RU2658512C1 - Reference installation of laser radiation power unit and optical fiber guide therefor - Google Patents

Reference installation of laser radiation power unit and optical fiber guide therefor Download PDF

Info

Publication number
RU2658512C1
RU2658512C1 RU2017111275A RU2017111275A RU2658512C1 RU 2658512 C1 RU2658512 C1 RU 2658512C1 RU 2017111275 A RU2017111275 A RU 2017111275A RU 2017111275 A RU2017111275 A RU 2017111275A RU 2658512 C1 RU2658512 C1 RU 2658512C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
absorber
tube
photometric sphere
installation according
reference installation
Prior art date
Application number
RU2017111275A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Иванович Глазов
Михаил Леонидович Козаченко
Константин Борисович Савкин
Николай Петрович Хатырев
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ")
Priority to RU2017111275A priority Critical patent/RU2658512C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2658512C1 publication Critical patent/RU2658512C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02295Microstructured optical fibre
    • G02B6/023Microstructured optical fibre having different index layers arranged around the core for guiding light by reflection, i.e. 1D crystal, e.g. omniguide
    • G02B6/02304Core having lower refractive index than cladding, e.g. air filled, hollow core

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to the field of optical measurements, namely, to energy photometry, and can be used as part of a reference technique for metrological support of high-precision verification of means of measuring the average power of collimated laser radiation. Optical fiber guide is made in the form of a hollow tube with reflective inner and outer surfaces. At one end, the tube is equipped with a diaphragmatic cooling radiator, which cuts off the peripheral luminous flux, which does not fall into the cavity of the tube. On the opposite end of the tube, a sharpening chamfer is made from the outside. Reference installation for reproducing and transmitting a unit of power of collimated laser radiation comprises an absorber and a photometric sphere coaxially located in front of the entrance window of the absorber the way to exclude their mechanical and thermal contact. Output opening of the photometric sphere completely overlaps the inlet window of the absorber. Installation is provided with said optical fiber guide installed in the entrance aperture of the photometric sphere in a sliding fit. In this case, the cooling radiator is located outside the entrance aperture of the photometric sphere, and the tube passes along its diameter so that its free end is located in the output aperture of the photometric sphere.
EFFECT: increase the accuracy of reproduction and transmission of a unit of power of collimated laser radiation.
19 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области оптических измерений, а именно к энергетической фотометрии, и может быть использовано в составе эталонной техники для метрологического обеспечения высокоточной поверки или калибровки средств измерений (СИ) средней мощности коллимированного лазерного излучения.The invention relates to the field of optical measurements, namely, energy photometry, and can be used as part of the reference technique for metrological support of high-precision calibration or calibration of measuring instruments (SI) of the average power of collimated laser radiation.

Из уровня техники известна эталонная установка для воспроизведения и передачи единицы мощности коллимированного лазерного излучения, содержащая поглотитель и фотометрическую сферу, соосно размещенную перед входным окном поглотителя таким образом, чтобы исключить их механический и тепловой контакт, причём выходной проём фотометрической сферы полностью перекрывает входное окно поглотителя (см. А.В. Кубарев, А.С. Обухов, И.Н. Говор, В.М. Нестеренко «Государственный специальный эталон единиц энергии и мощности когерентного излучения оптического диапазона» // Измерительная техника. 1 1973. - №8. С. 3, 4; ГОСТ 8.056-73. Государственный специальный эталон единиц мощности и энергии когерентного излучения оптического излучения. М., Изд.-во Стандартов, 1973). Фотометрическая сфера обеспечивает возможность учёта большей части излучения, отражённого от стенок полости поглотителя и выходящего через его входное окно. Тем не менее, основным недостатком известной установки является недостаточная точность измерений, обусловленная неполнотой учета этого излучения (его часть теряется через входной проём фотометрической сферы, минуя ее внутреннюю поверхность) и наличием слабого потока излучения (который окружает область основного пучка и не попадает ни в поглотитель, ни в фотометрическую сферу), не учитываемого при воспроизведении единицы средней мощности. После вывода рассмотренного эталонного устройства из лазерного пучка и замены его поглотителем поверяемого СИ (с апертурой, превышающей размер входного проёма фотометрической сферы), это СИ будет подвергаться воздействию периферийного потока излучения, который ранее был экранирован фотометрической сферой и не был учтён при воспроизведении единицы мощности, что приводит к увеличению погрешности проводимых поверочных работ.A reference apparatus for reproducing and transmitting a power unit of collimated laser radiation is known from the prior art, comprising an absorber and a photometric sphere coaxially placed in front of the input window of the absorber in such a way as to exclude their mechanical and thermal contact, and the output opening of the photometric sphere completely covers the input window of the absorber ( see A.V. Kubarev, A.S. Obukhov, I.N. Govor, V.M. Nesterenko "State special standard of units of energy and power of coherent radiation of optical range "// Measuring equipment. 1 1973. - No. 8. P. 3, 4; GOST 8.056-73. State special standard of units of power and energy of coherent radiation of optical radiation. M., Publishing House of Standards, 1973). The photometric sphere makes it possible to take into account most of the radiation reflected from the walls of the cavity of the absorber and exiting through its input window. However, the main disadvantage of the known installation is the insufficient measurement accuracy due to the incompleteness of accounting for this radiation (part of it is lost through the input opening of the photometric sphere, bypassing its inner surface) and the presence of a weak radiation flux (which surrounds the region of the main beam and does not enter the absorber , not in the photometric sphere), not taken into account when reproducing a unit of average power. After removing the considered reference device from the laser beam and replacing it with the absorber of the verified SI (with an aperture exceeding the size of the input aperture of the photometric sphere), this SI will be exposed to the peripheral radiation flux, which was previously shielded by the photometric sphere and was not taken into account when reproducing the power unit, which leads to an increase in the error of the verification work.

