RU2808750C1 - Device for measuring parameters and characteristics of radiation sources - Google Patents
Device for measuring parameters and characteristics of radiation sources Download PDFInfo
- Publication number
- RU2808750C1 RU2808750C1 RU2022130905A RU2022130905A RU2808750C1 RU 2808750 C1 RU2808750 C1 RU 2808750C1 RU 2022130905 A RU2022130905 A RU 2022130905A RU 2022130905 A RU2022130905 A RU 2022130905A RU 2808750 C1 RU2808750 C1 RU 2808750C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser radiation
- laser
- comparison standard
- computer
- moving device
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 116
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims abstract description 23
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 18
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 36
- 230000010365 information processing Effects 0.000 claims description 6
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 claims description 4
- 230000006378 damage Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 2
- 230000008030 elimination Effects 0.000 abstract 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 abstract 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 7
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 6
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 3
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 description 3
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 241000208140 Acer Species 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000270295 Serpentes Species 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- BJQHLKABXJIVAM-UHFFFAOYSA-N bis(2-ethylhexyl) phthalate Chemical compound CCCCC(CC)COC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCC(CC)CCCC BJQHLKABXJIVAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, квантовой электроники и технической физики, в частности к технике взаимодействия импульсного лазерного излучения с веществом и оптических измерений плотности электромагнитного излучения на основе поглощения электромагнитной энергии, а именно: к устройствам для калибровки или измерения параметров и характеристик источников излучения, и может быть использовано для измерения размеров эффективного фокусного (диаметра лазерного пучка) пятна и плотности энергии (мощности) импульсов лазерного излучения, например, милли-, микро-, наноимпульсов лазерного излучения, от ультрафиолетового диапазона длин волн до СВЧ для измерения плотности энергии импульсов в разных областях науки, техники и народного хозяйства, например в медицине.The present invention relates to the field of measurement technology, quantum electronics and technical physics, in particular to the technique of interaction of pulsed laser radiation with matter and optical measurements of the density of electromagnetic radiation based on the absorption of electromagnetic energy, namely: to devices for calibrating or measuring the parameters and characteristics of radiation sources , and can be used to measure the size of the effective focal (diameter of the laser beam) spot and the energy density (power) of laser pulses, for example, milli-, micro-, nanopulses of laser radiation, from the ultraviolet wavelength range to the microwave to measure the pulse energy density in various fields of science, technology and national economy, for example in medicine.
При взаимодействии интенсивного лазерного импульсного излучения с веществом может происходить разрушение материала, что приводит к невозможности измерения размеров фокусного пятна на исследуемом объекте от воздействия лазерного импульсного излучения и, как следствие, определения по нему плотности энергии (мощности) воздействующего лазерного излучения. Кроме того, из-за влияния физико-химических свойств разных материалов исследуемых образцов на величину площади лазерного пятна на исследуемом образце от воздействия лазерного излучения от источника, увеличивается погрешность при измерении площади лазерного пятна. Все это является актуальной проблемой.When intense laser pulsed radiation interacts with a substance, destruction of the material can occur, which leads to the impossibility of measuring the size of the focal spot on the object under study from the influence of laser pulsed radiation and, as a consequence, determining the energy density (power) of the acting laser radiation from it. In addition, due to the influence of the physicochemical properties of different materials of the samples under study on the size of the laser spot area on the sample under study from the influence of laser radiation from the source, the error in measuring the area of the laser spot increases. All this is a pressing problem.
