Измеритель мощности лазерного излучения Российский патент 2020 года по МПК G01J1/02 G01J1/08 G01J1/42 

Изобретение относится к области оптических измерений, а именно, к энергетической фотометрии и может быть использовано для измерений больших уровней средней мощности широких пучков коллимированного лазерного излучения.

Мощные лазеры широко применяются в промышленности, в настоящее время освоен и расширяется их серийный выпуск. Промышленное применение этих лазеров часто сопряжено с необходимостью измерения мощности их излучения. Применяемая при этом измерительная техника должна обладать высокой стойкостью к излучению, характеризующемуся высокой плотностью мощности.

Из уровня техники известно решение этой задачи с помощью проточных калориметров, характеризующихся развитой приемной поверхностью и обеспечивающих интенсивную передачу поглощаемой мощности прокачиваемой через них охлаждающей жидкости. Например, из уровня техники известен измеритель мощности лазерного излучения до 2 кВт, содержащий охлаждаемый проточной жидкостью поглотитель (см. С Crespy, D Villate, М Soscia, F Coste and R Andre «RLCYC 75: a 2 kW electrically calibrated laser calorimeter designed for Laser MegaJoul diagnostics calibration)) / Metrologia 50 (2013) 37-48). Однако применение подобных измерителей обычно связано с необходимостью использования громоздких гидравлических систем, обеспечивающих прокачку через них большого количества воды с высокой скоростью и вывода накапливаемого тепла за пределы этих систем. Поскольку такие измерители обычно очень громоздки и включают в себя большие водяные емкости, холодильники, мощные водяные насосы, расходомеры, измерители температуры воды и целый ряд других измерительных и вспомогательных устройств.

На практике нашли применение другие, значительно более простые типы измерителей, обеспечивающих проведение быстрых оперативных измерений средней мощности путем ввода в пучки мощных лазеров на некоторое отсчитываемое время их компактных приемных элементов, обеспечивая таким образом дискретные измерения энергетических параметров воздействующего на них излучения. Так из уровня техники известен серийно выпускаемый фирмой Ophir измеритель средней мощности непрерывного лазерного излучения Comet 10K P/N 7Z02705 (см. ophiropt/com>laser-measurement/ru/node/10876). Это устройство, содержит дисковый приемный элемент, который имеет спектрально матовое широкополосное покрытие и охватывает спектральный диапазон от 1,06 до 10,6 мкм. Принцип действия прибора основан на преобразовании оптического излучения при мощности до 10 кВт и диаметрах пучков до 100 мм в пропорциональный электрический сигнал, который усиливается, преобразуется в цифровую форму и представляется на индикаторе, расположенном на рукоятке измерителя. В ходе измерения дисковый приемный элемент, удерживаемый оператором за рукоятку, вводят в пучок излучения таким образом, что он полностью перекрывает этот пучок, и одновременно начинают отсчет времени его пребывания в этом пучке. Через 20 с приемный элемент выводят из пучка и фиксируют показание индикатора, пропорциональное средней мощности излучения. Конструкция и принцип работы прототипа позволяют проводить оперативную оценку энергетических параметров излучения мощных лазеров, избегая при этом необходимости применения упомянутых ранее мощных гидравлических систем.

Однако при работе с пучками большого диаметра, дисковые приемники становятся излишне громоздким и неудобными в эксплуатации, а также не могут обеспечить высокой однородности их локальной чувствительности по всему полю такой большой приемной поверхности. Кроме того, подобные приемники на довольно длительное время полностью перекрывают пучок мощного излучения для измерительных целей и при этом подвергаются воздействию его полной мощности, а значит, и возможности разрушения при случайной передержке его в пучке, а персонал - опасности облучения.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является измеритель мощности лазерного излучения, содержащий стержневой приемный элемент, поглощающий энергию лазерного излучения, расположенный внутри него термочувствительный элемент и блок перемещения стержневого приемного элемента вдоль сечения пучка (см. патент JP 2009294069, кл. G01J 1/42, опубл. 17.12.2009). Недостатками известного устройства являются сложность изготовления и дискретность расположения термочувствительных элементов, усложняющая их калибровку и создающая «мертвые зоны», что значительно повышает погрешность проводимых измерений.

