RU2594634C1 - Multichannel device for measuring energy of powerful nano-and picosecond transmission-type laser pulses - Google Patents
Multichannel device for measuring energy of powerful nano-and picosecond transmission-type laser pulses Download PDFInfo
- Publication number
- RU2594634C1 RU2594634C1 RU2015128248/28A RU2015128248A RU2594634C1 RU 2594634 C1 RU2594634 C1 RU 2594634C1 RU 2015128248/28 A RU2015128248/28 A RU 2015128248/28A RU 2015128248 A RU2015128248 A RU 2015128248A RU 2594634 C1 RU2594634 C1 RU 2594634C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- measuring
- photodiodes
- optical
- radiation
- fiber optic
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
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 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 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.
Кроме того, данные устройства не являются устройствами проходного типа и тем самым не позволяют одновременно проводить измерения энергии и использовать лазерный пучок для дальнейшего применения.In addition, these devices are not devices of the type through passage and thus do not allow simultaneous energy measurements and the use of a laser beam for further use.
Задача расширения диапазона длительностей мощных лазерных импульсов при измерении энергии и использовании лазерного пучка для дальнейшего применения может эффективно решаться посредством применения устройств проходного типа, основанных как на измерении лишь малой части рассеянного излучения, так и обеспечивающих прохождение основной части излучения через оптически-прозрачный рассеиватель без существенного ослабления.The problem of expanding the range of durations of high-power laser pulses when measuring energy and using a laser beam for further use can be effectively solved by using pass-through devices based on measuring only a small part of the scattered radiation, and allowing the main part of the radiation to pass through an optically transparent scatterer without significant weakening.
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 [2]. 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 [2] 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 operating 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 [2]. 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 [2], 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 заявляемым изобретением, состоит в создании многоканального высокоточного устройства для измерения энергии мощных нано- и пикосекундных лазерных импульсов проходного типа с плотностью мощности ≈(1-5)·109 Вт/см2 в расширенном спектральном диапазоне, определяемом числом измерительных каналов, с обеспечением независимости результата измерений от вида пространственного распределения интенсивности лазерного пучка с возможностью использовать лазерный пучок для дальнейшего применения, в упрощении конструкции устройства и высокой спектральной чувствительности на фиксированной длине волны для каждого измерительного канала.The technical problem solved by the claimed invention is to create a multi-channel high-precision device for measuring the energy of high-power nano- and picosecond laser pulses of a through type with a power density of ≈ (1-5) · 10 9 W / cm 2 in an extended spectral range determined by the number of measuring channels , ensuring the independence of the measurement result from the type of spatial distribution of the intensity of the laser beam with the ability to use the laser beam for further use, in simplifying the design device and high spectral sensitivity at a fixed wavelength for each measuring channel.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого 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 лазерного пучка с возможностью использовать лазерный пучок для дальнейшего применения, а также в упрощении конструкции устройства.The technical result achieved by the implementation of the claimed 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 the shape of the spatial distribution of the intensity of the laser beam with the ability to use the laser beam for further use, as well as to simplify the design of the device.
Достижение этого результата обеспечивается применением нескольких измерительных каналов, оптимальных по спектральной чувствительности для разных длин волн. При этом устройство содержит оптический элемент, выполненный в виде цилиндрической шайбы из оптического стекла, расположенный под углом α≈5°÷7° к оптической оси лазерного пучка для устранения влияния отраженного от шайбы обратного излучения. Таким образом, основная часть излучения проходит без существенного ослабления, а рассеянное излучение поступает на световолоконные коллекторы, согласованные 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 боковой поверхности шайбы, установлены с возможностью регулировки расстояния от них до внешней цилиндрической поверхности шайбы 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 цилиндрической шайбы, 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. In this case, the device contains an optical element made in the form of a cylindrical washer made of optical glass, located at an angle α≈5 ° ÷ 7 ° to the optical axis of the laser beam to eliminate the effect of backward radiation reflected from the washer. Thus, the main part of the radiation passes without significant attenuation, and the scattered radiation enters the 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 switched 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 mentioned, and the branched ends of the fiber optic collector scattered radiation from the side surface of the washer is installed, installed with the ability to adjust the distance from them to the outer cylindrical surface of the diffuser washer, which allows alignment of the zone 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 cylindrical washer, which ultimately entails an increase in the accuracy of energy measurement.
