Введение к работе
1. 1.1 Актуальность темы
В последние несколько десятилетий наблюдается устойчивая тенденция 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 не спадает, 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 перспективных областях: 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^-15)% 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. Расширяются диапазоны их измерений, охватывая УФ и ИК спектральные диапазоны, увеличиваются входные апертуры приборов и, главное, существенно возросли требования к точности средств измерений (СИ). Во многих областях науки и техники для современных применений, создаваемые на основе современной элементной базы лазерные ваттметры и джоульметры как у нас в 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% в динамическом (10" -^1,0) Вт и спектральном (0,4^-12,0)мкм диапазонах. Создание высокоточных измерительных преобразователей является научной проблемой для мировой и отечественной лазерной метрологии и является актуальной задачей.
1.2 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" -^1,0) Вт и спектральном (0,4-^12,0)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.
1.3 Научная новизна работы
-
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%).
-
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 2011г.).
3. Разработана математическая 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.
-
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.
-
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»).
1.4 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.
1.5 Вклад автора Изложенные в работе результаты получены автором в соавторстве при его непосредственном участии.
1.6 Апробация работы Результаты работы докладывались на двух международных конференциях:
- Proc. SPIE 7912, 79121W(2011); doi: 10.1117/12.872196 Conference Date:
Sunday 23 January 2011. Conference Location: San Francisco, California, USA
- Proceedings SPIE Vol. 7419 Infrared Systems and Photoelectronic
Technology IV Date: 27 August 2009.
1.7 Публикации Всего опубликовано 9 работ, в том числе один патент и одна заявка на выдачу патента, все по теме диссертации.
1.8 Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложения.
Похожие диссертации на Разработка высокоточных измерительных преобразователей мощности лазерного излучения на основе теплового трап-детектора и калиброванного оптического ослабителя
