RU2091729C1

RU2091729C1 - Laser beam divergence meter

Info

Publication number: RU2091729C1
Application number: RU93019563A
Authority: RU
Inventors: А.А. Кузнецов; А.М. Райцин
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью Научно-техническое производственное предприятие "Протена"
Priority date: 1993-04-15
Filing date: 1993-04-15
Publication date: 1997-09-27

Abstract

FIELD: means for measurement of energy parameters of directional optical radiation. SUBSTANCE: the device uses the main and auxiliary photodetectors, calibrated diaphragms unit; the main photodetector is furnished with an automatic displacement unit and made in the form of an optical head in a casing with a four-segment photodetector, and the calibrated diaphragms unit is rigidly coupled with the optical head body, and a test-diaphragm is introduced in it. A driver with a mechanism of displacement relative to the laser beam optical axis is introduced between the focusing system and calibrated diaphragms unit. EFFECT: enhanced accuracy. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к средствам измерения энергетических параметров направленного оптического излучения, в частности мощности или энергии, диаметра лазерного пучка, расходимости и т.д. The invention relates to means for measuring the energy parameters of directional optical radiation, in particular power or energy, laser beam diameter, divergence, etc.

Известно устройство для определения энергетической расходимости лазерного пучка, содержащее фокусирующую оптическую систему и узел регистрации информации о значении расходимости [1]
Недостатком устройства является невозможность измерения значения расходимости без дополнительных операций обработки чувствительного материала и проведения расчетов.A device for determining the energy divergence of a laser beam containing a focusing optical system and a node for recording information about the value of the divergence [1]
The disadvantage of this device is the inability to measure the divergence without additional processing operations of sensitive material and calculations.

Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения энергетической расходимости, разработанное в соответствии с [2] и содержащее фокусирующую оптическую систему и устройство для измерения диаметра пучка, способное перемещаться с помощью юстировочного механизма. Closest to the invention is a device for measuring energy divergence, developed in accordance with [2] and containing a focusing optical system and a device for measuring the diameter of the beam, capable of moving using the alignment mechanism.

Устройство для измерения диаметра пучка включает блок калибровочных диафрагм, вспомогательное фотоприемное устройство-"свидетель", основное фотоприемное устройство, соединенное с измерительно-регистрирующем прибором. A device for measuring the diameter of the beam includes a block of calibration diaphragms, an auxiliary photodetector device "witness", the main photodetector connected to a measuring and recording device.

Недостатком данного устройства является наличие погрешности измерения, обусловленной неточностью совмещения центра калибровочных диафрагм с пучком лазерного излучения, поскольку в устройстве упомянутое совмещение производится путем юстировки по максимуму сигнала характеристике, не обладающей высокой устойчивостью к различным дестабилизирующим факторам. The disadvantage of this device is the presence of a measurement error due to the inaccuracy of combining the center of the calibration diaphragms with a laser beam, since in the device the aforementioned alignment is made by adjusting the signal to a maximum that is not highly resistant to various destabilizing factors.

Технический результат изобретения повышение точности определения энергетической расходимости лазерного пучка. Кроме того, устройство позволяет повысить достоверность измерений за счет применения режима самокалибровки при определении координат энергетического центра. The technical result of the invention improving the accuracy of determining the energy divergence of the laser beam. In addition, the device allows to increase the reliability of measurements due to the use of the self-calibration mode when determining the coordinates of the energy center.

Для достижения технического результата в устройство для определения энергетической расходимости лазерного пучка в соответствии с предлагаемым изобретением, содержащем расположенные вдоль оси лазерного пучка и оптически согласованные фокусирующую систему, устройство для измерения диаметра пучка, включающее блок калиброванных диафрагм и установленное с возможностью перемещения, а также вспомогательное фотоприемное устройство-"свидетель", основное фотоприемное устройство, соединенное с измерительно-регистрирующим прибором, введен блок управления, основное фотоприемное устройство с возможностью автоматического перемещения выполнено в виде оптической головки с четырехсегментным фотоприемником, блок калиброванных диафрагм жестко связан с корпусом оптической головки, при этом вход блока управления соединен с выходом измерительно-регистрирующего прибора, а выходы с юстировочными механизмами для перемещения фотоприемного устройства и устройством перемещения блока калибровочных диафрагм. To achieve a technical result, a device for determining the energy divergence of a laser beam in accordance with the invention, comprising a focusing system located along the axis of the laser beam and optically aligned, a device for measuring the diameter of the beam, including a block of calibrated diaphragms and mounted with the ability to move, as well as an auxiliary photodetector device "witness", the main photodetector connected to a measuring and recording device, introduced the control unit, the main photodetector with the ability to automatically move, is made in the form of an optical head with a four-segment photodetector, a calibrated diaphragm block is rigidly connected to the body of the optical head, while the input of the control unit is connected to the output of the measuring and recording device, and the outputs with alignment mechanisms for moving the photodetector device and device for moving block calibration diaphragms.

