Устройство для измерения параметров и характеристик источников излучения Российский патент 2023 года по МПК G01J1/16 B23K26/02 B23K26/06 

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, квантовой электроники и технической физики, в частности к технике взаимодействия импульсного лазерного излучения с веществом и оптических измерений плотности электромагнитного излучения на основе поглощения электромагнитной энергии, а именно: к устройствам для калибровки или измерения параметров и характеристик источников излучения, и может быть использовано для измерения размеров эффективного фокусного (диаметра лазерного пучка) пятна и плотности энергии (мощности) импульсов лазерного излучения, например, милли-, микро-, наноимпульсов лазерного излучения, от ультрафиолетового диапазона длин волн до СВЧ для измерения плотности энергии импульсов в разных областях науки, техники и народного хозяйства, например в медицине.

При взаимодействии интенсивного лазерного импульсного излучения с веществом может происходить разрушение материала, что приводит к невозможности измерения размеров фокусного пятна на исследуемом объекте от воздействия лазерного импульсного излучения и, как следствие, определения по нему плотности энергии (мощности) воздействующего лазерного излучения. Кроме того, из-за влияния физико-химических свойств разных материалов исследуемых образцов на величину площади лазерного пятна на исследуемом образце от воздействия лазерного излучения от источника, увеличивается погрешность при измерении площади лазерного пятна. Все это является актуальной проблемой.

Известно устройство для измерения энергии мощных нано- и пикосекундных лазерных импульсов проходного типа, содержащее источник лазерного излучения, канал распространения рассеянного лазерного излучения, измерительно-вычислительный блок, рассеивающую среду, формируемую оптически-прозрачным рассеивателем проходного типа, обеспечивающим прохождение излучения через него и выполненным в виде цилиндрической шайбы из оптического стекла, установленной во фланец под острым углом оси симметрии шайбы к оптической оси, а на внешней поверхности цилиндра равномерно по окружности установлены и закреплены посредством винтов с возможностью регулировки расстояния до поверхности цилиндра для выравнивания зонной характеристики устройства, разветвленные концы, по меньшей мере, двух световолоконных коллекторов, обеспечивающих передачу рассеянной части оптического излучения на разных длинах волн через ослабители на фотодиоды, каждый из которых согласован с соответствующим коллектором для работы на соответствующей данному коллектору длине волны, причем противоположные концы к разветвленным концам световолоконных коллекторов закреплены в оправы с помощью винтов, позволяющих путем регулировки расстояния от них до поверхности ослабителей создавать необходимый уровень сигнала, передаваемого световолоконными коллекторами на ослабители, используемые для согласования оптической схемы с характеристиками фотодиодов, а переключение между фотодиодами осуществляется с помощью коммутатора [1].

Недостатком данного технического решения является то, что данное устройство является сложным в техническом исполнении вследствие необходимости использования световолоконных коллекторов и не позволяет определить с высокой точностью реальную плотность энергии (мощности) лазерного излучения, воздействующего на исследуемый образец в случае его разрушения при воздействии импульсов лазерного излучения.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является устройство для измерения параметров и характеристик источника лазерного излучения с устройством крепления и блоком управления источником лазерного излучения, содержащее блок питания, эталон сравнения, при этом выход лазерного излучения оптически сопряжен с входным окном, образованным с помощью оптоволоконного кабеля, приемника лазерного излучения, закрепленного посредством устройства крепления, установленном на подвижном устройстве, и электрически соединенного с блоком управления и обработки информации, причем устройства крепления источника лазерного излучения и приемника лазерного излучения и подвижное устройство приемника лазерного излучения установлены на оптической скамье, подвижное устройство приемника лазерного излучения выполнено трехкоординатным с возможностью перемещения приемника лазерного излучения по трем координатам и соединено с блоком управления подвижным устройством, выполненным с возможностью обеспечения контроля параметров работы подвижного устройства и связанным с блоком управления и обработки информации, снабженным устройством вывода информации в виде двухмерных и трехмерных моделей пространственного распределения освещенности или облученности при заданных координатах пространства, спектральных характеристик, координат цветности и карты цветов для источников излучения видимого диапазона от источника лазерного излучения и выполненным с возможностью обеспечивать управление всеми элементами устройства для измерения параметров и характеристик источника лазерного излучения [2].