Технической проблемой является устранение указанных недостатков и создание эргономичного, надежного и безопасного измерителя средней мощности излучения мощных лазеров, характеризующихся высокими уровнями мощности и большими диаметрами пучков, при одновременном уменьшении потерь энергии за время ведения измерительного процесса. Технический результат заключается в повышении точности проводимых измерений. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в измерителе мощности лазерного излучения, содержащем стержневой приемный элемент, поглощающий энергию лазерного излучения, расположенный внутри него термочувствительный элемент и блок перемещения стержневого приемного элемента вдоль сечения пучка, в стержневом приемном элементе выполнено два продольных канала, в одном из которых расположен электронагреватель, а в другом - указанный термочувствительный элемент, причем канал электронагревателя расположен со стороны поверхности стержневого элемента, обращенной к источнику лазерного излучения, а канал термочувствительного элемента - с теневой стороны. Термочувствительный элемент предпочтительно выполнен в виде проволочного термометра сопротивления, расположенного внутри теплоизолирующего патрубка. Стержневой приемный элемент предпочтительно имеет постоянное поперечное сечение в форме равнобедренной трапеции, большее основание которой направлено в сторону источника лазерного излучения. Блок перемещения предпочтительно оборудован линейным актуатором и выполнен с возможностью подключения к компьютеру. Стержневой приемный элемент предпочтительно с воздушным зазором установлен в несущем корпусе и закреплен с помощью упорных винтов, входящих в углубления, выполненные в торцах стержневого приемного элемента. Корпус при этом предпочтительно выполнен в виде П-образной секции, центральная часть которой расположена с теневой стороны относительно лазерного излучения, а концевые части снабжены резьбовыми отверстиями для указанных упорных винтов. Корпус предпочтительно снабжен боковыми секциями, прикрепленными к центральной части П-образной секции и закрывающими продольные боковые стороны стержневого приемного элемента. Корпус предпочтительно через теплоизолирующие втулки закреплен на поворотной стойке, в свою очередь взаимодействующей с блоком перемещения. Высота стержневого приемного элемента предпочтительно превышает диаметр пучка. Блок перемещения может быть выполнен с возможностью перемещения стержневого приемного элемента вдоль сечения пучка в двух перпендикулярных направлениях.

На фиг. 1 - частично в разрезе представлен предлагаемый измеритель мощности лазерного излучения, вид сбоку;

на фиг. 2 - частично в разрезе представлен предлагаемый измеритель мощности лазерного излучения, вид сверху.

Предлагаемый измеритель мощности лазерного излучения содержит выполненный из меди приемный элемент 1 в виде длинного стержня постоянного четырехугольного сечения, ширина передней грани которого, выполняющей роль приемной поверхности, превышает ширину задней (предпочтительно сечение выполнено в форме равнобедренной трапеции). Его передняя грань, обращенная в сторону источника излучения, имеет постоянную известную ширину по всей ее длине и поглощающее покрытие (в альтернативном варианте грань может быть выполнена зеркальной), а противоположная имеет меньшую ширину, при этом расстояние между гранями, определяющее толщину приемного элемента, в 2-3 раза превышает ширину передней грани. Стержневой приемный элемент 1 имеет длину, превышающую диаметр пучка измеряемого излучения. По всей его длине, вблизи черненой поверхности и параллельно ей выполнен сквозной продольный канал, в котором размещен проволочный константановый калибровочный электрический нагреватель 2 с последующим заполнением канала теплопроводящим клеем.

Стержневой приемный элемент 1 установлен внутри медного корпуса, имеющего две боковые 3 и расположенную между ними П-образную 4 секции. Боковые секции 3 корпуса имеют форму пластины, на торце которой со стороны приемного элемента 1 в его сторону под острым углом выполнена фаска. П-образная секция 4, выполнена в виде полурамы, имеющей торцевые выступы с резьбовыми отверстиями. Приемный элемент 1 надежно закреплен в секции 4 с помощью четырех изготовленных из нержавеющей стали низкой теплопроводности пустотелых тонкостенных упорных винтов 5, имеющих глубокие осевые отверстия со стороны своих головок и коническую форму упорных поверхностей, увеличивающих их термическое сопротивление. Винты 5 имеют резьбовое соединение 6 с выступами секции 4, и под его действием заходят с воздушными зазорами 7 в выполненные в торцах приемного элемента 1 цилиндрические углубления, упираются в их конические донышки и надежно фиксируют в требуемом положении.

