Разработка высокоточных измерительных преобразователей мощности лазерного излучения на основе теплового трап-детектора и калиброванного оптического ослабителя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Янкевич, Евгений Борисович

• Янкевич, Евгений Борисович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Янкевич, Евгений Борисович

Содержание

Введение

Цель и основные задачи диссертации

Научная новизна работы

Практическая ценность и использование результатов работы

Вклад автора

Апробация работы, публикации

Положения, выносимые на защиту

Глава 1 Аналитический обзор методов и средств ослабления потока излучения

1.1 Общие сведения

1.2 Дифракционная эффективность «глубоких» дифракционных решеток

с различными профилями штриха

1.3 Метрологические характеристики делителей на основе глубоких дифракционных решеток

1.4 Прецизионный ослабитель интенсивности лазерного излучения на основе «мелкой» дифракционной решетки

1.5 Выводы к главе 1 и постановка основной задачи

Глава 2 Теоретическое исследование путей создания калиброванного прецизионного френелевского ослабителя мощности непрерывного

лазерного излучения

2.1 Постановка задачи

2.2 Основные требования

2.3 Отражение лазерного пучка от плоской поверхности

2.4 Расчет погрешностей коэффициента ослабления мощности лазерного излучения френелевским делителем пучка

2.5 Френелевский ослабитель на основе призмы Дове

2.5.1 Математическая модель

2.6. Неопределенность измерения коэффициента ослабления Коа

2.7 Конструкция ослабителя

2.8. Экспериментальное определение значения неопределенности френелевского ослабителя на основе призм Дове

2.9. Выводы к главе 2

Глава 3 Теоретическое исследование возможности и пути создания прецизионного измерительного преобразователя мощности непрерывного лазерного излучения на основе теплового трап-детектора

3.1 Постановка задачи

3.2 Теоретическое исследование измерительной задачи

3.2.1. Математическая модель трехслойного теплового приемника

3.2.2. Математическая модель двухслойного теплового приемника

3.3. Результаты расчетов и выводы

3.4. Трап-детектор на основе плоских тепловых приемников

3.5. Комбинированный трап-детектор

3.6 .Выводы к главе 3

Глава 4 Теоретические и экспериментальные исследования

измерительных преобразователей

4.1. Теоретические и экспериментальные исследования измерительного преобразователя на основе теплового трап- детектора

4.1.1 Неопределенность воспроизведения и передачи размера единицы средней мощности лазерного излучения на ГПЭ СМ

4.1.2 Неопределенность измерения выходных электрических сигналов теплового трап-детектора и электрической мощности замещения

4.1.3 Суммарная стандартная неопределенность теплового трап-детектора

4.1.4 Оценка расширенной неопределенности эталона сравнения на основе

теплового трап-детектора

4.2 Теоретические и экспериментальные исследования и оценка расширенной неопределенности измерительного преобразователя на

основе комбинированного трап-детектора

4.3. Результаты передачи единицы средней мощности от Государственного первичного эталона средней мощности лазерного излучения (ГПЭ СМ ФГУП "ВНИИОФИ") рабочему эталоном нулевого

разряда средней мощности и энергии ("Ростест")

4.4 Выводы к главе 4

Заключение

Литература

Приложение 1. Акты внедрения

Приложение 2. Сертификаты калибровки

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка высокоточных измерительных преобразователей мощности лазерного излучения на основе теплового трап-детектора и калиброванного оптического ослабителя»

Введение

Актуальность работы

В последние несколько десятилетий наблюдается устойчивая тенденция роста использования лазеров, лазерных устройств и установок практически во всех отраслях народного хозяйства, при выполнении научных исследований, в медицине и пр. Ежегодно публикуемые сведения о продаже лазеров и лазерных устройств свидетельствуют о том, что интерес к этим источникам когерентного излучения во всех развитых странах возрастает, поскольку наряду с расширением областей применения лазеров совершенствуется технология их изготовления и неуклонно повышается качество элементов и изделий в целом.

