RU2591273C1

RU2591273C1 - Multichannel device for measuring energy of powerful nano- and picosecond laser pulses

Info

Publication number: RU2591273C1
Application number: RU2015115993/28A
Authority: RU
Inventors: Михаил Владимирович Улановский; Аркадий Михайлович Райцин; Виктор Семенович Хлопов
Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2016-07-20

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and device for measuring energy of powerful laser radiation pulses. Device includes laser radiation source, diffusing medium, optic fiber collectors, laser radiation attenuators, photodiodes, measuring and computing unit. Dissipating medium is diffusing diffuser made up in form of cylindrical washer from diffusing glass. On external surface of washer uniformly in circumferential direction branched end are fixed with possibility to adjust distance to surface of diffusers, at least, two optical fibre collectors, ensuring transmission of multiple optical signal at different wavelengths through attenuators on photodiodes. Outlet collector ends are fixed with possibility to adjust distance to attenuator.

EFFECT: technical result consists in improvement of accuracy, wider spectral range and power of measured radiation.

5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и технической физики, в частности к созданию устройств для измерения энергии мощных импульсов лазерного излучения.The invention relates to the field of measuring equipment and technical physics, in particular to the creation of devices for measuring the energy of powerful pulses of laser radiation.

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 PE50-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.The prior art devices for measuring the energy of high-power laser pulses using pyroelectric primary measuring transducers manufactured by Ophir Optronics Solutions Ltd [1]. Devices of the type PE50-DIF-ER-C and PE100BF-DIF-C make it possible to measure the energy of a pulsed laser beam with an energy of up to 40 J with a pulse duration of 0.002 ms to 20 ms with a repetition rate of up to 25 Hz to 10 kHz.

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.Moreover, the power density of the measured laser radiation in one pulse with a beam diameter of ≈33 mm is ≈2.5 · 10 ⁶ W / cm ² , which is typical for pulses of the micro- and millisecond duration range.

Однако для решения задач измерения энергии мощных лазерных импульсов в нано- и пикосекундном диапазонах длительностей упомянутые устройства по своей структуре не приспособлены к высоким плотностям мощности ≈(1-5)·10⁹ Вт/см² из-за низкого значения предельной оптической мощности пироэлектрических приемников, превышение которой ведет к их повреждению или к необратимому изменению метрологических характеристик.However, to solve the problems of measuring the energy of high-power laser pulses in the nano- and picosecond ranges of durations, the aforementioned devices are not adapted in their structure to high power densities ≈ (1-5) · 10 ⁹ W / cm ² due to the low value of the limiting optical power of pyroelectric detectors Exceeding of which leads to their damage or to irreversible change in metrological characteristics.

Задача расширения диапазона длительностей мощных лазерных импульсов при измерении энергии может эффективно решаться посредством применения устройств, основанных на рассеянии измеряемого излучения.The task of expanding the range of durations of high-power laser pulses during energy measurement can be effectively solved by using devices based on the scattering of the measured radiation.

Из уровня техники известно устройство 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.The prior art device for measuring the power of laser radiation based on diffuse scattering [2]. The device is designed to measure the power of low-intensity continuous radiation of therapeutic laser systems with fiber optic probes using tips of various shapes. The scatterer used at the output of the probes makes it possible to generate radiation close in intensity for all types of tips used with equal optical power introduced into the fiber-optic probe without additional reconfiguration of the device. In fact, for different types of tips, the spatial distribution of intensity at the output of the diffuser is leveled. However, this device is not designed to measure the energy of powerful short (nano- and picosecond) pulses, since it is not designed to work with high radiation power densities, leading to failure of the used optical elements of the device due to their insufficient radiation resistance to density levels ≈ (1-5) · 10 ⁹ W / cm ² . In addition, the path for measuring and processing the electrical signal of the said device does not contain elements that can measure the energy of powerful laser pulses or pulse sequences.

