RU2381461C1

RU2381461C1 - Laser radiation power metre

Info

Publication number: RU2381461C1
Application number: RU2008131451/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Борисович Лощенов (RU); Виктор Борисович Лощенов; Кирилл Геннадиевич Линьков (RU); Кирилл Геннадиевич Линьков; Николай Николаевич Брысин (RU); Николай Николаевич Брысин; Татьяна Александровна Савельева (RU); Татьяна Александровна Савельева
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество "БИОСПЕК"
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2010-02-10

Abstract

FIELD: measuring technology.

SUBSTANCE: invention refers to measuring technology, namely to metres of the optical radiation power and can be used particularly for metering the optical power of fibre-optical medical laser facilities. Said device comprises a parallelepiped-shaped scatterer that is made of a fluoroplastic material, at least one photodetector located on the surface of the scatterer so that when using various optical fibre probe tips the incoming optical radiation levels are closest at the equal optical power, a sensing unit that accommodates a signal recorder connected to the photodetector. In the scatterer, there is a blind cavity to position the tip of said optical fibre probe.

EFFECT: invention allows extending functionality of the device due to possibility to measure the optical radiation power in output of the optical fibre probe with various tips without additional reconfiguration of the device, and design simplification of the device.

13 cl, 1 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения мощности оптического излучения, и может быть использовано, в частности, для измерения оптической мощности медицинских лазерных установок с волоконно-оптическим выходом.The invention relates to the field of measurement technology, and in particular to devices for measuring the power of optical radiation, and can be used, in particular, for measuring the optical power of medical laser systems with fiber-optic output.

Уровень техникиState of the art

Проведение точных измерений выходной оптической мощностиAccurate measurements of output optical power

терапевтических лазерных установок с волоконно-оптическим выходом является актуальной задачей при диагностике и терапии с использованием методов фотодинамической терапии (ФДТ), особенно при терапии внутриполостных органов.therapeutic laser systems with fiber optic output is an urgent task in the diagnosis and therapy using methods of photodynamic therapy (PDT), especially in the treatment of intracavitary organs.

Известны измерители оптической мощности, содержащие тепловые фотоприемники излучения, действие которых основано на увеличении температуры при поглощении излучения [см: страница с описанием продукции компании Thorlabs http://www.thorlabs.com/NewGroupPage9.cfm?ObjectGroup_ID=1694].Known optical power meters containing thermal photodetectors of radiation, the effect of which is based on an increase in temperature upon absorption of radiation [see: Thorlabs product description page http://www.thorlabs.com/NewGroupPage9.cfm?ObjectGroup_ID=1694].

Недостатками данных устройств являются низкое быстродействие, необходимость стабилизировать температуру и отводить тепло от корпуса фотоприемника, а также при длительном сеансе измерения производить периодическую компенсацию нагрева чувствительного элемента измерительной головки.The disadvantages of these devices are low speed, the need to stabilize the temperature and remove heat from the body of the photodetector, as well as during a long measurement session to periodically compensate for the heating of the sensing element of the measuring head.

Известны измерители оптической мощности, в которых измерение мощности оптического излучения производится с помощью фотодиодов [см. http://www.ophiropt.com/laser-measurement-instruments/laser-power-energy-meters/products/smart-sensors/photodiode-sensors].Optical power meters are known in which optical radiation power is measured using photodiodes [see http://www.ophiropt.com/laser-measurement-instruments/laser-power-energy-meters/products/smart-sensors/photodiode-sensors].

Недостатками фотодиодных измерителей мощности являются высокая селективность к спектральному составу излучения и низкое значение предельной оптической мощности, превышение которого ведет к необратимому повреждению фотодиода. При необходимости компенсации этих недостатков используют специальные оптические фильтры.The disadvantages of photodiode power meters are the high selectivity to the spectral composition of the radiation and the low limit optical power, exceeding which leads to irreversible damage to the photodiode. If necessary, compensate for these shortcomings using special optical filters.

