RU2630857C1 - Laser emission standard source for power meter calibration - Google Patents
Laser emission standard source for power meter calibration Download PDFInfo
- Publication number
- RU2630857C1 RU2630857C1 RU2016115365A RU2016115365A RU2630857C1 RU 2630857 C1 RU2630857 C1 RU 2630857C1 RU 2016115365 A RU2016115365 A RU 2016115365A RU 2016115365 A RU2016115365 A RU 2016115365A RU 2630857 C1 RU2630857 C1 RU 2630857C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- laser radiation
- thermostat
- reference source
- laser
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 92
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 32
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 30
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 23
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 19
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 8
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 6
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 5
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 31
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 19
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 19
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 15
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 8
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 5
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 4
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 3
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 2
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 2
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 2
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 210000003298 dental enamel Anatomy 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 238000005375 photometry Methods 0.000 description 1
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
- 238000004804 winding 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
- G01J1/08—Arrangements of light sources specially adapted for photometry standard sources, also using luminescent or radioactive material
Landscapes
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
Description
1. Область техники, к которой относится изобретение1. The technical field to which the invention relates.
Изобретение относится к области энергетической фотометрии и применяется в составе эталонной техники в сфере метрологии параметров оптического излучения, а конкретно - обеспечения высокоточной поверки средств измерений средней мощности коллимированного лазерного излучения.The invention relates to the field of energy photometry and is used as part of a reference technique in the field of metrology of optical radiation parameters, and in particular, to ensure high-precision verification of measuring instruments for average power of collimated laser radiation.
2. Уровень техники2. The level of technology
На практике широко применяются полупроводниковые лазерные и светодиодные источники излучения. Некоторые из них обладают рядом полезных свойств, которые расширяют возможности их применения, в том числе и в области метрологии параметров излучения. К числу таких свойств можно отнести, например, то, что потребляемая ими мощность электрического тока при прямом включении их питания преобразуется в оптическую и в тепловую энергию, а при обратном включении только в тепловую энергию. Это позволяет, контролируя, например, температуру нагрева корпуса лазера при прямом и обратном включении его электрической цепи и обеспечивая при этом одинаковый его нагрев в этих режимах путем соответствующего подбора уровней средней мощности подаваемого в эти источники электрического тока и измеряя их значения в каждом из этих режимов, оценивать среднюю мощность излучения как разность значений средней мощности тока при прямом и обратном включениях. Это позволяет использовать такие источники в качестве инструмента воздействия их излучением на различные объекты в разных, в том числе и метрологических, целях, оценивая при этом уровень средней мощности их излучения именно во время этого воздействия [Ловинский Л.С. Способ определения потока излучения полупроводникового излучателя. Авт. св. СССР №409156, Kл. G01R 31/26, 1972]. Однако метрологическое применение рассматриваемых источников излучения, особенно в составе высокоточной эталонной техники, сопряжено с необходимостью сложного поиска как конструктивных, так и методических решений, направленных на эффективное подавление влияния многих негативных оптических, тепловых, электротехнических, аппаратурных и целого ряда других факторов, связанных со сложностью скрупулезного учета потерь мощности электрического тока, излучения и тепловых потоков, а также влияния изменений температуры окружающей среды. Влияние названных факторов может усиливаться, если учитывать, что алгоритмы ведения измерительных процессов на эталонных устройствах как правило требуют проведения многократных измерений различных величин с большой выборкой. Это, в свою очередь, ведет к увеличению времени этих процессов и усиливает опасность изменений за это время, например, параметров окружающей среды, уровня генерируемой источником мощности излучения или электрического тока и т.п.Это приходится учитывать как в процессе поиска наиболее эффективных схемотехнических решений устройств, так и при выборе алгоритмов ведения измерительных процессов при их эксплуатации и метрологических исследованиях. Кроме того, разработка рассматриваемого источника излучения направлена на совершенствование и развитие метрологического обеспечения области измерений средней мощности лазерного излучения, которое характеризуется коллимированными пучками, а указанный аналог предназначен для измерений средней мощности расходящихся потоков излучения, характеризующихся угловой апертурой 30° и более. Поверка высокоточных средств измерений средней мощности лазерного излучения с использованием подобных источников потребует применения вспомогательных оптических систем с объективами и набором диафрагм, обеспечивающих требуемую пространственную направленность потока излучения. Это приведет к тому или иному ослаблению оптическими элементами таких систем нормированного по средней мощности на выходе лазерного диода расходящегося пучка излучения и будет вносить дополнительную, трудно учитываемую неопределенность в оценку этого параметра в прошедшем оптические элементы коллимированном пучке.In practice, semiconductor laser and LED radiation sources are widely used. Some of them have a number of useful properties that expand the possibilities of their application, including in the field of metrology of radiation parameters. Among these properties can be attributed, for example, the fact that the power of the electric current they consume when converted directly to their power is converted into optical and thermal energy, and when turned back on only into thermal energy. This allows, for example, by controlling, for example, the heating temperature of the laser housing during direct and reverse switching on of its electric circuit, while ensuring its equal heating in these modes by appropriate selection of the average power levels of the electric current supplied to these sources and by measuring their values in each of these modes , to evaluate the average radiation power as the difference between the values of the average current power during forward and reverse switching. This allows you to use such sources as a tool to influence their radiation on various objects for various, including metrological, purposes, while assessing the level of average power of their radiation precisely during this exposure [Lovinsky L.S. A method for determining the radiation flux of a semiconductor emitter. Auth. St. USSR No. 409156, Kl. G01R 31/26, 1972]. However, the metrological application of the considered radiation sources, especially as part of high-precision standard equipment, is associated with the need for a complex search for both constructive and methodological solutions aimed at effectively suppressing the influence of many negative optical, thermal, electrical, apparatus and a number of other factors related to complexity scrupulous accounting of power losses of electric current, radiation and heat fluxes, as well as the influence of changes in ambient temperature. The influence of these factors can be enhanced if we take into account that the algorithms for conducting measurement processes on standard devices usually require multiple measurements of various sizes with a large sample. This, in turn, leads to an increase in the time of these processes and increases the risk of changes during this time, for example, environmental parameters, the level of the radiation power generated by the radiation source or electric current, etc. This has to be taken into account as in the process of searching for the most efficient circuit solutions devices, and when choosing algorithms for conducting measurement processes during their operation and metrological research. In addition, the development of the radiation source under consideration is aimed at improving and developing metrological support for the measurement range of the average laser radiation power, which is characterized by collimated beams, and this analogue is intended for measuring the average power of diverging radiation fluxes characterized by an angular aperture of 30 ° or more. Verification of high-precision means of measuring the average power of laser radiation using such sources will require the use of auxiliary optical systems with lenses and a set of apertures that provide the required spatial directivity of the radiation flux. This will lead to one or another attenuation by optical elements of such systems of a divergent radiation beam normalized to the average power at the output of the laser diode and will introduce an additional, difficult to take into account uncertainty in the estimate of this parameter in the transmitted collimated optical elements beam.