В состав заявляемого устройства для измерения энергии входят также коммутатор, необходимый для подключения нужного канала в зависимости от длины волны излучения, 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 фотодиодов 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.The composition of the claimed device for measuring energy also includes a switch necessary to connect the desired channel depending on the radiation wavelength, a measuring and computing unit containing 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 by the input of the photodiode, a voltage amplifier with a variable gain, determined by the value of the energy of laser radiation to create the necessary the maximum level of the electrical signal for the peak detector to work, a peak detector for storing and storing information on the value of the peak amplitude of the pulse, an analog-to-digital converter for converting the electrical signals of the peak detector into digital information, a microprocessor in which, using specially developed software, by software approximation of the characteristics conversion of photodiodes by the least squares method reduces the non-linearity of the above characteristics to the level of 0.5 -0.7% in the range of two to three decimal orders of change in energy, an indicator for visualizing the measurement results.
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 цилиндрическую шайбу, структура распределения на его выходе за счет рассеяния выравнивается и приближается к равномерной, что обеспечивает требуемую точность измерения энергии вне зависимости от вида пространственного распределения интенсивности.Regardless of the type of spatial distribution of the intensity of the laser beam entering the cylindrical washer, the distribution structure at its output due to scattering is smoothed out and approaches uniform, which ensures the required accuracy of energy measurement regardless of the type of spatial intensity distribution.
Световолоконные коллекторы обеспечивают передачу оптического сигнала от цилиндрической шайбы за счет рассеяния 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.Fiber optic collectors provide the transmission of the optical signal from the cylindrical washer due to scattering to the photodiodes, which reduces the effect of electromagnetic interference during the pulse due to the constructive 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 шайбы 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 washer 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 the 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, состоящий из оптически-прозрачного рассеивателя проходного типа 2, обеспечивающего прохождение излучения через него и выполненного в виде цилиндрической шайбы из оптического стекла, например, марки К-8, установленной во фланец под острым углом α≈5°÷7° оси симметрии шайбы к оптической оси для предотвращения обратного отражения на лазер, причем на внешней цилиндрической поверхности шайбы равномерно по окружности установлены и закреплены посредством винтов 3 разветвленные концы двух световолоконных коллекторов 4, 5, противоположные концы которых закреплены в оправу с помощью винтов 6, где соосно с концами 4, 5 размещены нейтральные ослабители излучения 7 и фотодиоды 8, 9, например, типа G8370 для длины волны 1,06 мкм или S2386 для длины волны 0,53 мкм, коммутатора 10 и измерительно-вычислительного блока 17, состоящего из интегрирующего устройства 11, усилителя 12, пикового детектора 13, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 14, микропроцессора 15 и индикатора 16. В микропроцессоре осуществляется программная аппроксимация характеристики фотодиода методом наименьших квадратов посредством использования специально разработанного программного обеспечения.A diagram of the inventive device for measuring laser pulse energy in a preferred embodiment is shown in FIG. 1. The device is a
Устройство работает следующим образом. Излучение лазера поступает на рассеиватель 2. Основная часть потока излучения проходит через рассеиватель без существенного ослабления, а рассеянное излучение с боковой его поверхности поступает на разветвленные концы световолоконных коллекторов 4, 5, далее - на нейтральные ослабители 7 и на включенный с помощью коммутатора 10, в зависимости от длины волны измеряемого излучения, фотодиод 8 или 9.The device operates as follows. The laser radiation enters the
Поступающее на соответствующий фотодиод импульсное лазерное излучение преобразуется в импульс тока. Импульс тока фотодиода поступает на интегрирующее устройство 11, преобразующее его в импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна энергии излучения на входе фотодиода. Импульс напряжения с выхода интегрирующего устройства через усилитель 12 поступает на вход пикового детектора 13, 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
Благодаря этому устройство позволяет проводить измерение энергии как одиночного импульса, так и последовательности лазерных импульсов с частотой следования до 103-104 Гц.Due 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 14, где преобразуется в цифровую информацию. Затем оцифрованный сигнал поступает на микропроцессор 15. Микропроцессор считывает данные во внутреннюю память для последующей обработки и формирования сигналов для индикации на индикаторе 16.From the output of the peak detector, the signal is fed to the ADC 14, where it is converted into digital information. Then, the digitized signal is fed to the microprocessor 15. The microprocessor reads the data into the internal memory for subsequent processing and generation of signals for display on the indicator 16.