Механическое соединение секций 3 и 4 между собой в единый корпус обеспечивается с помощью потайных стальных винтов 8. При этом размеры воспринимающей излучение поверхности приемного элемента 1 превышают размеры поперечного сечения сборного корпуса, а его боковые секций 3 представляют собой зеркальные пластины, имеющие в зоне приемного элемента 1 вид острых лезвий, утопленных в специальных углублениях (проточках) приемного элемента 1 и отделенных от последнего воздушными зазорами 7.

Сборный корпус с приемным элементом 1 через теплоизолирующую прокладку 9 из текстолита закреплен на поворотной стойке 10 с использованием прочных стеклотекстолитовых теплоизолирующих втулок 11 и стальных шайб 12 с помощью стальных болтов 13. Поворотная стойка 10 по ходовой посадке механически связана с подвижной опорой 14 их общей осью 15, обеспечивающей возможность поворота стойки 10 в направлении пучка излучения на угол в пределах от 0° до 90°. При этом обеспечивается ее надежная фиксация в требуемом положении относительно оси пучка излучения. Элементы поворотной стойки 10 и подвижной опоры 14 изготовлены из стали. Подвижная опора 14 закреплена на каретке 16 блока перемещения стержневого приемного элемента 1 вдоль сечения пучка. Указанный блок содержит линейный актуатор, привод 17 которого обеспечивает заданную скорость перемещений приемного элемента 1 в направлении, перпендикулярном оси пучка измеряемого излучения, начиная с момента его ввода в пучок и заканчивая полным выводом из пучка. Ширина воспринимающей излучение передней грани приемного элемента 1 составляет 10% и менее от величины его максимальных линейных перемещений.

С теневой стороны приемного элемента 1 по всей его длине выполнен второй сквозной канал, в котором размещен термочувствительный элемент 18 измерителя, например, медный проволочный термометр сопротивления (в альтернативном варианте может быть использована термобатарея или чувствительные элементы, построенные на измерении температурного удлинения с помощью микрометра). Между термочувствительным 18 и приемным 1 элементами про всей их длине проложен тонкостенный теплоизолирующий фторопластовый патрубок 19, выполняющий функцию термоинерционного звена. Таким образом, электрический нагреватель 2 и термометр сопротивления 18 полностью лишены прямого контакта с окружающей средой, что уменьшает соответствующий вклад в погрешность измерения. Благодаря такой конструкции для обеспечения высокой точности перед каждым измерением может быть проведена электрическая калибровка измерителя, для чего к нему подключают источник и средства измерений тока и напряжения.

В заявляемом измерителе его апертурный размер по высоте определяются длиной приемного элемента 1, а по ширине - величиной хода каретки 16 актуатора от начала входа приемного элемента 1 в область пучка излучения до полного его выхода из этой области. Тем не менее, в общем случае блок перемещения может быть выполнен с возможностью перемещения стержневого приемного элемента вдоль сечения пучка в двух перпендикулярных направлениях (горизонтальном и вертикальном).

Измеритель по обе стороны может быть снабжен воздушными вентиляторами (на чертежах не показано) для ускорения процессов охлаждения приемного элемента 1 между последовательными измерениями. В одном из вариантов исполнения измеритель может быть снабжен несколькими дополнительными приемными элементами 1, установленными на одной каретке 16 актуатора и последовательно полностью пересекающих пучок излучения за один ее проход. При этом блок перемещения может быть снабжен механизмом автоматического как группового, так и поочередного наклона приемных элементов по ходу излучения на угол от 0° до 90°, вплоть до полного вывода из зоны пучка и фиксирования в заданных положениях, а так же блоком управления линейными и угловыми перемещениями приемных элементов 1 по заданной программе, в том числе и с образованием непрерывного цикла последовательных измерений. Результаты измерений поступают в аналого-цифровой преобразователь и отображаются на индикаторе или дисплее. Измеритель может быть подключен к компьютеру для обеспечения автоматического управления, в том числе, при проведении измерительных процессов с многократными измерениями и обработкой всей измерительной информации поступающей от средств отображения информации и электрической калибровки в соответствии с заданными алгоритмами ведения этих процессов и с автоматической выдачей протоколов полученных результатов.