С учетом вышеизложенного в качестве наиболее близкого аналога изобретения (прототипа) выбран Государственный первичный эталон единицы средней мощности лазерного излучения [ГОСТ 8.275-78 ГСИ. Государственный первичный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений средней мощности лазерного излучения в диапазоне длин волн 0,3 -12,0 мкм], устройство которого подробно рассмотрено также и в опубликованных в журнале «Измерительная техника» работах [Загорский Я.Т., Кауфман С.А., Козаченко М.Л. и др. Воспроизведение единицы средней мощности лазерного излучения. Измерительная техника, №11, 1979. - С. 28-30; Берман А.Ш., Весельницкий И.М., Козаченко М.Л. и др. Эталонный первичный измерительный преобразователь средней мощности лазерного излучения. Измерительная техника, №11, 1979. - С. 38-39]. Выбор в качестве прототипа названного эталона обосновывается тем, что в процессе поиска и выбора его технических решений были пройдены, найдены и успешно реализованы пути весьма эффективного подавления многих из негативных факторов, сопровождающих работу как этого прототипа, так и изобретения. Устройство этого эталона, схематически изображенного на рис. 1, представляет собой сложную измерительную систему, содержащую стабилизированный источник непрерывного лазерного излучения на базе стандартного лазера 1, объектив 2, каскад диафрагм 3 и 4, пластину-делитель излучения 5, контрольный приемник излучения 6, установленный в отраженном от делителя 5 пучке излучения и образующий таким образом совместно с пластиной проходное средство измерений средней мощности, и калибруемый по методу замещения эталонный калориметрический преобразователь 7 средней мощности постоянного электрического тока и непрерывного лазерного излучения в выходной сигнал измерительной информации, работающий в пучке прошедшего проходной измеритель излучения и полностью его поглощающий во время воспроизведения единицы средней мощности. В свою очередь, преобразователь 7 содержит массивный медный термостат 8 и размещенный в нем градиентный полостный медный приемный элемент 9. При этом полостный приемный элемент 9 выполняет две функции - как поглотителя попадающего в его внутреннюю полость 10 излучения, так и трубчатого теплопровода 11, характеризующегося свойственной меди высокой теплопроводностью и обеспечивающего интенсивный сток выделяемого в приемном элементе 9 тепла к массивному термостату 8. При этом приемный элемент 9 содержит расположенный около одного из торцов теплопровода 11 калибровочный электрический нагреватель 12, а также чувствительный элемент 13 в виде дифференциальной термобатареи, размещенный со стороны его противоположного торца в максимально приближенной к термостату 8 зоне и вырабатывающий сигнал измерительной информации, пропорциональный градиенту температуры и средней мощности проходящего через его зону к термостату 8 теплового потока. Калибровочный электрический нагреватель 12 отгорожен от окружающей среды воздушными зазорами и тонкостенным медным тепловым экраном 14, имеющим хороший тепловой контакт с теплопроводом 11. Расстояние от электронагревателя 12 до чувствительного элемента 13 вдоль теплопровода 11 превышает длину его полуокружности. Медные подводящие провода 15 калибровочного электрического нагревателя 12 проложены по всей длине теплопровода 11, плотно к нему прижаты и разветвляются на токовые и потенциальные непосредственно перед чувствительным элементом 13. Теплопровод 11 расположен внутри термостата 8 и отделен от него за исключением области 16 контакта приемного элемента 9 с термостатом 8 воздушными зазорами 77. При этом в термостате 8 помимо рассмотренного рабочего приемного элемента 9 размещен второй - компенсационный приемный элемент 18, идентичный рабочему 9, а их чувствительные элементы 13 включены по дифференциальной схеме. Термостат 8 с приемными элементами 9 и 18 защищен от внешних тепловых и механических воздействий теплоизолирующей оболочкой 19, а также внешним корпусом 20.Based on the foregoing, as the closest analogue of the invention (prototype), the State primary standard of the unit of average laser radiation power [GOST 8.275-78 GSI. The state primary standard and the all-Union calibration scheme for measuring the average laser radiation power in the wavelength range 0.3 -12.0 μm], the device of which is also discussed in detail in the works published in the journal "Measuring Technique" [Zagorsky Y.T. Kaufman S.A., Kozachenko M.L. and others. Reproduction of a unit of average laser radiation power. Measuring equipment, No. 11, 1979. - S. 28-30; Berman A.Sh., Veselnitsky I.M., Kozachenko M.L. et al. Reference primary measuring transducer of average laser radiation power. Measuring equipment, No. 11, 1979. - S. 38-39]. The choice of the named standard as a prototype is justified by the fact that in the process of searching and selecting its technical solutions, the ways of very effective suppression of many of the negative factors accompanying the work of both this prototype and the invention were passed, found and successfully implemented. The device of this standard, schematically depicted in Fig. 1, is a complex measuring system containing a stabilized source of continuous laser radiation based on a
В процессе работы прототипа пучок генерируемого лазером 1 расходящегося излучения проходит объектив 2 и диафрагмы 3 и 4, с помощью которых приобретает характер коллимированного, и попадает на делительную пластину 5, от которой небольшая часть излучения отражается и направляется в контрольный приемник излучения 6, а большая проходит через нее и попадает в эталонный преобразователь средней мощности 7 (см. рис 1. а). При этом вошедшее в преобразователь 7 излучение попадает в приемный элемент 9 на покрытое черной эмалью АК-243 донышко полости 10, где уже после первого их взаимодействия ~98% этого излучения поглощается и преобразуется в тепловой поток от донышка к массивному термостату 8 по образованному медными стенками полости 10 теплопроводу 11. Остальные 2% диффузно отраженного от донышка полости 10 излучения попадают на ее остальную развитую черненую поверхность, где также поглощаются, преобразуются в тепловой поток и, сливаясь с идущим от донышка полости 10 основным тепловым поток, также передаются пассивному термостату 8 через зону, охваченную чувствительным элементом 13, и таким образом обеспечивается пропорциональность ее выходного сигнала средней мощности проходящего через ее зону полного теплового потока. При этом благодаря выбранному соотношению длины и поперечного размера теплопровода 11, обеспечивающему увеличенное время распространения тепловой волны вдоль его оси по сравнению с поперечным направлением, температурное поле на участке теплопровода 11 в зоне чувствительного элемента 13 характеризуется автомодельным характером, т.е. не зависит от характера распределения тепловых источников в их наиболее активной зоне, т.е. в зоне донышка полости 10. При этом благодаря высокой теплопроводности теплопровода 11, обеспечивающего высокую интенсивность тепловых стоков к термостату 8, даже несмотря на увеличенную длину теплопровода 11, удается минимизировать нагрев даже его наиболее удаленного донышка полости 10. Это, в свою очередь, позволяет минимизировать тепловые потери с внешней поверхности теплопровода 11 к термостату 8 через разделяющие их воздушные зазоры благодаря малой теплопроводности воздуха, слабому развитию конвективных потоков в узких зазорах и невысокой интенсивности теплообмена излучением между обращенными друг к другу медными полированными внутренними поверхностями термостата 8 и внешними поверхностями теплопровода 11. При этом аналогичные виды тепловых потерь имеют место также и с поверхностей донышка полости 10 и электронагревателя 12, но и они минимизируются благодаря применению медного экрана 14 в совокупности с воздушными зазорами. В этом случае эти потери перехватываются экраном 14 и за счет его высокой теплопроводности возвращаются в теплопровод 11 и, вливаясь в общий тепловой поток к термостату 8, проходят через зону чувствительного элемента 13, а следовательно, учитываются. Таким образом чувствительный элемент 13 вырабатывает сигнал измерительной информации, пропорциональный средней мощности проходящего через его зону по теплопроводу 11 полного теплового потока, а следовательно, и средней мощности воздействовавшего на преобразователь лазерного излучения. Справедливость последнего утверждения подтверждает достигнутая и отмеченная ранее минимизация всех видов тепловых потерь с поверхности теплопровода, миновавших зону чувствительного элемента 13 и не вызвавших соответствующих приращений его выходного сигнала. При проведении необходимой электрической калибровки устройства по методу замещения средней мощности измеряемого непрерывного лазерного излучения средней мощностью постоянного электрического тока известной величины в электрический нагреватель 12 подают постоянный электрический ток с известным уровнем его средней