УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ РАСХОДИМОСТИ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА Российский патент 1997 года по МПК G01J1/04 

Изобретение относится к средствам измерения энергетических параметров направленного оптического излучения, в частности мощности или энергии, диаметра лазерного пучка, расходимости и т.д.

Известно устройство для определения энергетической расходимости лазерного пучка, содержащее фокусирующую оптическую систему и узел регистрации информации о значении расходимости [1]
Недостатком устройства является невозможность измерения значения расходимости без дополнительных операций обработки чувствительного материала и проведения расчетов.

Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения энергетической расходимости, разработанное в соответствии с [2] и содержащее фокусирующую оптическую систему и устройство для измерения диаметра пучка, способное перемещаться с помощью юстировочного механизма.

Устройство для измерения диаметра пучка включает блок калибровочных диафрагм, вспомогательное фотоприемное устройство-"свидетель", основное фотоприемное устройство, соединенное с измерительно-регистрирующем прибором.

Недостатком данного устройства является наличие погрешности измерения, обусловленной неточностью совмещения центра калибровочных диафрагм с пучком лазерного излучения, поскольку в устройстве упомянутое совмещение производится путем юстировки по максимуму сигнала характеристике, не обладающей высокой устойчивостью к различным дестабилизирующим факторам.

Технический результат изобретения повышение точности определения энергетической расходимости лазерного пучка. Кроме того, устройство позволяет повысить достоверность измерений за счет применения режима самокалибровки при определении координат энергетического центра.

Для достижения технического результата в устройство для определения энергетической расходимости лазерного пучка в соответствии с предлагаемым изобретением, содержащем расположенные вдоль оси лазерного пучка и оптически согласованные фокусирующую систему, устройство для измерения диаметра пучка, включающее блок калиброванных диафрагм и установленное с возможностью перемещения, а также вспомогательное фотоприемное устройство-"свидетель", основное фотоприемное устройство, соединенное с измерительно-регистрирующим прибором, введен блок управления, основное фотоприемное устройство с возможностью автоматического перемещения выполнено в виде оптической головки с четырехсегментным фотоприемником, блок калиброванных диафрагм жестко связан с корпусом оптической головки, при этом вход блока управления соединен с выходом измерительно-регистрирующего прибора, а выходы с юстировочными механизмами для перемещения фотоприемного устройства и устройством перемещения блока калибровочных диафрагм.

Устройство дополнительно содержит формирователь равномерного оптического излучения, выполненный с возможностью перемещения относительно оптической оси лазерного пучка между фокусирующей системой и блоком калиброванных диафрагм, при этом блок калиброванных диафрагм включает тест-диафрагму.

Достижение повышения точности определения энергетической расходимости обусловлено тем, что в данном устройстве с малой погрешностью удается совместить центр каждой (любой) из калиброванных диафрагм, вводимых в измерительный тракт, с энергетическим центром лазерного пучка - характеристикой, устойчивой к различным дестабилизирующим факторам (Рубинштейн В. М. Оценка погрешностей пространственно-энергетических параметров лазерного излучения. В сб. научных трудов "Метрологическое обеспечение пространственно-энергетической фотометрии". ВНИИФТРИ, 1987).

В настоящее время на основании проведенного анализа всех видов сведений, общедоступных на территории Российской Федерации следует, что не известны устройства, в которых имеется совокупность признаков, являющихся отличительными, т.е. предлагаемое является новым.

Кроме того, предлагаемое устройство обладает изобретательским уровнем, так как для специалиста данное техническое решение явным образом не следует из уровня технических достижений. Проведенные экспериментальные изыскания позволили выявить отличительные признаки устройства, обеспечивающие достижение технического результата.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 внешний вид блока калиброванных диафрагм с тест-диафрагмой.

Устройство содержит фокусирующую систему 1, ответвитель 2 излучения, основное фотоприемное устройство 3, выполненное в виде оптической головки, включающей диффузный рассеиватель 4, оптическую диафрагму 5 и четырехсегментный фотоприемник 6, расстояния между которыми подобраны соответствующим образом для измерения координат энергетического центра, блок 7 усилителя с пиковым детектором, аналого-цифровой преобразователь 8 и микроЭВМ 9 с индикатором 10, представляющие собой измерительно-регистрирующий прибор 11. Устройство содержит также блок управления 12, блок 13 калибровочных диафрагм, жестко связанный с корпусом оптической головки, с устройством 14 их перемещения, юстировочные механизмы 15 и 16, обеспечивающие перемещение фотоприемного устройства по координатам X и Y соответственно, вспомогательное фотоприемное устройство-"свидетель" 17, формирователь 18 с механизмом перемещения 19. Формирователь 18 состоит из диффузно-рассеивающего цилиндра и диффузно-рассеивающей линзы (на фиг. 1 не показаны). Тест-диафрагма 20 представляет собой пластину, содержащую несколько отверстий; их может быть не менее одного с размерами, определенными с высокой точностью и расположенными на заданном расстоянии друг от друга.

Устройство работает следующим образом.

Поток излучения от исследуемого источника проходит через фокусирующую систему 1 и поступает на основное фотоприемное устройство 3, входная апертура которого расположена в фокальной плоскости. Электрические сигналы с четырехсегментного фотоприемника 6 поступают через блок 7 на вход АЦП, а с выхода АЦП в микроЭВМ, которая производит вычисление координат энергетического центра по следующим соотношениям

где 1₁, 1₂, 1₃, 1₄ сигналы сегментов фотоприемника 6.