Источники информацииInformation sources
[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] Н.Н. Белов, А.А. Негин. Авторское свидетельство SU №701221, кл. МПК: G01J 1/58, 1986.[2] N.N. Belov, A.A. Negin. Copyright certificate SU No. 701221, cl. IPC:
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015128248/28A RU2594634C1 (en) | 2015-07-14 | 2015-07-14 | Multichannel device for measuring energy of powerful nano-and picosecond transmission-type laser pulses |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015128248/28A RU2594634C1 (en) | 2015-07-14 | 2015-07-14 | Multichannel device for measuring energy of powerful nano-and picosecond transmission-type laser pulses |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2594634C1 true RU2594634C1 (en) | 2016-08-20 |
Family
ID=56697408
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015128248/28A RU2594634C1 (en) | 2015-07-14 | 2015-07-14 | Multichannel device for measuring energy of powerful nano-and picosecond transmission-type laser pulses |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2594634C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4242581A (en) * | 1979-03-01 | 1980-12-30 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Laser energy monitor |
| SU701221A1 (en) * | 1977-06-20 | 1986-06-30 | Предприятие П/Я А-7629 | Method of measuring power and distribution of laser radiation intensity |
| US5313542A (en) * | 1992-11-30 | 1994-05-17 | Breault Research Organization, Inc. | Apparatus and method of rapidly measuring hemispherical scattered or radiated light |
| EP1865299A1 (en) * | 2006-06-06 | 2007-12-12 | Hartmut Schröder | Method and device for fs laser pulse characterization |
-
2015
- 2015-07-14 RU RU2015128248/28A patent/RU2594634C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU701221A1 (en) * | 1977-06-20 | 1986-06-30 | Предприятие П/Я А-7629 | Method of measuring power and distribution of laser radiation intensity |
| US4242581A (en) * | 1979-03-01 | 1980-12-30 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Laser energy monitor |
| US5313542A (en) * | 1992-11-30 | 1994-05-17 | Breault Research Organization, Inc. | Apparatus and method of rapidly measuring hemispherical scattered or radiated light |
| EP1865299A1 (en) * | 2006-06-06 | 2007-12-12 | Hartmut Schröder | Method and device for fs laser pulse characterization |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0983486B1 (en) | Distributed sensing system | |
| CN108007897B (en) | Terahertz time-domain spectral measurement system | |
| JPH0364812B2 (en) | ||
| CN107356914B (en) | Calibration system for satellite-borne laser radar detector | |
| CN107356854B (en) | Light intensity calibration device and method of single photon photoelectric device | |
| US20150070705A1 (en) | Autocorrelator | |
| CN106908144B (en) | A kind of ultraweak starlight illumination measuring device and method | |
| RU2594634C1 (en) | Multichannel device for measuring energy of powerful nano-and picosecond transmission-type laser pulses | |
| RU2512659C2 (en) | Method to measure length of distribution of infra-red superficial plasmons on real surface | |
| CN211042668U (en) | Point source transmittance testing system of optical device | |
| RU2587690C1 (en) | Device for measuring energy of high-power nano- and picosecond laser pulses | |
| RU2593918C1 (en) | Device for measuring energy of powerful nano- and picosecond transmission-type laser pulses | |
| RU2591273C1 (en) | Multichannel device for measuring energy of powerful nano- and picosecond laser pulses | |
| CA1266509A (en) | Device for measuring the electrical field by an optical method | |
| CN115165762B (en) | Chip with spectrum resolution function | |
| RU2626315C2 (en) | High-speed multichannel device for energy measuring short laser pulses | |
| CN107631796B (en) | A kind of fibre optic rediation monitoring device and monitoring method | |
| CN109981165A (en) | A kind of receiving module test device | |
| RU2626064C1 (en) | Secondary standard of laser radiation energy unit for calibration and inspection of laser joulemeters | |
| RU2539681C1 (en) | Fibre-optic linear acceleration converter based on optical tunnelling effect | |
| CN206311770U (en) | A kind of optical waveguide array X-ray detector | |
| RU2605786C1 (en) | Large aperture device for measuring energy of high-intensity nano-and picosecond laser pulses | |
| RU2634370C1 (en) | Secondary reference standard of laser emission energy unit for laser joulemeter calibration and checkout within extended spectral range | |
| JP2015212688A (en) | Light irradiation device and method for measuring light transmission characteristic | |
| RU2808750C1 (en) | Device for measuring parameters and characteristics of radiation sources |