RU2587690C1 - Устройство для измерения энергии мощных нано- и пикосекундных лазерных импульсов - Google Patents
Устройство для измерения энергии мощных нано- и пикосекундных лазерных импульсов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2587690C1 RU2587690C1 RU2015112660/28A RU2015112660A RU2587690C1 RU 2587690 C1 RU2587690 C1 RU 2587690C1 RU 2015112660/28 A RU2015112660/28 A RU 2015112660/28A RU 2015112660 A RU2015112660 A RU 2015112660A RU 2587690 C1 RU2587690 C1 RU 2587690C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- attenuator
- measuring
- photodiode
- laser
- collector
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 28
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 13
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 6
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 2
- 239000008267 milk Substances 0.000 claims description 2
- 210000004080 milk Anatomy 0.000 claims description 2
- 235000013336 milk Nutrition 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 16
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 3
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 2
- 238000001208 nuclear magnetic resonance pulse sequence Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 description 1
- 230000001225 therapeutic effect Effects 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/02—Details
- G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
- G01J1/0407—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings
- G01J1/0474—Diffusers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/02—Details
- G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
- G01J1/0407—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings
- G01J1/0425—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings using optical fibers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J11/00—Measuring the characteristics of individual optical pulses or of optical pulse trains
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области измерительной техники и касается устройства для измерения энергии мощных импульсов лазерного излучения. Устройство включает в себя источник лазерного излучения, рассеивающую среду, световолоконный коллектор, ослабитель лазерного излучения, фотодиод, измерительно-вычислительный блок. В качестве рассеивающей среды используется диффузный рассеиватель, выполненный в виде цилиндрической шайбы из молочного стекла. На внешней поверхности шайбы равномерно по окружности закреплены с возможностью регулировки расстояния до поверхности рассеивателя разветвленные концы световолоконного коллектора. Коллектор обеспечивает передачу оптического сигнала через ослабитель на фотодиод. Выходной конец коллектора закреплен с возможностью регулировки расстояния до ослабителя. Технический результат заключается в увеличении диапазона и повышении точности измерений. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к области измерительной техники и технической физики, в частности к созданию устройств для измерения энергии мощных импульсов лазерного излучения.
Из уровня техники известны устройства для измерения энергии мощных лазерных импульсов, использующие пироэлектрические первичные измерительные преобразователи, изготавливаемые фирмой «Ophir Optronics Solutions Ltd» [1]. Устройства типа PES0-DIF-ER-C и PE100BF-DIF-C позволяют производить измерение энергии импульсного лазерного пучка с энергией до 40 Дж с длительностью импульсов от 0,002 мс до 20 мс с частотой следования до от 25 Гц до 10 кГц. При этом плотность мощности измеряемого лазерного излучения в одном импульсе при диаметре пучка ≈33 мм составляет ≈2,5·106 Вт/см2, что характерно для импульсов микро- и миллисекундного диапазона длительностей.
Однако для решения задач измерения энергии мощных лазерных импульсов в нано- и пикосекундном диапазонах длительностей упомянутые устройства по своей конструкции не приспособлены к высоким плотностям мощности ≈(1-5)·109 Вт/см2 из-за низкого значения предельной плотности оптической мощности пироэлектрических приемников, превышение которой ведет к их повреждению или к необратимому изменению метрологических характеристик.
Задача расширения диапазона длительностей мощных лазерных импульсов при измерении энергии может эффективно решаться посредством применения устройств, основанных на рассеянии измеряемого излучения.
Из уровня техники известно устройство для измерения мощности лазерного излучения, основанное на диффузном рассеянии [2]. Устройство предназначено для измерения мощности малоинтенсивного непрерывного излучения терапевтических лазерных установок с волоконно-оптическими зондами, использующими наконечники различной формы. Применяемый на выходе зондов рассеиватель позволяет сформировать излучение, близкое по интенсивности для всех используемых типов наконечников при равной оптической мощности, вводимой в волоконно-оптический зонд без дополнительной перенастройки устройства. Фактически, для разных типов наконечников пространственное распределение интенсивности на выходе рассеивателя выравнивается. Однако данное устройство не предназначено для измерения энергии мощных коротких (нано- и пикосекундных) импульсов, так как не рассчитано на работу с большими плотностями мощности излучения, приводящими к выходу из строя применяемых оптических элементов устройства из-за недостаточно высокой их лучевой стойкости к уровням плотности ≈(1-5)·109 Вт/см2. Кроме того, тракт измерения и обработки электрического сигнала упомянутого устройства не содержит элементов, позволяющих измерять энергию мощных лазерных импульсов или импульсной последовательности.
Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является устройство, работающее на основе бесконтактного способа измерения мощности лазерного излучения, основанного на измерении рассеяния вторичного свечения от частиц аэрозоля из тугоплавкого материала при воздействии лазерного излучения с интенсивностью более 103 Βт/см2 [3]. Погрешность измерения лазерных характеристик предлагаемым способом определяется точностью измерения концентрации светящихся частиц. Эта концентрация, в свою очередь, может быть измерена с высокой точностью, если поток аэрозоля сформирован в виде плоского слоя. Однако создание широкого однородного слоя является достаточно сложной технической задачей, о чем непосредственно в документе [3] упоминают авторы, причем в возможном решении этой задачи не рассматривается метрологический аспект, являющийся существенным при создании как новых способов измерения, так и соответствующих этим способам устройств.
Техническая задача, решаемая заявляемым изобретением, состоит в создании высокоточного устройства для измерения энергии мощных нано- и пикосекундных лазерных импульсов с плотностью мощности ≈(1-5)·109 Вт/см2, в котором результат измерения не зависит от вида пространственного распределения интенсивности лазерного пучка.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в увеличении диапазона плотности мощности при измерении энергии лазерных импульсов, повышении точности измерения энергии вне зависимости от вида пространственного распределения интенсивности лазерного пучка.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство содержит калиброванный нейтральный ослабитель лазерного излучения с высокими характеристиками стабильности ослабления мощных импульсов, диффузный рассеиватель со световолоконным коллектором, согласованным по уровню оптического сигнала с фотодиодом, на входе которого установлен нейтральный ослабитель с возможностью регулировки расстояния положения конца световолоконного коллектора, подводящего рассеянное излучение к поверхности ослабителя, что позволяет изменять интенсивность излучения, поступающего на фотодиод, так как интенсивность изменяется обратно пропорционально квадрату упомянутого расстояния, а разветвленные концы световолоконного коллектора, на которые поступает рассеянное излучение от диффузного рассеивателя, установлены с возможностью регулировки расстояния от них до внешней цилиндрической поверхности диффузного рассеивателя, что позволяет осуществлять выравнивание зонной характеристики устройства, т.е. добиться того, чтобы интенсивность излучения, попадающего на разветвленные концы световолоконного коллектора, будет слабо зависеть от положения входящего в устройство лазерного пучка относительно диффузного рассеивателя, что, в конечном счете, влечет за собой повышение точности измерения энергии.
В состав заявляемого устройства для измерения энергии входит измерительно-вычислительный блок, содержащий интегрирующее устройство, выполняющее функцию преобразования импульса тока с выхода фотодиода в импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна энергии излучения на входе фотодиода, усилитель напряжения с переменным коэффициентом усиления, определяемым величиной значения энергии лазерного излучения, для создания необходимого уровня электрического сигнала для работы пикового детектора, пиковый детектор для запоминания и хранения информации о значении пиковой амплитуды импульса, аналого-цифровой преобразователь для преобразования электрических сигналов пикового детектора в цифровую информацию, микропроцессор, в котором посредством специально разработанного программного обеспечения, путем программной аппроксимации характеристик преобразования фотодиода методом наименьших квадратов снижается нелинейность упомянутой характеристики до уровня 0,5-0,7% в диапазоне двух-трех десятичных порядков изменения энергии, индикатор для визуализации результатов измерений.
Независимо от вида пространственного распределения интенсивности лазерного пучка, поступающего на диффузный рассеиватель, структура распределения на его выходе выравнивается и приближается к равномерной, что обеспечивает требуемую точность измерения энергии вне зависимости от вида пространственного распределения интенсивности.
Световолоконный коллектор обеспечивает передачу рассеянного оптического сигнала на фотодиод, что уменьшает влияние электромагнитной помехи во время импульса за счет конструктивного вынесения фотодиода из тракта прямого лазерного излучения, что повышает точность измерения энергии.
Описанная конструкция оптической схемы устройства обеспечивает требуемое ослабление энергии лазерного пучка до уровня, необходимого для измерения его фотодиодом. Возможность регулировки с помощью винтов расстояния от внешней цилиндрической поверхности диффузного рассеивателя до разветвленных концов световолоконного коллектора позволяет уменьшать влияние зонной характеристики устройства на результат измерения энергии, что повышает точность измерения энергии.
Наличие нейтрального ослабителя на входе фотодиода и возможность регулировки с помощью винта расстояния от конца световолоконного коллектора, противоположного к разветвленным концам, до поверхности ослабителя, позволяет согласовать уровень отбираемого рассеянного излучения с диапазоном линейности фотодиода, что также повышает точность измерения энергии.