Устройство дополнительно содержит формирователь равномерного оптического излучения, выполненный с возможностью перемещения относительно оптической оси лазерного пучка между фокусирующей системой и блоком калиброванных диафрагм, при этом блок калиброванных диафрагм включает тест-диафрагму. The device further comprises a uniform optical radiation former configured to move relative to the optical axis of the laser beam between the focusing system and the calibrated diaphragm block, the calibrated diaphragm block including a test diaphragm.

Достижение повышения точности определения энергетической расходимости обусловлено тем, что в данном устройстве с малой погрешностью удается совместить центр каждой (любой) из калиброванных диафрагм, вводимых в измерительный тракт, с энергетическим центром лазерного пучка - характеристикой, устойчивой к различным дестабилизирующим факторам (Рубинштейн В. М. Оценка погрешностей пространственно-энергетических параметров лазерного излучения. В сб. научных трудов "Метрологическое обеспечение пространственно-энергетической фотометрии". ВНИИФТРИ, 1987). The achievement of increasing the accuracy of determining the energy divergence is due to the fact that in this device, with a small error, it is possible to combine the center of each (any) of the calibrated diaphragms introduced into the measuring path with the energy center of the laser beam - a characteristic that is resistant to various destabilizing factors (Rubinstein V. M Evaluation of errors in the spatial and energy parameters of laser radiation. In the collection of scientific papers "Metrological support of spatial-energy photometry." NIIFTRI, 1987).

В настоящее время на основании проведенного анализа всех видов сведений, общедоступных на территории Российской Федерации следует, что не известны устройства, в которых имеется совокупность признаков, являющихся отличительными, т.е. предлагаемое является новым. Currently, on the basis of the analysis of all types of information publicly available on the territory of the Russian Federation, it follows that devices are not known in which there is a combination of features that are distinctive, i.e. The offer is new.

Кроме того, предлагаемое устройство обладает изобретательским уровнем, так как для специалиста данное техническое решение явным образом не следует из уровня технических достижений. Проведенные экспериментальные изыскания позволили выявить отличительные признаки устройства, обеспечивающие достижение технического результата. In addition, the proposed device has an inventive step, since for a specialist this technical solution does not explicitly follow from the level of technical achievements. Conducted experimental studies have identified the distinguishing features of the device, ensuring the achievement of a technical result.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 внешний вид блока калиброванных диафрагм с тест-диафрагмой. In FIG. 1 presents a structural diagram of the proposed device; in FIG. 2 appearance of a block of calibrated diaphragms with a test diaphragm.

Устройство содержит фокусирующую систему 1, ответвитель 2 излучения, основное фотоприемное устройство 3, выполненное в виде оптической головки, включающей диффузный рассеиватель 4, оптическую диафрагму 5 и четырехсегментный фотоприемник 6, расстояния между которыми подобраны соответствующим образом для измерения координат энергетического центра, блок 7 усилителя с пиковым детектором, аналого-цифровой преобразователь 8 и микроЭВМ 9 с индикатором 10, представляющие собой измерительно-регистрирующий прибор 11. Устройство содержит также блок управления 12, блок 13 калибровочных диафрагм, жестко связанный с корпусом оптической головки, с устройством 14 их перемещения, юстировочные механизмы 15 и 16, обеспечивающие перемещение фотоприемного устройства по координатам X и Y соответственно, вспомогательное фотоприемное устройство-"свидетель" 17, формирователь 18 с механизмом перемещения 19. Формирователь 18 состоит из диффузно-рассеивающего цилиндра и диффузно-рассеивающей линзы (на фиг. 1 не показаны). Тест-диафрагма 20 представляет собой пластину, содержащую несколько отверстий; их может быть не менее одного с размерами, определенными с высокой точностью и расположенными на заданном расстоянии друг от друга. The device comprises a focusing system 1, a radiation coupler 2, a main photodetector 3 made in the form of an optical head including a diffuse diffuser 4, an optical diaphragm 5 and a four-segment photodetector 6, the distances between which are selected accordingly for measuring the coordinates of the energy center, amplifier unit 7 with peak detector, analog-to-digital Converter 8 and microcomputer 9 with indicator 10, which are a measuring and recording device 11. The device also contains a unit control 12, a block 13 of calibration diaphragms, rigidly connected with the body of the optical head, with a device 14 for their movement, alignment mechanisms 15 and 16, providing movement of the photodetector in X and Y coordinates, respectively, an auxiliary photodetector device "witness" 17, shaper 18 s a moving mechanism 19. The former 18 consists of a diffusely scattering cylinder and a diffusely scattering lens (not shown in FIG. 1). The test diaphragm 20 is a plate containing several holes; they can be at least one with dimensions determined with high accuracy and located at a given distance from each other.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Поток излучения от исследуемого источника проходит через фокусирующую систему 1 и поступает на основное фотоприемное устройство 3, входная апертура которого расположена в фокальной плоскости. Электрические сигналы с четырехсегментного фотоприемника 6 поступают через блок 7 на вход АЦП, а с выхода АЦП в микроЭВМ, которая производит вычисление координат энергетического центра по следующим соотношениям