Известно устройство для измерения энергии мощных нано- и пикосекундных лазерных импульсов проходного типа, содержащее источник лазерного излучения, канал распространения рассеянного лазерного излучения, измерительно-вычислительный блок, рассеивающую среду, формируемую оптически-прозрачным рассеивателем проходного типа, обеспечивающим прохождение излучения через него и выполненным в виде цилиндрической шайбы из оптического стекла, установленной во фланец под острым углом оси симметрии шайбы к оптической оси, а на внешней поверхности цилиндра равномерно по окружности установлены и закреплены посредством винтов с возможностью регулировки расстояния до поверхности цилиндра для выравнивания зонной характеристики устройства, разветвленные концы, по меньшей мере, двух световолоконных коллекторов, обеспечивающих передачу рассеянной части оптического излучения на разных длинах волн через ослабители на фотодиоды, каждый из которых согласован с соответствующим коллектором для работы на соответствующей данному коллектору длине волны, причем противоположные концы к разветвленным концам световолоконных коллекторов закреплены в оправы с помощью винтов, позволяющих путем регулировки расстояния от них до поверхности ослабителей создавать необходимый уровень сигнала, передаваемого световолоконными коллекторами на ослабители, используемые для согласования оптической схемы с характеристиками фотодиодов, а переключение между фотодиодами осуществляется с помощью коммутатора [1].A device is known for measuring the energy of high-power nano- and picosecond laser pulses of the transmission type, containing a source of laser radiation, a channel for propagation of scattered laser radiation, a measuring and computing unit, a scattering medium formed by an optically transparent diffuser of the transmission type, ensuring the passage of radiation through it and made in in the form of a cylindrical washer made of optical glass, installed in a flange at an acute angle of the axis of symmetry of the washer to the optical axis, and on the outer surface of the cylinder evenly around the circumference they are installed and secured with screws with the ability to adjust the distance to the surface of the cylinder to align the zonal characteristics of the device, branched ends, according to at least two light-fiber collectors providing transmission of the scattered part of optical radiation at different wavelengths through attenuators to photodiodes, each of which is matched with the corresponding collector to operate at the wavelength corresponding to this collector, and the opposite ends to the branched ends of the light-fiber collectors are fixed in frames with using screws, which allow, by adjusting the distance from them to the surface of the attenuators, to create the required level of the signal transmitted by the optical fiber collectors to the attenuators used to match the optical circuit with the characteristics of the photodiodes, and switching between photodiodes is carried out using a switch [1].
Недостатком данного технического решения является то, что данное устройство является сложным в техническом исполнении вследствие необходимости использования световолоконных коллекторов и не позволяет определить с высокой точностью реальную плотность энергии (мощности) лазерного излучения, воздействующего на исследуемый образец в случае его разрушения при воздействии импульсов лазерного излучения.The disadvantage of this technical solution is that this device is technically complex due to the need to use fiber-optic collectors and does not allow one to determine with high accuracy the real energy (power) density of laser radiation acting on the sample under study in the event of its destruction when exposed to laser pulses.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является устройство для измерения параметров и характеристик источника лазерного излучения с устройством крепления и блоком управления источником лазерного излучения, содержащее блок питания, эталон сравнения, при этом выход лазерного излучения оптически сопряжен с входным окном, образованным с помощью оптоволоконного кабеля, приемника лазерного излучения, закрепленного посредством устройства крепления, установленном на подвижном устройстве, и электрически соединенного с блоком управления и обработки информации, причем устройства крепления источника лазерного излучения и приемника лазерного излучения и подвижное устройство приемника лазерного излучения установлены на оптической скамье, подвижное устройство приемника лазерного излучения выполнено трехкоординатным с возможностью перемещения приемника лазерного излучения по трем координатам и соединено с блоком управления подвижным устройством, выполненным с возможностью обеспечения контроля параметров работы подвижного устройства и связанным с блоком управления и обработки информации, снабженным устройством вывода информации в виде двухмерных и трехмерных моделей пространственного распределения освещенности или облученности при заданных координатах пространства, спектральных характеристик, координат цветности и карты цветов для источников излучения видимого диапазона от источника лазерного излучения и выполненным с возможностью обеспечивать управление всеми элементами устройства для измерения параметров и характеристик источника лазерного излучения [2].The closest to the claimed technical solution (prototype) is a device for measuring the parameters and characteristics of a laser radiation source with a mounting device and a control unit for the laser radiation source, containing a power supply, a comparison standard, and the laser radiation output is optically coupled with the input window formed by a fiber optic cable, a laser radiation receiver, fixed by means of a fastening device mounted on a movable device, and electrically connected to a control and information processing unit, wherein the mounting devices for the laser radiation source and the laser radiation receiver and the movable device for the laser radiation receiver are installed on the optical bench, the movable device The laser radiation receiver is made three-coordinate with the ability to move the laser radiation receiver along three coordinates and is connected to a control unit of a mobile device, configured to provide control of the operating parameters of the mobile device and connected to a control and information processing unit equipped with a device for outputting information in the form of two-dimensional and three-dimensional models spatial distribution of illumination or irradiance at given spatial coordinates, spectral characteristics, chromaticity coordinates and color maps for visible radiation sources from a laser radiation source and configured to provide control of all elements of the device for measuring the parameters and characteristics of the laser radiation source [2].
