Измеритель мощности лазерного излучения Российский патент 2023 года по МПК G01J1/02 

Изобретение относится к области радиометрии, а именно к устройствам для измерений мощности лазерного излучения от 1 кВт и более, и может быть использовано при разработке, изготовлении и применении лазерного оборудования больших уровней мощности в целях метрологического обеспечения аддитивных технологий, технологий лазерной сварки, резки, упрочнения и т.д.

Из уровня техники известен измеритель мощности лазерного излучения, содержащий опорную раму, по меньшей мере, одно подвижное приемное устройство лазерного излучения, выполненное с возможностью поступательного перемещения поперек пучка измеряемого лазерного излучения, по меньшей мере, в одном направлении, блок детектирования и блок управления (патент CN1385680A, кл. G01J 1/42, опубл. 18.12.2002). В известном измерителе подвижное приемное устройство выполнено в виде в виде протяженного узкого зеркала (оптического ножа), установленного на раме и направляющего часть измеряемого лазерного излучения через оптоволоконное устройство в блок детектирования, содержащий линейку фотоприемников.

Основными недостатками такой конструкции являются сложность изготовления и большое количество факторов, вносящих вклад в результирующую погрешность измерений. Основным таким фактором является протяженный многоэтапный путь, который необходимо преодолеть лазерному излучению от момента попадания его в измеритель до непосредственно момента измерения параметров излучения.

Этот путь включает следующие этапы:

- отражение от зеркала приемного устройства,

- прохождение через воздушную среду до входа в оптоволоконное устройство,

- отражение от входа в оптоволоконное устройство,

- прохождение через оптоволоконное устройство,

- выход из оптоволоконного устройства, прохождение части пути до фотоприемников,

- отражение от поверхности фотоприемников,

- преобразование фотоприемником дошедшего лазерного излучения в электрический сигнал.

На каждом из этих этапов происходит потеря части излучения. Величина этих потерь существенно зависит от спектрального диапазона контролируемого излучения. Важные оптические характеристики составных элементов измерителя (такие, как коэффициент зеркального отражения, коэффициент пропускания лазерного излучения через оптоволоконное устройство, чувствительность фотоприемников и т.д.) значительно зависят от длины волны лазерного излучения. Особенно велико различие значений указанных оптических характеристик для излучения видимого и инфракрасного спектральных диапазонов. Практически для каждой длины волны тестируемого лазерного излучения у известного измерителя необходимо использовать индивидуальное подвижное приемное устройство лазерного излучения, индивидуальное оптоволоконное устройство и индивидуальную линейку фотоприемников. Все это значительно усложняет конструкцию измерителя, существенно затрудняет его создание для случая больших диаметров лазерного луча и значительно удорожает применение на практике.

Технической проблемой является устранение указанных недостатков и создание простого и надежного измерителя лазерного излучения с широким спектральным и динамическим рабочими диапазонами без использования элементов, характеристики которых сильно зависят от длины волны излучения. Технический результат заключается в повышении точности измерения лазерного излучения высоких уровней мощности. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в измерителе мощности лазерного излучения, содержащем опорную раму, по меньшей мере, одно подвижное приемное устройство лазерного излучения, выполненное с возможностью поступательного перемещения поперек пучка измеряемого лазерного излучения, по меньшей мере, в одном направлении, блок детектирования и блок управления, приемное устройство выполнено в виде ряда поглощающих энергию лазерного излучения элементов, а блок детектирования содержит ответный ряд измерительных температурных детекторов, установленных на опорной раме и обеспечивающих возможность измерения температуры поглощающих элементов после воздействия лазерного излучения. На противоположной от измерительных температурных детекторов стороне рамы предпочтительно установлен контрольный измерительный температурный детектор, обеспечивающий возможность измерения исходной температуры поглощающих элементов до воздействия лазерного излучения. Измерительные температурные детекторы блока детектирования и контрольный измерительный температурный детектор предпочтительно выполнены в виде ИК-датчиков. Поглощающие элементы предпочтительно выполнены в виде металлических пластин с покрытием, поглощающим лазерное излучение с известным коэффициентом поглощения. Измеритель может быть снабжен двумя подвижными приемными устройствами в виде рядов поглощающих энергию лазерного излучения элементов, которые выполнены с возможностью поступательного перемещения во взаимно перпендикулярных направлениях поперек пучка измеряемого лазерного излучения одновременно или последовательно. Блок управления предпочтительно выполнен с возможностью автоматического определения скорости и времени перемещения приемного устройства.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого измерителя с одним приемным устройством;

на фиг. 2 - единичный поглощающий элемент приемного устройства;

на фиг. 3 - узел взаимодействия приемного устройства и блока детектирования;

на фиг. 4 - вариант выполнения измерителя с двумя перпендикулярными приемными устройствами.

