RU2713055C1 - Laser radiation power meter - Google Patents
Laser radiation power meter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2713055C1 RU2713055C1 RU2019122435A RU2019122435A RU2713055C1 RU 2713055 C1 RU2713055 C1 RU 2713055C1 RU 2019122435 A RU2019122435 A RU 2019122435A RU 2019122435 A RU2019122435 A RU 2019122435A RU 2713055 C1 RU2713055 C1 RU 2713055C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- receiving element
- laser radiation
- power meter
- rod receiving
- radiation power
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 74
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 30
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 9
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 7
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 239000010949 copper Substances 0.000 abstract description 6
- 238000005375 photometry Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 229910001006 Constantan Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000012883 sequential measurement Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000012795 verification 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
- G01J1/0252—Constructional arrangements for compensating for fluctuations caused by, e.g. temperature, or using cooling or temperature stabilization of parts of the device; Controlling the atmosphere inside a photometer; Purge systems, cleaning devices
-
- 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
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптических измерений, а именно, к энергетической фотометрии и может быть использовано для измерений больших уровней средней мощности широких пучков коллимированного лазерного излучения.The invention relates to the field of optical measurements, namely, energy photometry and can be used to measure large levels of average power of wide beams of collimated laser radiation.
Мощные лазеры широко применяются в промышленности, в настоящее время освоен и расширяется их серийный выпуск. Промышленное применение этих лазеров часто сопряжено с необходимостью измерения мощности их излучения. Применяемая при этом измерительная техника должна обладать высокой стойкостью к излучению, характеризующемуся высокой плотностью мощности.Powerful lasers are widely used in industry; their serial production is currently mastered and expanded. The industrial application of these lasers is often associated with the need to measure the power of their radiation. The measuring technique used in this case must be highly resistant to radiation, characterized by a high power density.
Из уровня техники известно решение этой задачи с помощью проточных калориметров, характеризующихся развитой приемной поверхностью и обеспечивающих интенсивную передачу поглощаемой мощности прокачиваемой через них охлаждающей жидкости. Например, из уровня техники известен измеритель мощности лазерного излучения до 2 кВт, содержащий охлаждаемый проточной жидкостью поглотитель (см. С Crespy, D Villate, М Soscia, F Coste and R Andre «RLCYC 75: a 2 kW electrically calibrated laser calorimeter designed for Laser MegaJoul diagnostics calibration)) / Metrologia 50 (2013) 37-48). Однако применение подобных измерителей обычно связано с необходимостью использования громоздких гидравлических систем, обеспечивающих прокачку через них большого количества воды с высокой скоростью и вывода накапливаемого тепла за пределы этих систем. Поскольку такие измерители обычно очень громоздки и включают в себя большие водяные емкости, холодильники, мощные водяные насосы, расходомеры, измерители температуры воды и целый ряд других измерительных и вспомогательных устройств.The prior art is known to solve this problem using flow calorimeters characterized by a developed receiving surface and providing intensive transmission of absorbed power of the coolant pumped through them. For example, a laser power meter of up to 2 kW is known in the art containing a liquid-cooled absorber (see Crespy, D Villate, M Soscia, F Coste and R Andre "RLCYC 75: a 2 kW electrically calibrated laser calorimeter designed for Laser MegaJoul diagnostics calibration)) / Metrologia 50 (2013) 37-48). However, the use of such meters is usually associated with the need to use bulky hydraulic systems that ensure that large amounts of water are pumped through them at high speed and the accumulated heat is removed outside these systems. Since such meters are usually very cumbersome and include large water tanks, refrigerators, powerful water pumps, flow meters, water temperature meters and a number of other measuring and auxiliary devices.