Недостатком данного технического решения является то, что оно не позволяет определить с высокой точностью реальную плотность энергии (мощность) лазерного излучения, воздействующего на исследуемый образец в случае его разрушения при воздействии импульсов лазерного излучения.

Новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность определения плотности энергии (мощности) источника лазерного излучения на поверхности исследуемого образца посредством исключения влияния физико-химических свойств разных исследуемых материалов на величину площади лазерного пятна от воздействия лазерного излучения от источника на исследуемом материале и в случае разрушения исследуемого образца при воздействии импульсов лазерного излучения.

Новый технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения параметров и характеристик источника лазерного излучения, содержащее приемник лазерного излучения, оптически сопряженный входным окном с выходом лазерного излучения, трехкоординатное устройство перемещения, соединенное с блоком управления трехкоординатным устройством перемещения, выполненным с возможностью обеспечения контроля параметров работы трехкоординатного устройства перемещения, блок управления и обработки информации, устройство крепления и эталон сравнения, в отличие от прототипа, в устройство для измерения параметров и характеристик источника лазерного излучения дополнительно введены затвор, две полупрозрачные кварцевые пластины, оптическая система фокусировки, исследуемый образец и фотодиод, устройство крепления расположено на трехкоординатном устройстве перемещения и выполнено с возможностью закрепления исследуемого образца и эталона сравнения таким образом, что поверхности исследуемого образца и эталона сравнения, на которые воздействуют импульсным лазерным излучением источника, лежат в одной плоскости, блок управления трехкоординатным устройством перемещения и блок управления и обработки информации выполнены в виде компьютера, обеспечивающего возможность обработки информации и управления в соответствии с компьютерной программой трехкоординатным устройством перемещения и затвором, пропускающим определенное количество задаваемых компьютерной программой импульсов, приемник лазерного излучения оптически сопряжен входным окном с выходом лазерного излучения через первую и вторую полупрозрачные кварцевые пластины, при этом первая полупрозрачная кварцевая пластина установлена с возможностью разделения излучения на два пучка, один из которых отражается на вторую полупрозрачную кварцевую пластину, а проходящий пучок проходит через оптическую систему фокусировки, фокусирующую лазерное излучение на поверхности исследуемого образца или эталона сравнения, вторая полупрозрачная кварцевая пластина установлена с возможностью разделения излучения на два пучка, один из которых отражается на фотодиод, подключенный к компьютеру, а проходящий пучок проходит во входное окно приемника лазерного излучения, подключенного к компьютеру.

Устройство крепления может быть выполнено с основанием, на посадочной плоскости которого посредством прижимной пластины прижаты исследуемый образец и эталон сравнения, при этом основание закреплено на трехкоординатном устройстве перемещения с возможностью перемещения устройства крепления с эталоном сравнения в горизонтальной плоскости так, чтобы между пятнами, которые образуются на поверхности эталона сравнения при воздействии импульсов лазерного излучения, было одинаковое расстояние, и они не накладывались друг на друга.

Эталон сравнения может быть выполнен из материала, пик спектра поглощения которого максимально соответствует длине волны источника лазерного излучения.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для измерения параметров и характеристик источника лазерного излучения.