К числу физических величин и параметров, по которым сертифицируются лазеры, относятся в первую очередь мощность и энергия лазерного излучения, измеряемые ватт- и джоульметрами, а также совокупность параметров, характеризующая качество пучка. По мере совершенствования лазерной техники, расширения динамического, спектрального и временного диапазонов, в пределах которых приходится измерять мощность и энергию излучения, увеличились номенклатура и количество выпускаемых десятками фирм лазерных ватт- и джоульметров.

В промышленности ватт- и джоульметры обязательно входят в состав оборудования, предназначенного для сварки, резки (раскроя) материала, поверхностного упрочнения, лазерной маркировки и неразрушающего контроля материалов и готовых изделий. Несоответствие параметров режимов сварки и резки материалов указанным в технологическом процессе приводит к появлению брака. Контроль за соблюдением режима обработки особенно важен в авиационной, судостроительной, автомобильной и электронной промышленностях.

В медицине ватт- и джоульметры используются в составе терапевтического, хирургического, офтальмологического и дерматологического оборудования в качестве дозаторов мощности и плотности мощности лазерного излучения. Передозировка, в силу неполной

ясности о воздействии лазерного излучения на живой организм, может привести к побочным заболеваниям, в том числе онкологическим. Без контроля мощности или энергии, а также качества пучка лазерного излучения нельзя гарантировать положительный результат при проведении операций в офтальмологии.

Полупроводниковые импульсно-модулированные лазеры, являются основой в волоконно-оптических линиях связи. Качество связи, ее помехозащищенность и техническое состояние линий связи напрямую связаны с уровнем мощности, который должен постоянно контролироваться в процессе эксплуатации.

Достоверность получаемой в ходе научных исследований информации непосредственно зависит от состояния измерений параметров и характеристик непрерывного и импульсного лазерного излучения в области термоядерного синтеза (токамаки), лазерной спектроскопии и лазерной интерферометрии, голографии и оптической томографии, микроскопии, при космическом зондировании объектов на орбитах.

В 70-х ^ 80-х годах погрешность серийных ватт- и джоульметров составляла (10-Н5)% и удовлетворяла требованиям повседневных измерений (ГОСТ 8.275-78).

Совершенствование лазерной техники, развитие и применение лазерных систем практически во всех сферах человеческой деятельности стимулировали разработку современных ватт- и джоульметров, обеспечивавших повышение точности измерений рассматриваемых энергетических величин. Расширяются диапазоны их измерений, охватывая УФ и ИК спектральные диапазоны, увеличиваются входные апертуры приборов и, главное, существенно возросли требования к точности средств измерений (СИ). Назрела необходимость для многих современных применений, чтобы создаваемые с использованием современной элементной базы лазерные ваттметры и джоульметры как в нашей стране, так и за рубежом имеют погрешность ~3.,0%. Современные требования к точности измерений энергетических параметров лазерного излучения имеют

устойчивую тенденцию к снижению значения погрешности до -1,0%. Создание столь высокоточных измерительных преобразователей является серьезной научной проблемой для мировой и отечественной лазерной метрологии и является актуальной задачей.

Цель и основные задачи диссертации

Необходимость решения этой проблемы определила цель настоящей работы:

создание прецизионных измерительных преобразователей на основе теплового трап-детектора и калиброванных оптических мер для высокоточных измерений (< 1,0%) в динамическом (10"3-1,0) Вт и спектральном (0,4-Н2,0)мкм. диапазонах в местах эксплуатации лазеров и лазерных систем.

Цель работы поставила основные научно-технические задачи, решение которых позволило бы обеспечить возможность ее реализации. К этим задачам прежде всего относятся:

- выполнение анализа различных принципов ослабления оптического излучения и существующих схем ослабителей, выбора пути построения калиброванного ослабителя и определение предельно достижимой точности значения коэффициента ослабления лазерного излучения;

- разработка и создание калиброванного ослабителя лазерного излучения на основе использования призм Дове, исследование и определение его технических и метрологических характеристик;

- разработка и создание измерительного преобразователя на основе теплового трап-детектора, исследование и определение его технических и метрологических характеристик;

разработка и создание комбинированного измерительного преобразователя на основе теплового и фотоэлектрического трап-детекторов, исследование и определение его технических и метрологических характеристик.