При измерении энергетических параметров лазерного излучения его коллимированный пучок обычно направляют во входное окно используемого приемника, диаметр которого несколько превышает диаметр пучка. Учитывая слабую расходимость пучков лазерного излучения, во многих случаях такой подход при практических измерениях на уровне рабочих средств измерений (РСИ) можно считать вполне оправданным. Однако, с повышением требований к точности измерений, приходится учитывать, что пучок интенсивного лазерного излучения, как правило, сопровождается окружающим его потоком излучения значительно меньшей интенсивности, но большего диаметра. При этом часть этого потока может в той или иной степени не вписываться в апертуру используемого приемника. Этот фактор негативно проявляется при проведении поверочных или калибровочных работ при передаче единиц энергии и средней мощности излучения методом сличений от рабочих эталонов (РЭ) к РСИ, отличающихся размерами приемных поверхностей. В этом случае наличие малоинтенсивного потока излучения может приводить к связанным с этим фактором значительным погрешностям измерений из-за неадекватности воздействия этого потока на сличаемые СИ.When measuring the energy parameters of laser radiation, its collimated beam is usually sent to the input window of the used receiver, the diameter of which slightly exceeds the diameter of the beam. Given the weak divergence of the laser beams, in many cases this approach for practical measurements at the level of working measuring instruments (RSI) can be considered quite justified. However, with increasing requirements for measurement accuracy, it is necessary to take into account that a beam of intense laser radiation, as a rule, is accompanied by a surrounding stream of radiation of much lower intensity, but of a larger diameter. At the same time, part of this flow may, to one degree or another, not fit into the aperture of the receiver used. This factor negatively manifests itself during verification or calibration work during the transfer of energy units and average radiation power by the method of comparisons from working standards (RS) to RSI, which differ in the size of the receiving surfaces. In this case, the presence of a low-intensity radiation flux can lead to significant measurement errors associated with this factor due to the inadequacy of the effect of this flux on comparable SRs.

Кроме того, из уровня техники известен световод, ограничивающий диаметр потока и уменьшающий потери излучения при передаче от источника к приёмнику, который выполнен в виде полой трубки с отражающей внутренней поверхностью (см. патент RU219322, кл. G02B 6/20, опубл. 20.11.2002). Недостатками известного устройства являются относительно большой вклад вносимых энергетических искажений и невозможность его использования в составе описанной выше эталонной установки.In addition, from the prior art, a fiber is known that limits the diameter of the stream and reduces radiation losses during transmission from the source to the receiver, which is made in the form of a hollow tube with a reflective inner surface (see patent RU219322, class G02B 6/20, publ. 20.11. 2002). The disadvantages of the known device are the relatively large contribution of the introduced energy distortion and the inability to use it as part of the above-described reference installation.

Таким образом, технической проблемой является создание световода, использование которого в составе эталонной установки позволит воспроизводить и передавать единицу мощности коллимированного лазерного излучения с погрешностями на уровне (0,01–0,005)%, а технический результат заключается в повышении точности проводимых поверочных работ.Thus, the technical problem is the creation of a fiber, the use of which as a part of the reference setup will allow reproducing and transmitting a unit of power of collimated laser radiation with errors at the level of (0.01–0.005)%, and the technical result consists in increasing the accuracy of the verification work.

В части световода поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что он выполнен в виде полой трубки с отражающей внутренней и внешней поверхностями, которая на одном конце снабжена диафрагмирующим радиатором охлаждения, отсекающим периферический световой поток, не попавший в полость трубки, а на противоположном торце трубки снаружи выполнена заостряющая фаска. Трубка предпочтительно выполнена в форме усечённого конуса. Радиатор охлаждения может быть выполнен в виде бочкообразного утолщения с развитой внешней поверхностью или в виде водяной рубашки и жидкостного термостата. Световод предпочтительно выполнен из полированного алюминия.In the part of the fiber, the problem is solved, and the technical result is achieved in that it is made in the form of a hollow tube with reflective internal and external surfaces, which is equipped at one end with a diaphragm cooling radiator that cuts off the peripheral light flux that did not enter the tube cavity, but at the opposite The end of the tube has a sharpening chamfer outside. The tube is preferably in the form of a truncated cone. The cooling radiator can be made in the form of a barrel-shaped thickening with a developed external surface or in the form of a water jacket and a liquid thermostat. The light guide is preferably made of polished aluminum.

В части установки поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что эталонная установка для воспроизведения и передачи единицы мощности коллимированного лазерного излучения, содержащая поглотитель и фотометрическую сферу, соосно размещенную перед входным окном поглотителя таким образом, чтобы исключить их механический и тепловой контакт, в которой выходной проём фотометрической сферы полностью перекрывает входное окно поглотителя, снабжена указанным световодом, установленным во входном проёме фотометрической сферы по скользящей посадке, причём радиатор охлаждения расположен снаружи входного проёма фотометрической сферы, а трубка проходит вдоль её диаметра так, что её свободный торец расположен в выходном проёме фотометрической сферы. Внутренний диаметр трубки световода предпочтительно составляет 0,3–0,5 от диаметра входного окна поглотителя. Наибольший линейный размер радиатора охлаждения предпочтительно превышает диаметр фотометрической сферы. Поглотитель предпочтительно выполнен по типу абсолютно чёрного тела в виде конической, цилиндрической, сферической или эллиптической полости или их комбинаций. Поглотитель предпочтительно снабжен калибровочным электрическим нагревателем и источником тока. Поглотитель и фотометрическая сфера могут быть снабжены термоэлектрическими, пироэлектрическими, болометрическими и/или фотоэлектрическими чувствительными элементами. Фотометрическая сфера может быть снабжена радиатором охлаждения, образованным её развитой внешней поверхностью, или радиатором охлаждения в виде водяной рубашки и жидкостного термостата. Установка может быть снабжена охлаждающим вентилятором и/или охлаждающими термоэлектрическими модулями. Установка может быть снабжена контрольным измерителем мощности проходного типа, размещённым перед световодом. Установка может быть снабжена средствами отображения информации в виде индикатора или дисплея, аналого-цифровыми преобразователями и/или автоматическими средствами перемещения поглотителя и фотометрической сферы, подключенными к управляющему компьютеру.In terms of the installation, the problem posed is solved, and the technical result is achieved by the fact that the reference installation for reproducing and transmitting a power unit of collimated laser radiation containing an absorber and a photometric sphere coaxially placed in front of the input window of the absorber in such a way as to exclude their mechanical and thermal contact, in which the output opening of the photometric sphere completely covers the input window of the absorber, is equipped with the specified optical fiber installed in the input opening of the photometer eskoy scope sliding fit, with a cooling radiator is disposed outside the input aperture photometric sphere, a tube extending along its diameter so that its free end is located in the exit aperture photometric sphere. The inner diameter of the fiber tube is preferably 0.3-0.5 of the diameter of the input window of the absorber. The largest linear dimension of the cooling radiator is preferably greater than the diameter of the photometric sphere. The absorber is preferably made as an absolutely black body in the form of a conical, cylindrical, spherical or elliptical cavity, or combinations thereof. The absorber is preferably provided with a calibration electric heater and a current source. The absorber and the photometric sphere can be equipped with thermoelectric, pyroelectric, bolometric and / or photoelectric sensitive elements. The photometric sphere can be equipped with a cooling radiator formed by its developed external surface, or a cooling radiator in the form of a water jacket and a liquid thermostat. The installation may be equipped with a cooling fan and / or cooling thermoelectric modules. The installation can be equipped with a control power meter of a loop-through type, located in front of the fiber. The installation can be equipped with means for displaying information in the form of an indicator or display, analog-to-digital converters and / or automatic means for moving the absorber and photometric sphere connected to the control computer.