Наиболее близким к предложенному устройству является интегрирующая сфера, имеющая вместо одного фотоприемника распределенную сеть фотоприемников (вводов в оптические волокна) для дополнительного усреднения освещенности, создаваемой измеряемым излучением внутри сферы, которая по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату может быть принята в качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения [М.Szylowski, M.Mossman, D.Barclay, and L.Whitehead. Novel fiber-based integrating sphere for luminous flux measurements. Rev. Sci. Instrum. 77, 063102 (2006)].Closest to the proposed device is an integrating sphere, which instead of a single photodetector has a distributed network of photodetectors (inputs into optical fibers) for additional averaging of the illumination created by the measured radiation inside the sphere, which can be taken as the closest analogue of the claimed one by the combination of essential features and the achieved technical result inventions [M. Szylowski, M. Mossman, D. Barclay, and L. Whitehead. Novel fiber-based integrating sphere for luminous flux measurements. Rev. Sci. Instrum. 77, 063102 (2006)].

Устройство включает традиционную интегрирующую сферу, в которой отсутствует система экранов и заслонов, препятствующая попаданию на фотоприемник прямого или первично отраженного излучения, но содержащая распределенную, находящуюся в определенных точках поверхности систему фотоприемников, сигналы которых образуют среднеарифметическое значение, соответствующее измеряемой оптической мощности.The device includes a traditional integrating sphere, in which there is no system of screens and shields that prevents direct or primary reflected radiation from reaching the photodetector, but containing a distributed system of photodetectors located at certain points on the surface, whose signals form the arithmetic mean value corresponding to the measured optical power.

Недостатком данного устройства является сложность конструкции, трудоемкость изготовления и большие габариты.The disadvantage of this device is the complexity of the design, the complexity of manufacturing and large dimensions.

Сведения, подтверждающие реализацию изобретенияInformation confirming the implementation of the invention

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании устройства для измерения мощности оптического излучения с различными, но заранее известными пространственными распределениями на выходе волоконно-оптических зондов или иных средств доставки оптического излучения.The problem to which the invention is directed, is to create a device for measuring the power of optical radiation with different, but previously known spatial distributions at the output of fiber optic probes or other means of delivery of optical radiation.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей устройства за счет измерения мощности оптического излучения на выходе волоконно-оптических зондов с различными типами наконечников с заранее извесными пространственными распределениями без дополнительной перенастройки устройства и упрощении конструкции устройства.The technical result achieved by the implementation of the claimed invention is to expand the functionality of the device by measuring the power of optical radiation at the output of fiber optic probes with various types of tips with pre-known spatial distributions without additional reconfiguration of the device and simplifying the design of the device.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что устройство для измерения мощности оптического излучения на выходе из волоконно-оптического зонда включает рассеиватель, выполненный с возможностью рассеивания излучения по всему собственному объему, по меньшей мере, один фотоприемник, расположенный на поверхности рассеивателя таким образом, чтобы уровни приходящего на него излучения при использовании различных типов наконечников, с заранее извесными пространственными распределениями, были наиболее близки друг к другу при равной оптической мощности, вводимой в волоконно-оптический зонд, блок измерения, включающий средство регистрации сигнала, вход которого связан с выходом фотоприемника, при этом в рассеивателе выполнена несквозная полость для размещения наконечника волоконно-оптического зонда.The technical result is achieved due to the fact that the device for measuring the power of optical radiation at the output of the fiber optic probe includes a diffuser configured to scatter radiation throughout its own volume, at least one photodetector located on the surface of the diffuser so that the levels of radiation coming to it when using various types of tips, with pre-known spatial distributions, were closest to each other with equal optical power input in fiber-optical probe, the measurement unit comprising signal detection means having an input connected to the output of the photodetector, wherein the scatterer is formed in a non-through cavity for receiving the tip of the fiberoptic probe.

Выполнение рассеивателя с возможностью распределения излучения, выходящего из волоконно-оптического зонда по всему собственному объему, обеспечивает возможность измерения излучения любых типов наконечников оптических волокон.The implementation of the diffuser with the possibility of the distribution of radiation emerging from the fiber optic probe throughout its own volume, provides the ability to measure radiation of any type of optical fiber tips.