мощности, адекватным уровню средней мощности измеряемого лазерного излучения. При этом значение средней мощности подаваемого в преобразователь постоянного электрического тока определяют как результат косвенного измерения этого тока и падения напряжения на электрическом нагревателе 12 с использованием соответствующих стандартных источников тока и электроизмерительных приборов, включаемых в цепь электрического нагревателя 72 с помощью подводящих токовых и потенциальных электрические проводов. После подачи постоянного электрического тока в электрический нагреватель 12 в его обмотке этот ток преобразуется в тепловой поток адекватной мощности. При этом благодаря тому что электрический нагреватель 12 максимально приближен к зоне поглощающего излучение донышка полости 10 и также защищен от окружающей среды экраном 14 образующийся в электрическом нагревателе тепловой поток направляется к термостату 8 по теплопроводу 11 по тому же самому руслу, по которому передается тепловой поток, порожденный рассмотренным ранее оптическим воздействием. Поэтому практически все рассмотренные ранее факторы, сопровождающие процесс передачи к термостату 8 теплового потока, порожденного оптическим воздействием, аналогичным образом проявляют себя и на стадии электрической калибровки. Спецификой процесса электрической калибровки является то, что он сопровождается еще и выделениями тепла на электрическом сопротивлении токовых проводов при протекании по ним тока. Для минимизации потерь этого тепла в окружающую среду, минуя участок чувствительного элемента 13, все подводящие провода плотно проложены и приклеены к теплопроводу 11 по всей его длине от нагревателя 12 вплоть до места их отвода от теплопровода 11 непосредственно перед зоной чувствительного элемента 13. Поэтому выделяемое в проводах тепло передается теплопроводу 11 и, добавляясь к идущему по нему от электрического нагревателя 12 основному тепловому потоку, проходит вместе с ним зону чувствительного элемента 13. При этом благодаря тому, что отвод проводов от теплопровода произведен в наиболее «холодной» его части рядом с термостатом 8, минимизируется перепад температуры по длине отведенных проводов, а, следовательно, и уменьшены соответствующие неконтролируемые чувствительным элементом 13 тепловые потери. Рассмотренные решения прототипа позволили также и в процессе электрической калибровки не менее эффективно минимизировать все виды тепловых потерь, а также добиться их адекватности потерям, сопутствующим оптическому воздействию на преобразователь, в том числе и за счет реализации автомодельного теплового режима его работы.During the operation of the prototype, the beam of divergent radiation generated by the
Однако следует отметить, что высокие метрологические характеристики прототипа обеспечиваются за счет его реализации в виде сложной измерительной системы, включающей в себя целый набор аппаратуры, а именно источника излучения в виде стандартного лазера 1, ряда оптических элементов в виде объектива 2, диафрагм 3 и 4, пластины-делителя излучения 5, контрольного приемника излучения 6, установленного в отраженном от делителя 5 пучке излучения и образующего таким образом совместно с ним проходное средство измерений средней мощности, и, наконец, тупикового эталонного преобразователя средней мощности излучения 7, работающего в пучке прошедшего проходной измеритель излучения и полностью его поглощающего во время воспроизведения единицы средней мощности. При реализации подобной сложной схемы эталона, даже применение всего входящего в его состав перечисленного набора аппаратуры и оптических элементов, тем не менее не может обеспечить одновременность воздействия на эталонный и поверяемый приемники излучения, единица средней мощности которого в этот же момент и воспроизводится. Это вызывает необходимость усложнения алгоритмов ведения измерительных процессов из-за введения дополнительных измерительных операций, направленных на предварительную оптическую калибровку с помощью эталонного - контрольного приемника излучения и его дальнейшего использования в последующих операциях по передаче единицы средней мощности поверяемому на эталоне средству измерений. Увеличение количества метрологических операций и продолжительности измерительных процессов отражается не только на повышении трудоемкости и снижении производительности проводимых метрологических работ, но и ведет к усилению влияния на результаты измерений различных негативных факторов, связанных, например, с нестабильностью параметров окружающей среды, источников тока и лазера, вызывающих соответствующие увеличения их погрешностей.However, it should be noted that the high metrological characteristics of the prototype are ensured by its implementation in the form of a complex measuring system, which includes a whole set of equipment, namely a radiation source in the form of a
Поскольку рассмотренное техническое решение прототипа имеет ряд существенных перечисленных ранее недостатков, на их устранение с целью дальнейшего повышения уровня метрологического обеспечения этой области измерительной техники было предпринято создание заявляемого устройства.Since the considered technical solution of the prototype has a number of significant previously listed drawbacks, to eliminate them in order to further increase the level of metrological support of this area of measuring equipment, the creation of the inventive device was undertaken.
3. Раскрытие изобретения3. Disclosure of invention
Разработка заявляемого устройства направлена на дальнейшее развитие метрологического обеспечения области измерений средней мощности коллимированного лазерного излучения путем создания отличающегося компактностью самокалибруемого эталонного источника коллимированного лазерного излучения (меры), обеспечивающего высокоточное воспроизведение единицы средней мощности пучка коллимированного лазерного излучения именно в момент его воздействия на поверяемое средство измерений при одновременном упрощении оптической схемы за счет исключения вспомогательных оптических и электротехнических элементов в виде пластины-делителя излучения 5, работающего в отраженном от нее пучке контрольного приемника излучения 6 и средств измерений его выходного сигнала, а также сокращение объема выполняемых измерительных операций и упрощение алгоритмов измерительных процессов при проведении поверочных и аттестационных работ, а также повышение точности измерений за счет исключения удвоенной погрешности контрольного прибора, а также случайных погрешностей, вызванных нестабильностью параметров окружающей среды, источника электрического тока и лазера, благодаря совмещению во времени операций воспроизведения и передачи единицы средней мощности излучения поверяемому средству измерений, обеспечивающему благодаря этому снижение трудоемкости проводимых метрологических работ и повышение производительности труда.The development of the inventive device is aimed at further developing the metrological support of the field of measurements of average power of collimated laser radiation by creating a compact self-calibrating reference source of collimated laser radiation (measure) that provides high-precision reproduction of a unit of average power of a beam of collimated laser radiation precisely at the moment of its impact on the calibrated measuring instrument at Simplification of the optical scheme due to the use of switching off auxiliary optical and electrical elements in the form of a
Конструкция заявляемого источника лазерного излучения схематически представлена на рис. 2. Эталонный источник лазерного излучения для калибровки измерителей мощности, содержащий непрерывный лазерный излучатель 1, объектив 2, каскад диафрагм 3 и 4 и эталонный преобразователь, содержащий термостат 8 и идентичные компенсационный 18 и рабочий 9 полостные приемные элементы, каждый из которых включает теплопровод 11, длина которого превышает длину полуокружности его сечения, чувствительный элемент 13 на переднем торце теплопровода, а на заднем торце теплопровода установлен тепловой экран 14, имеющий тепловой контакт с теплопроводом, при этом передний торец теплопровода закреплен в термостате, а остальная его часть размещена внутри термостата и отделена от него воздушным зазором 17, теплопровод выполнен в виде полого цилиндра, внутри которого скомпанованы непрерывный лазерный излучатель 1, объектив 2 и диафрагмы 3 и 4, при этом непрерывный лазерный излучатель 1 установлен в заднем торце теплопровода и выполнен с возможностью использования в качестве калибровочного электрического нагревателя, при этом медные подводящие провода 15 непрерывного лазерного излучателя 1 проложены по всей длине теплопровода 11 и плотно к нему прижаты и представляют собой фрагменты последнего, а их функциональное разветвление на токовые и потенциальные произведено непосредственно перед чувствительным элементом 13, обращенные друг к другу поверхности рабочего приемного элемента 9 и термостата 8 выполнены