Результаты расчета выводятся на индикатор. Затем по команде с блока 12 управления с помощью юстировочных механизмов 15 и 16 основное фотоприемное устройство перемещается таким образом, чтобы его оптическая ось совпала с энергетическим центром пучка. В процессе перемещения циклично производится измерение координат энергетического центра пучка и перемещение фотоприемного устройства 3, причем последнее заканчивается по команде с блока 12 управления, когда произошло совпадение измеренных координат с нулем в пределах величины, обусловленной погрешностью измерения. После этого с помощью блока 13 калибровочных диафрагм производится измерение диаметра пучка по известному алгоритму, описанному в ГОСТе 26086-84. С этой целью последовательно с помощью устройства 14 в оптический тракт вводятся калиброванные диафрагмы, диаметры которых последовательно уменьшаются.

При этом с помощью устройства 14 перемещения и блока 12 управления осуществляется контроль совпадения центра каждой из калиброванных диафрагм с энергетическим центром.

Следует отметить, что во время юстировки фотоприемного устройства на пути лазерного пучка установлена калибровочная диафрагма, размер которой позволяет пройти через нее полной энергии излучения.

Поскольку в устройстве для измерения диаметра используется то же фотоприемное устройство с четырехсегментным фотоприемником 6, то в данном случае для получения суммарной интенсивности сигналы, полученные с каждого сегмента суммируются и в дальнейшей обработке используется их сумма.

Одновременно с измерением суммарного сигнала с фотоприемника 6 измеряется сигнал, поступающий от вспомогательного фотоприемного устройства-"свидетеля" 17 на блок усилителя 7, что дает возможность определить коэффициент, учитывающий нестабильность источника лазерного излучения.

Методика учета сигнала вспомогательного фотоприемного устройства-"свидетеля" 17 представлена в ГОСТе 26084-86, принятым за прототип.

Энергетическая расходимость θ_w лазерного пучка определяется по известной формуле
θ_w= d_w/F,
где d_w измеренный диаметр пучка в фокальной плоскости по заданной доле w энергии; F фокусное расстояние оптической фокусирующей системы.

Результат расчета выводится на индикатор 10.

В режиме самокалибровки устройство обеспечивает контроль определения энергетического центра пучка. С этой целью в оптический тракт перед блоком 13 калибровочных диафрагм по команде с блока 12 управления одновременно вводится с помощью механизма 19 перемещения формирователь 18 равномерного распределения интенсивности в поперечном сечении пучка лазерного излучения и с помощью устройства 14 перемещения тест-диафрагма. При этом с помощью блока 12 управления и устройства 14 осуществляется контроль совпадения линии, соединяющей центры отверстий с одной из линий, разделяющих фотоприемник на сегменты, а центр меньшего из отверстий тест-диафрагмы должен располагаться на оптической оси фотоприемного устройства.

Координаты энергетического центра распределения интенсивности излучения на выходе тест-диафрагмы определяются по формулам

где R₁, R₂ радиусы отверстий тест-диафрагмы; b - расстояние между центрами отверстий соответственно большей и меньшей диафрагм.

Путем сравнения значений координат энергетического центра, измеренных устройством 11 и вычисленных по вышеприведенной формуле, осуществляется контроль точности определения координат энергетического центра, что, в свою очередь, позволяет повысить достоверность определения диаметра пучка и, следовательно, энергетической расходимости излучения, так как при этом измерении осуществляется более точное совмещение оптической оси основного фотоприемного устройства с энергетическим центром лазерного пучка.

Для примера конкретного выполнения устройства следует отметить, что в качестве четырехсегментного фотоприемника могут быть использованы фотодиоды ДФ-141К; а в качестве вспомогательного фотоприемника-"свидетеля" фотодиод ФД-24К. Блок управления может включать устройство синхронизации и устройство управления юстировочными механизмами. В качестве микро-ЭВМ может служить МС 2702, а исполнительные юстировочные механизмы могут быть выполнены на основе шаговых двигателей, например, ДШИ-200-1-1. Индикатор ИПГ-01-03. Диафрагмы -изготовителя-изготовителя.

Предлагаемое устройство позволяет значительно повысить точность измерения энергетической расходимости и обеспечить контроль за достоверностью измерений.

Использование: средства измерения энергетических параметров направленного оптического излучения. Сущность изобретения: устройство содержит основное и вспомогательное фотоприемные устройства, блок калиброванных диаграмм, при этом основное фотоприемное устройство снабжено блоком автоматического перемещения и выполнено в виде оптической головки в корпусе с четырех-сегментным фотоприемником, а блок калиброванных диафрагм жестко связан с корпусом оптической головки и в него введена тест-диафрагма. Между фокусирующей системой и блоком калиброванных диафрагм введен формирователь с механизмом перемещения относительно оптической оси лазерного пучка. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для определения энергетической расходимости лазерного пучка, содержащее расположенные последовательно по ходу излучения фокусирующую систему, блок калиброванных диафрагм с устройством перемещения, основное фотоприемное устройство, соединенное с измерительно-регистрирующим прибором, а также вспомогательное фотоприемное устройство, отличающееся тем, что в устройство введен блок управления, основное фотоприемное устройство снабжено блоком автоматического перемещения и выполнено в виде оптической головки в корпусе с четырехсегментным фотоприемником, блок калиброванных диафрагм жестко связан с корпусом оптической головки, при этом вход блока управления соединен с выходом измерительно-регистрирующего прибора, а выходы с устройствами перемещения основного фотоприемного устройства и блока калиброванных диафрагм. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит формирователь с механизмом перемещения относительно оптической оси лазерного пучка для расположения формирователя между фокусирующей системой и блоком калиброванных диафрагм, при этом в блок калиброванных диафрагм введена тест-диафрагма.