Расположение фотоприемника на поверхности рассеивателя в точке, где достигается схожесть уровня освещенности для всех конфигураций наконечников волоконно-оптических зондов, обеспечивает попадание на фотоприемник лишь небольшой части излучения, выходящего из наконечника зонда, что дает возможность применять фотодиоды в качестве фотоприемников без дополнительных оптических фильтров, т.е. рассеиватель также выполняет функции ослабителя излучения, и в то же время позволяет измерять мощность излучения на выходе любых типов волоконно-оптических наконечников без дополнительной перенастройки устройства.The location of the photodetector on the surface of the diffuser at the point where the similarity of the level of illumination is achieved for all configurations of the tips of the fiber optic probes ensures that only a small part of the radiation coming out of the probe tip gets onto the photodetector, which makes it possible to use photodiodes as photodetectors without additional optical filters, t .e. the diffuser also acts as a radiation attenuator, and at the same time, it measures the radiation power at the output of any type of fiber optic tips without additional reconfiguration of the device.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения рассеиватель выполнен в виде параллелепипеда из материала на основе фторопласта.In addition, in the particular case of the invention, the diffuser is made in the form of a parallelepiped made of a material based on fluoroplastic.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство дополнительно снабжено стеклянной колбой, размещенной в полости рассеивателя.In addition, in the particular case of the invention, the device is additionally equipped with a glass flask placed in the cavity of the diffuser.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения колба установлена с возможностью замены.In addition, in the particular case of the invention, the bulb is installed with the possibility of replacement.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство дополнительно снабжено средством отображения информации.In addition, in the particular case of the invention, the device is further provided with means for displaying information.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения средство отображения информации выполнено в виде индикатора или дисплея.In addition, in the particular case of the invention, the means for displaying information is made in the form of an indicator or display.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения средство регистрации сигнала выполнено в виде аналогово-цифрового преобразователя.In addition, in the particular case of the invention, the means for recording the signal is made in the form of an analog-to-digital converter.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения блок измерения содержит микроконтроллер, связанный с аналогово-цифровым преобразователем, и средство передачи данных, связанное с микроконтроллером.In addition, in the particular case of the invention, the measurement unit comprises a microcontroller connected to an analog-to-digital converter, and data transmission means associated with the microcontroller.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения средство передачи данных выполнено в виде USB интерфейса.In addition, in the particular case of the invention, the data transfer means is made in the form of a USB interface.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения фотоприемник соединен с аналогово-цифровым преобразователем посредством экранированного кабеля.In addition, in the particular case of the invention, the photodetector is connected to the analog-to-digital converter via a shielded cable.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения фотоприемник выполнен на основе фотодиодов.In addition, in the particular case of the invention, the photodetector is made on the basis of photodiodes.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения фотоприемник выполнен на основе термопары.In addition, in the particular case of the invention, the photodetector is made on the basis of a thermocouple.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Устройство для измерения мощности лазерного излучения (чертеж) включает в себя рассеиватель 1, который предпочтительно может быть выполнен в виде параллелепипеда из фторопласта, что обеспечивает рассеивание излучения по всему собственному объему рассеивателя, в рассеивателе 1 выполнена несквозная полость 2 для размещения наконечника 3 волоконно-оптического зонда, на выходе которого измеряют мощность оптического излучения, причем для обеспечения стерильности оптического волокна в процессе измерения в полости 2 может быть установлена сменная стеклянная колба (не показана), в которой размещают наконечник 3 волоконно-оптического зонда, на поверхности рассеивателя 1 установлен, по меньшей мере один фотоприемник 4, который может быть выполнен на основе фотодиодов или на основе термопары, неселективной к спектральному составу излучения, поскольку