Przedmiotem wynalazku*jest sposób pomiaru energii i mocy promieniowania laserowego oraz cechowania mierników energii i mocy tego promieniowania, pozwalajacy okreslic bezwzgledna wartosc energii i mocy wiazki laserowej w zakresie dlugosci fal o£ 330 do 720 nm dla laserów pracujacych metoda ciagla jak i impulsowa o dowolnym ksztalcie impulsu i przekroju wiazki laserowej oraz wykonac bezwzgledna kalibracje dowolnych mierników energii i mocy promieniowania laserowego w tym zakresie.Sposób wedlug wynalazku znajduje zastosowanie do pomiarów energii i mocy stosowanych laserów w zakre¬ sie badan, produkcji samych laserów jak i mierników w celu ich kalibracji.Dotychczas wedlug posiadanych danych, moc i energie promieniowania laserowego mierzy sie wylacznie sposobami fotoelektrycznymi, bolometrycznymi i kalorymetrycznymi, stosujac odpowiednie mierniki. Sposoby bolo- i kalorymetryczne polegaja na tym, ze mierzona wiazka promieniowania naswietla sie umieszczony wew¬ natrz miernika element absorbujacy promieniowanie, który spelnia funkcje ciala doskonale, czarnego. Pomiar wartosci bezwzglednych odbywa sie przy pomocy termoelementu polaczonego z ukladem elektronicznym. Na¬ tomiast sposób fotoelektryczny dotyczy pomiarów wartosci wzglednych energii promieniowania i polega na pomiarze zmian napiecia, wywolanych dzialaniem promieniowania na element fotoczuly.Znanym jest zastosowanie soli Reinecka jako aktynometru chemicznego do pomiarów energii w konwencjo¬ nalnej fotochemii, co zostalo opublikowane przez E.E.Wagner, A,W.Adamson - I.Am.Chem.Soc.88, 394 (1966).Natomiast w odniesieniu do promieniowania laserowego jest znany jedyny sposób zastosowania aktynometru chemicznego, opublikowany w pracy J.N.Demas, R.C.Mc.Bride, E.W.Harr(s J.Phys.Chem.80, 2248 (1976). Opi- ?saji* metoda oparta jest na sensibilizowanym przez chlorek trój(2,2' -idwupirydynoj dwuwartosciowy ruten (II) fotoutlenianiu czterometyloetylenu. Sposób ten zostal sprawdzony jedynie dla lasera argonowego o dzialaniu ciaglym i wedlug sugestii autorów mozna go stosowac w zakresie dlugosci fali od 280 do 560 nm. Sposób ten polega na pomiarze ubytku gazowego tlenu w badanym ukladzie i moze bvc wykorzystany do pomiaru energii wiekszej oA 0,5 J. Wykonanie ta metoda pomiaru jest zlozone, jak tez skomplikowane sa obliczenia energii absorbowanej.Sposób pomiaru i kalibracji wedlug wynalazku polega na zastosowaniu jako aktynometru chemicznego soli Reinecka K[Cr(NH3)*. (NCS)4 j.2 108584 Istota sposobu jest najpierw przygotowanie wodnego roztworu soli Reinecka, który zakwasza sie 0,In H2S04 do pH od 3 do 5,5 i poddaje filtrowaniu przez filtry o srednicy pór mniejszych od lOjumm, przy czym sklad elementarny widmo absorbcji i wartosc molowego wspólczynnika absorbcji epsilon e odpowiadaja da¬ wnym literaturowym, np, przy dlugosci fali X =303/im, e = 1,52 MO4 litra na mol.cm. Takprzygotowany aktyno- metr poddaje sie dzialaniu promieniowania laserowego w zakresie dlugosci fal od 330 do 720 nm, co wywoluje reakcje wedlug ponizej podanegoschematu Ht/ K[Cr(NH3)2(NCS)4] + H2(^0c K[Cr(NH3 )2 (NCS)3 H2 0]+ + NCS" gdzie h - oznacza stala Plancka V- czestosc promieniowania padajacego na naswietlany aktynometr w temperaturze 23 C.Zachodzaca reakcja fotouwadniania, polegajaca na wymianie jonu rodankowego na czasteczke wody, przebiega z wydajnoscia kwantowa\p w granicach od 0,27 do 0,38 w zaleznosci od dlugosci fali X. Stezenie uwolnionych jo¬ nów rodankowych oznacza sie ilosciowo metoda spektrofotometryczna. W