н. Измерение параметров лазеров. М. Изд-во стандартов, 1982, с. 86.

3. Авторское свидетельство N 1717973 А1, кл. G O1 J 5/00, 1992.

4. Ишанин Г. Г. и др. Проходной измеритель средней мощности технологического лазера. В сб. Тепловые приемники излучения. Тез. докл. М. 1988.

5. Hidemi Tukahashi, Minoru Kimura, Reifi Sano //Appl. Opt. 1989, Vol. 28, N 9, p.1727.

6. Абильсиитов Г. Г. и др. Технологические лазеры. Справочник. Т.2. М. Машиностроение, 1991, с. 411.

7. Ухлинов Г. А. и др. Пленочные анизотропные датчики излучения. ОМП, 1985, с. 50.

8. Андреев В.И. и др. Малоинерционный неохлаждаемый приемник импульсного лазерного излучения //Квантовая электроника. 1985, т. 12, N 6.

9. Глебов В. Н. и др. Зеркальный термоэлектрический приемник лазерного излучения //Изв. РАН. Сер. физическая, 1993, т. 53, N 12, с. 167.

10. Андреев В.И. и др. Управление технологическим лазерным пучком с помощью встроенного квадратного преобразователя излучения АТП. В сб. Применение лазеров в народном хозяйстве. Тез. докл. Шатура, 1989, с. 241.

Использование: для измерения мощности излучения технологических, в том числе CO₂-лазеров, работающих в непрерывном режиме. Сущность: в качестве приемника излучения применяют пленочный анизотропный термопреобразователь, который однократно перемещают поперек лазерного пучка с такой скоростью, при которой время проецирования лазерного пучка на апертуре приемника излучения не превышает 0,1 с. 1 табл., 3 ил.

Способ измерения мощности непрерывного лазерного излучения, включающий пространственно-временное ослабление последнего за счет перемещения широкоапертурного приемника излучения поперек лазерного пучка и измерение амплитудного значения сигнала приемника излучения, отличающийся тем, что в качестве приемника излучения применяют пленочный анизотропный термопреобразователь, который однократно, преимущественно в ручном режиме, перемещают в плоскости его приемной поверхности с такой скоростью, при которой время проецирования лазерного пучка на апертуре приемника излучения не превышает 0,1 с.