УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК G01J1/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения мощности оптического излучения, и может быть использовано, в частности, для измерения оптической мощности медицинских лазерных установок с волоконно-оптическим выходом.

Уровень техники

Проведение точных измерений выходной оптической мощности

терапевтических лазерных установок с волоконно-оптическим выходом является актуальной задачей при диагностике и терапии с использованием методов фотодинамической терапии (ФДТ), особенно при терапии внутриполостных органов.

Известны измерители оптической мощности, содержащие тепловые фотоприемники излучения, действие которых основано на увеличении температуры при поглощении излучения [см: страница с описанием продукции компании Thorlabs http://www.thorlabs.com/NewGroupPage9.cfm?ObjectGroup_ID=1694].

Недостатками данных устройств являются низкое быстродействие, необходимость стабилизировать температуру и отводить тепло от корпуса фотоприемника, а также при длительном сеансе измерения производить периодическую компенсацию нагрева чувствительного элемента измерительной головки.

Известны измерители оптической мощности, в которых измерение мощности оптического излучения производится с помощью фотодиодов [см. http://www.ophiropt.com/laser-measurement-instruments/laser-power-energy-meters/products/smart-sensors/photodiode-sensors].

Недостатками фотодиодных измерителей мощности являются высокая селективность к спектральному составу излучения и низкое значение предельной оптической мощности, превышение которого ведет к необратимому повреждению фотодиода. При необходимости компенсации этих недостатков используют специальные оптические фильтры.

Наиболее близким к предложенному устройству является интегрирующая сфера, имеющая вместо одного фотоприемника распределенную сеть фотоприемников (вводов в оптические волокна) для дополнительного усреднения освещенности, создаваемой измеряемым излучением внутри сферы, которая по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату может быть принята в качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения [М.Szylowski, M.Mossman, D.Barclay, and L.Whitehead. Novel fiber-based integrating sphere for luminous flux measurements. Rev. Sci. Instrum. 77, 063102 (2006)].

Устройство включает традиционную интегрирующую сферу, в которой отсутствует система экранов и заслонов, препятствующая попаданию на фотоприемник прямого или первично отраженного излучения, но содержащая распределенную, находящуюся в определенных точках поверхности систему фотоприемников, сигналы которых образуют среднеарифметическое значение, соответствующее измеряемой оптической мощности.

Недостатком данного устройства является сложность конструкции, трудоемкость изготовления и большие габариты.

Сведения, подтверждающие реализацию изобретения

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании устройства для измерения мощности оптического излучения с различными, но заранее известными пространственными распределениями на выходе волоконно-оптических зондов или иных средств доставки оптического излучения.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей устройства за счет измерения мощности оптического излучения на выходе волоконно-оптических зондов с различными типами наконечников с заранее извесными пространственными распределениями без дополнительной перенастройки устройства и упрощении конструкции устройства.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что устройство для измерения мощности оптического излучения на выходе из волоконно-оптического зонда включает рассеиватель, выполненный с возможностью рассеивания излучения по всему собственному объему, по меньшей мере, один фотоприемник, расположенный на поверхности рассеивателя таким образом, чтобы уровни приходящего на него излучения при использовании различных типов наконечников, с заранее извесными пространственными распределениями, были наиболее близки друг к другу при равной оптической мощности, вводимой в волоконно-оптический зонд, блок измерения, включающий средство регистрации сигнала, вход которого связан с выходом фотоприемника, при этом в рассеивателе выполнена несквозная полость для размещения наконечника волоконно-оптического зонда.

Выполнение рассеивателя с возможностью распределения излучения, выходящего из волоконно-оптического зонда по всему собственному объему, обеспечивает возможность измерения излучения любых типов наконечников оптических волокон.