полированными, чувствительные элементы приемных элементов 9 и 18 включены по дифференциальной схеме, при этом их общий термостат 8 защищен от внешней среды теплоизолирующей оболочкой 19 и внешним корпусом 20 устройства. Корпус непрерывного лазерного излучателя 1 запрессован с хорошим тепловым контактом теплопровода 11, а открытую тыльную часть корпуса отгораживают от термостата 8 воздушный зазор и экран 14, при этом объектив 2 закреплен на выходном окне корпуса лазера с помощью теплопроводящего клея, а диафрагмы 3 и 4 выполнены в виде кольцевых выступов на внутренней поверхности теплопровода 11 и на все ее внутренние поверхности, включая диафрагмаы 3 и 4, нанесено поглощающее излучение покрытие, при этом токовые провода 15 электрического питания непрерывного лазерного излучателя 1 выполнены в виде тонкостенных медных шин, плотно прижатых с хорошим тепловым контактом к теплопроводу 11 через тонкий слой электроизолирующего клея, а ответвляющиеся от концов этих шин 15 токовые и потенциальные подводящие электрические провода выполнены идентичными и также как и шины плотно проложены вдоль теплопровода 11 через зону термобатареи 13 и таким образом также представляют собой фрагмент теплопровода, при этом токовые провода рабочего приемного элемента 9 последовательно включены в цепь одной пары токовый - потенциальный провод одной из токовых шин компенсационного приемного элемента 18.The design of the inventive laser source is schematically shown in Fig. 2. A reference laser source for calibrating power meters, comprising a continuous laser emitter 1, a lens 2, a cascade of apertures 3 and 4, and a reference transducer containing a thermostat 8 and identical compensation 18 and working 9 cavity receiving elements, each of which includes a heat conductor 11, the length of which exceeds the length of the semicircle of its cross section, the sensing element 13 at the front end of the heat pipe, and at the rear end of the heat pipe there is a heat shield 14 having thermal contact with the heat pipe, p and the front end of the heat pipe is fixed in the thermostat, and the rest of it is placed inside the thermostat and separated from it by an air gap 17, the heat pipe is made in the form of a hollow cylinder, inside of which a continuous laser emitter 1, lens 2 and aperture 3 and 4 are arranged, while the laser emitter 1 is installed at the rear end of the heat conduit and is configured to be used as a calibration electric heater, while the copper supply wires 15 of the continuous laser emitter 1 pass through wife along the entire length of heat conduit 11 and pressed tightly to it and are fragments of the latter, and their functional branching into current and potential is carried out immediately in front of the sensitive element 13, the surfaces of the working receiving element 9 and thermostat 8 are made polished, the sensitive elements of the receiving elements 9 and 18 are included in a differential circuit, while their common thermostat 8 is protected from the external environment by an insulating shell 19 and an external housing 20 of the device. The casing of the
Таким образом, сущность изобретения как технического решения выражается в наличии ниже приведенных условий.Thus, the essence of the invention as a technical solution is expressed in the presence of the following conditions.
В части наличия связей между элементами в заявляемом эталонном источнике лазерного излучения следует отметить, что он характеризуется сильной тепловой связью между объективом и непрерывным лазерным излучателем; непрерывным лазерным излучателем и теплопроводом; экраном и теплопроводом, диафрагмами и теплопроводом; токовыми шинами и теплопроводом; подводящими проводами и теплопроводом; чувствительным элементом и теплопроводом; теплопроводом и термостатом, а также слабой тепловой связью между окружающей воздушной средой и корпусом; корпусом и теплоизолирующей оболочкой; теплоизолирующей оболочкой и термостатом 8.Regarding the presence of bonds between elements in the inventive reference source of laser radiation, it should be noted that it is characterized by strong thermal coupling between the lens and the continuous laser emitter; continuous laser emitter and heat conduit; screen and heat conduit, diaphragms and heat conduit; current rails and heat conduit; lead wires and heat conduit; sensitive element and heat conduit; heat conduit and thermostat, as well as weak thermal connection between the surrounding air and the housing; case and heat insulating sheath; insulating shell and
В части взаимного расположения элементов в заявляемом устройстве следует отметить, что его рабочий и компенсационный приемные элементы, термостат, теплоизолирующая оболочка и корпус в названной последовательности концентрически размещены внутри друг друга. При этом объектив, непрерывный лазерный излучатель, диафрагмы и теплопровод в названной последовательности концентрически размещены внутри как рабочего, так и компенсационного приемных элементов. Непрерывный лазерный излучатель отстоит по длине теплопровода от чувствительного элемента на расстояние, превышающее поперечный размер сечения теплопровода. Внешние поверхности теплопровода и внутренние поверхности полости термостата разделяет воздушный зазор. Токовые шины плотно проложены с хорошим тепловым контактом их развитой плоской поверхности к теплопроводу по всей его длине от участка чувствительного элемента до лазера. Каждая токовая шина контактирует с одним токовым и одним потенциальным подводящим электрическим проводом в зоне ее торца перед чувствительным элементом. Чувствительный элемент расположен на теплопроводе вблизи его контактирующего с термостатом торца. Два токовых подводящих провода двух токовых шин рабочего приемного элемента последовательно подключены к токовому и потенциальному проводам одной токовой шины компенсационного приемного элемента.Regarding the relative positions of the elements in the inventive device, it should be noted that its working and compensation receiving elements, thermostat, heat insulating shell and the housing in the above sequence are concentrically placed inside each other. In this case, a lens, a continuous laser emitter, diaphragms and heat conduit in the above sequence are concentrically placed inside both the working and compensation receiving elements. A continuous laser emitter is spaced along the length of the heat pipe from the sensing element by a distance exceeding the transverse cross-sectional size of the heat pipe. The external surfaces of the heat pipe and the internal surfaces of the cavity of the thermostat are separated by an air gap. Current buses are densely laid with good thermal contact of their developed flat surface to the heat conduit along its entire length from the portion of the sensing element to the laser. Each current bus is in contact with one current and one potential supply electric wire in the area of its end face in front of the sensing element. The sensing element is located on the heat pipe near its end in contact with the thermostat. Two current supply wires of two current buses of the working receiving element are connected in series to the current and potential wires of one current bus of the compensation receiving element.
В части формы выполнения элементов в заявляемом устройстве следует отметить специфическую форму трубчатого теплопровода, характеризующегося сквозным внутренним цилиндрическим каналом, по длине которого выполнены в виде остроконечных кольцевых выступов две отстоящие друг от друга увеличивающиеся по диаметру диафрагмы, одна - в середине канала, а вторая - на его торце. Электрические подводящие провода в области теплопровода выполнены в виде плоских тонких токовых шин, обеспечивающих увеличение их теплового контакта с теплопроводом по сравнению с проводами. Разветвление каждой токовой шины на подводящие токовый и потенциальный электрические провода равного диаметра выполнено непосредственно перед чувствительным элементом и эти провода без отрыва проложены по теплопроводу через зону чувствительного элемента.In terms of the form of execution of the elements in the inventive device, it should be noted the specific shape of the tubular heat pipe, characterized by a through inner cylindrical channel, the length of which is made in the form of pointed annular protrusions two spaced apart from each other increasing in diameter of the diaphragm, one in the middle of the channel, and the second on his butt. Electric supply wires in the area of the heat conduit are made in the form of flat thin current bars providing an increase in their thermal contact with the heat conductor in comparison with the wires. The branching of each current bus into supplying current and potential electric wires of equal diameter is made directly in front of the sensitive element and these wires are laid without interruption through the heat pipe through the zone of the sensitive element.
