Устройство для измерения энергии лазерных импульсов Российский патент 2023 года по МПК G01J1/04 G01J11/00 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению, области измерительной техники и технической физики, в частности, к технике и средствам измерения энергии импульсов лазерного излучения на основе поглощения электромагнитной энергии, а именно: к устройствам для измерения энергии импульсов лазерного излучения, и может быть использовано для измерения энергетических характеристик, например, милли-, микро-, нано-, импульсов лазерного излучения, для измерения энергии в различных областях техники и народного хозяйства, например, в медицине.

Проведение точных измерений энергии лазерных импульсов наносекундной длительности является актуальной задачей при использовании лазеров в различных технологических применениях.

Известно устройство для измерения энергии импульсов электромагнитного излучения, содержащее чувствительный элемент в виде акустического резонатора из пьезоэлектрического кристалла в форме параллелепипеда, установленный между электродами через прокладки из материала со скоростью звука в нем много меньше скорости звука в пьезоэлектрическом кристалле, при этом электроды подключены к усилителю, выполненного с заданной полостью пропускания [1].

Недостатком данного технического решения является то, что данное устройство позволяет подключать как нагрузку только аналоговые внешние индикаторы, но не обладает аналого-цифровым преобразователем, позволяющим передавать полученные данные на цифровые устройства.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является устройство для измерения энергии лазерных импульсов, содержащее источник лазерного излучения, входной ослабитель лазерного излучения, рассеивающую среду в виде диффузно-рассеивающей пластины, канал распространения рассеянного лазерного излучения, сформированный волоконно-оптическим коллектором, ступенчатым ослабителем, спектральным фильтром и нейтральным ослабителем, фотодиод, измерительно-вычислительный блок, причем волоконно-оптический коллектор выполнен в виде набора оптических волокон, заключенных во входную и выходную оправы, расположенных таким образом, что диффузно-рассеивающая пластина отстоит от входной оправы волоконно-оптического коллектора на расстояние 8-10 мм, а выходная оправа содержит дополнительный диффузный рассеиватель из молочного стекла, с возможностью преобразования широкоапертурного лазерного пучка в пучок с размером апертуры, обеспечивающим измерение энергии лазерного пучка фотодиодом [2].

Недостатком данного технического решения является отсутствие синхронизации между фотодиодом и АЦП из-за задержки, которая возникает в амплитудном пиковом детекторе, который хранит информацию об импульсе в течение 100 мкс, а также отсутствие затвора, контролирующего пропускание импульсного лазерного излучения.

Новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение скорости обработки данных и их синхронизации.

Новый технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения энергии лазерных импульсов, содержащем фотодиод, формирующую оптику, включающую ослабитель лазерного излучения, и измерительно-вычислительный блок, включающий усилитель и микропроцессор, в отличие от прототипа, усилитель выполнен в виде операционного усилителя, а микропроцессор выполнен в виде микроконтроллера, содержащего аналогово-цифровой преобразователь, аппаратуру связи и канал связи, посредством которых производится передача на внешнее устройство информации о величине измеряемого напряжения, при этом в устройство дополнительно введен пироэлектрический датчик измерения лазерной энергии, установленный с возможностью приема проходящего через первую кварцевую пластину излучения от источника лазерного излучения и электрически соединенный выходом с измерителем излучения, выходом электрически соединенный с первым входом микроконтроллера, формирующая оптика выполнена в виде оптически сопряженных и последовательно установленных затвора, первой и второй кварцевых пластин, обеспечивающих разделение излучения, падающего от источника лазерного излучения, и ослабителя, выполненного в виде измерительной головки лазерного излучения, пластины обеспечивают разделение излучения от лазерного источника и направление отраженного от первой кварцевой пластины и проходящего через вторую кварцевую пластину излучения на измерительную головку, фотодиод установлен с возможностью измерения отраженного от второй кварцевой пластины лазерного излучения и электрически соединен со вторым входом микроконтроллера, измерительная головка электрически соединена через последовательно установленные блок преобразования и регистрации и операционный усилитель с третьим входом микроконтроллера, выход которого соединен с затвором с возможностью его закрытия, причем отклик фотодиода синхронизирован по времени с откликом операционного усилителя.

