Способ 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 способам 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-, нано- импульсов лазерного излучения, от ультрафиолетового диапазонов 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.

Известен способ анализа параметров и характеристик источников излучения, включающий закрепление измеряемого источника излучения на подвижном устройстве (гониометре) и позиционирование его относительно осей измерительной системы (совокупность фотометра, спектрофотометра и фотоколориметра), установление с помощью вольтметра необходимого режима питания источника излучения, определение максимального значения мощности излучения источника излучения в зоне анализа приемника оптического излучения посредством перемещения при этом источника излучения с помощью подвижного устройства (гониометра), измерение величины силы излучения с помощью фотометра и спектрального распределения излучения источника излучения с помощью спектрофотометра посредством перемещения при этом источника излучения с помощью подвижного устройства по двум координатам, измерение с помощью фотоколориметра яркости и координат цветности источника излучения, передачу полученных данных на персональный компьютер для расчета с помощью пакетов MathCAD и Excel спектральных, энергетических и цветовых характеристик источника излучения и построение диаграмм пространственного распределения излучения [1].

К недостаткам данного способа можно отнести:

- длительное время измерений, так как сложно позиционировать исследуемый источник излучения относительно приемника оптического излучения из-за необходимости обеспечить привязку измерений к одной точке измеряемого пространства;

- высокая погрешность измерения из-за применения неэффективного метода позиционирования приемника оптического излучения (фотометр, спектрофотометр и фотоколориметр относительно друг друга) и источника излучения, а также из-за сложности осуществления комплексного анализа полученных результатов (так как процедура сравнения полученных результатов измерений с эталонными (заданными производителем или рассчитанными для данного типа источника излучения) значениями параметров для исследуемого источника излучения не предусмотрена);

- низкая универсальность, связанная с измерением параметров и характеристик только одного типа источников излучения, а также с измерением параметров излучения только в одной плоскости и только при одном режиме питания;

- ограниченная функциональность и недостаточная автоматизация способа, связанная с необходимостью проведения дополнительных расчетов и построения диаграмм или графиков в отдельных пакетах программ после проведенных измерений.

Наиболее близким к заявляемому способу по своей технической сути (прототипом) является способ измерения параметров и характеристик источников излучения, включающий размещение приемника лазерного излучения, выполненного в виде волоконно-оптического спектрометра, в облучаемой зоне исследуемого источника лазерного излучения с возможностью перемещения волоконно-оптического спектрометра по трем координатам, определение максимального значения мощности излучения источника лазерного излучения в зоне анализа волоконно-оптического спектрометра, задание параметров измерений исследуемого источника лазерного излучения, настройку на основе определенного максимального значения мощности излучения источника лазерного излучения времени интегрирования волоконно-оптического спектрометра, измерение величины силы излучения источника лазерного излучения по трем координатам, измерение в непрерывном режиме спектрального распределения энергии излучения источника лазерного излучения с одновременным выводом результатов измерений на видеоконтрольное устройство, анализ параметров и характеристик исследуемого источника лазерного излучения путем сравнения полученных результатов измерений с эталонными для исследуемого источника лазерного излучения, вывод результатов анализа на видеоконтрольное устройство и расчет спектральных, энергетических и цветовых (для источников излучения видимого диапазона спектра) параметров и характеристик источника лазерного излучения [2].

К недостаткам данного способа можно отнести то, что им нельзя достоверно оценить воздействие источника на материал, например, нельзя достоверно оценить плотность энергии, с которой лазерный источник излучения взаимодействует на поверхность исследуемого материала.

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 способе измерения параметров и характеристик источников излучения, включающем размещение приемника лазерного излучения в облучаемой зоне исследуемого источника лазерного излучения, измерение параметра излучения источника лазерного излучения с одновременным выводом результатов измерений на видеоконтрольное устройство, анализ параметров исследуемого источника лазерного излучения путем сравнения полученных результатов измерений с эталонными для исследуемого источника лазерного излучения, вывод результатов анализа на видеоконтрольное устройство и расчет параметров источника лазерного излучения, в отличие от прототипа, в качестве параметра источника лазерного излучения определяют плотность энергии импульсов лазерного излучения и проводят калибровку эталона, выполненного в виде эталонной пластины, создавая на рабочей поверхности эталонной пластины серию пятен с разной энергией в импульсе лазерного излучения от источника и одинаковым числом импульсов лазерного излучения и одновременным перемещением эталонной пластины в горизонтальной плоскости так, чтобы между пятнами, которые образуются на поверхности эталонной пластины, было одинаковое расстояние, и они не накладывались друг на друга, снимают пластину и на дополнительно введенном микроскопе измеряют на поверхности эталонной пластины параметры пятен от воздействия импульсов лазерного излучения источника при соответствующих заданных значений плотностей энергии импульсов лазерного излучения источника, определяют характерные размеры площадей пятен, облучают заданными плотностями энергии импульсов лазерного излучения источника рабочую поверхность дополнительно введенного исследуемого образца, пространственное положение исследуемой поверхности которого полностью соответствует плоскости эталонной пластина, и, сравнивая энергию лазерного излучения от источника, измеренную приемником лазерного излучения, и площадь соответствующих пятен, находят реальную площадь лазерного пучка и определяют плотность энергии лазерного излучения.

В качестве видеоконтрольного устройства могут использовать компьютер.

Эталонную пластину могут выполнять из материала, пик спектра поглощения которого максимально соответствует длине волны источника лазерного излучения.

Способ управления импульсным силовым преобразователем реализуют следующим образом.