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 Вт/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. Применение в устройстве одного приемного элемента, работающего в широком спектральном диапазоне, приводит к разной чувствительности устройства при измерении энергии на разных длинах волн. На длинах волн, где спектральная чувствительность падает, увеличивается погрешность измерения энергии.The closest analogue of the proposed device is a device that operates on the basis of a non-contact method for measuring the power of laser radiation, based on measuring the scattering of the secondary glow from aerosol particles from refractory material when exposed to laser radiation with an intensity of more than 10 ³ W / cm ² [3]. The error in measuring the laser characteristics of the proposed method is determined by the accuracy of measuring the concentration of luminous particles. This concentration, in turn, can be measured with high accuracy if the aerosol stream is formed as a flat layer. However, the creation of a wide homogeneous layer is a rather complicated technical problem, as the authors mention directly in the document [3], and the possible solution to this problem does not consider the metrological aspect, which is essential when creating both new measurement methods and devices corresponding to these methods. The use of one receiving element in the device operating in a wide spectral range leads to different sensitivity of the device when measuring energy at different wavelengths. At wavelengths where the spectral sensitivity decreases, the error in measuring energy increases.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в создании многоканального высокоточного устройства для измерения энергии мощных нано- и пикосекундных лазерных импульсов с плотностью мощности ≈(1-5)·10⁹ Вт/см² в расширенном спектральном диапазоне, определяемым числом измерительных каналов, с обеспечением независимости результата измерений от вида пространственного распределения интенсивности лазерного пучка и высокой спектральной чувствительности на фиксированной длине волны для каждого измерительного канала.The technical problem solved by the invention is to create a multi-channel high-precision device for measuring the energy of high-power nano- and picosecond laser pulses with a power density of ≈ (1-5) · 10 ⁹ W / cm ² in an extended spectral range determined by the number of measuring channels, with independence of the measurement result from the form of the spatial distribution of the laser beam intensity and high spectral sensitivity at a fixed wavelength for each measuring channel.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в расширении спектрального диапазона излучения, в увеличении диапазона плотности мощности при измерении энергии лазерных импульсов до (1-5)·10⁹ Вт/см², повышении точности измерения энергии, обеспечении независимости точности измерений от формы пространственного распределения интенсивности.The technical result achieved by the implementation of the invention is to expand the spectral range of radiation, to increase the range of power density when measuring the energy of laser pulses to (1-5) · 10 ⁹ W / cm ² , increasing the accuracy of energy measurement, ensuring independence of measurement accuracy from form spatial distribution of intensity.

Достижение этого результата обеспечивается применением нескольких измерительных каналов, оптимальных по спектральной чувствительности для разных длин волн. При этом устройство содержит калиброванный нейтральный ослабитель лазерного излучения с высокими характеристиками стабильности ослабления мощных импульсов, диффузный рассеиватель со световолоконными коллекторами, согласованными по длине волны излучения и уровню оптического сигнала с соответствующими фотодиодами для работы на выбранных длинах волн, например на длинах волн 0,53 и 1,06 мкм, переключаемых с помощью коммутатора. На входе фотодиодов установлены нейтральные ослабители с возможностью регулировки расстояния положения концов световолоконных коллекторов, подводящих рассеянное излучение к поверхности ослабителей, 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, что 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.The achievement of this result is ensured by the use of several measuring channels that are optimal in spectral sensitivity for different wavelengths. The device contains a calibrated neutral laser attenuator with high stability characteristics of attenuation of powerful pulses, a diffuse scatterer with fiber optic collectors matched by the wavelength of the radiation and the level of the optical signal with the corresponding photodiodes for operation at selected wavelengths, for example, at wavelengths of 0.53 and 1.06 μm switchable using a switch. Neutral attenuators are installed at the input of the photodiodes with the possibility of adjusting the distance of the ends of the fiber optic collectors supplying scattered radiation to the surface of the attenuators, which allows you to change the intensity of the radiation entering the photodiode, since the intensity changes inversely with the square of the distance and the branched ends of the fiber optic collector scattered radiation from a diffuse diffuser arrives, installed with the possibility of distance adjustment I from them to the external cylindrical surface of the diffuse scatterer, which allows alignment of the band characteristics of the device, i.e., to ensure that the intensity of the radiation incident on the branched ends of the fiber optic collector depends only slightly on the position of the laser beam entering the device relative to the diffuse scatterer, which ultimately leads to an increase in the accuracy of energy measurement.