Внешнее устройство информации может быть выполнено в виде персонального компьютера.

Пироэлектрический датчик измерения лазерной энергии, установленный с возможностью приема проходящего через первую кварцевую пластину излучения от источника лазерного излучения, дополнительно может быть оптически сопряжен с последовательно установленными линзой и образцом для калибровки устройства для измерения энергии лазерных импульсов.

На фиг.1, 2 представлена принципиальная схема устройства для измерения энергии лазерных импульсов.

Устройство для измерения энергии лазерных импульсов, содержащее источник 1 лазерного излучения, формирующую оптику в виде оптически сопряженных и последовательно установленных затвора 2, первой и второй кварцевых пластин 3, 4, обеспечивающих разделение излучения, падающего от источника 1 лазерного излучения, и измерительной головки 5 лазерного излучения, отраженного от первой кварцевой пластины 3 и проходящего через вторую кварцевую пластину 4, и измерительно-вычислительный блок, включающий операционный усилитель 6 и микропроцессор в виде микроконтроллера 7, содержащего аналогово-цифровой преобразователь, аппаратуру связи и канал связи, посредством которых производится передача на внешнее устройство 8 информации о величине измеряемого напряжения, при этом пироэлектрический датчик 9 измерения лазерной энергии установлен с возможностью приема проходящего через первую кварцевую пластину 3 излучения от источника 1 лазерного излучения, оптически сопряжен с последовательно установленными линзой 10 и образцом 11, и электрически соединен выходом с измерителем излучения 12, выходом электрически соединенного с первым входом 13 микроконтроллера 7, фотодиод 14 установлен с возможностью измерения отраженного от второй кварцевой пластины 4 излучения от источника 1 лазерного излучения и электрически соединен со вторым входом 15 микроконтроллера 7, измерительная головка 5 электрически соединена через последовательно установленные блок преобразования и регистрации 16 и операционный усилитель 6 с третьим входом 17 микроконтроллера 7, выход 18 которого соединен с затвором 2 с возможностью контроля количества пропускаемых им импульсов, причем отклик фотодиода 14 синхронизирован по времени с откликом операционного усилителя (фиг.1, 2).

Источник 1 лазерного излучения предназначен для создания электромагнитных импульсов наносекундной длительности.

В качестве источника 1 лазерного излучения может быть использован импульсный твердотельный лазер марки Opolette HR 2731 (ОРОТЕС Inc., USA).

Затвор 2 предназначен для пропускания нужного количества импульсов лазерного излучения от источника 1 в соответствии с определенной программой, задаваемой и контролируемой микроконтроллером 7, и прерывания лазерного излучения.

В качестве затвора 2 может быть использован оптический затвор NS25B (Uniblitz, США).

Кварцевые пластины 3, 4 предназначены для частичного пропускания и частичного отражения лазерного излучения от источника 1.

В качестве кварцевых пластин 3, 4 могут быть использованы пластины из покупного кварцевого оптического стекла марок KB, КУ-2, КИ с нанесенным слоем пленки никеля.

Измерительная головка 5 лазерного излучения предназначена для измерения энергии импульсов электромагнитного излучения, а также для ослабления излучения с помощью входящих в ее состав ослабителей излучения из стекол НС-6, НС-10 и сетчатых ослабителей.

В качестве измерительной головки 5 лазерного излучения может быть использована измерительная головка ИЛД-2М (Опытный завод «Эталон», г. Волгоград).

Операционный усилитель 6 предназначен для перемены полярности выходного сигнала напряжения.

В качестве операционного усилителя 6 может быть использован усилитель обратной связи по току AD8001.

Микроконтроллер 7 предназначен для преобразования аналогового сигнала в цифровой и контроля затвора 2 программой, пропускающей определенное количество импульсов, задаваемых программой.

В качестве микроконтроллера 7 может быть использован микроконтроллер марки Arduino Uno.

Внешнее устройство 8 предназначено для записи, хранения и обработки данных, полученных с помощью микроконтроллера 7.

В качестве внешнего устройства 8 может быть использован персональный компьютер, поддерживающий операционную систему Windows 10, или сходные системы, например, Acer.