На фиг.1 представлена схема предлагаемой установки;Figure 1 presents a diagram of the proposed installation;

На фиг.2 – использование предлагаемого световода при поверке или калибровке средств измерения.Figure 2 - the use of the proposed fiber in the calibration or calibration of measuring instruments.

Предлагаемая эталонная установка для воспроизведения и передачи единицы мощности коллимированного лазерного излучения состоит из соосно размещённых поглотителя 1, фотометрической сферы 2 из материала с высокой теплопроводностью и световода. Поглотитель 1 выполнен по типу абсолютно чёрного тела в виде конической, цилиндрической, сферической или эллиптической полости или их комбинаций. Для калибровки поглотителя 1 по методу замещения измеряемой средней мощности излучения известной средней мощностью электрического тока его снабжают калибровочным электрическим нагревателем и источником тока (не показаны). Поглотитель 1 и фотометрическая сфера 2 снабжены термоэлектрическими, пироэлектрическими, болометрическими и/или фотоэлектрическими чувствительными элементами.The proposed reference installation for reproducing and transmitting a power unit of collimated laser radiation consists of a coaxially placed absorber 1, a photometric sphere 2 of a material with high thermal conductivity and a fiber. The absorber 1 is made as a completely black body in the form of a conical, cylindrical, spherical or elliptical cavity, or combinations thereof. To calibrate the absorber 1 by replacing the measured average radiation power with a known average electric current power, it is equipped with a calibration electric heater and a current source (not shown). The absorber 1 and the photometric sphere 2 are equipped with thermoelectric, pyroelectric, bolometric and / or photoelectric sensitive elements.

Световод выполнен из материала с высокой теплопроводностью, например полированного алюминия, и представляет собой тонкостенную полую трубку 3 небольшой конусности с отражающей внутренней и внешней поверхностями. Один конец трубки 3 с хорошим тепловым контактом запрессован в массивный диафрагмирующий радиатор 4 охлаждения, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью, например алюминия. Радиатор 4 представляет собой бочкообразное утолщение с коническими отражающими (зеркально отполированными) передней и задней поверхностями и развитой внешней поверхностью (например, снабжён радиальными прорезями, увеличивающими поверхность его теплообмена с окружающей средой). Также возможно выполнение радиатора 4 в виде водяной рубашки и жидкостного термостата. Радиатор 4 предназначен для отвода излишнего тепла трубки 3 и отсечения периферического светового потока, не попавшего в её полость (для этого его наружный диаметр превышает поперечные размеры всех слабых потоков излучения, сопутствующих основному пучку лазерного излучения). На противоположном торце 5 трубки 3 снаружи выполнена заостряющая фаска. The light guide is made of a material with high thermal conductivity, such as polished aluminum, and is a thin-walled hollow tube 3 of a small taper with reflective internal and external surfaces. One end of the tube 3 with good thermal contact is pressed into a massive diaphragm cooling radiator 4 made of a material with high thermal conductivity, such as aluminum. Radiator 4 is a barrel-shaped thickening with conical reflecting (mirror polished) front and rear surfaces and a developed external surface (for example, equipped with radial slots that increase the surface of its heat exchange with the environment). It is also possible to design a radiator 4 in the form of a water jacket and a liquid thermostat. The radiator 4 is designed to remove excess heat from the tube 3 and cut off the peripheral light flux that did not fall into its cavity (for this, its outer diameter exceeds the transverse dimensions of all weak radiation fluxes accompanying the main laser beam). At the opposite end 5 of the tube 3, a sharpening chamfer is made on the outside.

Сфера 2 расположена перед входным окном 6 поглотителя 1 с зазором, чтобы исключить их механический и тепловой контакт, причём её выходной проём 7 полностью перекрывает входное окно 6. Световод установлен во входном проёме 8 фотометрической сферы 2 по скользящей посадке. Радиатор 4 при этом расположен снаружи входного проёма 6, а трубка 3 проходит вдоль диаметра фотометрической сферы 2 так, что её свободный торец расположен в выходном проёме 7 (длина свободной части трубки 3 равна диаметру сферы 2). Для учета нестабильности используемого лазера перед световодом размещают контрольный измеритель мощности проходного типа (не показан).Sphere 2 is located in front of the input window 6 of the absorber 1 with a gap to exclude mechanical and thermal contact, and its output opening 7 completely covers the input window 6. The fiber is installed in the input opening 8 of the photometric sphere 2 along a sliding fit. The radiator 4 is located outside the inlet 6, and the tube 3 passes along the diameter of the photometric sphere 2 so that its free end is located in the outlet 7 (the length of the free part of the tube 3 is equal to the diameter of the sphere 2). To account for the instability of the laser used, a pass-through control power meter (not shown) is placed in front of the fiber.