В части формы выполнения связей между элементами в заявляемом устройстве следует отметить, что контактная тепловая связь между компенсационным и рабочим приемными элементами и термостатом обеспечивается с помощью винтовых соединений. Контактная тепловая связь между объективом и корпусом непрерывного лазерного излучателя обеспечивается за счет применения теплопроводящего клеевого соединения. Контактная тепловая связь между непрерывным лазерным излучателем и теплопроводом обеспечивается за счет плотной посадки и применения теплопроводящего клеевого соединения. Контактная тепловая связь между экраном и теплопроводом обеспечивается за счет прессовой посадки и развитой поверхности их контакта. Контактная тепловая связь между плоскими широкими токовыми шинами и теплопроводом обеспечивается за счет применения тонкого электроизолирующего слоя клея, увеличенной поверхности их контакта, плотного прижатия и использования клеевого соединения по всей длине теплопровода. Ослабление тепловой связи между внешними поверхностями теплопровода по всей его длине от непрерывного лазерного излучателя до чувствительного элемента с окружающими его поверхностями внутренней полости термостата достигается за счет использования разделяющего их узких воздушным зазором, а также полирования этих поверхностей.In terms of the form of the implementation of the connections between the elements in the inventive device, it should be noted that contact thermal communication between the compensation and the working receiving elements and the thermostat is provided using screw connections. Contact thermal communication between the lens and the casing of the continuous laser emitter is provided through the use of heat-conducting adhesive bonding. Contact thermal communication between a continuous laser emitter and a heat conduit is ensured by a tight fit and the use of a heat-conducting adhesive joint. Contact thermal connection between the screen and the heat conduit is provided due to the press fit and the developed surface of their contact. The contact thermal connection between the flat wide current busbars and the heat conduit is ensured through the use of a thin electrically insulating adhesive layer, an enlarged contact surface, tight pressing and the use of an adhesive joint along the entire length of the heat conduit. The weakening of the thermal bond between the external surfaces of the heat pipe along its entire length from a continuous laser emitter to a sensitive element with the surfaces of the internal cavity of the thermostat surrounding it is achieved through the use of narrow air gap separating them, as well as polishing of these surfaces.
В части параметров и характеристик элементов и их взаимосвязи в заявляемом устройстве следует отметить, что длина участка трубчатого теплопровода от непрерывного лазерного излучателя до чувствительного элемента превышает длину полуокружности его кольцевого сечения. Поэтому время прохождения тепловой волны по теплопроводу от нагреваемого электрическим током непрерывного лазерного излучателя до чувствительного элемента превышает время ее распространения по кольцевому сечению теплопровода. В связи с этим характер температурного поля приемного элемента в зоне термобатареи приобретает автомодельный характер. Поэтому реакция чувствительного элемента не зависит от характера пространственного распределения тепловых источников по теплопроводу в области непрерывного лазерного излучателя и по его черненой полости. Сечение теплопровода и теплопроводность его материала выбраны таким образом, что его нагрев в процессе работы не превышает единиц градуса. В связи с этим, а также наличием воздушных зазоров между приемными элементами и термостатом 8 обеспечивается уменьшение интенсивности их теплового взаимодействия через этот зазор и связанных с этим неконтролируемых чувствительным элементом тепловых потерь. Благодаря уменьшению воздушных зазоров до значений, не превышающих 3 мм, уменьшена интенсивность неконтролируемых чувствительным элементом тепловых потерь с поверхности приемных элементов за счет конвекции. Благодаря полированию обращенных друг к другу медных поверхностей приемных элементов и термостата уменьшена интенсивность неконтролируемых чувствительным элементом тепловых потерь с поверхности приемных элементов тепловым излучением при комнатных температурах.Regarding the parameters and characteristics of the elements and their relationship in the inventive device, it should be noted that the length of the portion of the tubular heat pipe from the continuous laser emitter to the sensitive element exceeds the length of the semicircle of its annular section. Therefore, the propagation time of a heat wave through a heat conductor from a continuous laser emitter heated by an electric current to a sensitive element exceeds the time of its propagation through the annular section of the heat conductor. In this regard, the nature of the temperature field of the receiving element in the area of the thermopile becomes self-similar. Therefore, the response of the sensitive element does not depend on the nature of the spatial distribution of heat sources through the heat conductor in the region of the continuous laser emitter and along its blackened cavity. The cross section of the heat conductor and the thermal conductivity of its material are selected in such a way that its heating during operation does not exceed units of a degree. In this regard, as well as the presence of air gaps between the receiving elements and
В части материалов, из которых выполнены элементы заявляемого устройства следует отметить, что приемные элементы и термостат выполнены из меди, обладающей необходимой для приемного элемента высокими тепло- и температуропроводностью, а также необходимой для термостата высокой теплоемкостью. Теплоизолирующая оболочка выполнена из твердого материала (пенопласта), обладающего низкой теплопроводностью. Токовые шины и подводящие токовые и потенциальные провода выполнены из меди, обладающей низким удельным электрическим сопротивлением и высокой теплопроводностью.In part of the materials from which the elements of the claimed device are made, it should be noted that the receiving elements and the thermostat are made of copper, which has the high thermal and thermal diffusivity necessary for the receiving element, as well as the high thermal capacity necessary for the thermostat. The heat-insulating shell is made of a solid material (polystyrene) having low thermal conductivity. Current busbars and supply current and potential wires are made of copper, which has a low electrical resistivity and high thermal conductivity.
В части среды, выполняющей роль элемента в заявляемом устройстве, следует назвать воздух, заполняющий зазоры между приемными элементами и термостатом и затрудняющий неконтролируемый чувствительным элементом теплообмен между ними теплопроводностью и конвекцией.In the part of the medium that acts as an element in the inventive device, it is worth mentioning the air filling the gaps between the receiving elements and the thermostat and hindering the heat exchange between them by heat conduction and convection, which is not controlled by the sensitive element.
Совокупность существенных признаков заявляемого устройства позволила, добиться для него:The set of essential features of the claimed device allowed to achieve for him:
- высокой поглощательной способности, свойственной полости его рабочего приемного элемента;- high absorption capacity inherent in the cavity of its working receiving element;
- минимизации температуры нагрева приемного элемента за счет интенсивного отвода тепла по медному трубчатому теплопроводу к массивному медному термостату, обладающему большой теплоемкостью;- minimizing the heating temperature of the receiving element due to intensive heat removal through a copper tubular heat pipe to a massive copper thermostat, which has a large heat capacity;
- устранения прямых тепловых потерь в окружающую среду с поверхности лазера путем их возврата в теплопровод за счет использования теплового экрана, отгораживающего непрерывный лазерный излучатель от окружающей среды и имеющего тепловой контакт с теплопроводом;- elimination of direct heat loss to the environment from the laser surface by returning it to the heat conduit through the use of a heat shield that encloses the continuous laser emitter from the environment and has thermal contact with the heat conduit;
- минимизации неконтролируемых чувствительным элементом тепловых потерь теплопроводностью, конвекцией и излучением с поверхности приемного элемента к окружающим его стенкам термостата через разделяющие их воздушные зазоры;- minimization of thermal losses uncontrolled by the sensitive element by thermal conductivity, convection and radiation from the surface of the receiving element to the surrounding walls of the thermostat through the air gaps separating them;
- независимости выходного сигнала чувствительного элемента от характера пространственного распределения тепловых источников в зонах активных тепловыделений в непрерывном лазерном излучателе и в полости трубчатого теплопровода благодаря выбору такой длины его участка от лазера до чувствительного элемента, которая превышает длину полуокружности его сечения, что обеспечивает такое время прохождения тепловой волны от зоны тепловых источников до зоны чувствительного элемента, которое превышает время прохождения тепловой волны по сечению теплопровода и обеспечивает реализацию автомодельного характера температурного поля в зоне чувствительного элемента;- independence of the output signal of the sensitive element from the nature of the spatial distribution of heat sources in the zones of active heat generation in the continuous laser emitter and in the cavity of the tubular heat pipe due to the choice of such a length of its section from the laser to the sensitive element that exceeds the length of the semicircle of its cross section, which ensures such a transit time of the heat waves from the zone of heat sources to the zone of the sensitive element, which exceeds the transit time of the heat wave through the cross section the heat conduit and ensures the realization of the self-similar nature of the temperature field in the zone of the sensitive element;