где 1₁, 1₂, 1₃, 1₄ сигналы сегментов фотоприемника 6.The radiation flux from the studied source passes through the focusing system 1 and enters the main photodetector 3, the input aperture of which is located in the focal plane. Electrical signals from the four-segment photodetector 6 are fed through block 7 to the input of the ADC, and from the output of the ADC to the microcomputer, which calculates the coordinates of the energy center according to the following relations

where 1 ₁ , 1 ₂ , 1 ₃ , 1 ₄ signals of the segments of the photodetector 6.

Результаты расчета выводятся на индикатор. Затем по команде с блока 12 управления с помощью юстировочных механизмов 15 и 16 основное фотоприемное устройство перемещается таким образом, чтобы его оптическая ось совпала с энергетическим центром пучка. В процессе перемещения циклично производится измерение координат энергетического центра пучка и перемещение фотоприемного устройства 3, причем последнее заканчивается по команде с блока 12 управления, когда произошло совпадение измеренных координат с нулем в пределах величины, обусловленной погрешностью измерения. После этого с помощью блока 13 калибровочных диафрагм производится измерение диаметра пучка по известному алгоритму, описанному в ГОСТе 26086-84. С этой целью последовательно с помощью устройства 14 в оптический тракт вводятся калиброванные диафрагмы, диаметры которых последовательно уменьшаются. The calculation results are displayed on the indicator. Then, on command from the control unit 12 using the adjustment mechanisms 15 and 16, the main photodetector is moved so that its optical axis coincides with the energy center of the beam. In the process of moving, the coordinates of the beam energy center are cyclically measured and the photodetector 3 is moved, the latter ending by command from the control unit 12, when the measured coordinates coincided with zero within the limits of the value caused by the measurement error. After that, using the block 13 calibration diaphragms, the beam diameter is measured according to the well-known algorithm described in GOST 26086-84. To this end, calibrated diaphragms are introduced sequentially using the device 14 into the optical path, the diameters of which are successively reduced.

При этом с помощью устройства 14 перемещения и блока 12 управления осуществляется контроль совпадения центра каждой из калиброванных диафрагм с энергетическим центром. At the same time, using the moving device 14 and the control unit 12, the center of each of the calibrated diaphragms coincides with the energy center.

Следует отметить, что во время юстировки фотоприемного устройства на пути лазерного пучка установлена калибровочная диафрагма, размер которой позволяет пройти через нее полной энергии излучения. It should be noted that during the alignment of the photodetector, a calibration diaphragm was installed in the path of the laser beam, the size of which allows the total radiation energy to pass through it.

Поскольку в устройстве для измерения диаметра используется то же фотоприемное устройство с четырехсегментным фотоприемником 6, то в данном случае для получения суммарной интенсивности сигналы, полученные с каждого сегмента суммируются и в дальнейшей обработке используется их сумма. Since the device for measuring the diameter uses the same photodetector with a four-segment photodetector 6, in this case, to obtain the total intensity, the signals received from each segment are summed and their further processing is used.

Одновременно с измерением суммарного сигнала с фотоприемника 6 измеряется сигнал, поступающий от вспомогательного фотоприемного устройства-"свидетеля" 17 на блок усилителя 7, что дает возможность определить коэффициент, учитывающий нестабильность источника лазерного излучения. Simultaneously with measuring the total signal from the photodetector 6, a signal is measured coming from the auxiliary photodetector device "witness" 17 to the amplifier unit 7, which makes it possible to determine the coefficient taking into account the instability of the laser radiation source.

Методика учета сигнала вспомогательного фотоприемного устройства-"свидетеля" 17 представлена в ГОСТе 26084-86, принятым за прототип. The method of accounting for the signal of the auxiliary photodetector device "witness" 17 is presented in GOST 26084-86, adopted as a prototype.

Энергетическая расходимость θ_w лазерного пучка определяется по известной формуле
θ_w= d_w/F,
где d_w измеренный диаметр пучка в фокальной плоскости по заданной доле w энергии; F фокусное расстояние оптической фокусирующей системы.The energy divergence θ _{w of the} laser beam is determined by the well-known formula
θ _w = d _w / F,
where d _{w the} measured diameter of the beam in the focal plane for a given fraction of w energy; F is the focal length of the optical focusing system.