В состав заявляемого устройства для измерения энергии входят также 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, этот сигнал затем поступает на вход пикового детектора для запоминания и хранения информации о значении пиковой амплитуды импульса, измерительно-вычислительный блок, в котором посредством специально разработанного программного обеспечения, путем программной аппроксимации характеристик преобразования фотодиодов методом наименьших квадратов снижается нелинейность упомянутой характеристики до уровня 0,5-0,7% в диапазоне двух-трех десятичных порядков изменения энергии.The composition of the claimed device for measuring energy also includes an integrating device that performs the function of converting the current pulse from the output of the photodiode to a voltage pulse, the amplitude of which is proportional to the radiation energy at the input of the photodiode, a voltage amplifier with a variable gain determined by the value of the laser radiation energy to create the required level electrical signal to operate the peak detector, this signal is then fed to the input of the peak detector for storing and storing information about the value of the peak amplitude of the pulse, a measuring and computing unit in which, using specially developed software, by software approximation of the conversion characteristics of photodiodes by the least square method, the non-linearity of the mentioned characteristic is reduced to a level of 0.5-0.7% in the range of two to three decimal orders of change of energy.

Наличие отдельных каналов измерения для двух или более длин волн позволяет использовать фотодиоды, имеющие высокую спектральную чувствительность, на оптимальной для конкретного фотодиода длине волны и тем самым обеспечивать возможность независимой регулировки чувствительности каналов, что повышает точность измерения энергии.The presence of separate measurement channels for two or more wavelengths allows the use of photodiodes having a high spectral sensitivity at the optimal wavelength for a particular photodiode and thereby allows independent adjustment of the sensitivity of the channels, which increases the accuracy of energy measurement.

Независимо от вида пространственного распределения интенсивности лазерного пучка, поступающего на диффузный рассеиватель, структура распределения на его выходе выравнивается и приближается к равномерной, что обеспечивает возможность измерения энергии вне зависимости от вида пространственного распределения интенсивности.Regardless of the type of spatial distribution of the intensity of the laser beam arriving at the diffuse scatterer, the distribution structure at its output is aligned and approaches uniform, which makes it possible to measure energy regardless of the type of spatial distribution of intensity.

Световолоконный коллектор обеспечивает передачу рассеянного оптического сигнала на фотодиоды, что уменьшает влияние электромагнитной помехи во время импульса за счет конструктивного вынесения фотодиодов из тракта прямого лазерного излучения, что повышает точность измерения энергии.The fiber optic collector provides the transmission of a scattered optical signal to the photodiodes, which reduces the effect of electromagnetic interference during the pulse due to the structural removal of the photodiodes from the direct laser radiation path, which increases the accuracy of energy measurement.

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 световолоконных коллекторов позволяет уменьшать влияние зонной характеристики устройства на результат измерения энергии, что повышает точность измерения энергии.The described design of the optical circuit of the device provides the required attenuation of the laser beam energy to the level necessary for measuring it with a photodiode. The ability to adjust with screws the distance from the outer cylindrical surface of the diffuse diffuser to the branched ends of the fiber optic collectors allows you to reduce the influence of the band characteristics of the device on the result of energy measurement, which increases the accuracy of energy measurement.