На практике нашли применение другие, значительно более простые типы измерителей, обеспечивающих проведение быстрых оперативных измерений средней мощности путем ввода в пучки мощных лазеров на некоторое отсчитываемое время их компактных приемных элементов, обеспечивая таким образом дискретные измерения энергетических параметров воздействующего на них излучения. Так из уровня техники известен серийно выпускаемый фирмой Ophir измеритель средней мощности непрерывного лазерного излучения Comet 10K P/N 7Z02705 (см. ophiropt/com>laser-measurement/ru/node/10876). Это устройство, содержит дисковый приемный элемент, который имеет спектрально матовое широкополосное покрытие и охватывает спектральный диапазон от 1,06 до 10,6 мкм. Принцип действия прибора основан на преобразовании оптического излучения при мощности до 10 кВт и диаметрах пучков до 100 мм в пропорциональный электрический сигнал, который усиливается, преобразуется в цифровую форму и представляется на индикаторе, расположенном на рукоятке измерителя. В ходе измерения дисковый приемный элемент, удерживаемый оператором за рукоятку, вводят в пучок излучения таким образом, что он полностью перекрывает этот пучок, и одновременно начинают отсчет времени его пребывания в этом пучке. Через 20 с приемный элемент выводят из пучка и фиксируют показание индикатора, пропорциональное средней мощности излучения. Конструкция и принцип работы прототипа позволяют проводить оперативную оценку энергетических параметров излучения мощных лазеров, избегая при этом необходимости применения упомянутых ранее мощных гидравлических систем.In practice, other, much simpler types of meters have been used that provide fast on-line measurements of average power by introducing their compact receiving elements into the beams of powerful lasers for some measured time, thus providing discrete measurements of the energy parameters of the radiation acting on them. For example, the Comet 10K P / N 7Z02705 medium-power continuous laser meter commercially available from Ophir is known from the prior art (see ophiropt / com> laser-measurement / ru / node / 10876). This device contains a disk receiving element that has a spectrally matte broadband coating and covers a spectral range of 1.06 to 10.6 μm. The principle of operation of the device is based on the conversion of optical radiation at a power of up to 10 kW and beam diameters of up to 100 mm into a proportional electrical signal, which is amplified, converted to digital form and presented on the indicator located on the handle of the meter. During the measurement, a disk receiving element held by the operator by the handle is introduced into the radiation beam so that it completely covers this beam, and at the same time, the time it takes to stay in this beam begins. After 20 s, the receiving element is removed from the beam and the indicator reading is proportional to the average radiation power. The design and principle of operation of the prototype allow for the rapid assessment of the energy parameters of radiation from high-power lasers, while avoiding the need to use the previously mentioned powerful hydraulic systems.
Однако при работе с пучками большого диаметра, дисковые приемники становятся излишне громоздким и неудобными в эксплуатации, а также не могут обеспечить высокой однородности их локальной чувствительности по всему полю такой большой приемной поверхности. Кроме того, подобные приемники на довольно длительное время полностью перекрывают пучок мощного излучения для измерительных целей и при этом подвергаются воздействию его полной мощности, а значит, и возможности разрушения при случайной передержке его в пучке, а персонал - опасности облучения.However, when working with large-diameter beams, disk receivers become unnecessarily cumbersome and inconvenient to operate, and also cannot provide high uniformity of their local sensitivity over the entire field of such a large receiving surface. In addition, such receivers for a rather long time completely block the powerful radiation beam for measuring purposes and at the same time are exposed to its full power, which means that it can be destroyed if it is accidentally overexposed in the beam, and the personnel are exposed to radiation hazards.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является измеритель мощности лазерного излучения, содержащий стержневой приемный элемент, поглощающий энергию лазерного излучения, расположенный внутри него термочувствительный элемент и блок перемещения стержневого приемного элемента вдоль сечения пучка (см. патент JP 2009294069, кл. G01J 1/42, опубл. 17.12.2009). Недостатками известного устройства являются сложность изготовления и дискретность расположения термочувствительных элементов, усложняющая их калибровку и создающая «мертвые зоны», что значительно повышает погрешность проводимых измерений.The closest in technical essence to the claimed invention is a laser radiation power meter containing a rod receiving element that absorbs laser radiation energy, a heat-sensitive element located inside it and a rod receiving element moving unit along the beam section (see patent JP 2009294069, class G01J 1 / 42, published on December 17, 2009). The disadvantages of the known device are the complexity of manufacturing and the discreteness of the location of heat-sensitive elements, complicating their calibration and creating "dead zones", which significantly increases the error of the measurements.