Результат расчета выводится на индикатор 10. The result of the calculation is displayed on indicator 10.

В режиме самокалибровки устройство обеспечивает контроль определения энергетического центра пучка. С этой целью в оптический тракт перед блоком 13 калибровочных диафрагм по команде с блока 12 управления одновременно вводится с помощью механизма 19 перемещения формирователь 18 равномерного распределения интенсивности в поперечном сечении пучка лазерного излучения и с помощью устройства 14 перемещения тест-диафрагма. При этом с помощью блока 12 управления и устройства 14 осуществляется контроль совпадения линии, соединяющей центры отверстий с одной из линий, разделяющих фотоприемник на сегменты, а центр меньшего из отверстий тест-диафрагмы должен располагаться на оптической оси фотоприемного устройства. In the self-calibration mode, the device provides control of determining the energy center of the beam. For this purpose, in front of the calibration diaphragm block 13, the optical path before the block 13 of the diaphragms is simultaneously introduced using the movement mechanism 19, the former 18 of the uniform intensity distribution in the cross section of the laser beam and the test diaphragm 14, using the movement mechanism 19. In this case, using the control unit 12 and the device 14, the coincidence of the line connecting the centers of the holes with one of the lines dividing the photodetector into segments is controlled, and the center of the smaller of the holes of the test diaphragm should be located on the optical axis of the photodetector.

Координаты энергетического центра распределения интенсивности излучения на выходе тест-диафрагмы определяются по формулам

где R₁, R₂ радиусы отверстий тест-диафрагмы; b - расстояние между центрами отверстий соответственно большей и меньшей диафрагм.The coordinates of the energy center of the radiation intensity distribution at the output of the test diaphragm are determined by the formulas

where R ₁ , R _{2 the} radii of the holes of the test diaphragm; b is the distance between the centers of the holes, respectively, of the larger and smaller apertures.

Путем сравнения значений координат энергетического центра, измеренных устройством 11 и вычисленных по вышеприведенной формуле, осуществляется контроль точности определения координат энергетического центра, что, в свою очередь, позволяет повысить достоверность определения диаметра пучка и, следовательно, энергетической расходимости излучения, так как при этом измерении осуществляется более точное совмещение оптической оси основного фотоприемного устройства с энергетическим центром лазерного пучка. By comparing the values of the coordinates of the energy center, measured by the device 11 and calculated by the above formula, the accuracy of determining the coordinates of the energy center is controlled, which, in turn, improves the reliability of determining the diameter of the beam and, therefore, the energy divergence of radiation, since this measurement is carried out more accurate combination of the optical axis of the main photodetector with the energy center of the laser beam.

Для примера конкретного выполнения устройства следует отметить, что в качестве четырехсегментного фотоприемника могут быть использованы фотодиоды ДФ-141К; а в качестве вспомогательного фотоприемника-"свидетеля" фотодиод ФД-24К. Блок управления может включать устройство синхронизации и устройство управления юстировочными механизмами. В качестве микро-ЭВМ может служить МС 2702, а исполнительные юстировочные механизмы могут быть выполнены на основе шаговых двигателей, например, ДШИ-200-1-1. Индикатор ИПГ-01-03. Диафрагмы -изготовителя-изготовителя. For an example of a specific embodiment of the device, it should be noted that DF-141K photodiodes can be used as a four-segment photodetector; and as an auxiliary photodetector - "witness" photodiode FD-24K. The control unit may include a synchronization device and an adjustment mechanism control device. MS 2702 can serve as a microcomputer, and actuating adjustment mechanisms can be performed on the basis of stepper motors, for example, DSHI-200-1-1. Indicator IPG-01-03. Diaphragms from the manufacturer.

Предлагаемое устройство позволяет значительно повысить точность измерения энергетической расходимости и обеспечить контроль за достоверностью измерений. The proposed device can significantly improve the accuracy of measuring energy divergence and provide control over the reliability of measurements.

Claims

1. A device for determining the energy divergence of a laser beam, comprising a focusing system arranged in series along the radiation, a calibrated diaphragm unit with a moving device, a main photodetector connected to a measuring and recording device, and an auxiliary photodetector, characterized in that control unit, the main photodetector is equipped with an automatic movement unit and is made in the form of an optical head in a housing with yrehsegmentnym photodetector unit calibrated diaphragm is rigidly connected to the housing of the optical head, wherein the input control unit connected to the output of measuring and recording device, and outputs to the devices for moving the main unit, and photodetector calibrated orifice.

2. The device according to claim 1, characterized in that it further comprises a shaper with a movement mechanism relative to the optical axis of the laser beam for positioning the shaper between the focusing system and the calibrated diaphragm block, while a test diaphragm is inserted in the calibrated diaphragm block.