Недостатком данного технического решения является то, что оно не позволяет определить с высокой точностью реальную плотность энергии (мощность) лазерного излучения, воздействующего на исследуемый образец в случае его разрушения при воздействии импульсов лазерного излучения.The disadvantage of this technical solution is that it does not allow one to determine with high accuracy the real energy density (power) of laser radiation acting on the sample under study in the event of its destruction under the influence of laser pulses.
Новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность определения плотности энергии (мощности) источника лазерного излучения на поверхности исследуемого образца посредством исключения влияния физико-химических свойств разных исследуемых материалов на величину площади лазерного пятна от воздействия лазерного излучения от источника на исследуемом материале и в случае разрушения исследуемого образца при воздействии импульсов лазерного излучения.A new technical result achieved by the proposed invention is the ability to determine the energy density (power) of a laser radiation source on the surface of the test sample by eliminating the influence of the physicochemical properties of different materials under study on the size of the laser spot area from the influence of laser radiation from the source on the material under study and in the event of destruction of the test material sample when exposed to laser pulses.
Новый технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения параметров и характеристик источника лазерного излучения, содержащее приемник лазерного излучения, оптически сопряженный входным окном с выходом лазерного излучения, трехкоординатное устройство перемещения, соединенное с блоком управления трехкоординатным устройством перемещения, выполненным с возможностью обеспечения контроля параметров работы трехкоординатного устройства перемещения, блок управления и обработки информации, устройство крепления и эталон сравнения, в отличие от прототипа, в устройство для измерения параметров и характеристик источника лазерного излучения дополнительно введены затвор, две полупрозрачные кварцевые пластины, оптическая система фокусировки, исследуемый образец и фотодиод, устройство крепления расположено на трехкоординатном устройстве перемещения и выполнено с возможностью закрепления исследуемого образца и эталона сравнения таким образом, что поверхности исследуемого образца и эталона сравнения, на которые воздействуют импульсным лазерным излучением источника, лежат в одной плоскости, блок управления трехкоординатным устройством перемещения и блок управления и обработки информации выполнены в виде компьютера, обеспечивающего возможность обработки информации и управления в соответствии с компьютерной программой трехкоординатным устройством перемещения и затвором, пропускающим определенное количество задаваемых компьютерной программой импульсов, приемник лазерного излучения оптически сопряжен входным окном с выходом лазерного излучения через первую и вторую полупрозрачные кварцевые пластины, при этом первая полупрозрачная кварцевая пластина установлена с возможностью разделения излучения на два пучка, один из которых отражается на вторую полупрозрачную кварцевую пластину, а проходящий пучок проходит через оптическую систему фокусировки, фокусирующую лазерное излучение на поверхности исследуемого образца или эталона сравнения, вторая полупрозрачная кварцевая пластина установлена с возможностью разделения излучения на два пучка, один из которых отражается на фотодиод, подключенный к компьютеру, а проходящий пучок проходит во входное окно приемника лазерного излучения, подключенного к компьютеру.A new technical result is achieved by the fact that in a device for measuring the parameters and characteristics of a laser radiation source, containing a laser radiation receiver optically coupled by an input window with a laser radiation output, a three-coordinate moving device connected to a control unit of the three-coordinate moving device, configured to provide control of parameters operation of a three-coordinate moving device, a control and information processing unit, a fastening device and a comparison standard, unlike the prototype, a shutter, two translucent quartz plates, an optical focusing system, a test sample and a photodiode are additionally introduced into the device for measuring the parameters and characteristics of the laser radiation source, the fastening device is located on a three-coordinate moving device and is configured to fix the test sample and the comparison standard in such a way that the surfaces of the test sample and the comparison standard, which are exposed to pulsed laser radiation from the source, lie in the same plane, the control unit of the three-coordinate moving device and the control unit and information processing is made in the form of a computer that provides the ability to process information and control, in accordance with a computer program, a three-coordinate moving device and a shutter that passes a certain number of pulses specified by the computer program; the laser radiation receiver is optically coupled by an input window with the output of laser radiation through the first and second translucent quartz plates , wherein the first translucent quartz plate is installed with the possibility of dividing the radiation into two beams, one of which is reflected onto the second translucent quartz plate, and the passing beam passes through an optical focusing system that focuses the laser radiation on the surface of the test sample or reference standard, the second translucent quartz plate installed with the ability to divide the radiation into two beams, one of which is reflected onto a photodiode connected to a computer, and the transmitted beam passes into the input window of the laser radiation receiver connected to the computer.