Основным элементом предлагаемого измерителя является подвижное приемное устройство 1 (в базовом варианте - одно), выполненное в виде ряда поглощающих энергию лазерного излучения элементов 2, установленных в линию на каретке 3. Сама каретка 3 выполнена с возможностью перемещения внутри опорной рамы 4 с помощью электродвигателя 5 в соответствии с программой, установленной в электронной системе блока управления 6 (см. фиг. 1).

Единичные поглощающие элементы 2 изготавливают в виде квадратных пластин 7 из металла с известным удельным коэффициентом теплоемкости c (например, меди), на поверхность которой наносят покрытие 8 с известным коэффициентом поглощения R регистрируемого лазерного излучения (см. фиг. 2).

При таких параметрах энергия поглощенного лазерного излучения для единичного элемента 2 составит:

где m - масса элемента 2;

Т_исх - исходная температура элемента 2;

Т_кон - конечная температура элемента 2.

Величина поглощенного излучения определяется с помощью блока 10 детектирования. Блок 10 содержит ряд измерительных температурных детекторов 11, обеспечивающих возможность измерения температуры поглощающих элементов 2 после воздействия лазерного излучения. Количество детекторов 11 равно количеству элементов 2. Детекторы 11 расположены в ряд ответно элементам 2 (с тем же шагом). После завершения перемещения, линейка нагретых элементов 2 останавливается таким образом, чтобы напротив каждого температурного детектора 11 находился соответствующий нагретый элемент 2 (см. фиг. 3). Блок 10 детектирования через электронное устройство 12 соединен с блоком 6 управления. Блок 6 выполнен с возможностью автоматического определения скорости и времени перемещения приемного устройства 1.

Для более точного контроля изменений температуры элементов 2, в исходной позиции ряда элементов 2 на противоположной от измерительных температурных детекторов 12 стороне рамы 4 установлен контрольный измерительный температурный детектор 13 (например, напротив одного из центральных элементов 2). Результаты измерения начальной (до начала перемещения каретки 4 и воздействия лазерного излучения) температуры элементов 2 заносятся в блок 6 управления.

Измерительные температурные детекторы 11 и контрольный измерительный температурный детектор 13 предпочтительно выполнены в виде инфракрасных (ИК) датчиков.

В альтернативном варианте выполнения предлагаемый измеритель энергии и оптической мощности может содержать два подвижных приемных устройства 1 лазерного излучения, выполненных в виде двух независимых рядов поглощающих энергию лазерного излучения элементов 2, расположенных в линию на двух подвижных каретках 3, каждая из которых имеет возможность перемещаться внутри опорной рамы 4 в двух взаимно перпендикулярных направлениях поперек пучка 9 измеряемого лазерного излучения одновременно или последовательно (см. фиг. 4). Нагретые элементы 2 после полного пересечения лазерного луча перемещаются к своим частям блока детектирования 10. Каждая часть блока детектирования содержит свой ряд измерительных температурных детекторов 11, количество которых равно количеству элементов 2 в соответствующем подвижном устройстве лазерного излучения 1.

Предлагаемый измеритель работает следующим образом.

В ходе измерения элементы 2, установленные на каретке 3, перемещают внутри опорной рамы 4 поперек пучка 9 измеряемого лазерного излучения, поглощая его энергию и нагреваясь. В соответствии с вышеприведенной формулой увеличение температуры пропорционально поглощенной энергии. Каждый элемент 2, перемещаясь поперек пучка 9, собирает (интегрирует) энергию той части поперечного сечения лазерного луча, которую он пересекает.

Ряд элементов 2 изготавливают такой длины, чтобы полностью перекрыть сечение лазерного пучка 9, поэтому в ходе измерения интегрируется вся энергия луча за исключением зазоров между элементами 2. При изготовлении измерителя таким образом, чтобы размеры этих зазоров были значительно меньше размеров элементов 2, указанные потери легко учитываются при определении погрешности измерений и не превышают 1-2%.