Научная новизна работы

1. Разработана математическая модель плоского трехслойного теплового приемника, представляющего из себя тонкую плоскую слоистую структуру с помощью которого было установлено, что для элементарного теплового приемника потери, определяемые влиянием внешней среды (радиационные, конвективные), не оказывают существенного влияния на его точностные характеристики (их вклад в суммарную неопределенность не превышает 0,01%).

2. Создан новый тип теплового приемника, построенный по схеме трап-детектора, в основу которого положен плоский трехслойный тепловой приемник (патент на изобретение №2434207 от 20 ноября 2011 г.);

3. Рассмотрена модель отражения лазерного пучка от плоской поверхности, в которой падающий и отраженный пучки лазерного излучения рассматриваются в виде пакета плоских волн, а коэффициент отражения ослабителя, состоящего из двух плоскостей, определяется выбором геометрического положения второй отражающей плоскости;

4. Предложен способ юстировки ослабителя с использованием призм Дове в качестве отражающих элементов френелевского ослабителя совместно с ПЗС матрицей, позволяющий производить предварительную юстировку ослабителя и выставлять поляризацию падающего излучения;

5. Создан новый тип калиброванного ослабителя лазерного излучения на основе использования призм Дове (заявка №2011128809 от 13.07.2011 г. о выдаче патента Российской Федерации на изобретение «Френелевский ослабитель лазерного излучения»).

Практическая ценность и использование результатов работы

Предложенные в работе схемы построения высокоточных измерительных преобразователей на основе использования теплового трап-детектора и калиброванного оптического ослабителя могут быть применены в широком спектре приложений, предъявляющих высокие требования к точности измерений мощности лазерного излучения в широком динамическом и спектральном диапазонах.

Измерительные преобразователи на основе использования теплового трап-детектора и калиброванного оптического ослабителя были применены при проведении передачи единицы мощности от ГПЭ СМ к вторичным и разрядным рабочим эталонам.

Вклад автора

Изложенные в работе результаты получены автором в соавторстве при его непосредственном участии.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на двух международных конференциях:

- Proc. SP1E 7912, 79121W(2011); dol: 10.1117/12.872196 Conference Date: Sunday 23 January 2011. Conference Location: San Francisco, California, USA

- Proceedings SP IE Vol. 7419 infrared Systems and Photoelectronlc Technology IV Date: 27 August 2009.

Публикации

Всего опубликовано 9 работ, в том числе получен один патент и подана одна заявка на предполагаемое изобретение, все по теме диссертации.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложения.

Общий объем составляет 168 страниц печатного текста, в том числе 42 рисунок и 35 таблиц, а также 5 страниц списка литературы и 8 страниц приложения.

Положения, выносимые на защиту 1. Способ юстировки ослабителя с использованием призм Дове в качестве отражающих элементов френелевского ослабителя совместно с ПЗС матрицей, позволяет производить юстировку ослабителя и выставлять поляризацию падающего излучения при этом коэффициент поляризации уменьшается с 5,0% до -0,7%.

2. Калиброванный расчетный ослабитель лазерного излучения на основе использования призм Дове обеспечивает коэффициент ослабления мощности лазерного излучения -10° в спектральном диапазоне (0,4-*-1,1) мкм с погрешностью <0,5%.

3. Для элементарного теплового приемника потери, определяемые внешней средой (радиационные, конвективные), не оказывают существенного влияния на его точностные характеристики (их вклад в суммарную неопределенность не превышает 0,01%).

4. Измерительный преобразователь на основе теплового и комбинированного трап-детекторов обеспечивает измерение мощности лазерного излучения в динамическом (0,01- 10,0) Вт и (10"4-Н,0) Вт и спектральном (0,4-И 1,0)мкм и (0,4-И,1)мкм диапазонах соответственно с погрешностью <0,3% .

и

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Янкевич, Евгений Борисович

4.4 Выводы к главе 4

1. Новый тип теплового приемника, построенного из трех элементарных тепловых приемников по схеме трап-детектора, позволяет проводить сличение эталонных измерительных преобразователей как на основе фотоэлектрического трап-детектора, так и измерительных преобразователей калориметрического типа с суммарной неопределенностью, не превышающей 0,30%.