Технической проблемой является устранение указанных недостатков и создание эргономичного, надежного и безопасного измерителя средней мощности излучения мощных лазеров, характеризующихся высокими уровнями мощности и большими диаметрами пучков, при одновременном уменьшении потерь энергии за время ведения измерительного процесса. Технический результат заключается в повышении точности проводимых измерений. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в измерителе мощности лазерного излучения, содержащем стержневой приемный элемент, поглощающий энергию лазерного излучения, расположенный внутри него термочувствительный элемент и блок перемещения стержневого приемного элемента вдоль сечения пучка, в стержневом приемном элементе выполнено два продольных канала, в одном из которых расположен электронагреватель, а в другом - указанный термочувствительный элемент, причем канал электронагревателя расположен со стороны поверхности стержневого элемента, обращенной к источнику лазерного излучения, а канал термочувствительного элемента - с теневой стороны. Термочувствительный элемент предпочтительно выполнен в виде проволочного термометра сопротивления, расположенного внутри теплоизолирующего патрубка. Стержневой приемный элемент предпочтительно имеет постоянное поперечное сечение в форме равнобедренной трапеции, большее основание которой направлено в сторону источника лазерного излучения. Блок перемещения предпочтительно оборудован линейным актуатором и выполнен с возможностью подключения к компьютеру. Стержневой приемный элемент предпочтительно с воздушным зазором установлен в несущем корпусе и закреплен с помощью упорных винтов, входящих в углубления, выполненные в торцах стержневого приемного элемента. Корпус при этом предпочтительно выполнен в виде П-образной секции, центральная часть которой расположена с теневой стороны относительно лазерного излучения, а концевые части снабжены резьбовыми отверстиями для указанных упорных винтов. Корпус предпочтительно снабжен боковыми секциями, прикрепленными к центральной части П-образной секции и закрывающими продольные боковые стороны стержневого приемного элемента. Корпус предпочтительно через теплоизолирующие втулки закреплен на поворотной стойке, в свою очередь взаимодействующей с блоком перемещения. Высота стержневого приемного элемента предпочтительно превышает диаметр пучка. Блок перемещения может быть выполнен с возможностью перемещения стержневого приемного элемента вдоль сечения пучка в двух перпендикулярных направлениях.The technical problem is the elimination of these shortcomings and the creation of an ergonomic, reliable and safe meter for the average radiation power of high-power lasers, characterized by high power levels and large beam diameters, while reducing energy losses during the measurement process. The technical result consists in increasing the accuracy of the measurements. The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that in the laser power meter containing a rod receiving element that absorbs laser energy, a heat-sensitive element located inside it and a block for moving the rod receiving element along the beam section, two longitudinal channels are made in the rod receiving element , in one of which there is an electric heater, and in the other - the specified heat-sensitive element, and the channel of the electric heater is located with side of the surface of the rod element facing the source of laser radiation, and the channel of the heat-sensitive element from the shadow side. The temperature-sensitive element is preferably made in the form of a wire resistance thermometer located inside the heat-insulating pipe. The rod receiving element preferably has a constant cross section in the form of an isosceles trapezoid, the larger base of which is directed towards the source of laser radiation. The movement unit is preferably equipped with a linear actuator and is configured to connect to a computer. The rod receiving element, preferably with an air gap, is installed in the bearing housing and secured with thrust screws included in the recesses made in the ends of the rod receiving element. In this case, the housing is preferably made in the form of a U-shaped section, the central part of which is located on the shadow side with respect to the laser radiation, and the end parts are provided with threaded holes for these stop screws. The housing is preferably provided with side sections attached to the central part of the U-shaped section and covering the longitudinal side sides of the rod receiving element. The housing is preferably mounted through heat-insulating sleeves on a swivel rack, which in turn interacts with the moving block. The height of the rod receiving element is preferably greater than the diameter of the beam. The movement unit can be arranged to move the rod receiving element along the beam section in two perpendicular directions.
На фиг. 1 - частично в разрезе представлен предлагаемый измеритель мощности лазерного излучения, вид сбоку;In FIG. 1 is a partial side view of the proposed laser power meter, side view;
на фиг. 2 - частично в разрезе представлен предлагаемый измеритель мощности лазерного излучения, вид сверху.in FIG. 2 - partially in section, the proposed laser power meter, top view.
Предлагаемый измеритель мощности лазерного излучения содержит выполненный из меди приемный элемент 1 в виде длинного стержня постоянного четырехугольного сечения, ширина передней грани которого, выполняющей роль приемной поверхности, превышает ширину задней (предпочтительно сечение выполнено в форме равнобедренной трапеции). Его передняя грань, обращенная в сторону источника излучения, имеет постоянную известную ширину по всей ее длине и поглощающее покрытие (в альтернативном варианте грань может быть выполнена зеркальной), а противоположная имеет меньшую ширину, при этом расстояние между гранями, определяющее толщину приемного элемента, в 2-3 раза превышает ширину передней грани. Стержневой приемный элемент 1 имеет длину, превышающую диаметр пучка измеряемого излучения. По всей его длине, вблизи черненой поверхности и параллельно ей выполнен сквозной продольный канал, в котором размещен проволочный константановый калибровочный электрический нагреватель 2 с последующим заполнением канала теплопроводящим клеем.The proposed laser radiation power meter comprises a receiving