Устройство для измерения параметров и характеристик источника 1 лазерного излучения содержит приемник 2 лазерного излучения, подключенный к компьютеру 3 и оптически сопряженный входным окном 4 с выходом 5 источника 1 лазерного излучения через первую и вторую полупрозрачные кварцевые пластины 6, 7, при этом первая полупрозрачная кварцевая пластина 6 установлена с возможностью разделения излучения на два пучка, один из которых отражается на вторую полупрозрачную кварцевую пластину 7, а проходящий пучок проходит через оптическую систему фокусировки 8, фокусирующую лазерное излучение на поверхности исследуемого образца 9, вторая полупрозрачная кварцевая пластина 7 установлена с возможностью разделения излучения на два пучка, один из которых отражается на фотодиод 10, подключенный к компьютеру, а проходящий пучок проходит во входное окно 4 приемника 2 лазерного излучения, трехкоординатное устройство перемещения 11 с устройством крепления 12, выполненное с возможностью закрепления исследуемого образца 9 и эталона сравнения 13, при этом компьютер 3 обеспечивает возможность обработки информации и управления в соответствии с компьютерной программой трехкоординатным устройством перемещения 11 и затвором 14, пропускающим определенное количество задаваемых компьютерной программой импульсов (фиг. 1).

Источник 1 лазерного излучения предназначен для создания электромагнитных импульсов, способных зафиксировать на поверхности эталона сравнения 13 лазерное пятно, контраст которого бы позволил провести измерения его площади.

В качестве источника 1 лазерного излучения может быть использован импульсный твердотельный лазер марки Opolette HR 2731 (ОРОТЕС Inc., USA) или любой аналогичный, длина волны которого определяется условиями проведения работы.

Затвор 14 предназначен для пропускания нужного количества импульсов лазерного излучения от источника 1 в соответствии с определенной программой, задаваемой и контролируемой компьютером 3, и прерывания лазерного излучения.

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

Полупрозрачные кварцевые пластины 6, 7 предназначены для частичного пропускания и частичного отражения лазерного излучения от источника 1.

В качестве полупрозрачных кварцевых пластин 6, 7 могут быть использованы пластины из покупного кварцевого оптического стекла марок КВ, КУ-2, КИ с нанесенным интерференционным покрытием либо другим оптическим материалом, подходящим для заданного диапазона излучения.

Приемник 2 лазерного излучения предназначен для измерения энергии импульсов лазерного излучения от источника 1 с помощью его измерительной головки.

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

Компьютер 3 предназначен для записи, хранения и обработки информации и управления в соответствии с компьютерной программой трехкоординатным устройством перемещения 11 и контроля затвора 14, пропускающего определенное количество импульсов, задаваемых компьютерной программой.

В качестве компьютера 3 может быть использован персональный компьютер, поддерживающий операционную систему Windows 10, или сходные системы, например, Acer.

Оптическая система фокусировки 8 предназначена для фокусировки лазерного излучения от источника 1 на поверхности исследуемого образца 9 и эталона сравнения 13.

В качестве оптической системы фокусировки 8 может быть использована линза, изготовленная из покупного кварцевого оптического стекла марок КВ, КУ-2, КИ, или их аналогов.

Исследуемый образец 9 предназначен для испытаний результатов воздействия сфокусированным лазерным излучением от источника 1.

В качестве исследуемого образца 9 может быть использован образец, изготовленный из покупного монокристаллического германия ориентации (111), либо любого другого материала, нуждающегося в подобных исследованиях.

Устройство крепления 12 предназначено для закрепления исследуемого образца 9 и эталона сравнения 13 в положении, необходимом для проведения измерения плотности энергии.

В качестве устройства крепления 12 используют устройство собственного изготовления (фиг. 2). Основным элементом устройства крепления 12 является основание 15, напечатанное на 3D-принтере. Основание 15 крепится к трехкоординатному устройству перемещения 11. Основание 15 представляет собой посадочную плоскость, к которой посредством прижимной пластины 16 прижимают исследуемый образец 9 и эталон сравнения 13 (фиг. 2).

Эталон сравнения 13 предназначен для воздействия сфокусированным лазерным излучением от источника 1, а также определения площади сфокусированного пятна лазерного излучения от источника 1, с помощью которого появляется возможность определения плотности энергии. Необходимость использования эталона сравнения 13 вызвана требованием исключить влияние физико-химических свойств исследуемых материалов на результаты измерений площади пятна воздействия лазерного излучения на исследуемом образце.