2.Суммарная неопределенность сличений иРостЕСт/гпэ находится в диапазоне значений (0,3 0,4)%, при этом относительная разность между измерениями не превышает 0,3%.

Заключение

В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты:

1. Приведена классификация законов и технических средств ослабления потока излучения, используемых при разработке оптических трансформаторов интенсивности и подробно рассмотрена возможность использования ослабителей на мелких и глубоких дифракционных решетках. Указаны достоинства и недостатки оптических измерительных преобразователей на дифракционных решетках.

2. Предложен способ юстировки ослабителя с использованием призм Дове в качестве отражающих элементов френелевского ослабителя совместно с ПЗС матрицей, позволяющий производить предварительную юстировку ослабителя и приближенно выставлять поляризацию падающего излучения при этом коэффициент поляризации уменьшается с 5,0% до -0,76%.

3. Создан калиброванный ослабитель лазерного излучения на основе использования призм Дове, обеспечивающий коэффициент ослабления мощности лазерного излучения ~10"3 в спектральном диапазоне (0,4+1,1) мкм с погрешностью <0,5%.

4. Разработана математическая модель элементарного трехслойного теплового приемника, представляющего из себя тонкую плоскую слоистую структуру, с помощью которой было доказано, что потери, определяемые влиянием внешней среды (радиационные, конвективные), не оказывают существенного влияния на его точностные характеристики (их вклад в суммарную неопределенность не превышает 0,01%).

5. Создан тепловой трап-детектор, обеспечивающий измерение мощности лазерного излучения в динамическом (0,01+ 10,0) Вт и спектральном (0,4+11,0) мкм диапазонах с погрешностью ~ 0,28%.

6. Суммарная неопределенность теплового приемника, представляющего из себя слоистую (трехслойную) структуру, определяется его зонной характеристикой и не превышает 0,15%.

7. Создан комбинированный измерительный преобразователь на основе теплового и фотоэлектрического трап-детекторов, обеспечивающий измерение мощности лазерного излучения в динамическом (10"4^ 1,0)Вт и спектральном (0,4+1,1)мкм диапазонах с погрешностью <0,2%.

8. Экспериментально показано, что тепловой и комбинированный трап-детекторы, а также калиброванный оптический ослабитель могут использоваться при проведении сличений измерительных преобразователей калориметрического типа с суммарной неопределенностью (0,3-Ю,4)% и относительной разностью между измерениями, не превышающей -0,4%.

Таким образом, в настоящей работе решена актуальная научно-техническая задача по созданию высокоточных измерительных преобразователей средней мощности лазерного излучения, имеющая существенное значение, как для измерений и контроля выходной мощности источников лазерного излучения используемых в современных высоких технологиях, так и для обеспечения единства измерений мощности лазерного излучения в соответствии с общероссийской поверочной схемой ГОСТ 8.275-2007.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Янкевич, Евгений Борисович, 2012 год

Литература

1. В.С.Иванов, А.Ф.Котюк. Фотометрия и радиометрия оптического излучения. Книга 1. Введение в фотометрию и радиометрию оптического излучения. - М.: Полиграф сервис, 2002. - 192 с.

2. Смолько Г.П., Феерман Г.П. Сравнительный анализ фотометрических

систем ослабления света //Оптико-механическая промышленность. -1978. -

№1, С. 53-59.

3. Воронков Г.Л. Ослабители оптического излучения.- Л.: Машиностроение,

Ленинградское отделение, 1980. - 158 с.

4. Москалюк С.А., Янкевич Е.Б. Прецизионные ослабители интенсивности лазерного излучения // Метрология.- 2010.- N7.-С. 3-19.

5. Москалюк С.А., Янкевич Е.Б. Использование оптических прецизионных френелевских делителей совместно с первичными эталонными измерительными преобразователями интенсивности лазерного излучения// Метрология.-2012.-№2.-С 16-31.

6. Смоктий О.И., Фабриков В.А. Методы теории систем и преобразований в оптике. - Л.: Наука, 1989.- 310 с.