Стержневой приемный элемент 1 установлен внутри медного корпуса, имеющего две боковые 3 и расположенную между ними П-образную 4 секции. Боковые секции 3 корпуса имеют форму пластины, на торце которой со стороны приемного элемента 1 в его сторону под острым углом выполнена фаска. П-образная секция 4, выполнена в виде полурамы, имеющей торцевые выступы с резьбовыми отверстиями. Приемный элемент 1 надежно закреплен в секции 4 с помощью четырех изготовленных из нержавеющей стали низкой теплопроводности пустотелых тонкостенных упорных винтов 5, имеющих глубокие осевые отверстия со стороны своих головок и коническую форму упорных поверхностей, увеличивающих их термическое сопротивление. Винты 5 имеют резьбовое соединение 6 с выступами секции 4, и под его действием заходят с воздушными зазорами 7 в выполненные в торцах приемного элемента 1 цилиндрические углубления, упираются в их конические донышки и надежно фиксируют в требуемом положении.The
Механическое соединение секций 3 и 4 между собой в единый корпус обеспечивается с помощью потайных стальных винтов 8. При этом размеры воспринимающей излучение поверхности приемного элемента 1 превышают размеры поперечного сечения сборного корпуса, а его боковые секций 3 представляют собой зеркальные пластины, имеющие в зоне приемного элемента 1 вид острых лезвий, утопленных в специальных углублениях (проточках) приемного элемента 1 и отделенных от последнего воздушными зазорами 7.The mechanical connection of
Сборный корпус с приемным элементом 1 через теплоизолирующую прокладку 9 из текстолита закреплен на поворотной стойке 10 с использованием прочных стеклотекстолитовых теплоизолирующих втулок 11 и стальных шайб 12 с помощью стальных болтов 13. Поворотная стойка 10 по ходовой посадке механически связана с подвижной опорой 14 их общей осью 15, обеспечивающей возможность поворота стойки 10 в направлении пучка излучения на угол в пределах от 0° до 90°. При этом обеспечивается ее надежная фиксация в требуемом положении относительно оси пучка излучения. Элементы поворотной стойки 10 и подвижной опоры 14 изготовлены из стали. Подвижная опора 14 закреплена на каретке 16 блока перемещения стержневого приемного элемента 1 вдоль сечения пучка. Указанный блок содержит линейный актуатор, привод 17 которого обеспечивает заданную скорость перемещений приемного элемента 1 в направлении, перпендикулярном оси пучка измеряемого излучения, начиная с момента его ввода в пучок и заканчивая полным выводом из пучка. Ширина воспринимающей излучение передней грани приемного элемента 1 составляет 10% и менее от величины его максимальных линейных перемещений.The prefabricated housing with the receiving
С теневой стороны приемного элемента 1 по всей его длине выполнен второй сквозной канал, в котором размещен термочувствительный элемент 18 измерителя, например, медный проволочный термометр сопротивления (в альтернативном варианте может быть использована термобатарея или чувствительные элементы, построенные на измерении температурного удлинения с помощью микрометра). Между термочувствительным 18 и приемным 1 элементами про всей их длине проложен тонкостенный теплоизолирующий фторопластовый патрубок 19, выполняющий функцию термоинерционного звена. Таким образом, электрический нагреватель 2 и термометр сопротивления 18 полностью лишены прямого контакта с окружающей средой, что уменьшает соответствующий вклад в погрешность измерения. Благодаря такой конструкции для обеспечения высокой точности перед каждым измерением может быть проведена электрическая калибровка измерителя, для чего к нему подключают источник и средства измерений тока и напряжения.On the shadow side of the
В заявляемом измерителе его апертурный размер по высоте определяются длиной приемного элемента 1, а по ширине - величиной хода каретки 16 актуатора от начала входа приемного элемента 1 в область пучка излучения до полного его выхода из этой области. Тем не менее, в общем случае блок перемещения может быть выполнен с возможностью перемещения стержневого приемного элемента вдоль сечения пучка в двух перпендикулярных направлениях (горизонтальном и вертикальном).In the inventive meter, its aperture size in height is determined by the length of the
Измеритель по обе стороны может быть снабжен воздушными вентиляторами (на чертежах не показано) для ускорения процессов охлаждения приемного элемента 1 между последовательными измерениями. В одном из вариантов исполнения измеритель может быть снабжен несколькими дополнительными приемными элементами 1, установленными на одной каретке 16 актуатора и последовательно полностью пересекающих пучок излучения за один ее проход. При этом блок перемещения может быть снабжен механизмом автоматического как группового, так и поочередного наклона приемных элементов по ходу излучения на угол от 0° до 90°, вплоть до полного вывода из зоны пучка и фиксирования в заданных положениях, а так же блоком управления линейными и угловыми перемещениями приемных элементов 1 по заданной программе, в том числе и с образованием непрерывного цикла последовательных измерений. Результаты измерений поступают в аналого-цифровой преобразователь и отображаются на индикаторе или дисплее. Измеритель может быть подключен к компьютеру для обеспечения автоматического управления, в том числе, при проведении измерительных процессов с многократными измерениями и обработкой всей измерительной информации поступающей от средств отображения информации и электрической калибровки в соответствии с заданными алгоритмами ведения этих процессов и с автоматической выдачей протоколов полученных результатов.The meter on both sides can be equipped with air fans (not shown in the drawings) to accelerate the cooling processes of the receiving
Предлагаемая конструкция характеризуется сильной оптической связью приемного элемента 1 с прямым излучением лазера и слабой оптической связью боковых секций 3 корпуса с обтекающими их дифракционными потоками излучения, образующимися на выступающих ребрах боковых граней приемного элемента 1. При этом существует сильная тепловая связь между приемным элементом 1 и электрическим нагревателем 2, а также между боковыми 3 и центральной 4 секциями корпуса. В то же время тепловая связь между приемным 1 и чувствительным элементами 18; между приемным элементом 1, секциями корпуса 3 и 4 и окружающей средой; а также между секцией 4 корпуса и поворотной стойкой 10 ослаблена. Все это позволяет значительно уменьшить влияние сторонних факторов на результаты измерения мощности лазерного излучения.The proposed design is characterized by a strong optical coupling of the receiving
Предлагаемый измеритель работает следующим образом.The proposed meter works as follows.
