Способ измерения мощности и распределения интенсивности лазерного излучения Советский патент 1986 года по МПК G01J1/58 

I Изобретение относится к способам измерения параметров лазерного излучения.

Известны способы измерения мощности и распределения интенсивности лазерного излучения, в основе которых лежит преобразование лазерного излучения во вторичное свечение. Эти способы предполагают либо преобразование всей мощности лазерного излучения, что препятствует использованию данного пучка в процессе измерения его характеристик, либо расщепление лазерного пучка на несколько, причем измеряют характеристики одного из этих пучков. Применение расщепителей в ряде случаев представляет большие трудности, например., вследствие разрушения или изменения их характеристик в мощном лазерном излучении. Кро- 20

ме того, указанные приемники имеют низкую разрешающую способность, что препятствует использованию их для измерения характеристик быстропеременных потоков лазерного излучения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения мощности и распределения интенсивности лазерного излучения, основанный на определении вторичного свечения частиц аэрозоля при воздействии лазерного, излучения„

Недостатком этого способа являет-ся невозможность измерять потрк и лаiepHoro излучения с интенсивностью более 10 Вт/см.

Цель изобретения - измерение потоков лазерного излучения с интенсивностью более 10 Вт/см2.

Цель достигается те.м, что лазерны луч пересекают однородным по концентрации потоком аэрозольных частиц из тугоплавкого материала, производят измерение распределения концентрации и общего количества этих частиц и затем расчитьшют мощность и распределение интенсивности излучения по их общему количеству и распределению. С увеличением интенсивности излучения, облучающего аэрозольные частицы появляется наблюдаемое видимое свечение наиболее крупных частиц. Дальнейшему росту интенсивности излучения соответствует увеличение концентрации светящихся аэрозольных частиц.

Временное разрешение измерений предлагаемым способом определяется

ры. Для аэрозольных частиц время релаксации энергии очень мало, с для частиц с радиусом .

На фиг. 1 приведена функция распределения частиц аэрозоля по размерам (фиг. 1а), зависимость от размера частиц о. пороговой интенсивности лазерного излучения Т , при которой возникает свечение частиц с радиусом большим а (фиг. 16), зависимость концентрации светящихся частиц - от интенсивности лазерного излучения (фиг.- 1в).

Некоторую область лазерного пучка

пересекают потоком аэрозоля, частицы

которого состоят из тугоплавкого маКонцентрацию и функцию распределения аэрозольных частиц по размеру поддерживают одинаковыми в области лазерного пучка в течение всего времени измерений.

Как правило, эксперименты проводятся в присутствии постороннего . аэрозоля, например, концентрация естественного аэрозоля в лабораторном воздухе составляет л. 10 . Концентрацию аэрозоля в слое, пересекающем лазерньш луч выбирают в диапазоне , При более высоких концентрациях измерительного аэрозоля увеличивается возмущение измеряемого лазерного излучения (тепловая дефокусировка и аэрозольное рассеяние). Увеличение точности измерений и облегчение процесса нахождения мощности и интенсивности лазерного излучения по общему количеству и распределению концентрации частиц может быть достигнуто при применении аэрозоля со специальной функцией распределения по размеру, для которого линейному росту интенсивности излучения соответствует линейный рост концентрации светящихся частиц. Концентрация светящихся частиц ь определяется соотношением:

{(

Ьд- счетная концентрация аэрозогделя, ; f(ai- функция распределения аэро о зольных частиц по размеру,

Si (a)cia 1 701221 временем 1 релаксации температуры частиц и лазерном излучении и постоянной времени регистрирующей аппаратутериала, например, из окиси алюминия.

пути лазерного пучка. Картину рас-, пределения интенсивности лазерного излучения в дальней зоне характеризуют расходимостью лазерного излучения Q . Величина б определяется соотношением 9 f d , где С - фокусное расстояние линзы, d - размер лазерного пятна в фокальной плоскости линзы. Величина d определяется из картины распределения интенсивности лазерного излучения.

Для облегчения определения мощности и .распределения интенсивности лазерного излучения можно использовать мощность и распределение интенсивности излучения аэрозольных частиц. При этом мощность и распределение интенсивности в лазерном пучке находят из калибровочных данных.

Увеличение динамического диапазона достигают при использовании пониженных, давлений газов, окружакяцих частицы. Изменению теплопровс)дности газа, окружакяцего частицы, соответствует изменение зависимости порога свечения частицы от ее размера (см. формулу 2).

В ряде случаев, например, при пониженных давлениях возникают трудное ти в транспортировке частиц. Транспортировка частиц может быть облегчена применением электрического поля вынуждающего перемещаться заряженные аэрозольные частицы в заданном направлении.

П РИМ е р. Испытания данного способа применены для измерения мощности и распределения интенсивности излучения в фокусированном пучке лазера ГОС-301, (длительность импульса 8-10 с, длины волны излучения 1,06 мкм, мощность И 4-10 Вт) непрерывного СО -лазера ( 10,6 мк W 20 Вт), импульсного СО -лазера ( N 10,6 мкм, Ы,, 1,„п

1,5-10с и импульсного Симического лазера (А 2,7-3 мкм, W 10 Вт, 5.).

Аэрозольный поток создают полевьш генератором. Скорость потока устанавливают в диапазоне 1-100 м/с.