7. Dlugaszek A., Januckl J., Owslk J., Kotyuk A. F., Llberman A.A. A mathematical model of diffraction from cylindrical gratings// J.Tech. Phys.-1997.- vol. 38.- No 4.-P. 765-773.

8. Dlugaszek A., Januckl J., Owslk J., Kotyuk A. F., Llberman A.A. Diffraction from a triangular-profile grating // J.Tech. Phys. - 1997.- vol. 38.- No 4.- P. 775782.

9. М.Ю. Червенко Оптимизация отражательной дифракционной решетки прямоугольного профиля. Тр. НИИР.-1988- №3- с.40-43.

10. Chang K.S., Shah V., Tamlr Т. Scattering and guiding of waves by dielectric grating with arbitrary profiles // J. Opt. Soc. Amer. - 1980.-Vol.70,- N 7.-P. 804-813.

11. Wlrgln A. Scattering from sinusoidal gratings: an evaluation of the Klrchhoff approximation // J. Opt. Soc. Amer. - 1983.-Vol.73.- N 8,- P. 1028-1041

12. Вайнштейн А.А., Суков А.И. Дифракция на периодической (волнистой) поверхности. // Препринт. -М.: ИРЭ, 1984. - №8 (380).

13. Kalhor Н.А., Neureuther A.R. Comparison of Approximate-Analysis Techniques for Diffraction // J. Opt. Soc. Am. - 1972. - V. 62. - N. 12. - P. 14441448.

14. Либерман А.А Прецизионные делители лазерного излучения в высокоточной энергетической лазерометрии // Метрология.- 2002г.-№5, С. 1443.

15 . Janklevlcz Z., . Owslk Р.А., Kotyuk A.F., Llberman A.A., Ulanovsky M.V. Blad wspolczynnlka dzlelenla dyfrakcyjnego przetwornlka pomlarowego// Metrología 1 systemy pomlarowe. -1995.-Tom 11.- zeszyt 3.- P. 227-234.

16. Janklewlcz Z., Owslk J., Kotyuk A. F., Llberman A. A., Ulanowsky M. V., Application of diffraction gratings as splitters of laser radiation // J.Tech. Phys. - 1995.-vol.36,- No 3.- P. 351-357,.

17. Janklewlcz Z. Owslk J. Kotyuk A.F., Llberman A.A. ,Ulanowsky M. V. Zastosowanle slatek dyfrakcyjnych jako dzlelnlków promlenlowanla laserowego // 11 Konferencja Naukowa Czujnlkl Optoelektronlczne 1 Elektronlczne // Materlaly konferencyjne.- 1994.- Tom 11.- Zegrze, 22-25 maj.- P.272-273.

18. Кауфман С.А.., Либерман A.A., Янкевич E.M. Делитель оптического излучения на дифракционной решетке для рабочего эталона средней мощности лазерного излучения.//Измерительная техника.- 1993.- №2, С. 38-39.

19. Кауфман С.А.., Котюк А.Ф., Либерман А.А. Вторичный эталон единиц средней мощности и энергии лазерного излучения// Измерительная техника.-1993.-№1.-С. 23-25.

20. Дьячков А.Л, Кауфман С.А, Колбановская Н.А., Либерман А.А, Фабриков

B.А. Вопросы метрологического обеспечения измерения параметров технологических лазеров.// Сборник научных трудов ВНИИФТРИ.- М.: 1984.-

C. 53-60.

21. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. -М: 1973,Наука.- 855с.

22. Petit R. Electromagnetic grating theories: limitations and successes //Nouv. Rev. Opt.- 1975,-V.6.-N3.-P. 129-135.

23. Petit R. Electromagnetic Theory of Grating. Topics an current Physics. Sprlng-Verlag. Berlin, 1980.

24. Кабанов Г.Л., Кауфман C.A., Лнберман A.A. Рабочий эталон единицы энергии импульсного лазерного излучения // Измерительная техника. -1998.-№8.- С.29-30.