Внутренний диаметр трубки 3 составляет 0,3–0,5DО (где DО – диаметр входного окна 6), что позволяет гарантированно направить всё излучение из трубки 3 в поглотитель 1. Наибольший линейный размер радиатора 4 превышает диаметр фотометрической сферы 2, что позволяет защитить её от нагрева периферийным излучением, не попавшим в полость трубки 3. Фотометрическая сфера 2 также может быть снабжена радиатором охлаждения, образованным её развитой внешней поверхностью, или радиатором охлаждения в виде водяной рубашки и жидкостного термостата (чертежах не показано). Для более эффективного теплоотвода установку дополнительно снабжают охлаждающим вентилятором и/или охлаждающими термоэлектрическими модулями (не показано).The inner diameter of tube 3 is 0.3–0.5D O (where D O is the diameter of the input window 6), which makes it possible to direct all radiation from tube 3 to the absorber 1. The largest linear size of the radiator 4 exceeds the diameter of the photometric sphere 2, which allows protect it from heating by peripheral radiation that did not fall into the tube cavity 3. The photometric sphere 2 can also be equipped with a cooling radiator formed by its developed external surface, or a cooling radiator in the form of a water jacket and a liquid thermostat (drawings e shown). For more efficient heat dissipation, the installation is additionally equipped with a cooling fan and / or cooling thermoelectric modules (not shown).

Для повышения удобства использования установку снабжают средствами отображения информации в виде индикатора или дисплея, аналого-цифровыми преобразователями и автоматическими средствами перемещения поглотителя 1 и фотометрической сферы 2, подключенными к управляющему компьютеру (не показано).To improve ease of use, the installation is equipped with means for displaying information in the form of an indicator or a display, analog-to-digital converters and automatic means for moving the absorber 1 and photometric sphere 2 connected to a control computer (not shown).

Предлагаемое изобретение работает следующим образом.The present invention works as follows.

Эталонную установку располагают в области пучка измеряемого коллимированного лазерного излучения соосно с ним. Поскольку внутренний диаметр трубки 3 световода превышает диаметр основного интенсивного пучка (a) лазерного излучения, оно беспрепятственно проходит сквозь трубку 3 без взаимодействия с её стенками и попадает в полость поглотителя 1. Часть сопутствующего основному пучку (a) потока слабого излучения (b), вписавшая в апертуру трубки 3, также проходит в поглотитель 1. Оставшаяся часть (c) слабого потока излучения (b) обрезается диафрагмирующим бочкообразным радиатором 4 и, отражаясь от ее передней поверхности с небольшой конусностью, отклоняется в сторону от оси лазерного пучка (т.е. минует выходную апертуру лазера и не оказывает влияния на его работу) и уходит в окружающую среду. Третья часть (d) слабого потока излучения (b), обусловленная дифракцией на входной кромке трубки 3, после переотражений от её внутренней поверхности и дифракции на выходном торце 5, тоже поступает в полость поглотителя 1.The reference setup is placed in the region of the beam of the measured collimated laser radiation coaxially with it. Since the inner diameter of the tube 3 of the fiber exceeds the diameter of the main intense beam (a) of laser radiation, it freely passes through the tube 3 without interacting with its walls and enters the cavity of the absorber 1. Part of the low-radiation flux accompanying the main beam (a) (b) into the aperture of tube 3, also passes into the absorber 1. The remaining part (c) of the weak radiation flux (b) is cut off by a diaphragm barrel-shaped radiator 4 and, being reflected from its front surface with a slight taper, deviates away from the axis of the laser beam (i.e., it passes the output aperture of the laser and does not affect its operation) and goes into the environment. The third part (d) of the weak radiation flux (b), due to diffraction at the input edge of the tube 3, after re-reflections from its inner surface and diffraction at the output end 5, also enters the cavity of the absorber 1.

Из-за неполноты соответствия реального поглотителя 1 свойствам абсолютно чёрного тела (АЧТ), часть попавшего в его полость излучения отражается от ее внутренних поверхностей и выходит через входное окно 6. При этом его доли (e) и (f) выходят из полости через кольцевой зазор между стенкой входного окна 6 и заострённым торцом 5 световода. Доля излучения (e) попадает в фотометрическую сферу 2 после отражения от наружной поверхности трубки 3, а доля (f) – напрямую. Ещё одна доля излучения (g) покидает полость поглотителя 1 через трубку 3 в обратном направлении, либо напрямую, либо с переотражениями от его зеркальных стенок.Due to the incompleteness of the correspondence of the real absorber 1 to the properties of a completely black body (blackbody), part of the radiation that has entered its cavity is reflected from its internal surfaces and leaves through the input window 6. Moreover, its lobes (e) and (f) exit the cavity through the annular the gap between the wall of the inlet window 6 and the pointed end 5 of the fiber. The radiation fraction (e) falls into the photometric sphere 2 after reflection from the outer surface of the tube 3, and the fraction (f) - directly. Another fraction of the radiation (g) leaves the cavity of the absorber 1 through the tube 3 in the opposite direction, either directly or with reflections from its mirror walls.

Несмотря на то, что доля излучения (g) теряется в окружающей среде, предложенная схема эталонной установки позволяет учитывать полные потери излучения РО через входное окно 6, исходя из зависимостиDespite the fact that the fraction of radiation (g) is lost in the environment, the proposed scheme of the reference installation allows you to take into account the total radiation loss P O through the input window 6, based on the dependence

РОС⋅FO/FЗ= РС⋅DО 2/(DО 2 – DТС 2), гдеP О = Р С ⋅F O / F З = Р С ⋅D О 2 / (D О 2 - D ТС 2 ), where

РС – средняя мощность излучения, попавшего в фотометрическую сферу 2 через зазор;P C is the average power of radiation entering the photometric sphere 2 through the gap;

FO – площадь входного окна 6;F O - the area of the input window 6;

FЗ – площадь воздушного зазора между кромкой входного окна 6 и торцом 5;F Z - the area of the air gap between the edge of the inlet window 6 and the end face 5;

DО – диаметр входного окна 6;D About - the diameter of the input window 6;

DТС – диаметр торца 5 световода.D TC - the diameter of the end face 5 of the fiber.