Эталон сравнения 13 выполняют в виде пластины толщиной 0,1 мм (фиг. 2). Эталон сравнения 13 выполняют из материала, пик спектра поглощения которого максимально соответствует длине волны источника 1 лазерного излучения, например, это может быть фольга из меди, либо другой материал, на поверхности которого фиксируется контрастное изображение лазерного пятна. Максимальное соответствие длине волны пика спектра поглощения материала эталона сравнения 13 источнику 1 лазерного излучения связано с тем, что абляция должна происходить даже при малой энергии импульса лазерного излучения источника 1, при этом границы площади пятна от воздействия лазерного излучения от источника 1 на эталоне сравнения 13 должны быть ярко выраженными.

Фотодиод 10 (счетчик импульсов) предназначен для считывания импульсов и синхронизации выводимых данных измерений на монитор компьютера 3, связывая их с падающим импульсом лазерного излучения на фоточувствительный элемент измерительной головки приемника 2 лазерного излучения.

В качестве фотодиода 10 может быть использован кремниевый фотодиод ФД-24К либо его аналог.

Трехкоординатное устройство перемещения 11 предназначено для перемещения устройства крепления 12 исследуемого образца 9 в горизонтальной плоскости по оси X так, чтобы между пятнами, которые образуются на поверхности эталона сравнения 13, было одинаковое расстояние, и они не накладывались друг на друга, а также для обеспечения той же величины размера лазерного пятна на исследуемом образце 9, которая ранее была зафиксирована на эталоне сравнения 13.

В качестве трехкоординатного устройства перемещения 11 может быть использован автоматизированный трехкоординатный столик, например, KML Linear Motion Technology GmbH.

Микроскоп 17 предназначен для проведения измерений на поверхности эталона сравнения 13 параметров пятен - следов от воздействия импульсов лазерного излучения источника 1 при соответствующих заданных значениях плотностей энергии импульсов лазерного излучения источника 1.

В качестве микроскопа 17 может быть использован, например UM20-GN08.

Устройство для измерения плотности энергии работает следующим образом.

Лазерное излучение от источника 1 проходит через затвор 2, который в соответствии с программой контролируется с помощью компьютера 3 и пропускает определенное количество импульсов в соответствии с заданной программой. Затем лазерное излучение от источника 1 падает на первую полупрозрачную кварцевую пластину 6, которая разделяет излучение на два пучка, один из пучков отражается на вторую полупрозрачную кварцевую пластину 7, другой пучок проходит через оптическую систему фокусировки 8, фокусирующую лазерное излучение от источника 1 в фокальной плоскости исследуемого образца 9 или эталона сравнения 13, которые закреплены в устройстве для крепления 12 исследуемого образца 9 и эталона сравнения 13, расположенном на трехкоординатном устройстве перемещения 11, подключенном к компьютеру 3. Одновременно лазерное излучение от источника 1, проходящее через вторую полупрозрачную кварцевую пластину 7, попадает на чувствительный элемент измерительной головки приемника 2 лазерного излучения, который подключен к компьютеру 3. Другой пучок лазерного излучения от источника 1, разделенный второй полупрозрачной кварцевой пластиной 7 отражается на подключенный к компьютеру 3 фотодиод 10, который считает и контролирует число импульсов, проходящих через затвор 14.

Измерение плотности энергии происходит следующим образом.

Благодаря конструкции основания 15 поверхности исследуемого образца 9 и эталон сравнения 13, на которые воздействуют импульсным лазерным излучением источника 1, лежат в одной плоскости. Это позволяет проводить измерения в следующем порядке:

1) исследуемый образец 9 и эталон сравнения 13 для калибровки помещают на устройство крепления 12;