Пироэлектрический датчик 9 измерения лазерной энергии является эталонным измерителем и предназначен для калибровки измерительной головки 5.

В качестве пироэлектрического датчика 9 измерения энергии лазерного излучения может быть использован Ophir Optronics Solutions Ltd., Israel.

Линза 10 предназначена для фокусировки лазерного излучения от источника 1 на поверхности образца 11.

В качестве линзы 10 может быть использована линза, изготовленная из покупного кварцевого оптического стекла марок КВ, КУ-2, КИ, или их аналогов.

Образец 11 предназначен для испытаний воздействия сфокусированным лазерным излучением от источника 1, а также определения размера сфокусированного пятна лазерного излучения, с помощью которого появляется возможность определения плотности энергии.

В качестве образца 11 может быть использован образец, изготовленный из покупного монокристаллического германия ориентации (111).

Измеритель излучения 12 предназначен для отображения и обработки данных об измеренной энергии с пироэлектрического датчика 9 и передачи их по аналоговому каналу на вход 13 микроконтроллера 7.

В качестве измерителя излучения 12 может быть использован измеритель излучения марки NOVA II (Ophir Optronics Solutions Ltd., Israel).

Фотодиод 14 (счетчик импульсов) предназначен для считывания импульсов и синхронизации выводимых данных измерений на монитор персонального компьютера, связывая их с падающим импульсом лазерного излучения на фоточувствительный элемент измерительной головки 5.

В качестве фотодиода 14 может быть использован кремниевый фотодиод ФД-24К.

Блок преобразования и регистрации 16 предназначен для измерения энергии электромагнитного излучения, падающего на измерительную головку 5, преобразования ее в напряжение и передачи через аналоговый выход на операционный усилитель 6.

В качестве блока преобразования и регистрации 16 может быть использован блок преобразования и регистрации ИЛД-2М (Опытный завод «Эталон», г. Волгоград).

Устройство для измерения энергии лазерных импульсов работает следующим образом.

Предварительно осуществляют калибровку по напряжению устройства для измерения энергии лазерных импульсов 5, для чего пироэлектрический датчик 9 измерения лазерной энергии устанавливают после кварцевой пластины 3, а измеритель излучения 12, подключенный к пироэлектрическому датчику 9 измерения лазерной энергии, передает информацию об измеренных импульсах на первый вход 13 микроконтроллера 7 (фиг.2). В итоге, зная, какой энергии импульса соответствует определенное напряжение, сопоставляем напряжение на первом входе 13 микроконтроллера 7 с напряжением на входе 17 микроконтроллера 7 и получаем соответствие напряжения от падающей на устройство для измерения энергии лазерных импульсов 5 энергии.

В рабочем режиме (фиг.1) лазерное излучение от источника 1 проходит через затвор 2, который в соответствии с программой контролируется с помощью микроконтроллера 7 и пропускает определенное количество импульсов в соответствии с заданной программой. Затем лазерное излучение от источника 1 падает на кварцевую пластину 3, которая разделяет излучение на два пучка, один из пучков падает на полупрозрачную кварцевую пластину 4, другой - на линзу 10, фокусирующую лазерное излучение от источника 1 на образце 11. Лазерное излучение от источника 1, проходящее через полупрозрачную пластину 4, попадает, проходя через ослабители излучения, встроенные в измерительную головку 5, на чувствительный элемент измерительной головки 5. Затем оптический сигнал преобразуется в электрический, передается на блок преобразования и регистрации 16, где обрабатывается и передает значение напряжения на операционный усилитель 6, который меняет полярность напряжения и подключен к третьему входу 17 микроконтроллера 7. Отраженное от полупрозрачной кварцевой пластины 4 лазерное излучение от источника 1 попадает на фотодиод 14, который подключен ко второму входу 15 микроконтроллера 7 и является счетчиком импульсов. Микроконтроллер 7 в соответствии заданной программой обрабатывает полученные данные напряжений, контролирует затвор 2 с фотодиодом 14 таким образом, чтобы отклик фотодиода 14 был синхронизирован по времени с откликом операционного усилителя 6, и передает информацию о полученном напряжении с операционного усилителя 6 и измерителя излучения 12 на внешнее устройство 8 (персональный компьютер).