tym celu do naswietlanego roztworu wodnego soli Reinecka dodaje sie zwiazek kompleksujacy, skradajacy sie z azotanu zelazowego i kwasu nadchlo¬ rowego, stosujac jako odnosnik nienaswietlony roztwór wodny soli Reinecka o takim samym stezeniu jak dla roz¬ tworu ze zwiazkiem kompelksujacym- próba naswietlana. Pomiary absorpcji wykonuje sie przy dlugosci fali od¬ powiadajacej maksimum absorpcji powstalego kompleksu. Warunkiem dokladnego okreslenia ilosci jonów rodan¬ kowych uwolnionych w wyniku absorpcji promieniowania laserowego jest jednoczesne oznaczenie stezeniajonów, rodankowych, powstalych w wyniku reakcji termicznej w próbce nienaswietlonej - „ciemnej", która stanowi roztwór soli Reinecka ze zwiazkiem kompleksujacym o identycznym skladzie i stezeniujak próbki naswietlanej, przy czym jako odnosnik stosuje sie równiez identyczny roztwór wodny soli Reinecka, jak dla próby naswietlo¬ nej. Energie R wyrazona w dzulach wzglednie moc M wyrazona w watach emitowana przez laseroblicza sie korzy- stajac z wyrazenia w formie ilorazu, w którym licznik stanowi iloczyn wielkosci róznicy absorpcji próbki naswie- • [ tlanej An i próbki nienaswietlanej - ciemnej Ac, objetosci V naswietlanego roztworu w litrach, liczby Avogadro |Na, stosunku ilosci swiatla padajacego do ilosci swiatla absorbowanego I, wspólczynniki p zwiazanego z roz¬ cienczaniem aktynometru naswietlanego i nienaswietlanego zwiazkiem kompleksujacym oraz wspólczynnika r opisujacego jaka czesc promieniowania ulega odbiciu na przedniej sciance kuwety z próbka, który jest równy stosunkowi wzglednych wartosci ilosci promieniowania, które emituje laser do ilosci promieniowania wchodza¬ cego do.kuwety z próbka, a mianownik jest iloczynem molowego wspólczynnika absorpcji e w litrach na mol. cm, kompleksu zelazowego Fe+3 z jonami rodankowymi NSC", dlugosci 1 drogi optycznej stosowanej przy pomia - rze absorpcji w cm, wydajnosci kwantowej ^reakcji fotouwadniania soli Reinecka i wspólczynnika przeliczeniowe¬ go K energii wyrazonej w kwantach na energie wyrazona w dzulach, a dla obliczenia piocy lasera wystapi w miano¬ wniku dodatkowo wielkosc czasu naswietlania t wyrazona w sekundach, wyrazenie matematyczne tych zaleznosci ma postac: E(j) = P (An ~ Ac) * VNa 1 •r e• 1 • 0- K M(mW)=P'(An"^c)'V'NAI 'r € • 1 • * t Zastosowana sól Reinecka posiada szereg zalet typowych dla aktynometrów chemicznych, takich jak jed¬ nakowa czulosc na calej powierzchni i w calej objetosci naswietlanej, mozliwosc stosowania dla laserów o do¬ wolnym ksztalcie impulsu w czasie i przekroju wiazki, nie wymaga jakiejkolwiek kalibracji.Szczególne zalety soli Reinecka stanowi szeroki zakres absorpcji promieniowania (330-720 nm), prawie stala wartosc wydajnosci kwantowej reakcji, wywolanej absorbowanym promieniowaniem laserowym w calym zakresie spektralnym. Duza czulosc aktynometru umozliwiajaca pomiar energii i mocy dla laserów ciaglych w granicach 10"2-10 J, bardzo prosty mechanizm fotolizy i liniowa zaleznosc wydajnosci reakcji w funkcji inten¬ sywnosci promieniowania padajacego, maly wplyw temperatury na wydajnosc kwantowa reakcji, co lacznie z dokladnie opracowana technika pomiaru, gwarantuje maly blad systematyczny i przypadkowy stosowanej metody. Dodatkowe zalety stanowi prosta metoda otrzymywania tego aktynometru i stosunkowo szybka metoda analizy.Sposób pomiaru jest zilustrowany ponizej podanymi przykladami.Przyklad I. ' Pomiar energii promieniowania emitowanego przez laser rubinowy o dlugosci fali