Расположение фотоприемника на поверхности рассеивателя в точке, где достигается схожесть уровня освещенности для всех конфигураций наконечников волоконно-оптических зондов, обеспечивает попадание на фотоприемник лишь небольшой части излучения, выходящего из наконечника зонда, что дает возможность применять фотодиоды в качестве фотоприемников без дополнительных оптических фильтров, т.е. рассеиватель также выполняет функции ослабителя излучения, и в то же время позволяет измерять мощность излучения на выходе любых типов волоконно-оптических наконечников без дополнительной перенастройки устройства.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения рассеиватель выполнен в виде параллелепипеда из материала на основе фторопласта.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство дополнительно снабжено стеклянной колбой, размещенной в полости рассеивателя.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения колба установлена с возможностью замены.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство дополнительно снабжено средством отображения информации.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения средство отображения информации выполнено в виде индикатора или дисплея.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения средство регистрации сигнала выполнено в виде аналогово-цифрового преобразователя.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения блок измерения содержит микроконтроллер, связанный с аналогово-цифровым преобразователем, и средство передачи данных, связанное с микроконтроллером.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения средство передачи данных выполнено в виде USB интерфейса.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения фотоприемник соединен с аналогово-цифровым преобразователем посредством экранированного кабеля.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения фотоприемник выполнен на основе фотодиодов.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения фотоприемник выполнен на основе термопары.

Осуществление изобретения

Устройство для измерения мощности лазерного излучения (чертеж) включает в себя рассеиватель 1, который предпочтительно может быть выполнен в виде параллелепипеда из фторопласта, что обеспечивает рассеивание излучения по всему собственному объему рассеивателя, в рассеивателе 1 выполнена несквозная полость 2 для размещения наконечника 3 волоконно-оптического зонда, на выходе которого измеряют мощность оптического излучения, причем для обеспечения стерильности оптического волокна в процессе измерения в полости 2 может быть установлена сменная стеклянная колба (не показана), в которой размещают наконечник 3 волоконно-оптического зонда, на поверхности рассеивателя 1 установлен, по меньшей мере один фотоприемник 4, который может быть выполнен на основе фотодиодов или на основе термопары, неселективной к спектральному составу излучения, поскольку в зависимости от типа наконечников волоконно-оптических зондов изменяется картина распределения излучения в объеме рассеивателя 1, фотоприемник 4 устанавливают на поверхности рассеивателя таким образом, чтобы уровни приходящего на него излучения при использовании различных типов наконечников, с заранее извесными пространственными распределениями, были наиболее близки друг к другу при равной оптической мощности, вводимой в волоконно-оптический зонд, что позволяет измерять мощность оптического излучения волоконно-оптических зондов с различными типами наконечников без дополнительной перенастройки устройства, блок 5 измерения, содержащий средство 6 регистрации сигнала, которое предпочтительно выполнено в виде аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), вход которого соединен с выходом фотоприемника 4 посредством экранированного кабеля, микроконтроллер 7, соединенный со средством 6 регистрации сигнала, блок 8 передачи данных, выполненный в виде USB интерфейса, соединенный с микроконтроллером 7 и компьютером, содержащим программное обеспечение, позволяющее осуществлять дальнейшую обработку информации. Геометрическая форма рассеивателя 1 может быть любой и выбираться, исходя из соображений выполнения требований по габаритам, массе или обеспечения требуемого распределения излучения внутри рассеивателя, а материал рассеивателя 1 выбирается из соображений обеспечения требуемых индикатрисы рассеяния и коэффициента поглощения в рабочем спектральном диапазоне. Использование нескольких фотоприемников 4, расположенных в разных точках поверхности рассеивателя 1, обеспечивает более высокую точность измерения и анализа диаграммы направленности излучения, выходящего из наконечника 3 волоконно-оптического зонда. Также для отображения результатов измерения устройство может содержать индикатор или дисплей, а для измерения плотности оптического излучения устройство может содержать калиброванное окно с заданной площадью. Для обеспечения точности измерения после сборки предлагаемого устройства производится его калибровка для всех типов наконечников волоконно-оптических зондов, для измерения которых предполагается использовать это устройство.