На основании вышеизложенного новый достигаемый технический результат предлагаемого изобретения обеспечивается следующими по сравнению с прототипом техническими преимуществами.

1. Достигается увеличение скорости обработки данных не менее чем на 10% за счет дополнительного введения в устройство для измерения энергии лазерных импульсов микроконтроллера 7 и соответствующей обработки данных, поступающих от микроконтроллера 7, внешним устройством 8 (персональным компьютером).

2. Достигается повышение синхронизации обработки данных не менее чем на 10% за счет микроконтроллера 7 и регулируемого микроконтроллером 7 затвора 2, пропускающего нужное количество импульсов в соответствии с определенной программой.

В настоящее время в Институте электрофизики и электроэнергетики РАН проведены испытания предлагаемого устройства для измерения энергии лазерных импульсов, и на их основе выпущена конструкторская документация на данную систему управления.

Используемые источники

1. Патент RU 2031378, 1995, МКИ G01J 5/58.

2. Патент RU 2605786, 2016, МКИ G01J 1/04, G01J 11/00.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, области измерительной техники, к технике и средствам измерения энергии импульсов лазерного излучения. Устройство для измерения энергии лазерных импульсов содержит источник лазерного излучения, формирующую оптику в виде оптически сопряженных и последовательно установленных затвора, первой и второй кварцевых пластин, обеспечивающих разделение излучения от лазерного источника и измерительной головки излучения, отраженного от первой пластины и проходящего через вторую пластину, и измерительно-вычислительный блок, включающий операционный усилитель и микропроцессор в виде микроконтроллера с аналогово-цифровым преобразователем, аппаратуру связи и канал связи, пироэлектрический датчик принимает излучение, проходящее через первую пластину, и соединен с измерителем излучения, соединенным с микроконтроллером, фотодиод принимает излучение, отраженное от второй пластины, и соединен с микроконтроллером, измерительная головка соединена через блок преобразования и регистрации и операционный усилитель с микроконтроллером, соединенным с затвором, контролирующим количество пропускаемых им импульсов. Технический результат - увеличение скорости обработки данных и их синхронизации. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения энергии лазерных импульсов, содержащее фотодиод, формирующую оптику, включающую ослабитель лазерного излучения, и измерительно-вычислительный блок, включающий усилитель и микропроцессор, отличающееся тем, что усилитель выполнен в виде операционного усилителя, а микропроцессор выполнен в виде микроконтроллера, содержащего аналогово-цифровой преобразователь, аппаратуру связи и канал связи, посредством которых производится передача на внешнее устройство информации о величине измеряемого напряжения, при этом в устройство дополнительно введен пироэлектрический датчик измерения лазерной энергии, установленный с возможностью приема проходящего через первую кварцевую пластину излучения от источника лазерного излучения и электрически соединенный выходом с измерителем излучения, выходом электрически соединенный с первым входом микроконтроллера, формирующая оптика выполнена в виде оптически сопряженных и последовательно установленных затвора, первой и второй кварцевых пластин, обеспечивающих разделение излучения, падающего от источника лазерного излучения, и ослабителя, выполненного в виде измерительной головки лазерного излучения, пластины обеспечивают разделение излучения от лазерного источника и направление отраженного от первой кварцевой пластины и проходящего через вторую кварцевую пластину излучения на измерительную головку, фотодиод установлен с возможностью измерения отраженного от второй кварцевой пластины лазерного излучения и электрически соединен со вторым входом микроконтроллера, измерительная головка электрически соединена через последовательно установленные блок преобразования и регистрации и операционный усилитель с третьим входом микроконтроллера, выход которого соединен с затвором с возможностью его закрытия, причем отклик фотодиода синхронизирован по времени с откликом операционного усилителя.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внешнее устройство информации выполнено в виде персонального компьютера.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пироэлектрический датчик измерения лазерной энергии, установленный с возможностью приема проходящего через первую кварцевую пластину излучения от источника лазерного излучения, дополнительно оптически сопряжен с последовательно установленными линзой и образцом для калибровки устройства для измерения энергии лазерных импульсов.