Устройство крепления может быть выполнено с основанием, на посадочной плоскости которого посредством прижимной пластины прижаты исследуемый образец и эталон сравнения, при этом основание закреплено на трехкоординатном устройстве перемещения с возможностью перемещения устройства крепления с эталоном сравнения в горизонтальной плоскости так, чтобы между пятнами, которые образуются на поверхности эталона сравнения при воздействии импульсов лазерного излучения, было одинаковое расстояние, и они не накладывались друг на друга.The fastening device can be made with a base, on the landing plane of which the test sample and the comparison standard are pressed by means of a pressure plate, while the base is fixed to a three-coordinate moving device with the possibility of moving the fastening device with the comparison standard in the horizontal plane so that between the spots that form on the surface of the comparison standard when exposed to laser pulses was the same distance, and they did not overlap each other.
Эталон сравнения может быть выполнен из материала, пик спектра поглощения которого максимально соответствует длине волны источника лазерного излучения.The comparison standard can be made of a material whose absorption spectrum peak most closely matches the wavelength of the laser radiation source.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для измерения параметров и характеристик источника лазерного излучения.In fig. Figure 1 shows a schematic diagram of a device for measuring the parameters and characteristics of a laser radiation source.
Устройство для измерения параметров и характеристик источника 1 лазерного излучения содержит приемник 2 лазерного излучения, подключенный к компьютеру 3 и оптически сопряженный входным окном 4 с выходом 5 источника 1 лазерного излучения через первую и вторую полупрозрачные кварцевые пластины 6, 7, при этом первая полупрозрачная кварцевая пластина 6 установлена с возможностью разделения излучения на два пучка, один из которых отражается на вторую полупрозрачную кварцевую пластину 7, а проходящий пучок проходит через оптическую систему фокусировки 8, фокусирующую лазерное излучение на поверхности исследуемого образца 9, вторая полупрозрачная кварцевая пластина 7 установлена с возможностью разделения излучения на два пучка, один из которых отражается на фотодиод 10, подключенный к компьютеру, а проходящий пучок проходит во входное окно 4 приемника 2 лазерного излучения, трехкоординатное устройство перемещения 11 с устройством крепления 12, выполненное с возможностью закрепления исследуемого образца 9 и эталона сравнения 13, при этом компьютер 3 обеспечивает возможность обработки информации и управления в соответствии с компьютерной программой трехкоординатным устройством перемещения 11 и затвором 14, пропускающим определенное количество задаваемых компьютерной программой импульсов (фиг. 1).The device for measuring the parameters and characteristics of the laser radiation source 1 contains a laser radiation receiver 2 connected to a computer 3 and optically coupled by the input window 4 with the output 5 of the laser radiation source 1 through the first and second translucent quartz plates 6, 7, with the first translucent quartz plate 6 is installed with the possibility of dividing the radiation into two beams, one of which is reflected onto the second translucent quartz plate 7, and the passing beam passes through an optical focusing system 8, which focuses laser radiation on the surface of the test sample 9, the second translucent quartz plate 7 is installed with the possibility of separating the radiation into two beams, one of which is reflected on a photodiode 10 connected to a computer, and the transmitted beam passes into the input window 4 of the laser radiation receiver 2, a three-coordinate moving device 11 with a fastening device 12, made with the possibility of fixing the test sample 9 and the comparison standard 13, in this case, the computer 3 provides the ability to process information and control, in accordance with the computer program, a three-coordinate moving device 11 and a shutter 14, which passes a certain number of pulses specified by the computer program (Fig. 1).
Источник 1 лазерного излучения предназначен для создания электромагнитных импульсов, способных зафиксировать на поверхности эталона сравнения 13 лазерное пятно, контраст которого бы позволил провести измерения его площади.The laser radiation source 1 is designed to create electromagnetic pulses capable of recording a laser spot on the surface of the comparison standard 13, the contrast of which would allow measurements of its area.
В качестве источника 1 лазерного излучения может быть использован импульсный твердотельный лазер марки Opolette HR 2731 (ОРОТЕС Inc., USA) или любой аналогичный, длина волны которого определяется условиями проведения работы.As a source 1 of laser radiation, a pulsed solid-state laser of the Opolette HR 2731 brand (OROTEC Inc., USA) or any similar one, the wavelength of which is determined by the operating conditions, can be used.