- учета доли энергии, выделяемой в шинах и подводящих электрических проводах при электрической калибровке заявляемого устройства за счет их плотной прокладки по всей длине теплопровода и их отвода от последнего только лишь за зоной, охваченной чувствительным элементом;- taking into account the fraction of energy released in the tires and the supplying electrical wires during electrical calibration of the claimed device due to their dense laying along the entire length of the heat pipe and their removal from the latter only beyond the zone covered by the sensitive element;
- высокой точности независимой электрической калибровки устройства по методу замещения измеряемой средней мощности излучения средней мощностью электрического тока известной величины;- high accuracy of independent electrical calibration of the device by the method of replacing the measured average radiation power by the average electric current power of known magnitude;
- эффективной защиты устройства от негативного влияния внешних тепловых и механических воздействий за счет применения массивного термостата, компенсационного приемного элемента, теплоизолирующей оболочки и внешнего корпуса;- effective protection of the device from the negative effects of external thermal and mechanical influences due to the use of a massive thermostat, a compensation receiving element, a heat-insulating shell and an external housing;
- высокой эквивалентности замещения, достигнутой в дополнение к названным ранее признакам благодаря реализации электрической схемы последовательного включения токовых подводящих проводов питания непрерывного лазерного излучателя рабочего приемного элемента с одной парой токовый - потенциальный провод компенсационного приемного элемента;- high equivalence of substitution, achieved in addition to the previously mentioned features due to the implementation of an electrical circuit for sequentially connecting the current supply wires of the supply of a continuous laser emitter of a working receiving element with one pair of current - potential wire of the compensation receiving element;
- компактности источника;- compact source;
- уменьшения количества применяемых в нем элементов за счет исключения из его состава всех оптических и электротехнических деталей и блоков контрольного прибора;- reducing the number of elements used in it due to the exclusion from its composition of all optical and electrical parts and blocks of the control device;
- совместимости во времени процессов воспроизведения единицы средней мощности лазерного излучения и ее передачи поверяемому средству измерений;- compatibility in time of processes of reproduction of a unit of average power of laser radiation and its transmission to a calibrated measuring instrument;
- сокращения количества и продолжительности измерительных операций воспроизведения и передачи единицы средней мощности лазерного излучения, связанных с применением контрольного прибора, и, как следствие, снижения трудоемкости и повышения производительности метрологических работ;- reducing the number and duration of measurement operations of reproduction and transmission of a unit of average laser radiation power associated with the use of a control device, and, as a result, reduce the complexity and increase the productivity of metrological work;
- повышения точности воспроизведения и передачи единицы средней мощности лазерного излучения за счет двукратного исключения погрешностей контрольного прибора и снижения случайных погрешностей, связанных с нестабильностью параметров окружающей среды, источника тока и непрерывного лазерного излучателя, благодаря сокращению продолжительности измерительных процессов;- improving the accuracy of reproduction and transmission of a unit of average laser radiation power due to the twofold elimination of errors of the control device and the reduction of random errors associated with the instability of the environmental parameters, the current source and the continuous laser emitter, due to the reduction in the duration of the measurement processes;
- повышения точности измерений за счет дополнительного уменьшения неконтролируемых чувствительным элементом тепловых потерь благодаря использованию токовых шин и их плотной прокладке по теплопроводу, включая зону чувствительного элемента, и предложенной схеме соединения токовых и потенциальных подводящих проводов рабочего и компенсационного приемных элементов.- improving the accuracy of measurements due to the additional reduction of heat losses uncontrolled by the sensitive element due to the use of current buses and their dense laying through the heat pipe, including the zone of the sensitive element, and the proposed connection scheme of current and potential supply wires of the working and compensation receiving elements.
Все перечисленные существенные признаки заявляемого устройства обеспечили достижение поставленной цели.All of the listed essential features of the claimed device ensured the achievement of the goal.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство дополнительно снабжено электрическим нагревателем, размещенным на теплопроводе в зоне непрерывного лазерного излучателя и закрытого общим с ним экраном.In addition, in the particular case of the invention, the device is additionally equipped with an electric heater placed on the heat pipe in the area of the continuous laser emitter and closed with a common screen.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство дополнительно снабжено водяной рубашкой и жидкостным термостатом.In addition, in the particular case of the invention, the device is additionally equipped with a water jacket and a liquid thermostat.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство дополнительно снабжено воздушным радиатором для охлаждения термостата.In addition, in the particular case of the invention, the device is additionally equipped with an air radiator for cooling the thermostat.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство дополнительно снабжено воздушным вентилятором для охлаждения термостата.In addition, in the particular case of the invention, the device is additionally equipped with an air fan for cooling the thermostat.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство дополнительно снабжено термоэлектрическими охлаждающими модулями для охлаждения термостата.In addition, in the particular case of the invention, the device is additionally equipped with thermoelectric cooling modules for cooling the thermostat.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство имеет составной теплопровод, участок которого, охваченный термобатареей, выполняют элементы его механического соединения с термостатом, (винты, заклепки, стержни, втулки, шайбы, их комбинации и т.п.).In addition, in the particular case of the invention, the device has a composite heat conduit, a portion of which, covered by a thermal battery, is provided with elements of its mechanical connection with a thermostat (screws, rivets, rods, bushings, washers, combinations thereof, etc.).
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 отображения информации выполнено в виде аналого-цифрового преобразователя.In addition, in the particular case of the invention, the means for displaying information is made in the form of an analog-to-digital converter.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство дополнительно снабжено средствами его электрической калибровки в виде источника и средств измерений тока и напряжения.In addition, in the particular case of the invention, the device is additionally equipped with means for its electrical calibration in the form of a source and means for measuring current and voltage.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство дополнительно снабжено компьютером для автоматического управления его работой, в том числе и при проведении измерительных процессов с многократными измерениями и обработкой всей измерительной информации, поступающей от средств отображениия информации, и электрической калибровки в соответствии с заданными алгоритмами ведения этих процессов и с автоматической выдачей протоколов полученных результатов.In addition, in the particular case of the invention, the device is additionally equipped with a computer for automatic control of its operation, including when carrying out measurement processes with multiple measurements and processing of all measurement information received from the means of information display and electrical calibration in accordance with predetermined reference algorithms these processes and with the automatic issuance of protocols of the results.
В процессе работы заявляемого устройства проводится электрическая калибровка преобразователя по методу замещения средней мощности измеряемого непрерывного лазерного излучения средней мощностью постоянного электрического тока известной величины. В процессе этой калибровки, обеспечивающей передачу единицы средней мощности заявляемому эталонному источнику от электрических стандартов, в непрерывный лазерный излучатель 1, выполняющий в случае его обратного включения только функцию электрического нагревателя, подают постоянный электрический ток известной мощности РО, определяемой как результат косвенного измерения тока IO и падения напряжения UO на суммарном сопротивлении непрерывного лазерного излучателя 1 и токовых шин 75 с использованием известной зависимостиIn the process of operation of the inventive device, the converter is electrically calibrated by the method of replacing the average power of the measured continuous laser radiation with the average direct current electric power of known magnitude. In the process of this calibration, which ensures the transfer of a unit of average power to the claimed reference source from electrical standards, a
РО=IO×UO.P O = I O × U O.