25. А. А. Ковалев, С. А. Москалюк, Е. Б. Янкевич. Теоретическое исследование метрологических характеристик калиброванного френелевского ослабителя мощности пучка лазерного излучения// Измерительная техника.- 2009.- № 9.- С.9-12.

26. А.А.Ковалев, А.С.Микрюков, С.А.Москалюк, Е.Б.Янкевич. Калиброванный френелевский ступенчатый ослабитель мощности лазерного излучения - Измерительная техника,- 2012.-№2. С. 17-21.

27 Owslk Jan, Kovalev Anatoly A., Moskalyuk Sergey A., Yankevlch Eugene В., Remblellnska Anna. Precision Fresnel attenuator of the beam power of laser radiation

Proc. SP1E7912, 79121 W(2011); dol: 10.1117/12.872196

Conference Date: Sunday 23 January 2011

Conference Location: San Francisco, California, USA

28. А.А.Ковалев, А.А,Либерман, А.С.Микрюков, С.А.Москалюк, Е.Б.Янкевич. Заявка № 2011128809 от 13.07.2011 г. о выдаче патента Российской Федерации на изобретение «Френелевский ослабитель лазерного излучения»

29. Ландау Л.В., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. - М.: Физматлит, 2003. — 656 с.

30. Кизель В.А. Отражение света. - М.: Наука, 1973.- 352 с.

31. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн.-М.:Наука, 1990.-3 84с.

32. Родионов С.А. Основы оптики. - СПб.: СПб ГИТМО (ТУ), 2000.-167 с.

33. Лурье А.И. Аналитическая механика-М: Физматлит ,1961. - 824 с.

34. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и лазерные пучки - М: Наука, 1990. - 255 с.

35. Eppeldauer G.P., Lynch D.C. Opto-Mechanlcal and Electronic Design of a Tunnel-Trap SI Radiometer//J.Res.Natl.lnst.Stand.Technol. -2000,- Vol. 105.-P. 813-828.

36. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. М.: Физматлит, 1980.- 762 с.

37. А. А. Ковалев, С. А. Москалюк, Е. Б. Янкевич. Математическая модель высокоточного теплового приемника для эталона сравнения единицы средней мощности лазерного излучения// Измерительная техника. - 2009. - N 10. - С. 712

38. Alexander Kovalev, Sergey Moskaluk, Eugene Yankevlch. Possibility of constructing a standard comparison for laser radiation based on a combined trap detector. Proceedings SP1E Vol. 7419 infrared Systems and Photoelectronlс Technology IV Date: 27 August 2009

39. А.А.Ковалев, А.А,Либерман, С.А.Москалюк, Е.Б.Янкевич. Патент на изобретение «Тепловой трап-детектор» N2434207 от 20.11.2011г.

40. R.Frledrlch, J.Fisher, М.Stock. Accurate calibration of filter radiometers against a cryogenic radiometer using a trap detector.// Metrología.- 1995/1996.- V 32.- P. 509-513

41. S.P.Morozova, V.A.Konovodchenko, V.l.Saprltsky, B.E.LI slansky, P.A.Morozov, U.A.Melenevsky, A.G.Petlc. An absolute cryogenic radiometer for laser calibration and characterization of photodetectors.// Metrologla.-1995/1996,-V 32.-P. 557-560.

42. Кошляков H.C., Глинер Э.Б., Смирнов M.M. Уравнения в частных производных математической физики.- М.: Высшая школа, 1970.-712с.

43. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: «Энергия», 1977.-344C.

44. Каст В. и др. Конвективный тепло - и массоперенос. - М.: «Энергия», 1980.-49с.

45. А.А. Ковалев, А.А. Либерман, С.А. Москалюк Математическое моделирование нестабильности излучения и возможный способ ее учета при воспроизведении единицы мощности лазерного излучения и передаче ее размера//Измерительная техника.-2004.- № 7.-С. 17-19.

46. Таблицы физических величин. (Справочник под редакцией академика И.К.Кикоина) -М.: «Атомиздат», 1976.- 1006 с.

47. Motorized Goniometrs 8 MG99 Standa Техническое описание

48. ЕА-2/03, ЕА lnterlaboratory Comparison, Appendix Н (1996).