Наличие нейтральных ослабителей на входе фотодиодов и возможность регулировки с помощью винтов расстояния от концов световолоконных коллекторов, противоположных к разветвленным концам, до поверхности ослабителей позволяет согласовать уровень отбираемого для проведения измерения рассеянного излучения с диапазоном линейности фотодиодов, что повышает точность измерения энергии.The presence of neutral attenuators at the input of the photodiodes and the ability to adjust with screws the distance from the ends of the fiber optic collectors opposite to the branched ends to the surface of the attenuators allows you to match the level of scattered radiation selected for the measurement with the linear range of the photodiodes, which increases the accuracy of energy measurement.

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, установленный во фланец, причем на внешней цилиндрической поверхности рассеивателя равномерно по окружности установлены и закреплены посредством винтов 4 разветвленные концы двух световолоконных коллекторов 5, 6, противоположные концы которых закреплены в оправу с помощью винтов 7, где соосно с концами 5, 6 размещены нейтральные ослабители излучения 8, и фотодиоды 9, 10, например, типа G8370 для длины волны 1,06 мкм или S2386 для длины волны 0,53 мкм, далее устанавливаются коммутатор 11 и измерительно-регистрирующий блок 18, состоящий из интегрирующего устройства 12, усилителя 13, пикового детектора 14, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 15, микропроцессора 16 и индикатора 17.A diagram of the inventive device for measuring the energy of laser pulses in a preferred embodiment is presented in FIG. 1. The device is a measuring transducer 1, which includes a neutral attenuator 2 with a thickness of about 4 mm, a diffuse diffuser 3 made in the form of a cylindrical washer made of milk glass, for example, grade MS-23, mounted in a flange, and on the outer cylindrical surface of the diffuser, the branch ends of two fiber-optic collectors 5, 6, the opposite ends of which are fixed to the frame with screws 7, where it is coaxial with 5, 6 there are neutral radiation attenuators 8, and photodiodes 9, 10, for example, type G8370 for a wavelength of 1.06 μm or S2386 for a wavelength of 0.53 μm, then a switch 11 and a measuring and recording unit 18, consisting of an integrating device 12, an amplifier 13, a peak detector 14, an analog-to-digital converter (ADC) 15, a microprocessor 16, and an indicator 17.

На фиг. 2 приведена характеристика стабильности коэффициента ослабления ослабителя, выполненного из стекла НС-2 и используемого для измерения энергии импульсов с плотностью мощности ≈6·10⁹ Вт/см² и длительностью импульса ≈6·10^-9 с в серии из пяти измерений. Характеристика подтверждает стабильность коэффициента пропускания подобранного стекла при упомянутом уровне плотности мощности.In FIG. Figure 2 shows the stability characteristic of the attenuation coefficient of the attenuator made of NS-2 glass and used to measure the energy of pulses with a power density of ≈6 · 10 ⁹ W / cm ² and a pulse duration of ≈6 · 10 ^-9 s in a series of five measurements. The characteristic confirms the stability of the transmittance of the selected glass at the mentioned level of power density.

Устройство работает следующим образом. Излучение лазера поступает на нейтральный ослабитель 2 и на диффузный рассеиватель 3. Рассеянное излучение поступает на разветвленные концы световолоконных коллекторов 5, 6, далее - на нейтральные ослабители 8 и на включенный с помощью коммутатора 11, в зависимости от длины волны измеряемого излучения, фотодиод 9 или 10.The device operates as follows. The laser radiation enters the neutral attenuator 2 and the diffuse scatterer 3. The scattered radiation enters the branched ends of the fiber optic collectors 5, 6, then to the neutral attenuators 8 and to the photodiode 9 or switched on by means of the switch 11, depending on the wavelength of the measured radiation 10.