X - 694,3 nm i czasie blysku 1,5 —10"* sekundy prowadzono w nastepujacy sposób. Naswietlanie soli Reinecka o stezeniu 0,005 —0,05 mol/litr w wodzie lub 0,1 n H2 SO4 bezposrednio po rozpuszczeniu i przesaczeniu przez filtr Sartoriusa o srednicy108584 3 porów 4itnn prowadzono w kuwecie kwarcowej o dlugosci 1 - 10 cm w temperaturze 23°C. Wykonano 3 serie na¬ swietlan - dla 3 zakresów energii odpowiednio 0,3 - 0,4 J, 1 - 1,5 J, 2,5 - 3,5 J wykonujac odpowiednio 50, 100 e 30 pomiarów, Stezenie uwolnionych jonów rodankowych w wyniku naswietlania laserem, zmierzono metoda spektrofoto- metryczna róznicowa dla dlugosci fali A-453 nm, stosujac jako zwiazek kompleksujacy mieszanine azotanu zelazowego uwodornionego (Fe/N03V9H20) o stezeniu 0,02 mol/litr i kwas nadchlorowy HC104 o stezeniu 0,35 mol/litr. Naswietlona i dla porównania nienaswietlona sól Reinecka mieszano w stosunku 1:4 ze zwiazkiem kompleksujacym. Wzgledne wartosci energii emitowane przez laser mierzono za pomoca ukladu fotoelektry- cznego z dokladnoscia i precyzja ±1%.Ponizej podano przyklad pomiaru dla soli Reinecka o stezeniu 0,025 mol/litr, dlugosci kuwety - 5 cm, pojemnosci V = 0,015 1 w temperaturze 23°C i energii padajacej okolo U oraz okolo 4,6 J. Kuweta wypelniona sola Reinecka byla ustawiona prostopadle do kierunku promieniowania emitowanego przez laser. Obliczenia ener¬ gii emitowanej przez laser dokonano wedlug zaleznosci, w której poszczególne oznaczenia sa podane w opisie isto¬ ty, natomiast ich wartosci wynosza: A A = 0,24; 1 = 1 cm;K = 3,5 • 1018 kwantów (J;p=0,272;p=5;e=32001itr/mol.cm.Ej = p*A A • Na *V • I • r e-l-p-K Otrzymano wyniki: • Ei=4,6J E2 =0,96J W eksperymencie 1=5 tzn. 20% promieniowania wchodzacego dokuwetkizsola^ Reinecka jest absorbowanych, zas r=l,04 tzn. 4% promieniowania emitowanego przez laser rubinowy ulega odbiciu na przedniej scianie kuwetki kwarcowej (wspólczynnik zalamania kwarcu n = 1,4543). Obliczony maksymalny blad systematyczny, na który skladaja sie bledy oznaczen 7 wielkosci wynosi ± 4%, zas blad przypadkowy wyrazony za pomoca sredniego bledu kwadratowego pojedynczego pomiaru wynosi ±5%, a sredniego bledu kwadratowego wartosci srednicy z 10 pomiarów 1%.Przyklad II.Pomiar mocy M lasera helowo-neonowego (He-Ne) dla dlugosci fali X - 632,8 nm, emitujacego promienio¬ wanie w sposób ciagly. Wykonano okolo 100 pomiarów w zakresie mocy 0,1 - 30 mW. Do obliczenia wykorzys¬ tano zaleznosc jak dla energii z uwzglednieniem czasu naswietlania - t (w sekundach).M = p * AA • V-I • r-Na e • p • 1-K't Sól Reinecka przygotowano analogicznie jak w przykladzie 1, jednak V=0,001 litra /I=l, p=5, r=l,04; K=3,2-1018kwantów/J, AA=0,15; t= 10 sec. e=3200 litr/mol .cm., p=0,27 to M= 15,7 mW.Dla innego przykladu: t=l 5 sec, r= 1,04,1= 1, p=5, A=0,09, p=0,27 to M=3,4 mW.Przyklad III.Pomiar mocy lasera argonowego (Ar) dla dlugosci fali X=457,9 nm, emitujacego promieniowanie w sposób ciagly. Wykonano okolo 60 pomiarów w zakresie mocy 1-100 mW. Do obliczenia skorzystano ze wzoru poda¬ nego w przykladzie 2. Sól Reinecka przygotowano jak w przykladzie 1 i 2, przy czym V=0,001 litr/1= 1 — p=5, r=l,04;K=2,3-1018kwantów/J,e= 3200litr/mol.cm. t=10sec, A A=0,08;p=0,30 - wtedy M=ll,4mW. dla innego przypadku t=2 sec. r= 1,04,1=1, p=5,p=0,30 A A=0,07 - to M=49,5 mW.Przyklad IV.Sposób kalibracji miernika mocy dla lasera He-Ne i miernika energii dla lasera rubinowego za pomoca soli Re¬ inecka. Kalibracje wykonano w dwóch ukladach eksperymentalnych, podanych ponizej: