Способ определения распределения интенсивности лазерного излучения в поперечном сечении пучка Российский патент 2024 года по МПК G01J3/40 

Изобретение относится к области исследования параметров лазерного излучения путем анализа результата воздействия импульса лазерного излучения на вещество.

При численном моделирование теплового действия лазерного излучения на различные материалы используется граничное условие второго рода, то есть лазерное излучение задается тепловым потоком с учетом коэффициента поглощения материала и распределения энергии лазерного излучения в пятне воздействия. Мощность лазерного излучения задается на системе управления лазером, коэффициент поглощения материала для требуемой длины волны указан в различных справочниках физических величин, а распределение интенсивности лазерного излучения в пятне уникально для каждого лазера. Поэтому необходимо проводить исследование распределения интенсивности лазерного излучения в пучке для каждого лазера отдельно. Эти исследования реализуются применением предлагаемого способа.

Известен способ определения распределения интенсивности лазерного излучения в пучке, заключающийся в использовании измерителя энергетических и пространственных параметров лазерного излучения «СИЭПХ-2» [1], в состав которого входят: 1 - преобразователь «ПФ1-2», 2 - ноутбук, 3 - регистратор информации цифровой «РИЦ822», 4 - камера измерительная «КИ-ЗП», а также и комплект кабелей и вспомогательного оборудования.

Сущность данного способа заключается в перестроении на ПЗС-матрицу распределения интенсивности излучения серии импульсов с диффузно-отражающего экрана через ее объектив, либо непосредственно на ПЗС-матрицу с установкой перед матрицей набора ослабляющих светофильтров. Далее зафиксированное камерой пятно воздействия лазерного излучения на экран обрабатывается регистратором 3, записывается на компьютер и для дальнейшего анализа преобразуется в интерферограмму.

Недостатком данного способа являются требования к метрологической поверке применяемых измерительных приборов и ограниченный диапазон чувствительности по длинам волн.

Другим имеющимся в настоящее время способом является измерение распределения интенсивности в лазерном пучке методом оптической томографии. В этом способе исследуемый лазерный пучок сканируется оптическим световодом - тонкой светопроводящей палочкой, изготовленной из материала, обладающего высокой лучевой стойкостью, например, стекла, кварца или лей-косапфира. При рассеянии излучения на шероховатых поверхностях световода часть излучения рассеивается и «запирается» вследствие полного внутреннего отражения, другая часть - выходит из торца световода и регистрируется фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Сигнал от ФЭУ оцифровывается и поступает в ПЭВМ. Обработка экспериментальных данных и томографическое восстановление проводится при помощи разработанного во ВНИИОФИ программного пакета «Томо» [2].

Недостатком данного способа является ограниченный диапазон длин чувствительности длин волн приборов и требования к их метрологической поверке, ограниченная доступность программного обеспечения для восстановления томографических изображений, а также существенная погрешность определения интенсивности - 23%.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения распределения интенсивности в лазерном пучке, основанный на определении вторичного свечения частиц аэрозоля при воздействии лазерного излучения [3]. Сущность данного способа заключается в том, что лазерный луч пересекают однородным по концентрации потоком аэрозольных частиц из тугоплавкого материала, производят измерение распределения концентрации и общего количества и затем рассчитывают мощность и распределение интенсивности излучения по их общему количеству и распределению.

Недостатками данного способа являются трудоемкость процесса измерения распределения интенсивности лазерного излучения, зависимость достоверности результатов измерений от однородности частиц аэрозоля, их размера, концентрации и равномерности распределения по аэрозольному потоку, а также требования к метрологической поверке источника однородного по концентрации аэрозольного потока.

Задачей изобретения является создание такого способа определения распределения интенсивности лазерного излучения в поперечном сечении пучка, который позволяет определять распределение интенсивности без:

1) использования специального источника однородного по концентрации аэрозольного потока;

2) зависимости результатов измерений от длин волн лазерного излучения;

3) использования специальных измерительных оптических приборов.

Техническим результатом изобретения является определение распределения интенсивности лазерного излучения в поперечном сечение пучка без использования специального источника однородного по концентрации аэрозольного потока и специальных оптических измерительных приборов, тем самым повышается достоверность результатов за счет отсутствия зависимости результатов измерений интенсивности лазерного излучения от длин волн и однородности частиц аэрозольного потока.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что для определения распределения интенсивности лазерного луча импульс лазерного излучения действует на бумагу, пятно воздействия лазерного излучения на бумагу фотографируют, с использованием программ ЭВМ получают значения яркости пикселей фотографии, строят числовой ряд из значений яркости пикселей по ширине пятна воздействия и аппроксимируют различными законами распределения.