Поскольку торец 5 заострён, он является «невидимым» для выходящего из поглотителя 1 потока излучения, т.к. поток выходит полностью, без обратного отражения от торца 5. При этом соотношение упомянутых ранее долей этого излучения оценивается с высокой точностью согласно приведенной выше зависимости. Некоторая часть вошедшего в фотометрическую сферу 2 излучения, после переотражений от ее внутренней поверхности, выходит из нее и возвращается обратно в поглотитель 1, где поглощается, а следовательно, также учитывается. Since the end face 5 is pointed, it is “invisible” for the radiation flux emerging from the absorber 1, because the flow comes out completely, without back reflection from the end face 5. Moreover, the ratio of the previously mentioned fractions of this radiation is estimated with high accuracy according to the above dependence. Some part of the radiation that entered the photometric sphere 2, after re-reflections from its inner surface, leaves it and returns back to the absorber 1, where it is absorbed, and therefore also taken into account.

Не менее важно, что световод и фотометрическая сфера 2 не оказывают заметного негативного теплового воздействия.It is equally important that the light guide and photometric sphere 2 do not have a noticeable negative thermal effect.

Минимизация нагрева световода достигается тем, что его внутренний диаметр превышает диаметр основного интенсивного пучка (a), а его стенки обладают высокой отражательной способностью. Небольшая доля слабого потока излучения, взаимодействующая с внутренней стенкой трубки 3 и всё же поглощённая ее отражающей поверхностью, преобразуется в тепловой поток, который передаётся по теплопроводящей трубке 3 к радиатору 4 и отводится от него в окружающую среду. Таким образом, световод гарантированно защищён от сколь-нибудь существенного повышения температуры. Кроме того, тепловому взаимодействию световода с поглотителем 1 препятствует очень низкая теплопроводность воздуха в разделяющем их зазоре.Minimization of the heating of the fiber is achieved by the fact that its inner diameter exceeds the diameter of the main intense beam (a), and its walls have high reflectivity. A small fraction of the weak radiation flux interacting with the inner wall of the tube 3 and yet absorbed by its reflective surface is converted into heat flux, which is transmitted through the heat-conducting tube 3 to the radiator 4 and is diverted from it to the environment. Thus, the fiber is guaranteed to be protected from any significant increase in temperature. In addition, the thermal interaction of the fiber with the absorber 1 is prevented by the very low thermal conductivity of the air in the gap separating them.

Тепловое взаимодействие поглотителя 1 с фотометрической сферой 2 также минимизировано, благодаря слабости воздействующих на последнюю потоков излучения, хорошей теплопроводности ее материала, развитой поверхности теплообмена с окружающей средой и защищенности с помощью диафрагмирующего радиатора 4 (от идущих от лазера слабых, но широких потоков излучения).The thermal interaction of the absorber 1 with the photometric sphere 2 is also minimized due to the weakness of the radiation fluxes affecting the latter, good thermal conductivity of its material, a developed heat exchange surface with the environment, and protection with the help of a diaphragm radiator 4 (from weak but wide radiation fluxes coming from the laser).

Для передачи воспроизведенной единицы мощности излучения поглотитель 1 и фотометрическую сферу 2 эталонной установки аккуратно стягивают с предлагаемого световода в осевом направлении, избегая при этом малейших смещений последнего, и выводят из области лазерного пучка. На их место вводят поглотитель 9 из состава поверяемого или калибруемого СИ. После завершения переходных процессов, фиксируют реакцию поверяемого СИ на воздействие нормированного по уровню средней мощности пучка лазерного излучения и оценивают его метрологические характеристики.To transmit the reproduced unit of radiation power, the absorber 1 and the photometric sphere 2 of the reference installation are carefully pulled from the proposed fiber in the axial direction, while avoiding the slightest displacements of the latter, and removed from the laser beam. In their place, an absorber 9 from the composition of the verified or calibrated SI is introduced. After the completion of transient processes, the response of the verified MI to the effect of a laser beam normalized by the average power level of the laser radiation is recorded and its metrological characteristics are evaluated.

На этой стадии важна не только «невидимость» заострённого торца 5, но отражательные свойства задней поверхности радиатора 4. Выходящие из окна поглотителя 9 потоки излучения (f) отражаются от этой поверхности в стороны и рассеиваются в окружающей среде без возврата в окно 6, не вызывая искажений результатов метрологических исследований поверяемого СИ. Кроме того, диафрагмирующий радиатор 4 исключает воздействие на поглотитель 9 сопутствующих основному пучку (a) периферийных неконтролируемых слабых потоков излучения, искажающих адекватность его показаний. Также (аналогично описанному выше случаю работы эталонной установки) исключено паразитное тепловое воздействие на поглотитель 9 со стороны световода и радиатора 4, а значит, и связанные с ним искажения измерений и дополнительные погрешности.At this stage, not only the “invisibility” of the pointed end 5 is important, but also the reflective properties of the rear surface of the radiator 4. The radiation fluxes (f) emerging from the absorber window 9 are reflected from this surface to the sides and are scattered in the environment without returning to window 6 without causing distortions of the results of metrological studies of the verified SI. In addition, the diaphragm radiator 4 eliminates the impact on the absorber 9 associated with the main beam (a) of peripheral uncontrolled weak radiation fluxes that distort the adequacy of its readings. Also (similar to the case of the reference installation described above), parasitic thermal effect on the absorber 9 from the side of the optical fiber and radiator 4 is excluded, and hence the measurement distortions and additional errors associated with it.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения обеспечивает проведение измерений на более высоком метрологическом уровне за счет практически идеального выполнения условияThus, the use of the invention provides measurements at a higher metrological level due to the almost perfect fulfillment of the condition

РВ = РП = сonst, гдеP B = P P = const, where

РВ – воспроизведенное значение единицы мощности лазерного излучения;R In - the reproduced value of the unit power of laser radiation;

РП – значение единицы средней мощности лазерного излучения, переданного поверяемому СИ.R P - the value of the unit average power of laser radiation transmitted to the verified SI.