2) для заданных значений плотностей энергии импульсов лазерного излучения источника 1 проводят калибровку эталона сравнения 13. Для чего лазерное излучение от источника 1 фокусируют с помощью оптической системы фокусировки 8 на эталоне сравнения 13, закрепленном на устройстве крепления 12, далее создают серию пятен на рабочей поверхности эталона сравнения 13 с разной энергией в импульсе лазерного излучения от источника 1 и одинаковым числом импульсов лазерного излучения. Трехкоординатное устройство перемещения 11 перемещает устройство крепления 12 с эталоном сравнения 13 в горизонтальной плоскости по оси X так, чтобы между пятнами, которые образуются на поверхности эталона сравнения 13, было одинаковое расстояние, и они не накладывались друг на друга (фиг. 2);

3) снимают эталон сравнения 13, исследуют эталон сравнения 13 на микроскопе 17 с целью проведения измерения на поверхности эталона сравнения 13 параметров пятен - следов от воздействия импульсов лазерного излучения источника 1 при соответствующих заданных значениях плотностей энергии импульсов лазерного излучения источника 1 и определяют характерные размеры сечения пятен (площадь каждого пятна) - воздействия лазерного пучка;

4) для заданных плотностей энергии импульсов лазерного излучения источника 1 проводят соответствующую обработку поверхности исследуемого образца 9, причем устройство, показанное на фиг. 2, гарантированно обеспечивает размер пятна лазерного излучения, измеренный ранее на эталоне сравнения 9.

Сравнивая энергию лазерного излучения от источника 1, измеренную приемником 2 лазерного излучения, и площадь соответствующих пятен находят реальную площадь лазерного пучка и далее определяют плотность энергии лазерного излучения 1.

Например, данное устройство можно использовать для определения плотности энергии ультрафиолетового лазерного излучения, воздействующего на образец германия с энергией лазера 1 до 2 мДж и площадью сфокусированного лазерного пучка меньше 1 мм². При малых плотностях энергии (до абляции на поверхности исследуемого образца 9 германия), невозможно определить площадь сфокусированного лазерного пучка, так как практически не остается следов воздействия лазерного излучения, а при больших энергиях происходит разрушение материала, и расплавление поверхностного слоя германия с образованием бруствера. При этом вокруг центра лазерного пятна на поверхности исследуемого образца 9 германия возникают разные нано- и микроструктуры, которые не всегда позволяют точно определить центр пятна и измерить его. И, чтобы определить плотность энергии лазерного излучения делают серию пятен на эталоне сравнения 13 с одинаковым количеством импульсов, но с разной плотностью энергии от заданной минимальной до максимальной. Затем, с помощью микроскопа 17, определяется площадь каждого пятна, а на компьютере 3, с помощью специального программного обеспечения, соизмеряют площадь пятна с энергией лазерного излучения, которая воздействовала в данной точке, и определяют реальный размер площади лазерного пучка. Далее, в зависимости от эксперимента, который необходимо провести, например, сканирование образца исследуемого образца 9 германия по растровой траектории (типа «змейка») таким образом, что соседние пятна перекрывались с коэффициентом перекрытия к (отношение площади, обработанной двумя импульсами излучения, к площади одного пятна) больше 99%, затем соотносим среднюю энергию лазера во время эксперимента с площадью реального лазерного пучка и получаем с высокой точностью реальную среднюю плотность энергии лазерного излучения даже при разрушении исследуемого образца 9 в результате поведенных с ним испытаний.

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

1. Достигается возможность более точного определения плотности энергии (мощности) лазерного излучения от источника 1 на поверхности исследуемого образца 9 посредством исключения влияния физико-химических свойств разных материалов исследуемых образцов 9 на величину площади лазерного пятна на исследуемом образце 9 от воздействия лазерного излучения от источника 1, то есть уменьшается погрешность при измерении площади лазерного пятна.

2. Достигается возможность определения плотности энергии (мощности) лазерного излучения на поверхности исследуемого образца 9, выполненного из материала, который может быть разрушен при воздействии импульсов лазерного излучения источника 1 при соответствующих заданных значений плотностей энергии импульсов лазерного излучения источника 1, что приводит к невозможности измерения размеров фокусного пятна и, как следствие, определения по нему плотности энергии. То есть при разрушении исследуемого образца 9 остается возможность определить плотность энергии (мощности) лазерного излучения.