При выключенном приводе 17 актуатора приемный элемент 1 расположен вне зоны пучка измеряемого излучения, что полностью исключает возможность их оптического взаимодействия, а при включенном - он на каретке 16 актуатора перемещается в направлении перпендикулярном оси пучка измеряемого излучения через весь пучок от входа до полного выхода с заданной актуатором скоростью. Для выполнения корректных измерений обеспечиваемая приводом 17 актуатора величина линейных перемещений его каретки 16, а с ней и приемного элемента 1 через пучок измеряемого излучения, а также длина приемного элемента 1 несколько превышают максимальный диаметр этого пучка.When the
В процессе работы измерителя подключают электрический нагреватель 2 к источнику тока, а термочувствительный элемент 18 - к устройству регистрации его выходного сигнала. Затем, до подачи излучения, фиксируют нулевое показание элемента 18 Т0э, включают привод 17 актуатора, начиная таким образом штатное перемещение приемного элемента 1 через сечение пучка с постоянной скоростью, и, одновременно с этим, вместо излучения, подают на сопротивление R электрического нагревателя 2 электрический ток I от его источника. Затем, после штатной остановки актуатора через штатное время τ и одновременного прекращения подачи тока в нагреватель 2, а также после последующего завершения переходного процесса формирования выходного сигнала термочувствительного элемента 18, фиксируют его конечное показание ТКэ. Используя значения электрического тока I, сопротивления R электрического нагревателя 2, выходных сигналов элемента 18 Т0э и ТКэ и времени подачи тока τ в нагреватель 2, проводят оценку оперативно полученного в конкретных условиях проведения измерений значения коэффициента преобразования электрической энергии Кэ, согласно зависимости:In the process of operation of the meter, an
где Кэ - выражено в мкм/Дж; Ткэ и Т0э - в мкм; I - в A, R - в Ом, τ - в сек.where K e - expressed in microns / J; T ke and T 0e - in microns; I - in A, R - in Ohms, τ - in seconds.
При этом, проведение аналогичной электрической калибровки измерителя на этапе его периодических поверок путем сличений с рабочими эталонами энергетических величин излучения с определением коэффициента преобразования энергии оптического излучения КО, позволяет на этом этапе определять заносимое в паспорт прибора значение коэффициента эквивалентности замещения КЭз измеряемой оптической энергии известной энергией электрического тока согласно зависимости:At the same time, carrying out a similar electrical calibration of the meter at the stage of its periodic verification by comparison with working standards of energy values of radiation with the determination of the optical energy conversion coefficient K O allows at this stage to determine the value of the substitution equivalence coefficient K ez of the measured optical energy of the known optical energy energy of electric current according to the dependence:
где КЭз выражен в отн. един., КО и Кэ - в мкм/Дж.where K ez is expressed in rel. un., K About and To e - in microns / J.