При этом применяют стандартные источники тока и электроизмерительные приборы, включаемые в цепь электрического питания непрерывного лазерного излучателя 1 с помощью шин 75, токовых и потенциальных электрические проводов. После подачи постоянного электрического тока в непрерывный лазерный излучатель 1 (он же - электрической нагреватель) в нем, в случае обратного включения, его мощность полностью преобразуется в тепловой поток адекватной мощности, который затем последовательно передается сначала теплопроводу 77, по стенкам запрессованного в него корпуса непрерывного лазерного излучателя 7, а далее по этому теплопроводу - термостату 8, по большой массе которого тепловой поток рассеивается. При этом чувствительный элемент 13 вырабатывает электрический сигнал измерительной информации VO, пропорциональный перепаду температуры на занятом им участке теплопровода 77, а, следовательно, пропорциональный средней мощности протекающего через этот участок к термостату 8 теплового потока, а следовательно, и средней мощности электрического тока, подаваемого в непрерывный лазерный излучатель 1 при его обратном включении. При этом выделяемый при прохождении электрического тока в подводящих ленточных медных шинах 75 тепловой поток, во-первых, минимизирован благодаря их малому электрическому сопротивлению, а, во-вторых, благодаря развитой поверхности теплового контакта шин 15 с теплопроводом 11 передается главным образом теплопроводу 11, а не теряется в окружающую среду через воздушные зазоры. При этом шины 75 представляют собой дополнительные фрагменты основного теплопровода 11, повышающие интенсивность теплостоков к термостату 8. Последнее достигается благодаря тому, что медный теплопровод 11 характеризуется высокой теплопроводностью, обеспечивающей высокую интенсивность тепловых стоков от занятой непрерывным лазерным излучателем 1 его зоны к термостату 8. Это позволяет, даже несмотря на увеличенную длину теплопровода 11, минимизировать нагрев даже его наиболее удаленного занятого непрерывным лазерным излучателем 1 участка. Это, в свою очередь, позволяет минимизировать тепловые потери с внешней поверхности теплопровода 11 к термостату 8 через разделяющие их воздушные зазоры благодаря малой теплопроводности воздуха, слабому развитию конвективных потоков в узких зазорах и невысокой интенсивности теплообмена излучением между обращенными друг к другу медными полированными внутренними поверхностями термостата 8 и внешними поверхностями теплопровода 11 в условиях комнатных температур. При этом аналогичные виды тепловых потерь имеют место также и с тыльной поверхности непрерывного лазерного излучателя 7, но и они минимизируются благодаря применению медного экрана 14 в совокупности с воздушными зазорами. В этом случае эти потери перехватываются экраном 14 и за счет его высокой теплопроводности возвращаются в теплопровод 11 и, вливаясь в общий тепловой поток к термостату 8, проходят через зону чувствительного элемента 13, а следовательно, учитываются. Таким образом чувствительный элемент 13 вырабатывает сигнал измерительной информации, пропорциональный средней мощности проходящего через его зону по теплопроводу 11 полного теплового потока. При этом благодаря достигнутой минимизации неконтролируемых чувствительным элементом 13 тепловых потерь с поверхности приемного элемента, а также автоматической компенсации тепловых помех, вызванных протеканием электрического тока в проложенных через зону чувствительного элемента 13 подводящих проводах, включенных при этом в электрическую цепь калибровки компенсационного приемного элемента 18, с высокой точностью обеспечивается пропорциональность его выходного сигнала также и средней мощности подаваемого в непрерывный лазерный излучатель 1 постоянного электрического тока. Это позволяет оценивать значение коэффициента преобразования проходящего по теплопроводу 11 через зону чувствительного элемента 13 теплового потока КРmn, исходя из полученных ранее значений мощности электрического тока РO и выходного сигнала чувствительного элемента 13 VO согласно зависимостиIn this case, standard current sources and electrical measuring instruments are used, which are included in the electric power supply circuit of a
КРmn=VO/РО.K Pmn = V O / P O.
В процессе дальнейшей работы устройства переключают непрерывный лазерный излучатель 1 в режим прямого включения, подают в него электрический ток, измеряют его значение IП, падение напряжения UП на суммарном сопротивлении непрерывного лазерного излучателя 1 и токовых шин 15 и выходной сигнал чувствительного элемента VП, после чего оценивают среднюю мощность коллимированного лазерного излучения на выходе заявляемого устройства РИ, исходя из зависимостиIn further operation of the device is switched
PИ=IП×UП-VП/КРmn.P AND = I P × U P -V P / K Pmn .
Справедливость такой оценки средней мощности коллимированного излучения на выходе заявляемого устройства объясняется тем, что подаваемый в непрерывный лазерный излучатель 1 электрический ток в режиме прямого включения частично преобразуется в расходящийся поток лазерного излучения, а частично в тепловой поток. При этом последний претерпевает преобразования, аналогичные рассмотренным ранее преобразованиям теплового потока, вызванного воздействием электрического тока на непрерывный лазерный излучатель 1 при его обратном включении. Это позволяет оценивать мощность проходящего через зону чувствительного элемента 13 полного теплового потока, используя полученные значения его выходного сигнала VП и коэффициента преобразования теплового потока КРmn, как это отражено в приведенной, используемой для оценки PИ зависимости. Что касается той доли мощности электрического тока, которая при прямом включении непрерывного лазерного излучателя 1 преобразовалась в расходящийся поток излучения, то часть его, попадая на внутренние стенки его корпуса, сливается с тепловым потоком, полученным в результате прямого преобразования части мощности тока в тепловой поток и вместе с ним передается теплопроводу 11 и также следует по нему через занятую чувствительным элементом 13 зону к термостату 8. Другая часть расходящегося излучения выходит через окно в корпусе непрерывного лазерного излучателя 1 и попадает на закрепленный на нем объектив 2, где частично поглощается и преобразуется в тепловой поток, передаваемый корпусу непрерывного лазерного излучателя 1 благодаря хорошей теплопроводности используемого их клеевого соединения, а затем и теплопроводу 11. Остальная часть расходящегося потока излучения непрерывного лазерного излучателя 1, проходя объектив 2, преобразуется в коллимированный пучок и проходит через несколько превышающие размер его диаметра две расширяющиеся диафрагмы 3 и 4, завершающие процесс его коллимирования. При этом первая диафрагма 3 отсекает от прошедшего объектив 2 и коллимированного им лазерного пучка окружающий его слабый поток излучения, вызванный дифракцией на кромках окна непрерывного лазерного излучателя и других его элементах, а вторая диафрагма 4 обрезает еще более ослабленный поток излучения, вызванный дифракцией на рабочей кромке первой 3 и завершает таким образом процесс окончательного коллимирования выходящего из устройства пучка лазерного излучения. При этом все излучение, захваченное и поглощенное чернеными поверхностями диафрагм 2 и 3, преобразуется в тепловой по теплопроводу 11 к термостату 8 через зону чувствительного элемента 13 и соответствующим образом учитывается. При этом отраженное от поверхностей диафрагм 2 и 3 излучение, а также некоторая небольшая доля проходящего через объектив 2 и рассеянного его поверхностями излучения попадает на развитую черненую внутреннюю поверхность полости 10, где после многократных отражений поглощается, преобразуется в тепловой поток и по теплопроводу 11 и в составе полного теплового потока с минимизированными потерями проходит зону чувствительного элемента 13 и учитывается.The validity of such an estimate of the average power of collimated radiation at the output of the inventive device is explained by the fact that the electric current supplied to the
4. Краткое описание чертежей4. Brief Description of the Drawings
Иллюстративный материал к описаниям прототипа и заявляемого устройства представлен в виде их отдельных рисунков с нумерацией всех входящих в него элементов. На рис. 1 представлена конструкция прототипа, на рис. 2 - заявленное устройство.Illustrative material for the descriptions of the prototype and the claimed device is presented in the form of their individual drawings with the numbering of all its constituent elements. In fig. 1 shows the design of the prototype, in Fig. 2 - the claimed device.