Схема заявляемого устройства для измерения энергии лазерных импульсов в предпочтительном варианте его осуществления представлена на Фиг. 1. Устройство представляет собой измерительный преобразователь 1, в состав которого входит нейтральный ослабитель 2 толщиной около 4 мм, диффузный рассеиватель 3, выполненный в виде цилиндрической шайбы из молочного стекла, например, марки МС-23, установленной во фланец, причем на внешней цилиндрической поверхности рассеивателя равномерно по окружности установлены и закреплены посредством винтов 4 разветвленные концы световолоконного коллектора 5, противоположный конец которого закреплен в оправу с помощью винта 6, где соосно с концом 5 размещен нейтральный ослабитель излучения 7 и фотодиод 8, измерительно-вычислительный блок 15, содержащий интегрирующее устройство 9, усилитель 10, пиковый детектор 11, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12, микропроцессор 13 и индикатор 14. В микропроцессоре осуществляется программная аппроксимация характеристики фотодиода методом наименьших квадратов посредством использования специально разработанного программного обеспечения.
На Фиг. 2 приведена характеристика стабильности коэффициента ослабления ослабителя, выполненного из стекла НС-2и используемого для измерения энергии импульсов с плотностью мощности ≈6·109 Вт/см2 и длительностью импульса ≈6·10-9 с в серии из пяти измерений. Представленная характеристика подтверждает возможность обеспечения стабильности коэффициента пропускания подобранного стекла при упомянутом уровне плотности мощности.
Устройство работает следующим образом. Излучение лазера поступает на нейтральный ослабитель 2 и на диффузный рассеиватель 3. Рассеянное излучение поступает на разветвленные концы световолоконного коллектора 5, далее - на нейтральный ослабитель 7 и на фотодиод 8. Поступающее на фотодиод 8 импульсное лазерное излучение преобразуется в импульс тока. Импульс тока фотодиода поступает на интегрирующее устройство 9, преобразующее его в импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна энергии излучения на входе фотодиода. Импульс напряжения с выхода интегрирующего устройства через усилитель 10 поступает на вход пикового детектора 11, который «запоминает» и «хранит» информацию о значении пиковой амплитуды этого импульса в течение времени (~ 100 мкс), необходимого для его измерения и регистрации.
Благодаря этому устройство позволяет проводить измерение энергии как одиночного импульса, так и последовательности лазерных импульсов с частотой следования до 103-104 Гц.
С выхода пикового детектора сигнал поступает на АЦП 12, где преобразуется в цифровую информацию, оцифрованный сигнал от которого поступает на микропроцессор 13. Микропроцессор считывает данные во внутреннюю память для последующей обработки и формирования сигналов для визуализации на индикаторе 14.
Литература:
1. Сайт www.ophiropt.com/laser-measurement. Каталог измерителей мощности и энергии «OPHIR».
2. В.Б. Лощенков, К.Г. Линьков, Н.Н. Брысин, Т.А. Савельева. Патент RU №2381461 С1, кл. G01J 1/04, 2008.
3. Н.Н. Белов, А.А. Негин. Авторское свидетельство SU №701221 А, кл. G01J 1/58, 1986.
Claims (4)
1. Устройство для измерения энергии мощных нано- и пикосекундных лазерных импульсов, содержащее источник лазерного излучения, рассеивающую среду, ослабитель лазерного излучения, канал распространения рассеянного лазерного излучения, измерительно-вычислительный блок, отличающееся тем, что рассеивающая среда формируется диффузным рассеивателем, выполненным в виде цилиндрической шайбы из молочного стекла, установленной во фланец, а на внешней поверхности цилиндра равномерно по окружности установлены и закреплены посредством винтов с возможностью регулировки расстояния до поверхности цилиндра для выравнивания зонной характеристики устройства разветвленные концы световолоконного коллектора, обеспечивающего передачу рассеянного оптического сигнала через ослабитель на фотодиод, причем противоположный к разветвленным конец световолоконного коллектора закреплен в оправу с помощью винта, позволяющего путем регулировки расстояния от него до поверхности ослабителя создавать необходимый уровень сигнала, передаваемого световолоконным коллектором на ослабитель, используемый для согласования оптической схемы с характеристикой фотодиода.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве ослабителя лазерного излучения используется калиброванный нейтральный ослабитель лазерного излучения с высокими характеристиками стабильности ослабления мощных импульсов.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что диффузный рассеиватель выполнен в виде цилиндрической шайбы из стекла марки МС-23.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что измерительно-вычислительный блок содержит микропроцессор, в котором осуществляется программная аппроксимация характеристики преобразования фотодиода методом наименьших квадратов посредством специального программного обеспечения.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015112660/28A RU2587690C1 (ru) | 2015-04-08 | 2015-04-08 | Устройство для измерения энергии мощных нано- и пикосекундных лазерных импульсов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015112660/28A RU2587690C1 (ru) | 2015-04-08 | 2015-04-08 | Устройство для измерения энергии мощных нано- и пикосекундных лазерных импульсов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2587690C1 true RU2587690C1 (ru) | 2016-06-20 |