Затем, в процессе дальнейшей работы измерителя, вслед за оперативной электрической калибровкой и остыванием находящегося вне области пучка излучения приемного элемента 1, подают измеряемое излучение в рабочую зону измерителя, фиксируют нулевое показание чувствительного элемента Т0о, включают привод 17 актуатора, начиная таким образом штатное перемещение приемного элемента 1, имеющего ширину черненой приемной поверхности b, через все сечение пучка со скоростью v. После пересечения и выхода его из пучка, штатной остановки актуатора и завершения переходного процесса формирования выходного сигнала, фиксируют конечное значение выходного о сигнала чувствительного элемента ТКо.Then, in the course of further operation of the meter, following the on-line electrical calibration and cooling of the receiving
Используя полученные значения выходных сигналов Т0о и ТКО, паспортное значение коэффициента эквивалентности замещения КЭз, штатные значения ширины приемной поверхности b и скорости v перемещения приемного элемента через пучок, а также оперативно полученное согласно (1) значение коэффициента преобразования электрической энергии Кэ, оценивают оперативное значение средней мощности излучения Ро согласно зависимости (3):Using the obtained values of the output signals T 0o and T KO , the passport value of the equivalent equivalence coefficient K Ez , the nominal values of the width of the receiving surface b and the speed v of the movement of the receiving element through the beam, as well as the value of the electric energy conversion coefficient K e quickly obtained according to (1), evaluate the operational value of the average radiation power P about according to the dependence (3):
где Ро выражено в Вт; ТКо и Т0о - в мкВ; b - в мм; Кэ - в мкВ/Дж; КЭз - в относит. ед.; v - в мм/сек.where P about expressed in watts; T Ko and T 0o - in μV; b - in mm; K e - in μV / J; To Ez - in relate. units; v - in mm / sec.
Совокупность существенных признаков заявляемого устройства позволила, добиться для него:The set of essential features of the claimed device allowed to achieve for him:
- дискретных измерений средней мощности непрерывного лазерного излучения, благодаря применению преобразователя энергии с заданной шириной его стержневого приемного элемента и устройства его линейного перемещения (актуатора) через сечение пучка с заданной скоростью;- discrete measurements of the average power of continuous laser radiation, due to the use of an energy converter with a given width of its rod receiving element and a device for its linear movement (actuator) through the beam section at a given speed;
- измерений больших уровней средней мощности непрерывного лазерного излучения, благодаря применению приемного элемента, ширина которого не превышает 10% от обеспечиваемой актуатором максимальной величины его поперечного перемещения через пучок;- measurements of large levels of average power of continuous laser radiation, due to the use of a receiving element, the width of which does not exceed 10% of the maximum transverse movement through the beam provided by the actuator;
- измерений средней мощности излучения широких пучков излучения, благодаря использованию приемного элемента, длина которого, а также обеспечиваемая актуатором величина его поперечных перемещений, превышают наибольшие размеры поперечного сечения пучка;- measurements of the average radiation power of wide radiation beams, due to the use of a receiving element, the length of which, as well as the value of its transverse displacements provided by the actuator, exceed the largest beam cross-sectional dimensions;
- повышения уровня измеряемой средней мощности, благодаря применению актуатора, обеспечивающего линейные перемещения приемного элемента поперек пучка излучения со скоростью, обеспечивающей минимизацию времени экспонирования каждого точечного фрагмента сечения этого пучка на поверхности приемного элемента до 0,1 с и менее;- increasing the level of measured average power, due to the use of an actuator that provides linear movement of the receiving element across the radiation beam with a speed that minimizes the exposure time of each point fragment of the section of this beam on the surface of the receiving element to 0.1 s or less;
- стабилизации времени экспонирования каждого из множества точечных фрагментов сечения широкого пучка измеряемого излучения на воспринимающей излучение поверхности приемного элемента, благодаря постоянству как ширины этой поверхности по всей длине приемного элемента, так и обеспечиваемой актуатором скорости его передвижения через пучок;- stabilization of the exposure time of each of the multiple point fragments of the cross section of a wide beam of measured radiation on the radiation receiving surface of the receiving element, due to the constancy of both the width of this surface along the entire length of the receiving element and the speed of its movement through the beam provided by the actuator;
- подавления неопределенности результата измерений, связанной с внешними и внутренними тепловыми помехами на приемный элемент, благодаря использованию медного секционного корпуса, отделяющего его от окружающей среды, а также воздушных зазоров, разделяющих эти элементы;- suppressing the uncertainty of the measurement result associated with external and internal thermal noise on the receiving element, due to the use of a copper sectional case that separates it from the environment, as well as air gaps separating these elements;
- подавления неопределенности результата измерений, связанной с возможностью прямого воздействия мощного измеряемого излучения на сборный корпус и его паразитного нагрева, благодаря его размещению по ходу излучения за приемным элементом, ширина приемной поверхности которого превышает ширину сборного корпуса;- suppressing the uncertainty of the measurement result associated with the possibility of direct exposure to powerful measured radiation on the collection case and its spurious heating, due to its placement along the radiation behind the receiving element, the width of the receiving surface of which exceeds the width of the collection case;