5. Осуществление изобретения5. The implementation of the invention
На практике реализовано заявляемое устройство, предназначенное для поверки средств измерений мощности лазерного излучения, конструктивное решение которого соответствует представленному на рис. 2 и достаточно полно описано в статике и динамике в разделе 4 в материалах настоящей заявки. К этой части описания можно добавить только перечень конкретной поддерживающей его работу стандартной электроизмерительной аппаратуры. Так в качестве непрерывного лазерного излучателя 1 использовался лазерный диод мощностью 200 мВт, источника подаваемого в этот лазер тока - прибор В1-13, а косвенные измерения его средней мощности проводились по результатам измерений значений этого тока и падения напряжения на суммарном электрическом сопротивлении непрерывного лазерного излучателя 1 и подводящих шин 75 с помощью двух высокоточных мультиметров 3458А. В качестве чувствительного элемента 13 использовался термоэлемент 1MD02-04-TEG, а для измерений его выходного сигнала - высокоточный нановольтметр 34420А.In practice, the inventive device is implemented, designed to verify the means of measuring the power of laser radiation, the structural solution of which corresponds to that shown in Fig. 2 and is sufficiently fully described in statics and dynamics in
Что касается более детального представления о возможных алгоритмах ведения измерительного процесса, то они могут варьироваться в достаточно широких пределах, включая целые ряды многократных прецизионных измерительных операций, выполняемых с большими выборками и т.д. Эти алгоритмы, как правило, предусматривают прогрев и стандартное тестирование применяемой аппаратуры, прогрев источника тока в режиме его работы на резервное сопротивление, адекватное сопротивлению лазерного диода, контроль параметров окружающей среды и внесение соответствующих поправок, четкое соблюдение заданных временных отрезков между всеми измерительными операциями, контроль и учет дрейфа нулевого уровня выходного сигнала устройства и оценку его скорости, прогнозирование и учет этого дрейфа на моменты теплового воздействия на устройство, когда его выходной сигнал приобретает аддитивный характер, т.е. включает в себя не только его информативное приращение, но и составляющую его постоянного дрейфа и уходы последнего в процессе проведения серий многократных измерений с большими выборками. При этом все операции, сопровождающие работу реализованного на практике заявляемого устройства, проводятся в автоматическом режиме в соответствии с разработанными и загруженными в компьютерную технику программами.As for a more detailed idea of the possible algorithms for conducting the measurement process, they can vary within a fairly wide range, including whole series of multiple precision measuring operations performed with large samples, etc. These algorithms, as a rule, include heating and standard testing of the equipment used, heating of the current source in the mode of operation for a backup resistance adequate to the resistance of the laser diode, monitoring of environmental parameters and making appropriate corrections, strict adherence to specified time intervals between all measurement operations, monitoring and taking into account the drift of the zero level of the output signal of the device and estimating its speed, predicting and accounting for this drift at the moments of heat exposure and the device, when its output signal becomes additive, i.e. includes not only its informative increment, but also its constant drift component and the drift of the latter in the process of conducting series of multiple measurements with large samples. Moreover, all operations accompanying the operation of the inventive device implemented in practice are carried out automatically in accordance with the programs developed and loaded into computer equipment.
Claims (16)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016115365A RU2630857C1 (en) | 2016-04-20 | 2016-04-20 | Laser emission standard source for power meter calibration |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016115365A RU2630857C1 (en) | 2016-04-20 | 2016-04-20 | Laser emission standard source for power meter calibration |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2630857C1 true RU2630857C1 (en) | 2017-09-13 |
Family
ID=59893967
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016115365A RU2630857C1 (en) | 2016-04-20 | 2016-04-20 | Laser emission standard source for power meter calibration |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2630857C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2663544C1 (en) * | 2017-11-27 | 2018-08-07 | Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") | Laser radiation power meter |
| RU2713055C1 (en) * | 2019-07-17 | 2020-02-03 | Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") | Laser radiation power meter |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1516806A1 (en) * | 1988-01-22 | 1989-10-23 | Предприятие П/Я В-8584 | Device for transmitting dimension of average power unit of laser radiation by measuring means |
| RU139288U1 (en) * | 2013-11-07 | 2014-04-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук" (НИИСФ РААСН) | SOURCE OF DIRECTED INFRARED RADIATION WITH INTERCHANGEABLE SPECTRAL RANGE |
| US20150001408A1 (en) * | 2013-06-28 | 2015-01-01 | Carl-Zeiss Ag | Illumination optical unit for a metrology system and metrology system comprising such an illumination optical unit |
| US8998453B2 (en) * | 2009-05-26 | 2015-04-07 | Instrument Systems Optische Meβtechnik GmbH | Calibration light source |
-
2016
- 2016-04-20 RU RU2016115365A patent/RU2630857C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1516806A1 (en) * | 1988-01-22 | 1989-10-23 | Предприятие П/Я В-8584 | Device for transmitting dimension of average power unit of laser radiation by measuring means |
| US8998453B2 (en) * | 2009-05-26 | 2015-04-07 | Instrument Systems Optische Meβtechnik GmbH | Calibration light source |
| US20150001408A1 (en) * | 2013-06-28 | 2015-01-01 | Carl-Zeiss Ag | Illumination optical unit for a metrology system and metrology system comprising such an illumination optical unit |
| RU139288U1 (en) * | 2013-11-07 | 2014-04-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук" (НИИСФ РААСН) | SOURCE OF DIRECTED INFRARED RADIATION WITH INTERCHANGEABLE SPECTRAL RANGE |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2663544C1 (en) * | 2017-11-27 | 2018-08-07 | Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") | Laser radiation power meter |
| RU2713055C1 (en) * | 2019-07-17 | 2020-02-03 | Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") | Laser radiation power meter |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6676287B1 (en) | Direct thermal conductivity measurement technique | |
| US11193901B2 (en) | Thermal conductivity measuring device, thermal conductivity measuring method and vacuum evaluation device | |
| West et al. | A reference calorimeter for laser energy measurements | |
| RU2630857C1 (en) | Laser emission standard source for power meter calibration | |
| CN114279597A (en) | High-precision low-power radiant heat flow meter capable of being used for radiant heat flow tracing calibration | |
| Williams et al. | Flowing-water optical power meter for primary-standard, multi-kilowatt laser power measurements | |
| Widodo et al. | Stagnation temperature in a cold hypersonic flow produced by a light free piston compression facility | |
| Celep et al. | Power sensor characterization from 110 to 170 GHz using a waveguide calorimeter | |
| CN108872740B (en) | Method for calibrating and predicting ignition temperature rise of exposed bridge wire of electric explosion device under steady state | |
| JPH0242179B2 (en) | ||
| Murthy et al. | Calibration of high heat flux sensors at NIST | |
| Scott | NBS laser power and energy measurements | |
| JP2002116167A (en) | Measuring instrument and measuring method for thermal conductivity | |
| Hubble et al. | Development and evaluation of the time-resolved heat and temperature array | |
| Simionescu et al. | Heat transfer coefficient measurements using infrared thermography technique | |
| RU2761119C1 (en) | Device for studying the energy and time parameters of light radiation | |
| Kozachenko et al. | Calorimetric Disk Reference for Primary Measurement Transducers of Average Power of Optical Radiation | |
| RU2773268C1 (en) | Apparatus and method for measuring the density of incident heat fluxes in thermal vacuum testing of spacecraft | |
| Glazov et al. | Increasing the precision of reproduction of the unit of average power of optical radiation in fiber-optic transmission systems by improving the algorithms and automating measurement processes | |
| JPS60198419A (en) | Calorimeter device for measuring transmission power of optical fiber | |
| RU2663544C1 (en) | Laser radiation power meter | |
| Crespy et al. | Study of laser megajoule calorimeter's thermal behaviour for energy measurement uncertainty optimisation | |
| Kozachenko et al. | Reference Source of Average Power of Collimated Laser Radiation | |
| RU2673313C1 (en) | Method and device for measurement of heat consumption | |
| Kozachenko et al. | Instrument for Measurement of High Levels of Average Radiation Power of Fiber Laser |