Предлагаемые световод и эталонная установка позволяют значительно повысить точность измерений благодаря эффективному подавлению негативного влияния большинства факторов, сопутствующих процессам воспроизведения и передачи единицы средней мощности коллимированного лазерного излучения. Указанные преимущества достигаются за счёт:The proposed optical fiber and reference installation can significantly improve the accuracy of measurements due to the effective suppression of the negative influence of most factors associated with the processes of reproduction and transmission of a unit of average power of collimated laser radiation. These benefits are achieved through:

- полного и надежного ввода всего интенсивного пучка коллимированного лазерного излучения в поглотитель 1 за счет применения соосного с пучком световода, внутренний диаметр которого превышает диаметр пучка; - full and reliable input of the entire intense beam of collimated laser radiation into the absorber 1 due to the use of a fiber coaxial with the beam, the inner diameter of which exceeds the diameter of the beam;

- четкого формирования диаметра сопутствующего этому пучку потока слабого излучения, соответствующего внутреннему диаметру трубки 3 световода, благодаря высокой отражательной способности его полированных зеркальных внутренних поверхностей, исключающих потери части слабого потока из-за дифракции на кромке входного торца световода; - a clear formation of the diameter of the low-radiation flux accompanying this beam, corresponding to the inner diameter of the tube 3 of the fiber, due to the high reflectivity of its polished mirror internal surfaces, eliminating the loss of part of the low flux due to diffraction at the edge of the input end of the fiber;

- исключения непопадания в поглотитель 1 части передаваемого по световоду слабого потока излучения из-за дифракции на кромке его выходного торца 5, благодаря размещению этого торца 5 в створе плоскости входного окна 6 и выбранному соотношению их диаметров; - eliminating the loss of 1 part of the weak radiation flux transmitted through the fiber due to diffraction on the edge of its output end 5 due to the placement of this end 5 in the alignment plane of the input window 6 and the selected ratio of their diameters;

- обрезания диафрагмирующим радиатором 4 слабого потока излучения, сопутствующего интенсивному лазерному пучку; - cutting off with a diaphragm radiator 4 a weak radiation flux accompanying an intense laser beam;

- отражения широкого потока слабого излучения от скошенной (конической) передней поверхности радиатора 4 в сторону от его выходной апертуры и исключения его влияния на режим работы лазера;- reflection of a wide stream of weak radiation from the beveled (conical) front surface of the radiator 4 to the side of its output aperture and the exclusion of its influence on the laser mode;

- высокой поглощательной способности поглотителя 1 за счет использования модели АЧТ;- high absorption capacity of the absorber 1 due to the use of the model of blackbody;

- учета части потерь выходящего из поглотителя 1 излучения через кольцевой зазор между кромками входного окна 6 и торцом 5 благодаря применению фотометрической сферы 2 и отражающей наружной поверхности трубки;- accounting for part of the loss of radiation emerging from the absorber 1 through the annular gap between the edges of the inlet window 6 and the end face 5 due to the use of the photometric sphere 2 and the reflecting outer surface of the tube;

- учета части потерь выходящего из поглотителя 1 излучения через трубку 3 за счет применения фотометрической сферы 2 и выбранного конкретного соотношения диаметров входного окна 6 и внутреннего диаметра трубки 3, а также отражающей внутренней поверхности последнего;- accounting for part of the loss of radiation emerging from the absorber 1 through the tube 3 due to the use of the photometric sphere 2 and the selected specific ratio of the diameters of the input window 6 and the inner diameter of the tube 3, as well as the reflective inner surface of the latter;

- учета с помощью поглотителя 1 выходящего из фотометрической сферы 2 (в результате отражения от ее внутренней полости) и возвращающегося в поглотитель 1 излучения; - accounting with the help of the absorber 1 emerging from the photometric sphere 2 (as a result of reflection from its internal cavity) and the radiation returned to the absorber 1;

- минимизации теплового взаимодействия корпуса фотометрической сферы 2 с поглотителем 1 благодаря отсутствию их механического и теплового контактов, развитой внешней поверхности теплообмена корпуса фотометрической сферы 2 с окружающей средой, слабости воздействующих на неё отраженных потоков излучения, и, как следствие, минимизации её нагрева в процессе работы и вызванных этим тепловых помех; - minimizing the thermal interaction of the body of the photometric sphere 2 with the absorber 1 due to the absence of their mechanical and thermal contacts, the developed external heat exchange surface of the body of the photometric sphere 2 with the environment, the weakness of the reflected radiation fluxes acting on it, and, as a result, minimizing its heating during operation and the resulting thermal interference;

- минимизации теплового взаимодействия трубки 3 световода с поглотителем 1 или 9 благодаря отсутствию их механического и теплового контактов, большому термическому сопротивлению разделяющего их воздушного зазора, слабости воздействующих на трубку 3 потоков излучения, высокой теплопроводности её материала, хорошему тепловому контакту с радиатором 4 и, как следствие, минимизации нагрева трубки 3 в процессе работы и вызванных этим тепловых помех; - minimizing the thermal interaction of the tube 3 of the fiber with the absorber 1 or 9 due to the absence of their mechanical and thermal contacts, the large thermal resistance of the air gap separating them, the weakness of the radiation flux affecting the tube 3, the high thermal conductivity of its material, good thermal contact with the radiator 4, and, as the consequence, minimizing the heating of the tube 3 during operation and the resulting thermal interference;