Размещают приемник лазерного излучения в облучаемой зоне исследуемого источника лазерного излучения. Для заданных значений плотностей энергии импульсов лазерного излучения источника проводят калибровку эталона, выполненного в виде эталонной пластины преимущественно из материала, пик спектра поглощения которого максимально соответствует длине волны источника лазерного излучения. Максимальное соответствие пика спектра поглощения материала эталонной пластины длине волны источника лазерного излучения связано с тем, что абляция должна происходить даже при малой энергии импульса лазерного излучения источника, при этом границы площади пятна от воздействия лазерного излучения от источника на эталонной пластине должны быть ярко выраженными.

Далее делают серию пятен на рабочей поверхности эталонной пластины с разной энергией в импульсе лазерного излучения от источника и одинаковым числом импульсов лазерного излучения посредством перемещения эталонной пластины в горизонтальной плоскости по оси X так, чтобы между пятнами, которые образуются на поверхности эталонной пластины, было одинаковое расстояние, и они не накладывались друг на друга.

Затем снимают эталонную пластину и на микроскопе измеряют на поверхности эталонной пластины параметры пятен - следов от воздействия импульсов лазерного излучения источника при соответствующих заданных значениях плотностей энергии импульсов лазерного излучения источника и определяют на компьютере, обеспечивающем возможность обработки соответствующей информации, характерные размеры сечения пятен (площадь каждого пятна) - воздействия лазерного пучка.

Далее облучают заданными плотностями энергии импульсов лазерного излучения источника рабочую поверхность исследуемого образца. Поскольку пространственное положение исследуемой поверхности исследуемого образца полностью соответствует плоскости эталонной пластины, то тем самым обеспечивается уже определенная плотность энергии (мощности) лазерного излучения на исследуемом образце.

После чего сопоставляют на компьютере, обеспечивающем возможность обработки соответствующей информации, энергию лазерного излучения от источника, измеренную приемником лазерного излучения, и площадь соответствующих пятен находят реальную площадь лазерного пучка и далее определяют плотность энергии лазерного излучения.

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 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 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 эталонной пластине с одинаковым количеством импульсов, но с разной плотностью энергии от заданной минимальной до максимальной. Затем, с помощью микроскопа определяется площадь каждого пятна, а на компьютере 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 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 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 на поверхности исследуемого образца посредством исключения влияния физико-химических свойств разных материалов исследуемых образцов на величину площади лазерного пятна на исследуемом образце от воздействия лазерного излучения от источника, то есть уменьшается погрешность при измерении площади лазерного пятна.

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

В настоящее время в Институте электрофизики и электроэнергетики РАН проведены испытания предлагаемого способа измерения параметров и характеристик источников излучения, и на их основе выпущена технологическая инструкция на реализацию данного способа.

Используемые источники

1. Никифоров С. Измерительная лаборатория для комплексного исследования характеристик светодиодов, применяемых в системах отображения информации // Компоненты и Технологии. 2007. №7.

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

Способ включает размещение приемника лазерного излучения в облучаемой зоне исследуемого источника, затем калибруют эталонную пластину, создавая на ее рабочей поверхности серию пятен с разной энергией в импульсе лазерного излучения и одинаковым числом импульсов лазерного излучения и одновременным перемещением эталонной пластины в горизонтальной плоскости так, чтобы между пятнами на ее поверхности было одинаковое расстояние и они не накладывались друг на друга, измеряют на поверхности эталонной пластины площадь пятен при соответствующих заданных значениях плотностей энергии импульсов лазерного излучения, облучают заданными плотностями энергии импульсов источника рабочую поверхность исследуемого образца, пространственное положение которой соответствует положению плоскости эталонной пластины, сравнивают энергию лазерного излучения от источника, измеренную приемником лазерного излучения, и площадь соответствующих пятен, находят реальную площадь лазерного пучка и определяют плотность энергии лазерного излучения. Технический результат - повышение точности определения плотности энергии источника лазерного излучения посредством исключения влияния физико-химических свойств исследуемых материалов на величину площади лазерного пятна. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ измерения параметров и характеристик источников излучения, включающий размещение приемника лазерного излучения в облучаемой зоне исследуемого источника лазерного излучения, измерение параметра излучения источника лазерного излучения с одновременным выводом результатов измерений на видеоконтрольное устройство, анализ параметров исследуемого источника лазерного излучения путем сравнения полученных результатов измерений с эталонными для исследуемого источника лазерного излучения, вывод результатов анализа на видеоконтрольное устройство и расчет параметров источника лазерного излучения, отличающийся тем, что в качестве параметра источника лазерного излучения определяют плотность энергии импульсов лазерного излучения и проводят калибровку эталона, выполненного в виде эталонной пластины, создавая на рабочей поверхности эталонной пластины серию пятен с разной энергией в импульсе лазерного излучения от источника и одинаковым числом импульсов лазерного излучения и одновременным перемещением эталонной пластины в горизонтальной плоскости так, чтобы между пятнами, которые образуются на поверхности эталонной пластины, было одинаковое расстояние, и они не накладывались друг на друга, снимают пластину и на дополнительно введенном микроскопе измеряют на поверхности эталонной пластины параметры пятен от воздействия импульсов лазерного излучения источника, при соответствующих заданных значениях плотностей энергии импульсов лазерного излучения источника, определяют характерные размеры площадей пятен, облучают заданными плотностями энергии импульсов лазерного излучения источника рабочую поверхность дополнительно введенного исследуемого образца, пространственное положение исследуемой поверхности которого полностью соответствует плоскости эталонной пластины, и, сравнивая энергию лазерного излучения от источника, измеренную приемником лазерного излучения, и площадь соответствующих пятен, находят реальную площадь лазерного пучка и определяют плотность энергии лазерного излучения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве видеоконтрольного устройства используют компьютер.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что эталонную пластину выполняют из материала, пик спектра поглощения которого максимально соответствует длине волны источника лазерного излучения.