Проведение исследований заключается в следующем. Параметры лазерного излучения (мощность, длительность) задаются на блоке управления лазера 7. После нажатия кнопки «генерация» излучение с заданными параметрами генерируется лазером 1. Отраженное от отводящей пластины 2 ЛИ попадает на измеритель мощности 3, показания с которого отображаются на компьютере 5. Часть излучения, прошедшая через отводящую пластину 2 попадает на лист бумаги 4. В результате воздействия ЛИ на бумагу, остается пятно темного цвета. Данный результат фиксируется на камеру 6 для дальнейшего анализа.

Далее с использованием программы для инженерных расчетов «Mathcad» анализируется значение яркости каждого пикселя полученной фотографии. Выбирается столбец, соответствующий середине пятна, по полученным данным строится график. Значения яркости пикселей являются условными единицами интенсивности ЛИ в пятне воздействия ЛИ на бумагу и подчинены неопределенному закону распределения.

Далее эмпирическим методом проводится сравнение полученного графика с графиками функций других законов распределения (нормальный, линейный, степенной) на максимальное совпадение (добиваемся получения максимального значения коэффициента корреляции). Введем следующее допущение: уравнение полученного эмпирическим путем закона распределения примем равным уравнению распределения экспериментально полученных данных.

Следующим этапом является определение коэффициента пропорциональности для перевода условных единиц интенсивности лазерного излучения в реальные, по полученным данным строится график интенсивности распределения лазерного излучения в пятне в зависимости от расстояния от центра пятна. Для этого дважды интегрируем по радиусу и по углу функцию полученного закона распределения, а значение интеграла помножаем на значение яркости каждого пикселя фотографии результата воздействия лазерного излучения на бумагу.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. ООО «Ламет». Технологии измерений XXI века. Системный подход. [Электронный ресурс]. URL: http://www.lamet.ru/4583887553 (Дата обращения 18.01.2023)

2. Измерение распределения интенсивности в лазерном пучке методом оптической томографии. // Булыгин Ф.В., Горяинова И.В., Ковалев А.А., Крамзин К.Д.// Журнал технической физики. - 2007. - том 77. - вып.7. - С.87-90.

3. SU №554719, 1977.

Изобретение относится к области исследования параметров лазерного излучения путем анализа результата воздействия импульса лазерного излучения на вещество. Способ определения распределения интенсивности лазерного излучения в поперечном сечении пучка, заключающийся в том, что воздействуют импульсом лазерного излучения на бумагу, фотографируют пятно воздействия, анализируют значения яркости каждого пикселя полученной фотографии, получают значения яркости пикселей фотографии, строят числовой ряд из значений яркости пикселей по ширине пятна воздействия, по данным, соответствующим середине пятна, строится график, график сравнивается с графиками законов распределения, выбирается функция закона распределения, максимально соответствующего экспериментально полученным данным, определяют коэффициент пропорциональности путем двойного интегрирования по радиусу и углу функции выбранного закона распределения и дальнейшего умножения значения интеграла на значение яркости каждого пикселя фотографии и строится график интенсивности распределения лазерного излучения в поперечном сечении пучка. Технический результат - повышение достоверности результатов. 1 ил.

Способ определения распределения интенсивности лазерного излучения в поперечном сечении пучка, заключающийся в том, что воздействуют импульсом лазерного излучения на бумагу, фотографируют пятно воздействия лазерного излучения на бумагу, далее анализируют значения яркости каждого пикселя полученной фотографии, получают значения яркости пикселей фотографии, строят числовой ряд из значений яркости пикселей по ширине пятна воздействия, по данным, соответствующим середине пятна, строится график, сравнивается полученный график с графиками законов распределения, выбирается функция закона распределения, максимально соответствующего экспериментально полученным данным, определяют коэффициент пропорциональности путем двойного интегрирования по радиусу и углу функции выбранного закона распределения и дальнейшего умножения значения интеграла на значение яркости каждого пикселя фотографии и строится график интенсивности распределения лазерного излучения в поперечном сечении пучка.