- минимизации теплового взаимодействия радиатора 4 с поглотителем 1 благодаря отсутствию их механического и теплового контактов, развитой внешней поверхности теплообмена с окружающей средой, слабости воздействующих на него окружающих основной пучок потоков излучения, высокой отражательной способности воспринимающих эти потоки отражающих передней и задней поверхностей и, как следствие, - минимизации ее нагрева в процессе работы;- minimize the thermal interaction of the radiator 4 with the absorber 1 due to the absence of their mechanical and thermal contacts, the developed external heat exchange surface with the environment, the weakness of the radiation fluxes affecting it, the high reflectivity of the reflecting front and rear surfaces that perceive these fluxes, and, as a result , - minimize its heating during operation;

- переотражения части воздействующего на боковую поверхность радиатора 4 широкого потока слабого излучения, выходящего из входного окна поглотителя 9 из состава поверяемого СИ в сторону от этого окна, благодаря конусности и зеркальности этой боковой поверхности, что исключает возврат части этого излучения в поглотитель поверяемого СИ и искажения результатов определения его метрологических характеристик при поверке;- re-reflection of a part of the broad stream of weak radiation acting on the side surface of the radiator 4 coming out of the input window of the absorber 9 from the composition of the verified SI to the side of this window, due to the taper and mirroring of this side surface, which eliminates the return of part of this radiation to the absorber of the verified SI and distortion the results of determining its metrological characteristics during verification;

- исключения возврата части отражаемого поглотителем 9 поверяемого СИ излучения в поглотитель 9 от торца 5 световода и, следовательно, искажения результатов определения его метрологических характеристик при поверке, благодаря выполненной на этом торце 5 заостряющей фаске. - exclusion of the return of a part of the verified SI radiation reflected by the absorber 9 into the absorber 9 from the end face 5 of the fiber and, therefore, the distortion of the results of determining its metrological characteristics during verification, due to the sharpening facet made on this end 5.

Claims (19)

1. Световод, выполненный в виде полой трубки с отражающей внутренней поверхностью, отличающийся тем, что трубка выполнена с отражающей внешней поверхностью и на одном конце снабжена диафрагмирующим радиатором охлаждения, отсекающим периферический световой поток, не попавший в полость трубки, а на противоположном торце трубки снаружи выполнена заостряющая фаска.1. The optical fiber, made in the form of a hollow tube with a reflective inner surface, characterized in that the tube is made with a reflective outer surface and is equipped at one end with a diaphragm cooling radiator that cuts off the peripheral light flux that does not enter the cavity of the tube, and at the opposite end of the tube a sharpening chamfer is made. 2. Световод по п.1, отличающийся тем, что трубка выполнена в форме усечённого конуса.2. The fiber according to claim 1, characterized in that the tube is made in the form of a truncated cone. 3. Световод по п.1, отличающийся тем, что радиатор охлаждения выполнен в виде бочкообразного утолщения с развитой внешней поверхностью.3. The fiber according to claim 1, characterized in that the cooling radiator is made in the form of a barrel-shaped thickening with a developed outer surface. 4. Световод по п.1, отличающийся тем, что радиатор охлаждения выполнен в виде водяной рубашки и жидкостного термостата.4. The fiber according to claim 1, characterized in that the cooling radiator is made in the form of a water jacket and a liquid thermostat. 5. Световод по п.1, отличающийся тем, что выполнен из полированного алюминия.5. The optical fiber according to claim 1, characterized in that it is made of polished aluminum. 6. Эталонная установка для воспроизведения и передачи единицы мощности коллимированного лазерного излучения, содержащая поглотитель и фотометрическую сферу, соосно размещенную перед входным окном поглотителя таким образом, чтобы исключить их механический и тепловой контакт, причём выходной проём фотометрической сферы полностью перекрывает входное окно поглотителя, отличающаяся тем, что снабжена световодом по пп.1-5, установленным во входном проёме фотометрической сферы по скользящей посадке, причём радиатор охлаждения расположен снаружи входного проёма фотометрической сферы, а трубка проходит вдоль её диаметра так, что её свободный торец расположен в выходном проёме фотометрической сферы.6. A reference apparatus for reproducing and transmitting a power unit of collimated laser radiation, comprising an absorber and a photometric sphere coaxially placed in front of the input window of the absorber in such a way as to exclude their mechanical and thermal contact, and the output opening of the photometric sphere completely covers the input window of the absorber, characterized in that is equipped with a light guide according to claims 1-5, installed in the entrance aperture of the photometric sphere along a sliding fit, and the cooling radiator is located sleep rifles of the inlet opening of the photometric sphere, and the tube runs along its diameter so that its free end is located in the outlet of the photometric sphere. 7. Эталонная установка по п.6, отличающаяся тем, что внутренний диаметр трубки световода составляет 0,3–0,5 от диаметра входного окна поглотителя.7. The reference installation according to claim 6, characterized in that the inner diameter of the fiber tube is 0.3-0.5 of the diameter of the input window of the absorber. 8. Эталонная установка по п.6, отличающаяся тем, что наибольший линейный размер радиатора охлаждения превышает диаметр фотометрической сферы.8. The reference installation according to claim 6, characterized in that the largest linear dimension of the cooling radiator exceeds the diameter of the photometric sphere. 9. Эталонная установка по п.6, отличающаяся тем, что поглотитель выполнен по типу абсолютно чёрного тела в виде конической, цилиндрической, сферической или эллиптической полости или их комбинаций.9. The reference installation according to claim 6, characterized in that the absorber is made as a completely black body in the form of a conical, cylindrical, spherical or elliptical cavity, or combinations thereof. 10. Эталонная установка по п.6, отличающаяся тем, что поглотитель снабжен калибровочным электрическим нагревателем и источником тока.10. The reference installation according to claim 6, characterized in that the absorber is equipped with a calibration electric heater and a current source. 11. Эталонная установка по п.6, отличающаяся тем, что поглотитель снабжён термоэлектрическими, пироэлектрическими, болометрическими и/или фотоэлектрическими чувствительными элементами.11. The reference installation according to claim 6, characterized in that the absorber is equipped with thermoelectric, pyroelectric, bolometric and / or photoelectric sensitive elements. 12. Эталонная установка по п.6, отличающаяся тем, что фотометрическая сфера снабжена термоэлектрическими, пироэлектрическими, болометрическими и/или фотоэлектрическими чувствительными элементами.12. The reference installation according to claim 6, characterized in that the photometric sphere is equipped with thermoelectric, pyroelectric, bolometric and / or photoelectric sensitive elements. 13. Эталонная установка по п.6, отличающаяся тем, что фотометрическая сфера снабжена радиатором охлаждения, образованным её развитой внешней поверхностью.13. The reference installation according to claim 6, characterized in that the photometric sphere is equipped with a cooling radiator formed by its developed external surface. 14. Эталонная установка по п.6, отличающаяся тем, что фотометрическая сфера снабжена радиатором охлаждения в виде водяной рубашки и жидкостного термостата.14. The reference installation according to claim 6, characterized in that the photometric sphere is equipped with a cooling radiator in the form of a water jacket and a liquid thermostat. 15. Эталонная установка по п.6, отличающаяся тем, что снабжена охлаждающим вентилятором и/или охлаждающими термоэлектрическими модулями.15. The reference installation according to claim 6, characterized in that it is equipped with a cooling fan and / or cooling thermoelectric modules. 16. Эталонная установка по п.6, отличающаяся тем, что снабжена контрольным измерителем мощности проходного типа, размещённым перед световодом.16. The reference installation according to claim 6, characterized in that it is equipped with a through-type power control meter located in front of the light guide. 17. Эталонная установка по п.6, отличающаяся тем, что снабжена средствами отображения информации в виде индикатора или дисплея.17. The reference installation according to claim 6, characterized in that it is equipped with means for displaying information in the form of an indicator or display. 18. Эталонная установка по п.6, отличающаяся тем, что снабжена аналого-цифровыми преобразователями.18. The reference installation according to claim 6, characterized in that it is equipped with analog-to-digital converters. 19. Эталонная установка по п.6, отличающаяся тем, что снабжена автоматическими средствами перемещения поглотителя и фотометрической сферы, подключенными к управляющему компьютеру.19. The reference installation according to claim 6, characterized in that it is equipped with automatic means for moving the absorber and the photometric sphere connected to the control computer.
RU2017111275A 2017-04-04 2017-04-04 Reference installation of laser radiation power unit and optical fiber guide therefor RU2658512C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017111275A RU2658512C1 (en) 2017-04-04 2017-04-04 Reference installation of laser radiation power unit and optical fiber guide therefor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017111275A RU2658512C1 (en) 2017-04-04 2017-04-04 Reference installation of laser radiation power unit and optical fiber guide therefor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2658512C1 true RU2658512C1 (en) 2018-06-21