в зависимости от типа наконечников волоконно-оптических зондов изменяется картина распределения излучения в объеме рассеивателя 1, фотоприемник 4 устанавливают на поверхности рассеивателя таким образом, чтобы уровни приходящего на него излучения при использовании различных типов наконечников, с заранее извесными пространственными распределениями, были наиболее близки друг к другу при равной оптической мощности, вводимой в волоконно-оптический зонд, что позволяет измерять мощность оптического излучения волоконно-оптических зондов с различными типами наконечников без дополнительной перенастройки устройства, блок 5 измерения, содержащий средство 6 регистрации сигнала, которое предпочтительно выполнено в виде аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), вход которого соединен с выходом фотоприемника 4 посредством экранированного кабеля, микроконтроллер 7, соединенный со средством 6 регистрации сигнала, блок 8 передачи данных, выполненный в виде USB интерфейса, соединенный с микроконтроллером 7 и компьютером, содержащим программное обеспечение, позволяющее осуществлять дальнейшую обработку информации. Геометрическая форма рассеивателя 1 может быть любой и выбираться, исходя из соображений выполнения требований по габаритам, массе или обеспечения требуемого распределения излучения внутри рассеивателя, а материал рассеивателя 1 выбирается из соображений обеспечения требуемых индикатрисы рассеяния и коэффициента поглощения в рабочем спектральном диапазоне. Использование нескольких фотоприемников 4, расположенных в разных точках поверхности рассеивателя 1, обеспечивает более высокую точность измерения и анализа диаграммы направленности излучения, выходящего из наконечника 3 волоконно-оптического зонда. Также для отображения результатов измерения устройство может содержать индикатор или дисплей, а для измерения плотности оптического излучения устройство может содержать калиброванное окно с заданной площадью. Для обеспечения точности измерения после сборки предлагаемого устройства производится его калибровка для всех типов наконечников волоконно-оптических зондов, для измерения которых предполагается использовать это устройство.A device for measuring the power of laser radiation (drawing) includes a diffuser 1, which can preferably be made in the form of a parallelepiped made of fluoroplastic, which provides dispersion of radiation throughout the entire volume of the diffuser, a through cavity 2 is made in the diffuser 1 to accommodate the tip 3 of the optical fiber a probe, the output of which measures the power of optical radiation, moreover, to ensure sterility of the optical fiber during measurement in cavity 2 can be installed with At the same time, a glass bulb (not shown), in which the tip 3 of the fiber optic probe is placed, has at least one photodetector 4 mounted on the surface of the diffuser 1, which can be made on the basis of photodiodes or on the basis of a thermocouple that is not selective for the spectral composition of radiation, since depending on the type of tips of the fiber optic probes, the pattern of radiation distribution in the volume of the diffuser 1 changes, the photodetector 4 is mounted on the surface of the diffuser so that the levels of When using different types of tips, with pre-known spatial distributions, the emissions were closest to each other with equal optical power introduced into the fiber-optic probe, which makes it possible to measure the optical radiation power of fiber-optic probes with different types of tips without additional reconfiguration device, measuring unit 5, comprising signal recording means 6, which is preferably in the form of an analog-to-digital converter (ADC), input cerned connected to the output of the photodetector 4 via a shielded cable, the microcontroller 7 is connected with the registration means 6 a signal transmission unit 8, configured as a USB interface connected to the microcontroller 7 and a computer, comprising software to carry out further processing of information. The geometric shape of the diffuser 1 can be any and chosen based on considerations of fulfilling the requirements for dimensions, mass or ensuring the required radiation distribution inside the diffuser, and the material of the diffuser 1 is selected from the considerations of providing the required scattering indicatrix and absorption coefficient in the working spectral range. The use of several photodetectors 4 located at different points on the surface of the diffuser 1, provides higher accuracy of measurement and analysis of the radiation pattern emerging from the tip 3 of the fiber optic probe. Also, for displaying the measurement results, the device may include an indicator or a display, and for measuring the density of optical radiation, the device may include a calibrated window with a given area. To ensure measurement accuracy after assembly of the proposed device, it is calibrated for all types of fiber-optic probe tips, for the measurement of which it is intended to use this device.