Поступающее на соответствующий фотодиод импульсное лазерное излучение преобразуется в импульс тока. Импульс тока фотодиода поступает на интегрирующее устройство 12, преобразующее его в импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна энергии излучения на входе фотодиода. Импульс напряжения с выхода интегрирующего устройства через усилитель 13 поступает на вход пикового детектора 14, который «запоминает» и «хранит» информацию о значении пиковой амплитуды этого импульса в течение времени (~ 100 мкс), необходимого для его измерения и регистрации.The pulsed laser radiation arriving at the corresponding photodiode is converted into a current pulse. The current pulse of the photodiode is supplied to an integrating device 12, converting it into a voltage pulse, the amplitude of which is proportional to the radiation energy at the input of the photodiode. The voltage pulse from the output of the integrating device through the amplifier 13 is fed to the input of the peak detector 14, which "remembers" and "stores" information about the value of the peak amplitude of this pulse for the time (~ 100 μs) necessary for its measurement and registration.

Благодаря этому устройство позволяет проводить измерение энергии как одиночного импульса, так и последовательности лазерных импульсов с частотой следования до 10³ - 10⁴ Гц.Thanks to this, the device allows the measurement of energy as a single pulse, and a sequence of laser pulses with a repetition rate of up to 10 ³ - 10 ⁴ Hz.

С выхода пикового детектора сигнал поступает на АЦП 15, где преобразуется в цифровую информацию. Затем оцифрованный сигнал поступает на микропроцессор 16. Микропроцессор считывает данные во внутреннюю память для последующей обработки и формирования сигналов для индикации на индикаторе 17.From the output of the peak detector, the signal is fed to the ADC 15, where it is converted into digital information. Then the digitized signal is fed to the microprocessor 16. The microprocessor reads the data into the internal memory for subsequent processing and generation of signals for display on the indicator 17.

ЛитератураLiterature

[1] Сайт www.ophiropt.com/laser-measurement. Каталог измерителей мощности и энергии «OPHIR».[1] Website www.ophiropt.com/laser-measurement. Catalog of power and energy meters "OPHIR".

[2] Лощенков В.Б., Линьков К.Г., Брысин Н.Н., Савельева Т.А. Патент RU №2381461 С1, кл. G01J 1/04, 2008.[2] Loschenkov VB, Linkov KG, Brysin NN, Savelyeva T.A. Patent RU No. 2381461 C1, cl. G01J 1/04, 2008.

[3] Белов Н.Н., Негин А.А. Авторское свидетельство SU №701221, кл. МПК: G01J 1/58, 1986.[3] Belov NN, Negin A.A. Copyright certificate SU No. 701221, cl. IPC: G01J 1/58, 1986.

Claims

1. A device for measuring the energy of high-power nano- and picosecond laser pulses, containing a laser source, a scattering medium, a laser attenuator, a diffused laser radiation propagation channel, a measuring and computing unit, characterized in that the scattering medium is formed by a diffuse scatterer made in the form a cylindrical washer made of milk glass mounted in the flange, and mounted on the outer surface of the cylinder evenly around the circumference by means of screws with the ability to adjust the distance to the surface of the cylinder to equalize the band characteristics of the device, the branched ends of at least two fiber optic collectors that transmit a scattered optical signal at different wavelengths through attenuators to photodiodes, each of which is matched to a corresponding collector to operate at a wavelength corresponding to this collector, moreover, opposite to the branched ends of the fiber optic collectors are fixed in the frame using screws that allow Uteem adjust the distance from them to the surface to create attenuators desired signal transmitted by optical fibers on the collector of attenuators used for matching with the optical circuit characteristics of photodiodes, and switching between the photodiodes by means of the switch.

2. The device according to claim 1, characterized in that a calibrated neutral laser attenuator with high stability characteristics of attenuation of powerful pulses is used as a laser radiation attenuator.

3. The device according to p. 1, characterized in that it contains two fiber-optic collectors that are matched by the level of the optical signal with two photodiodes for operation at wavelengths of 0.53 and 1.06 microns.

4. The device according to p. 1, characterized in that the diffuse diffuser is made in the form of a cylindrical washer made of glass brand MS-23.

5. The device according to p. 1, characterized in that the measuring and computing unit contains a microprocessor, in which the software approximates the conversion characteristics of photodiodes by the least squares method using special software.