Пороги возникновения свечения частиц аэрозоля в излучении непрерывного COj-лазера составляют: 1) для корундовых частиц ргщиусом 1,52,5 мкм - 5-10 Вт/см, 2) для частиц окиси магния радиусом 0,5-1,0 мкм ЗЮ Вт/см, 3) для частиц алюминия размером 10 мкм - 10 Вт/см. Пороги возникновения свечения частиц в излучении импульсного СОJ-лазера составляют: 8-10 Вт/см для частиц корунда радиусом 2 мкм, и 3,5-10 Вт/см для алюминиевых частиц-пластинок размером 10 мкм. В случае импульсного химического лазера возникновение свечения корундовых частиц наблюдалось при интенсивностях 1,8-10 Вт/см, 2,6.10 Вт/сй, 5,810 Вт/см соответственно для частиц размером 2 мКм, 7 мкм, 0,14 мкм. Свечение алюминиевых частиц - пластинок возникает при интенсивности излучения А/2-10 Вт/см

На фиг. 2 приведено распределение . интенсивности по сечению фокусированного луча-таз ера ГОС-Зр1,

Сравнительные испытания показали, что данный способ обеспечивает возможность проведения измерения.мощности и распределения, интенсивности лазерного излучения при интенсивностях, больших 10 Вт/см, при которых измерения другими способами затруднительны.

Временное разрешение способа эаби ,сит от времени нагрева и времени релаксации температуры частицы.

Экспериментально определено, что временное разрешение по крайней мере не хуже, чем 2,5-10 с. )- минимальн гй размер аэрозол ных частиц, светящихся в поле лазерного излучения с интенсивностью 1 Вт/см. .Выбор функции распределения аэрозоля по размеру частиц следует провес ти так, чтобы удовлетворялосьсоотношение: (i) const 1 Если длина волны лазерного излуч ния значительно превосходит максимальный размер частиц аэрозоля (что обеспечивает однородность интенсивности излучения внутри частиц) и ес ли размер минимальных частиц аэрозо ля значительно превосходит длину свободного пробега молекул газа 5 , то зависимость минимальной интенсивности от размера частиц 1 (о), при которой появляется свече ние частиц размером а , выглядит .Следующим образом: Г (а) С,-о ( Т, -Т. I - коэффициент теплопроводност газа, Вт/см сек град, ci - коэффициент поглощения мате рила частиц аэрозоля, см Т.- температура, при которой наблюдается свечение частиц . град. TO - температура окружающего газа, град, Такая зависимость приведена на фиг, Из выражения (1) и (2) можно найти вид f(d) для случая, когда линейному росту интенсивности соответствует линейный рост концентрации све тящихся частиц Применение смеси монодисперсных аэрозолей позволяет проводить быструю визуальную оценку мощности и рас пределения интенсивности лазерного излучения, В этом случае, при увеличений интенсивности до определенного значения I , свечение частиц отсутствует. Небольшое увеличение интенсивности приводит к высвечиванию всех частиц одного из монодисперс.ных аэрозолей. Дальнейшее увеличение интенсивности вплоть до I не сопровождается увеличением концентрации (1 )221 светящихся частиц. При 1 высвечиваются частицы другой моиодисперсной фракции и т,д. Динамический диапазон можно существенно увеличить применением аэрозоля, частицы которого состоят из различных материалов. Для увеличения точности измерений лазерных характеристик следует применить высокоскоростной поток аэрозоля, С увеличением скорости аэрозольного потока уменьшается время, в течение которого частицы находятся в лазерном луче и, следовательно, уменьшается зависимость среднего размера аэрозольных частиц от характеристик лазерного излучения. Кроме того, высокоскоростной поток аэрозоля используют для уменьшения влияния аэрозоля на лазерное излучение. Во время пересечения частицами аэрозоля лазерного луча происходит разогрев газа - носителя аэрозольных частиц. Разогреву газа сопутствует искажение.лазерного пучка (например, тепловая дефокусировка и т,п,). Для уменьшения влияния указанных эффектов следует применять аэрозольный поток с высокой скоростью, частицы которого быстро пересекают лазерный пучок, так чтобы газ в области пучка . существенно не разогревался. Точность измерений лазерные характеристик предлагаемым способом определяется точностью измерения концентрации светящихся частиц, которые могут быть измерены с большой точностью, если поток аэрозоля сформирован в виде плоского слоя. Создание широкого однородного высокоскоростного аэрозольного слоя является достаточно сложной технической задачей. Возможно значительное снижение затрат, если лазерньш луч пересечь узкими аэрозольными струями, При этом расстояние между струями следует выбирать исходя из требуемой точности определения размеров неоднородностей лазерного пучка. Для повьш1ения динамического диапа3она используют в качестве носителя аэрозольных частиц газы с различной еплопроводностью. При этом пороги свечения частиц смещаются в соответствии с формулой (2), Для измерения интенсивности лазерного пучка в дальней зоне измерят распределение концентрации св тяихся аэрозольных частиц в фокальной области линзы, расположенной на

м

Imox

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ.МОЩНОСТИ ИРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, основанный на определении вторичного свечения частицаэрозоля при воздействии лазерного излучения, отличающийся тем, что, с целью измерения потоков лазерного излучения с интенсивностью более 10* Вт/см*, лазерный луч пересекают однородным по концентрации потоком аэрозольных частиц из тугоплавкого материала, производят измерение распределения концентрации и общего количества этих частиц и затем рассчитьгоают мощность и распределение интенсивности излучения по их общему количеству и распределению.л.отм.ед. -••—I—••15W0.5 Оf(a)i(ЛINDto15 10 (]>&5lo,omu.ed.фиг.12 a,ffff/i

,0 Hffft)