Устройство работает следующим образом

Наконечник 3 волоконного - оптического зонда, на выходе которого измеряют мощность оптического излучения, устанавливают в полости 2 рассеивателя 1, в которой предварительно может быть установлена стеклянная колба (не показана). Оптическое излучение, исходящее из волоконно-оптического зонда, находящегося внутри рассеивателя 1, выполненного в форме параллелепипеда из фторопласта, рассеивается по всему объему рассеивателя. Фотоприемник 4, расположенный на поверхности рассеивателя 1 в точке, где уровни приходящего на него излучения при использовании различных типов наконечников с заранее известными пространственными распределениями наиболее близки друг к другу при равной оптической мощности, вводимой в волоконно-оптический зонд, регистрирует уровень падающего на него оптического излучения на выходе волоконно-оптических зондов любой конфигурации, например, с торцевым выходом излучения или с цилиндрическим рассеивателем без дополнительной перенастройки устройства. Аналоговый сигнал с выхода фотоприемника 4 подается на вход аналогово-цифрового преобразователя 6, который преобразует его в соответствующий цифровой код. Затем цифровой сигнал поступает в микроконтроллер 7 и обрабатывается в нем. Получившийся результат передается через USB интерфейс 8 на компьютер, где с помощью специального программного обеспечения производится вывод информации на экран монитора и ее дальнейшая обработка. Программное обеспечение позволяет отображать текущие значения мощности, осуществлять временную развертку, изменять интервал считывания данных с устройства, учитывать особенности измерения в зависимости от типа волокна и длины волны излучения, сохранять результаты измерения.

Таким образом, заявляемое техническое решение возможно реализовать с использованием известных средств и методов, что позволяет сделать вывод о соответствии критерия патентоспособности "промышленная применимость".

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения мощности оптического излучения, и может быть использовано, в частности, для измерения оптической мощности медицинских лазерных установок с волоконно-оптическим выходом. Устройство включает рассеиватель, выполненный в виде параллелепипеда из материала на основе фторопласта, по меньшей мере, один фотоприемник, расположенный на поверхности рассеивателя таким образом, чтобы уровни приходящего на него оптического излучения при использовании различных типов наконечников волоконно-оптического зонда были наиболее близки друг к другу при равной оптической мощности, блок измерения, включающий средство регистрации сигнала, связанное с фотоприемником. В рассеивателе выполнена несквозная полость для размещения наконечника волоконно-оптического зонда. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности устройства за счет возможности измерения мощности оптического излучения на выходе волоконно-оптических зондов с различными типами наконечников без дополнительной перенастройки устройства и упрощение конструкции устройства. 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения мощности оптического излучения на выходе из волоконно-оптического зонда, включающее рассеиватель, выполненный с возможностью рассеивания излучения по всему собственному объему, по меньшей мере, один фотоприемник, расположенный на поверхности рассеивателя таким образом, чтобы уровни приходящего на него оптического излучения при использовании различных типов наконечников с заранее известными пространственными распределениями были наиболее близки друг к другу при равной оптической мощности, вводимой в волоконно-оптический зонд, блок измерения, включающий средство регистрации сигнала, связанное с фотоприемником, при этом в рассеивателе выполнена несквозная полость для размещения наконечника волоконно-оптического зонда.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рассеиватель выполнен в виде параллелепипеда из материала на основе фторопласта.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно снабжено стеклянной колбой, размещенной в полости рассеивателя.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что стеклянная колба установлена в полости рассеивателя с возможностью замены.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно снабжено средством отображения информации.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что средство отображения информации выполнено в виде индикатора.

7. Устройство по п.5, отличающейся тем, что средство отображения информации выполнено в виде дисплея.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство регистрации сигнала выполнено в виде аналогово-цифрового преобразователя.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок измерения содержит микроконтроллер, связанный с аналогово-цифровым преобразователем, и средство передачи данных, связанное с микроконтроллером.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что средство передачи данных выполнено в виде USB интерфейса.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фотоприемник соединен с аналого-цифровым преобразователем посредством экранированного кабеля.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фотоприемник выполнен на основе фотодиодов.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фотоприемник выполнен на основе термопары, неселективной к спектральному составу излучения.