- подавления неопределенности результата измерений, связанной с возможностью воздействия на боковые секции корпуса обтекающих его ослабленных потоков излучения, вызванных дифракцией мощного измеряемого излучения на выступающих кромках приемного элемента, благодаря заглублению заостренных кромок боковых секций термостата в приемном элементе и выполнению этих медных секций зеркальными;- suppressing the uncertainty of the measurement result associated with the possibility of exposure to the lateral sections of the casing of the attenuated radiation fluxes caused by diffraction of the powerful measured radiation on the protruding edges of the receiving element due to the deepening of the pointed edges of the lateral sections of the thermostat in the receiving element and making these copper sections mirror;
- подавления неопределенности результата измерений, связанной с неоднородностью распределения плотности мощности излучения в пучках большого диаметра, путем увеличения толщины приемного элемента до величины, в 2-3 раза превышающей его ширину и соответствующего квадратичного увеличения времени распространения тепловой волны как от приемной поверхности до наиболее удаленного от нее чувствительного элемента, так и в обе стороны по длине приемного элемента;- suppressing the uncertainty of the measurement result associated with the heterogeneity of the distribution of the radiation power density in large-diameter beams by increasing the thickness of the receiving element to a value 2-3 times its width and the corresponding quadratic increase in the propagation time of the heat wave from the receiving surface to the most distant from her sensitive element, and in both directions along the length of the receiving element;
- подавления неопределенности результата измерений, связанной с неоднородностью распределения плотности мощности излучения в пучках большого диаметра, путем применения окружающего чувствительный элемент тонкостенного фторопластового патрубка, исключающего его прямой тепловой контакт с телом приемного элемента внутри выполненного в нем канала и таким образом увеличивающего и стабилизирующего время прохождения тепловой волны между ними, дополнительно способствующего распределению тепла по длине приемного элемента за время формирования выходного сигнала;- suppressing the uncertainty of the measurement result associated with the heterogeneity of the distribution of the radiation power density in large-diameter beams by using a thin-walled fluoroplastic pipe surrounding the sensing element, eliminating its direct thermal contact with the body of the receiving element inside the channel made in it and thereby increasing and stabilizing the passage of heat waves between them, additionally contributing to the distribution of heat along the length of the receiving element during the formation output schemes;
- повышения допустимой плотности мощности излучения при работе с пучками малого диаметра, за счет наклона поворотной стойки и увеличения воспринимающей излучение поверхности приемного элемента;- increase the permissible radiation power density when working with small diameter beams, due to the inclination of the rotary rack and increase the radiation receiving surface of the receiving element;
- подавления неопределенности результата измерений, связанной с неравномерностью распределения по длине приемного элемента поглощаемой им мощности излучения при работе с пучками малого диаметра, путем наклона поворотной стойки до положения, соответствующего полному облучению приемного элемента по всей его длине;- suppressing the uncertainty of the measurement result associated with the uneven distribution along the length of the receiving element of the absorbed radiation power when working with small diameter beams, by tilting the rotary stand to a position corresponding to the complete irradiation of the receiving element along its entire length;
- минимизации температуры нагрева приемного элемента и интенсификации процессов ее выравнивания по приемному элементу, благодаря использованию меди в качестве его материала, характеризующейся высокими теплоемкостью, тепло- и температуропроводностью;- minimizing the heating temperature of the receiving element and the intensification of the processes of its alignment with the receiving element, due to the use of copper as its material, characterized by high heat capacity, heat and thermal diffusivity;
- высокой точности электрической калибровки измерителя по методу замещения измеряемой мощности излучения мощностью электрического тока известной величины, благодаря применению константана в качестве материала его калибровочного электрического нагревателя, характеризующегося высокой стабильностью его электрического сопротивления;- high accuracy of the meter’s electrical calibration by the method of replacing the measured radiation power with a known current electric power, due to the use of constantan as the material of its calibration electric heater, characterized by high stability of its electrical resistance;
- высокой точности эквивалентности замещения, благодаря расположению калибровочного электрического нагревателя и чувствительного элемента в выполненных в приемном элементе замкнутых каналах, полностью исключающих возможность их прямого взаимодействия с окружающей средой;- high accuracy of equivalent substitution, due to the location of the calibration electric heater and the sensing element in closed channels made in the receiving element, completely eliminating the possibility of their direct interaction with the environment;