Предлагаемая конструкция характеризуется сильной оптической связью приемного элемента 1 с прямым излучением лазера и слабой оптической связью боковых секций 3 корпуса с обтекающими их дифракционными потоками излучения, образующимися на выступающих ребрах боковых граней приемного элемента 1. При этом существует сильная тепловая связь между приемным элементом 1 и электрическим нагревателем 2, а также между боковыми 3 и центральной 4 секциями корпуса. В то же время тепловая связь между приемным 1 и чувствительным элементами 18; между приемным элементом 1, секциями корпуса 3 и 4 и окружающей средой; а также между секцией 4 корпуса и поворотной стойкой 10 ослаблена. Все это позволяет значительно уменьшить влияние сторонних факторов на результаты измерения мощности лазерного излучения.

Предлагаемый измеритель работает следующим образом.

При выключенном приводе 17 актуатора приемный элемент 1 расположен вне зоны пучка измеряемого излучения, что полностью исключает возможность их оптического взаимодействия, а при включенном - он на каретке 16 актуатора перемещается в направлении перпендикулярном оси пучка измеряемого излучения через весь пучок от входа до полного выхода с заданной актуатором скоростью. Для выполнения корректных измерений обеспечиваемая приводом 17 актуатора величина линейных перемещений его каретки 16, а с ней и приемного элемента 1 через пучок измеряемого излучения, а также длина приемного элемента 1 несколько превышают максимальный диаметр этого пучка.

В процессе работы измерителя подключают электрический нагреватель 2 к источнику тока, а термочувствительный элемент 18 - к устройству регистрации его выходного сигнала. Затем, до подачи излучения, фиксируют нулевое показание элемента 18 Т_0э, включают привод 17 актуатора, начиная таким образом штатное перемещение приемного элемента 1 через сечение пучка с постоянной скоростью, и, одновременно с этим, вместо излучения, подают на сопротивление R электрического нагревателя 2 электрический ток I от его источника. Затем, после штатной остановки актуатора через штатное время τ и одновременного прекращения подачи тока в нагреватель 2, а также после последующего завершения переходного процесса формирования выходного сигнала термочувствительного элемента 18, фиксируют его конечное показание Т_Кэ. Используя значения электрического тока I, сопротивления R электрического нагревателя 2, выходных сигналов элемента 18 Т_0э и Т_Кэ и времени подачи тока τ в нагреватель 2, проводят оценку оперативно полученного в конкретных условиях проведения измерений значения коэффициента преобразования электрической энергии К_э, согласно зависимости:

где К_э - выражено в мкм/Дж; Т_кэ и Т_0э - в мкм; I - в A, R - в Ом, τ - в сек.

При этом, проведение аналогичной электрической калибровки измерителя на этапе его периодических поверок путем сличений с рабочими эталонами энергетических величин излучения с определением коэффициента преобразования энергии оптического излучения К_О, позволяет на этом этапе определять заносимое в паспорт прибора значение коэффициента эквивалентности замещения К_Эз измеряемой оптической энергии известной энергией электрического тока согласно зависимости:

где К_Эз выражен в отн. един., К_О и К_э - в мкм/Дж.

Затем, в процессе дальнейшей работы измерителя, вслед за оперативной электрической калибровкой и остыванием находящегося вне области пучка излучения приемного элемента 1, подают измеряемое излучение в рабочую зону измерителя, фиксируют нулевое показание чувствительного элемента Т_0о, включают привод 17 актуатора, начиная таким образом штатное перемещение приемного элемента 1, имеющего ширину черненой приемной поверхности b, через все сечение пучка со скоростью v. После пересечения и выхода его из пучка, штатной остановки актуатора и завершения переходного процесса формирования выходного сигнала, фиксируют конечное значение выходного о сигнала чувствительного элемента Т_Ко.