В настоящее время в Институте электрофизики и электроэнергетики РАН проведены испытания предлагаемого устройства для измерения параметров и характеристик источника лазерного излучения, и на их основе выпущена конструкторская документация на данное устройство.

Используемые источники

1. Патент RU 2594634, 2015, МКИ G01J 1/04, G01J 11/00.

2. Патент RU 2547163, 2015, МКИ G01J 1/04, G01J 1/10.

Устройство содержит приемник лазерного излучения, подключенный к компьютеру и оптически сопряженный входным окном с выходом лазерного излучения через первую и вторую полупрозрачные кварцевые пластины, первая из которых разделяет излучение на два пучка, один из которых отражается на вторую пластину, а проходящий пучок фокусируется оптической системой фокусировки на поверхности исследуемого образца, вторая пластина разделяет излучение на два пучка, один из которых отражается на фотодиод, подключенный к компьютеру, а проходящий пучок проходит во входное окно приемника лазерного излучения, трехкоординатное устройство перемещения и устройство крепления для закрепления исследуемого образца и эталона сравнения. Компьютер обеспечивает возможность обработки информации и управления в соответствии с компьютерной программой трехкоординатным устройством перемещения и затвором, пропускающим определенное количество задаваемых компьютерной программой импульсов. Технический результат - исключение влияния физико-химических свойств исследуемых материалов на величину площади лазерного пятна от воздействия лазерного излучения на исследуемом материале и в случае разрушения исследуемого образца при воздействии импульсов лазерного излучения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения параметров и характеристик источника лазерного излучения, содержащее приемник лазерного излучения, оптически сопряженный входным окном с выходом лазерного излучения, трехкоординатное устройство перемещения, соединенное с блоком управления трехкоординатным устройством перемещения, выполненным с возможностью обеспечения контроля параметров работы трехкоординатного устройства перемещения, блок управления и обработки информации, устройство крепления и эталон сравнения, отличающееся тем, что в устройство для измерения параметров и характеристик источника лазерного излучения дополнительно введены затвор, две полупрозрачные кварцевые пластины, оптическая система фокусировки, исследуемый образец и фотодиод, устройство крепления расположено на трехкоординатном устройстве перемещения и выполнено с возможностью закрепления исследуемого образца и эталона сравнения таким образом, что поверхности исследуемого образца и эталона сравнения, на которые воздействуют импульсным лазерным излучением источника, лежат в одной плоскости, блок управления трехкоординатным устройством перемещения и блок управления и обработки информации выполнены в виде компьютера, обеспечивающего возможность обработки информации и управления в соответствии с компьютерной программой трехкоординатным устройством перемещения и затвором, пропускающим определенное количество задаваемых компьютерной программой импульсов, приемник лазерного излучения оптически сопряжен входным окном с выходом лазерного излучения через первую и вторую полупрозрачные кварцевые пластины, при этом первая полупрозрачная кварцевая пластина установлена с возможностью разделения излучения на два пучка, один из которых отражается на вторую полупрозрачную кварцевую пластину, а проходящий пучок проходит через оптическую систему фокусировки, фокусирующую лазерное излучение на поверхности исследуемого образца или эталона сравнения, вторая полупрозрачная кварцевая пластина установлена с возможностью разделения излучения на два пучка, один из которых отражается на фотодиод, подключенный к компьютеру, а проходящий пучок проходит во входное окно приемника лазерного излучения, подключенного к компьютеру.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что устройство крепления выполнено с основанием, на посадочной плоскости которого посредством прижимной пластины прижаты исследуемый образец и эталон сравнения, при этом основание закреплено на трехкоординатном устройстве перемещения с возможностью перемещения устройства крепления с эталоном сравнения в горизонтальной плоскости так, чтобы между пятнами, которые образуются на поверхности эталона сравнения при воздействии импульсов лазерного излучения, было одинаковое расстояние, и они не накладывались друг на друга.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что эталон сравнения выполнен из материала, пик спектра поглощения которого максимально соответствует длине волны источника лазерного излучения.