По завершении сканирования полного поперечного сечения пучка 9, нагретые элементы 2 перемещают к блоку детектирования 10. Измерительные температурные детекторы 11, в соответствии с принципом своей работы, дистанционно (бесконтактно) измеряют конечную температуру нагретых элементов 2. Электронное устройство 12 блока детектирования 10 передает результаты измерений в электронный блок 6 управления.

Измеренные значения температуры элементов 2 и времени сканирования поперечного сечения лазерного луча поступают в систему 6, и обрабатываются с учетом вышеприведенной формулы и, определенных ранее (до начала работы), коэффициентов удельной теплоемкости с, коэффициента поглощения R, массы m элементов 2 и величины зазора между ними. Окончательным результатом обработки блока 6 является выходное значение энергии и оптической мощности измеряемого пучка 9 лазерного излучения.

В случае выполнения измерителя с двумя перпендикулярными рядами приемных элементов 2 измерения проводят аналогичным образом. Как и в случае с одним подвижным приемным устройством 1, соответствующие части блока детектирования 10 выполняют измерение температуры элементов 2 и результаты измерений вносят в блок 6 управления, где происходит окончательная обработка. Использование двух подвижных устройств 1 позволяет повысить точность измерений и определить пространственное распределение энергии и оптической мощности по поперечному сечению лазерного луча.

Благодаря вышеуказанным особенностям, предлагаемое техническое решение позволяет существенно упростить конструкцию измерителя и сам процесс преобразования энергии при сокращении потерь излучения, реализовать потребность измерения мощности лазерного луча больших диаметров, вплоть до любых возможных для изготовления размеров, расширить спектральный диапазон измеряемого лазерного излучения, а главное - повысить точность измерений. Такая конструкция позволяет значительно сократить ограничения на геометрические, спектральные и энергетические характеристики измеряемого лазерного излучения, снизить затраты при изготовлении и эксплуатации измерителя и, как следствие, в целом существенно расширить метрологические возможности измерителей энергии и оптической мощности лазерного излучения.

Изобретение относится к области радиометрии и касается измерителя мощности лазерного излучения. Измеритель мощности лазерного излучения содержит опорную раму, одно или более подвижное приемное устройство с возможностью поступательного перемещения поперек пучка измеряемого лазерного излучения, блок детектирования и блок управления. Приемное устройство выполнено в виде ряда поглощающих энергию лазерного излучения элементов, изготовленных в виде металлических пластин с покрытием, поглощающим лазерное излучение с известным коэффициентом поглощения. Блок детектирования содержит ответный ряд измерительных температурных детекторов, установленных на опорной раме и обеспечивающих возможность измерения температуры поглощающих элементов после воздействия лазерного излучения. Технический результат заключается в повышении точности измерения высокомощного лазерного излучения. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Измеритель мощности лазерного излучения, содержащий опорную раму, по меньшей мере, одно подвижное приемное устройство лазерного излучения, выполненное с возможностью поступательного перемещения поперек пучка измеряемого лазерного излучения, по меньшей мере, в одном направлении, блок детектирования и блок управления, отличающийся тем, что приемное устройство выполнено в виде ряда поглощающих энергию лазерного излучения элементов, изготовленных в виде металлических пластин с покрытием, поглощающим лазерное излучение с известным коэффициентом поглощения, а блок детектирования содержит ответный ряд измерительных температурных детекторов, установленных на опорной раме и обеспечивающих возможность измерения температуры поглощающих элементов после воздействия лазерного излучения.

2. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что на противоположной от измерительных температурных детекторов стороне рамы установлен контрольный измерительный температурный детектор, обеспечивающий возможность измерения исходной температуры поглощающих элементов до воздействия лазерного излучения.

3. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что измерительные температурные детекторы блока детектирования и контрольный измерительный температурный детектор выполнены в виде ИК-датчиков.

4. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что снабжен двумя подвижными приемными устройствами в виде рядов поглощающих энергию лазерного излучения элементов, которые выполнены с возможностью поступательного перемещения во взаимно перпендикулярных направлениях поперек пучка измеряемого лазерного излучения одновременно или последовательно.

5. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что блок управления выполнен с возможностью автоматического определения скорости и времени перемещения приемного устройства.