Используя полученные значения выходных сигналов Т_0о и Т_КО, паспортное значение коэффициента эквивалентности замещения К_Эз, штатные значения ширины приемной поверхности b и скорости v перемещения приемного элемента через пучок, а также оперативно полученное согласно (1) значение коэффициента преобразования электрической энергии К_э, оценивают оперативное значение средней мощности излучения Р_о согласно зависимости (3):

где Р_о выражено в Вт; Т_Ко и Т_0о - в мкВ; b - в мм; К_э - в мкВ/Дж; К_Эз - в относит. ед.; v - в мм/сек.

Совокупность существенных признаков заявляемого устройства позволила, добиться для него:

- дискретных измерений средней мощности непрерывного лазерного излучения, благодаря применению преобразователя энергии с заданной шириной его стержневого приемного элемента и устройства его линейного перемещения (актуатора) через сечение пучка с заданной скоростью;

- измерений больших уровней средней мощности непрерывного лазерного излучения, благодаря применению приемного элемента, ширина которого не превышает 10% от обеспечиваемой актуатором максимальной величины его поперечного перемещения через пучок;

- измерений средней мощности излучения широких пучков излучения, благодаря использованию приемного элемента, длина которого, а также обеспечиваемая актуатором величина его поперечных перемещений, превышают наибольшие размеры поперечного сечения пучка;

- повышения уровня измеряемой средней мощности, благодаря применению актуатора, обеспечивающего линейные перемещения приемного элемента поперек пучка излучения со скоростью, обеспечивающей минимизацию времени экспонирования каждого точечного фрагмента сечения этого пучка на поверхности приемного элемента до 0,1 с и менее;

- стабилизации времени экспонирования каждого из множества точечных фрагментов сечения широкого пучка измеряемого излучения на воспринимающей излучение поверхности приемного элемента, благодаря постоянству как ширины этой поверхности по всей длине приемного элемента, так и обеспечиваемой актуатором скорости его передвижения через пучок;

- подавления неопределенности результата измерений, связанной с внешними и внутренними тепловыми помехами на приемный элемент, благодаря использованию медного секционного корпуса, отделяющего его от окружающей среды, а также воздушных зазоров, разделяющих эти элементы;

- подавления неопределенности результата измерений, связанной с возможностью прямого воздействия мощного измеряемого излучения на сборный корпус и его паразитного нагрева, благодаря его размещению по ходу излучения за приемным элементом, ширина приемной поверхности которого превышает ширину сборного корпуса;

- подавления неопределенности результата измерений, связанной с возможностью воздействия на боковые секции корпуса обтекающих его ослабленных потоков излучения, вызванных дифракцией мощного измеряемого излучения на выступающих кромках приемного элемента, благодаря заглублению заостренных кромок боковых секций термостата в приемном элементе и выполнению этих медных секций зеркальными;

- подавления неопределенности результата измерений, связанной с неоднородностью распределения плотности мощности излучения в пучках большого диаметра, путем увеличения толщины приемного элемента до величины, в 2-3 раза превышающей его ширину и соответствующего квадратичного увеличения времени распространения тепловой волны как от приемной поверхности до наиболее удаленного от нее чувствительного элемента, так и в обе стороны по длине приемного элемента;

- подавления неопределенности результата измерений, связанной с неоднородностью распределения плотности мощности излучения в пучках большого диаметра, путем применения окружающего чувствительный элемент тонкостенного фторопластового патрубка, исключающего его прямой тепловой контакт с телом приемного элемента внутри выполненного в нем канала и таким образом увеличивающего и стабилизирующего время прохождения тепловой волны между ними, дополнительно способствующего распределению тепла по длине приемного элемента за время формирования выходного сигнала;

- повышения допустимой плотности мощности излучения при работе с пучками малого диаметра, за счет наклона поворотной стойки и увеличения воспринимающей излучение поверхности приемного элемента;

- подавления неопределенности результата измерений, связанной с неравномерностью распределения по длине приемного элемента поглощаемой им мощности излучения при работе с пучками малого диаметра, путем наклона поворотной стойки до положения, соответствующего полному облучению приемного элемента по всей его длине;