Family

ID=62713550

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017111275A RU2658512C1 (en) 2017-04-04 2017-04-04 Reference installation of laser radiation power unit and optical fiber guide therefor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2658512C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5005944A (en) * 1987-12-29 1991-04-09 Luxar Corporation Hollow lightpipe and lightpipe tip using a low refractive index inner layer
RU2025672C1 (en) * 1991-01-18 1994-12-30 Абрам Михайлович Дубиновский Photometric device for measuring irradiance
RU2204855C1 (en) * 2002-09-19 2003-05-20 Закрытое акционерное общество "Русское Технологическое Агентство" Fiber-optic cable and its manufacturing process (alternatives)
RU142875U1 (en) * 2013-08-06 2014-07-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук CLOSED TYPE PHOTOMETER

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5005944A (en) * 1987-12-29 1991-04-09 Luxar Corporation Hollow lightpipe and lightpipe tip using a low refractive index inner layer
RU2025672C1 (en) * 1991-01-18 1994-12-30 Абрам Михайлович Дубиновский Photometric device for measuring irradiance
RU2204855C1 (en) * 2002-09-19 2003-05-20 Закрытое акционерное общество "Русское Технологическое Агентство" Fiber-optic cable and its manufacturing process (alternatives)
RU142875U1 (en) * 2013-08-06 2014-07-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук CLOSED TYPE PHOTOMETER

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6130753A (en) Laser optical density measurement system
JP2019531466A (en) Beam power measurement by beam expansion
RU2698484C1 (en) Device for measuring radiation power of fiber lasers
US3454769A (en) Two-colour radiation ratio pyrometer
KR900005641B1 (en) Checking machine of thickness
RU2658512C1 (en) Reference installation of laser radiation power unit and optical fiber guide therefor
US2798961A (en) Total-radiation pyrometer
KR100809924B1 (en) Method and device for the measuring of the optical power loss in a fiber of optical contact means
CN209373102U (en) The device that a kind of pair of laser range finder axial location is detected
US4815841A (en) High resolution color band pyrometer ratioing
CN207326176U (en) Online coaxial temperature measuring, power detection and the laser focusing system with imaging shaft
US4019381A (en) Transparent optical power meter
Sapritskii A new standard for the candela in the USSR
GB2183821A (en) A temperature sensor
Boboridis et al. A High‐Speed Four‐Channel Infrared Pyrometer
US3979596A (en) Coronametric instrument for aerosol measurements
US3405269A (en) Radiation pyrometer having focusing means
US20220364915A1 (en) Optical power meter for safe operation of optical wireless power systems
RU2622239C1 (en) Device for non-contact measurement of the object temperature
JPS6255529A (en) Radiation thermometer
JPS5847654B2 (en) Hannokongobutsuno Kiyuukodoo
US3883250A (en) Method of optically measuring the absorption of light having a specific wavelength by a sample, by adjusting the output of a detector responsive to light having wavelengths longer than the specific wavelength to a zero level
Eppeldauer et al. Transfer standard filter radiometers: applications to fundamental scales
CN212300604U (en) Miniaturized high-precision infrared area array temperature measurement thermal imager
US3580678A (en) Optical pyrometers