Устройство работает следующим образомThe device operates as follows

Наконечник 3 волоконного - оптического зонда, на выходе которого измеряют мощность оптического излучения, устанавливают в полости 2 рассеивателя 1, в которой предварительно может быть установлена стеклянная колба (не показана). Оптическое излучение, исходящее из волоконно-оптического зонда, находящегося внутри рассеивателя 1, выполненного в форме параллелепипеда из фторопласта, рассеивается по всему объему рассеивателя. Фотоприемник 4, расположенный на поверхности рассеивателя 1 в точке, где уровни приходящего на него излучения при использовании различных типов наконечников с заранее известными пространственными распределениями наиболее близки друг к другу при равной оптической мощности, вводимой в волоконно-оптический зонд, регистрирует уровень падающего на него оптического излучения на выходе волоконно-оптических зондов любой конфигурации, например, с торцевым выходом излучения или с цилиндрическим рассеивателем без дополнительной перенастройки устройства. Аналоговый сигнал с выхода фотоприемника 4 подается на вход аналогово-цифрового преобразователя 6, который преобразует его в соответствующий цифровой код. Затем цифровой сигнал поступает в микроконтроллер 7 и обрабатывается в нем. Получившийся результат передается через USB интерфейс 8 на компьютер, где с помощью специального программного обеспечения производится вывод информации на экран монитора и ее дальнейшая обработка. Программное обеспечение позволяет отображать текущие значения мощности, осуществлять временную развертку, изменять интервал считывания данных с устройства, учитывать особенности измерения в зависимости от типа волокна и длины волны излучения, сохранять результаты измерения.The tip 3 of the fiber-optical probe, at the output of which the optical radiation power is measured, is installed in the cavity 2 of the diffuser 1, in which a glass bulb (not shown) can be pre-installed. The optical radiation emanating from the fiber-optic probe located inside the diffuser 1, made in the form of a parallelepiped of fluoroplastic, is scattered throughout the entire volume of the diffuser. A photodetector 4 located on the surface of the diffuser 1 at a point where the levels of radiation arriving at it when using various types of tips with previously known spatial distributions are closest to each other with equal optical power introduced into the fiber-optic probe, detects the level of the incident optical radiation at the output of fiber optic probes of any configuration, for example, with an end output of radiation or with a cylindrical diffuser without additional reconfiguration devices. The analog signal from the output of the photodetector 4 is fed to the input of an analog-to-digital converter 6, which converts it into the corresponding digital code. Then the digital signal enters the microcontroller 7 and is processed in it. The resulting result is transmitted via USB interface 8 to a computer, where using special software information is displayed on the monitor screen and its further processing. The software allows you to display current power values, carry out a time sweep, change the interval for reading data from the device, take into account the measurement features depending on the type of fiber and radiation wavelength, save the measurement results.

Таким образом, заявляемое техническое решение возможно реализовать с использованием известных средств и методов, что позволяет сделать вывод о соответствии критерия патентоспособности "промышленная применимость".Thus, the claimed technical solution can be implemented using known means and methods, which allows us to conclude that the patentability criterion of "industrial applicability" meets.

Claims

1. A device for measuring the power of optical radiation at the output of a fiber optic probe, comprising a diffuser configured to scatter radiation throughout its own volume, at least one photodetector located on the surface of the diffuser so that the levels of optical radiation arriving at it when using different types of tips with previously known spatial distributions, they were closest to each other with equal optical power introduced into the fiber tionally optic probe, the measurement unit comprising signal detection means associated with the photodetector, wherein the scatterer is formed in a non-through cavity for receiving the tip of the fiberoptic probe.

2. The device according to claim 1, characterized in that the diffuser is made in the form of a parallelepiped of a material based on fluoroplastic.

3. The device according to claim 1, characterized in that it is additionally equipped with a glass flask placed in the cavity of the diffuser.

4. The device according to claim 3, characterized in that the glass bulb is installed in the cavity of the diffuser with the possibility of replacement.

5. The device according to claim 1, characterized in that it is further provided with means for displaying information.

6. The device according to claim 5, characterized in that the means for displaying information is made in the form of an indicator.

7. The device according to claim 5, characterized in that the means for displaying information is made in the form of a display.

8. The device according to claim 1, characterized in that the means for recording the signal is made in the form of an analog-to-digital converter.

9. The device according to claim 1, characterized in that the measuring unit comprises a microcontroller associated with an analog-to-digital converter, and data transmission means associated with the microcontroller.

10. The device according to claim 9, characterized in that the data transmission means is made in the form of a USB interface.

11. The device according to claim 1, characterized in that the photodetector is connected to an analog-to-digital converter via a shielded cable.

12. The device according to claim 1, characterized in that the photodetector is made on the basis of photodiodes.

13. The device according to claim 1, characterized in that the photodetector is made on the basis of a thermocouple that is not selective for the spectral composition of the radiation.