- минимизации температуры нагрева приемного элемента и интенсификации процессов ее выравнивания по приемному элементу, благодаря использованию меди в качестве его материала, характеризующейся высокими теплоемкостью, тепло- и температуропроводностью;

- высокой точности электрической калибровки измерителя по методу замещения измеряемой мощности излучения мощностью электрического тока известной величины, благодаря применению константана в качестве материала его калибровочного электрического нагревателя, характеризующегося высокой стабильностью его электрического сопротивления;

- высокой точности эквивалентности замещения, благодаря расположению калибровочного электрического нагревателя и чувствительного элемента в выполненных в приемном элементе замкнутых каналах, полностью исключающих возможность их прямого взаимодействия с окружающей средой;

- минимизации отбираемой для измерительных целей излучения и исключения необходимости применения гидравлических систем для охлаждения элементов измерителя.

Изобретение относится к области оптических измерений, а именно к энергетической фотометрии, и может быть использовано для дискретных измерений больших уровней мощности широких пучков лазерного излучения. Измеритель мощности лазерного излучения содержит медный стержневой приемный элемент, поглощающий энергию лазерного излучения, расположенный внутри него термочувствительный элемент - термометр сопротивления - и блок перемещения стержневого приемного элемента вдоль сечения пучка. В стержневом приемном элементе выполнено два продольных канала, в одном из которых расположен электронагреватель, а в другом - указанный термочувствительный элемент. Канал электронагревателя расположен со стороны поверхности стержневого элемента, обращенной к источнику лазерного излучения, а канал термочувствительного элемента - с теневой стороны. Высота приемного элемента превышает диаметр пучка, а блок перемещения обеспечивает его движение с постоянной скоростью через сечение пучка. Технический результат - повышение точности проводимых измерений. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Измеритель мощности лазерного излучения, содержащий стержневой приемный элемент, поглощающий энергию лазерного излучения, расположенный внутри него термочувствительный элемент и блок перемещения стержневого приемного элемента вдоль сечения пучка, отличающийся тем, что в стержневом приемном элементе выполнено два продольных канала, в одном из которых расположен электронагреватель, а в другом - указанный термочувствительный элемент, причем канал электронагревателя расположен со стороны поверхности стержневого элемента, обращенной к источнику лазерного излучения, а канал термочувствительного элемента - с теневой стороны.

2. Измеритель мощности лазерного излучения по п. 1, отличающийся тем, что термочувствительный элемент выполнен в виде проволочного термометра сопротивления, расположенного внутри теплоизолирующего патрубка.

3. Измеритель мощности лазерного излучения по п. 1, отличающийся тем, что стержневой приемный элемент имеет постоянное поперечное сечение в форме равнобедренной трапеции, большее основание которой направлено в сторону источника лазерного излучения.

4. Измеритель мощности лазерного излучения по п. 1, отличающийся тем, что блок перемещения оборудован линейным актуатором и выполнен с возможностью подключения к компьютеру.

5. Измеритель мощности лазерного излучения по п. 1, отличающийся тем, что стержневой приемный элемент с воздушным зазором установлен в несущем корпусе и закреплен с помощью упорных винтов, входящих в углубления, выполненные в торцах стержневого приемного элемента.

6. Измеритель мощности лазерного излучения по п. 5, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде П-образной секции, центральная часть которой расположена с теневой стороны относительно лазерного излучения, а концевые части снабжены резьбовыми отверстиями для указанных упорных винтов.

7. Измеритель мощности лазерного излучения по п. 6, отличающийся тем, что корпус снабжен боковыми секциями, прикрепленными к центральной части П-образной секции и закрывающими продольные боковые стороны стержневого приемного элемента.

8. Измеритель мощности лазерного излучения по п. 5, отличающийся тем, что корпус через теплоизолирующие втулки закреплен на поворотной стойке, в свою очередь взаимодействующей с блоком перемещения.

9. Измеритель мощности лазерного излучения по п. 1, отличающийся тем, что высота стержневого приемного элемента превышает диаметр пучка.

10. Измеритель мощности лазерного излучения по п. 1, отличающийся тем, что блок перемещения выполнен с возможностью перемещения стержневого приемного элемента вдоль сечения пучка в двух перпендикулярных направлениях.