a) jednoczesny pomiar energii lub mocy za pomoca miernika mocy i soli Reinecka w przypadku, gdy stosowany do kalibracji laser (jako zródlo promieniowania) emituje promieniowanie o zmieniajacej sie w czasie pomiaru wartosci mocy ±1%. W celu kalbiracji miernika w takim ukladzie, nalezy uzyc plytke swiatlodzielaca o dokladnie zmie¬ rzonym wspólczynniku odbicia.W przykladzie zastosowano plytke plaskorównolegla ze szkla pyreksowego o wspólczynniku odbicia 0,096 tj. 9,6%. Moc promieniowania laserowego padajacego na sól Reinecka po odbiciu od plytki swiatlodzielacej M(SR°) obliczono z zaleznosci podanej dla obliczenia mocy lasera tj V Msr = p ' AA * I' r • Na - V e • 1 • p • K • t4 108584 Znajac te wartosc oraz wspólczynnik S równy stosunkowi mocy promieniowania, które przeszlo przez plytke swiatlodzielaca i padlo na miernik do mocy promieniowania odbitego od niej i zaabsorbowanego przez sól Reinecka — oblicza sie moc promieniowania padajacego na kalibrowany miernik Mm, co umozliwia jego kalib¬ racje korzystajac ze wzoru: MM=MSR -S w badanym przypadku S=9,4.Za pomoca podanej zaleznosci wycechowano miernik mocy dla lasera He-Ne w granicach 0,1 - 100 mW.Analogicznie postepujac wycechowano miernik energii dla laserów w zakresie dlugosci fal 320-720 nm i w przedziale energii 0,01-10 J. b) W przypadku gdy stosowany jako zródlo promieniowania laser emituje promieniowanie o stalej mocy (z do¬ kladnoscia ±0,5%) kalibracje miernika mozna wykonac, ustawiajac go wymiennie z roztworem soli Reinecka na drodze wiazki laserowej. W takim ukladzie moc promieniowania w calosci zaabsorbowanego przez badany miernik, bedzie wprost równa mocy zaabsorbowanej przez roztwór soli Reinecka, pomnozonej przez wspólczynnik r — okreslajacy ilosciowo udzial promieniowania odbitego na okienku wejsciowym kuwetki z aktynometrem. W badanym przypadku r=l,04. Korzystajac z takiego ukladu eksperymentalnego, wykalibro- wano miernik mocy dla lasera He-Ne i miernik energii dla lasera rubinowego.Zastrzezenie patentowe Sposób pomiaru energii i mocy promieniowania laserowego oraz cechowania mierników energii i mocy tego promieniowania, wykorzystujacy aktynornetr chemiczny, znamienny tym, ze wodny roztwór soli Rei¬ necka zakwasza sie 0,1 n (H2S04) kwasem siarkowym do pH od 3 do 5,5 i filtruje przez filtr o porach o srednicy mniejszej od 10/im,, po czym tak przygotowany aktynometr o wspólczynniku molowym absorpcji epsilon e zaleznym od dlugosci fali X, poddaje sie dzialaniu promieniowania laserowego w zakresie dlugosci fali od 330 do 720 nm, w wyniku czego nastepuje reakcja fotouwadniania, polegajaca na wymianie jonu rodankowego NCS na czasteczke wody przebiegajaca z wydajnoscia kwantowa od 0,28 do 0,38 w funkcji dlugosci fali X, przy czym stezenie uwolnionych jonów rodankowych oznacza sie ilosciowo metoda spektrofotometryczna z tym, ze do naswietlanego roztworu wodnego soli Reinecka dodaje sie zwiazekkompleksujacy, skladajacy sie z azotanu zelazo¬ wego i kwasu nadchlorowego, stosujac jako odnosnik nienaswie 'ony roztwór wodny soli Reinecka o takim samym stezeniu jak dla roztworu ze zwiazkiem kompleksujacym - próba naswietlona, natomiast wielkosc energii i mocy oraz cechowanie mierników energii i mocy wyznacza sie z wyrazenia, w którym mierzone wielkosci sa wprost proporcjonalne do róznicy absorpcji próby naswietlanej i nienaswietlanej a odwrotnie proporcjonalne do wydajnosci kwantowej reakcji fotouwadniania soli Reinecka.Prac. Poligraf. UP PRL naklad 120+18 Cena 45 zl PL