- минимизации отбираемой для измерительных целей излучения и исключения необходимости применения гидравлических систем для охлаждения элементов измерителя.- minimization of radiation selected for measuring purposes and eliminating the need for hydraulic systems to cool the meter elements.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019122435A RU2713055C1 (en) | 2019-07-17 | 2019-07-17 | Laser radiation power meter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019122435A RU2713055C1 (en) | 2019-07-17 | 2019-07-17 | Laser radiation power meter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2713055C1 true RU2713055C1 (en) | 2020-02-03 |
Family
ID=69625054
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019122435A RU2713055C1 (en) | 2019-07-17 | 2019-07-17 | Laser radiation power meter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2713055C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2805276C1 (en) * | 2023-01-11 | 2023-10-13 | Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") | Laser power meter |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
UA38693A (en) * | 2000-08-22 | 2001-05-15 | Науково-Дослідне Відділення "Оптичні Та Конструкційні Кристали" Науково-Технологічний Концерн "Інститут Монокристалів" Нан України | Laser radiation power meter |
JP2009294069A (en) * | 2008-06-05 | 2009-12-17 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Profile measuring apparatus, and profile measuring method for laser light |
US7907266B1 (en) * | 2009-05-19 | 2011-03-15 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Department Of Commerce | Radiometer for detecting and measuring low levels of pulsed laser sources |
CN105424180B (en) * | 2015-12-11 | 2017-05-03 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | Calibration method for terahertz laser power meter |
RU2630857C1 (en) * | 2016-04-20 | 2017-09-13 | Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") | Laser emission standard source for power meter calibration |
US20170347419A1 (en) * | 2016-05-31 | 2017-11-30 | Tt Electronics Plc | Temperature Compensation in Optical Sensing System |
-
2019
- 2019-07-17 RU RU2019122435A patent/RU2713055C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
UA38693A (en) * | 2000-08-22 | 2001-05-15 | Науково-Дослідне Відділення "Оптичні Та Конструкційні Кристали" Науково-Технологічний Концерн "Інститут Монокристалів" Нан України | Laser radiation power meter |
JP2009294069A (en) * | 2008-06-05 | 2009-12-17 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Profile measuring apparatus, and profile measuring method for laser light |
US7907266B1 (en) * | 2009-05-19 | 2011-03-15 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Department Of Commerce | Radiometer for detecting and measuring low levels of pulsed laser sources |
CN105424180B (en) * | 2015-12-11 | 2017-05-03 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | Calibration method for terahertz laser power meter |
RU2630857C1 (en) * | 2016-04-20 | 2017-09-13 | Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") | Laser emission standard source for power meter calibration |
US20170347419A1 (en) * | 2016-05-31 | 2017-11-30 | Tt Electronics Plc | Temperature Compensation in Optical Sensing System |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2805276C1 (en) * | 2023-01-11 | 2023-10-13 | Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") | Laser power meter |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Yang et al. | Thermal transport in CO2 laser irradiated fused silica: In situ measurements and analysis | |
Albatici et al. | Assessment of the thermal emissivity value of building materials using an infrared thermovision technique emissometer | |
Barnea et al. | Flow and heat transfer regimes during quenching of hot surfaces | |
EP2793006A2 (en) | Improved blackbody function | |
CN107907561A (en) | The device and measuring method of multipath reflection laser optical lever metal linear expansion coefficient measurement | |
Sapozhnikov et al. | An investigation into film condensation of saturated steam on tube surfaces by a gradient heatmetry | |
RU2713055C1 (en) | Laser radiation power meter | |
Michał et al. | Evaluating the influence of radiative heat flux on convective heat transfer from a vertical plate in air using an improved heating plate | |
Zhang et al. | A transient method for total emissivity determination | |
Hahn | Robinson line-heat-source guarded hot plate apparatus | |
Patil et al. | Spatially resolved temperature measurement in microchannels | |
Hernandez et al. | True temperature measurement on metallic surfaces using a two-color pyroreflectometer method | |
Beaumale et al. | Simultaneous high-accuracy measurements of local heat transfer and phase distribution during convective condensation using non intrusive diagnostic tools | |
Grabas | Pyrometric temperature measurements with a miniature cavity used as a blackbody in the calorimetric method for determining absorbed laser energy | |
Lima et al. | Thermal effusivity estimation of polymers in time domain | |
Longo | A steady-state apparatus to measure the thermal conductivity of solids | |
Litvintsova et al. | Diagnostics of coolant boiling onset based on the analysis of fluctuations of thermohydraulic parameters | |
JP2012021955A (en) | Thermal emissivity measuring apparatus | |
RU2805276C1 (en) | Laser power meter | |
Glazov et al. | State working standard of the unit of average power of optical radiation for fiber-optic systems and lasers | |
Sharkov et al. | A radiometer for measuring high-intensity heat flux density and a method of calibrating it | |
Sharma et al. | Infrared Thermal Imaging Technique for Temperature Measurement | |
Crespy et al. | Study of laser megajoule calorimeter's thermal behaviour for energy measurement uncertainty optimisation | |
Crane | Pyrometric temperature measurement in concentrated sunlight with emissivity determination | |
Scott | Paper 11: Laser Energy Measurements by Absolute Methods |