Family
ID=56132311
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015112660/28A RU2587690C1 (ru) | 2015-04-08 | 2015-04-08 | Устройство для измерения энергии мощных нано- и пикосекундных лазерных импульсов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2587690C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU170268U1 (ru) * | 2016-08-04 | 2017-04-19 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | Устройство для измерения энергии импульса лазерного излучения ультрафиолетового диапазона |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5859697A (en) * | 1997-08-28 | 1999-01-12 | Northrop Grumman Corporation | Fiber optic noise suppressor |
EP1865299A1 (en) * | 2006-06-06 | 2007-12-12 | Hartmut Schröder | Method and device for fs laser pulse characterization |
RU2381461C1 (ru) * | 2008-07-31 | 2010-02-10 | Закрытое Акционерное Общество "БИОСПЕК" | Устройство для измерения мощности лазерного излучения |
CN103712688A (zh) * | 2014-01-08 | 2014-04-09 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 高功率超短激光实时近场强度分布测量装置 |
-
2015
- 2015-04-08 RU RU2015112660/28A patent/RU2587690C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5859697A (en) * | 1997-08-28 | 1999-01-12 | Northrop Grumman Corporation | Fiber optic noise suppressor |
EP1865299A1 (en) * | 2006-06-06 | 2007-12-12 | Hartmut Schröder | Method and device for fs laser pulse characterization |
RU2381461C1 (ru) * | 2008-07-31 | 2010-02-10 | Закрытое Акционерное Общество "БИОСПЕК" | Устройство для измерения мощности лазерного излучения |
CN103712688A (zh) * | 2014-01-08 | 2014-04-09 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 高功率超短激光实时近场强度分布测量装置 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU170268U1 (ru) * | 2016-08-04 | 2017-04-19 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | Устройство для измерения энергии импульса лазерного излучения ультрафиолетового диапазона |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2587238A2 (en) | Optical fibre temperature distribution measurement apparatus | |
JPH0364812B2 (ru) | ||
US20160003687A1 (en) | Optical fiber temperature distribution measuring device | |
RU2587690C1 (ru) | Устройство для измерения энергии мощных нано- и пикосекундных лазерных импульсов | |
CN102809387B (zh) | 一种botdr信号解调方法 | |
CN106706126B (zh) | 一种基于硅光电倍增器的脉冲光响应动态范围测量方法 | |
RU2381461C1 (ru) | Устройство для измерения мощности лазерного излучения | |
CN104833419A (zh) | 一种1-3μm准直光源辐射照度测量仪 | |
RU2591273C1 (ru) | Многоканальное устройство для измерения энергии мощных нано- и пикосекундных лазерных импульсов | |
RU2593918C1 (ru) | Устройство для измерения энергии мощных нано- и пикосекундных лазерных импульсов проходного типа | |
CN105319469A (zh) | 一种热敏电阻动态特性测量装置及方法 | |
RU2594634C1 (ru) | Многоканальное устройство для измерения энергии мощных нано- и пикосекундных лазерных импульсов проходного типа | |
RU2605786C1 (ru) | Широкоапертурное устройство для измерения энергии высокоинтенсивных нано- и пикосекундных лазерных импульсов | |
RU2626315C2 (ru) | Высокоточное многоканальное устройство для измерения энергии коротких лазерных импульсов | |
Lebel-Cormier et al. | On the feasibility of using an optical fiber Bragg grating array for multi-point dose measurements in radiation therapy | |
Barna et al. | Compact energy measuring system for short pulse lasers | |
CN104849688A (zh) | 脉冲电场测量系统信号注入标定方法 | |
KR20160005847A (ko) | 변형률과 온도를 동시 측정하기 위한 광섬유 브래그 격자가 통합된 라만 광섬유 시간영역반사계 센서 및 그 센싱 방법 | |
GB2243908A (en) | Distributed fibre optic sensor | |
Saimon et al. | A low-cost fiber based displacement sensor for industrial applications | |
Faustov et al. | Remote distributed optical fibre dose measuring of high gamma-irradiation with highly sensitive Al-and P-doped fibres | |
GB2196112A (en) | Optical fibre measurement apparatus and method | |
Cen et al. | Fast and simple fault monitoring for long-reach passive optical networks | |
RU2626064C1 (ru) | Вторичный эталон единицы энергии лазерного излучения для калибровки и поверки лазерных джоульметров | |
RU2636256C2 (ru) | Способ измерения мощности и частоты импульсов лазерного излучения и устройство для его осуществления |