Затвор 14 предназначен для пропускания нужного количества импульсов лазерного излучения от источника 1 в соответствии с определенной программой, задаваемой и контролируемой компьютером 3, и прерывания лазерного излучения.The shutter 14 is designed to pass the required number of laser pulses from the source 1 in accordance with a specific program specified and controlled by the computer 3, and interrupt the laser radiation.
В качестве затвора 2 может быть использован оптический затвор NS25B (Uniblitz, США) или любой аналогичный.An optical shutter NS25B (Uniblitz, USA) or any similar one can be used as shutter 2.
Полупрозрачные кварцевые пластины 6, 7 предназначены для частичного пропускания и частичного отражения лазерного излучения от источника 1.Translucent quartz plates 6, 7 are designed for partial transmission and partial reflection of laser radiation from source 1.
В качестве полупрозрачных кварцевых пластин 6, 7 могут быть использованы пластины из покупного кварцевого оптического стекла марок КВ, КУ-2, КИ с нанесенным интерференционным покрытием либо другим оптическим материалом, подходящим для заданного диапазона излучения.Plates made of purchased quartz optical glass of the KV, KU-2, KI brands with an applied interference coating or other optical material suitable for a given radiation range can be used as translucent quartz plates 6, 7.
Приемник 2 лазерного излучения предназначен для измерения энергии импульсов лазерного излучения от источника 1 с помощью его измерительной головки.The laser radiation receiver 2 is designed to measure the energy of laser radiation pulses from the source 1 using its measuring head.
В качестве измерительной головки приемника 2 лазерного излучения может быть использована измерительная головка прибора ИЛД-2М (Опытный завод «Эталон», г. Волгоград).The measuring head of the ILD-2M device (Etalon Pilot Plant, Volgograd) can be used as the measuring head of the laser radiation receiver 2.
Компьютер 3 предназначен для записи, хранения и обработки информации и управления в соответствии с компьютерной программой трехкоординатным устройством перемещения 11 и контроля затвора 14, пропускающего определенное количество импульсов, задаваемых компьютерной программой.Computer 3 is designed to record, store and process information and control, in accordance with a computer program, a three-coordinate device for moving 11 and controlling the shutter 14, which passes a certain number of pulses specified by the computer program.
В качестве компьютера 3 может быть использован персональный компьютер, поддерживающий операционную систему Windows 10, или сходные системы, например, Acer.Computer 3 can be a personal computer that supports the Windows 10 operating system, or similar systems, for example, Acer.
Оптическая система фокусировки 8 предназначена для фокусировки лазерного излучения от источника 1 на поверхности исследуемого образца 9 и эталона сравнения 13.The optical focusing system 8 is designed to focus laser radiation from the source 1 on the surface of the test sample 9 and the comparison standard 13.
В качестве оптической системы фокусировки 8 может быть использована линза, изготовленная из покупного кварцевого оптического стекла марок КВ, КУ-2, КИ, или их аналогов.As an optical focusing system 8, a lens made of purchased quartz optical glass of the brands KV, KU-2, KI, or their analogues can be used.
Исследуемый образец 9 предназначен для испытаний результатов воздействия сфокусированным лазерным излучением от источника 1.Test sample 9 is intended for testing the results of exposure to focused laser radiation from source 1.
В качестве исследуемого образца 9 может быть использован образец, изготовленный из покупного монокристаллического германия ориентации (111), либо любого другого материала, нуждающегося в подобных исследованиях.As the test sample 9, a sample made from commercial single-crystalline germanium with the (111) orientation or any other material that requires similar studies can be used.
Устройство крепления 12 предназначено для закрепления исследуемого образца 9 и эталона сравнения 13 в положении, необходимом для проведения измерения плотности энергии.The fastening device 12 is designed to secure the test sample 9 and the comparison standard 13 in the position necessary for measuring the energy density.
В качестве устройства крепления 12 используют устройство собственного изготовления (фиг. 2). Основным элементом устройства крепления 12 является основание 15, напечатанное на 3D-принтере. Основание 15 крепится к трехкоординатному устройству перемещения 11. Основание 15 представляет собой посадочную плоскость, к которой посредством прижимной пластины 16 прижимают исследуемый образец 9 и эталон сравнения 13 (фиг. 2).As a fastening device 12, a self-made device is used (Fig. 2). The main element of the fastening device 12 is a base 15 printed on a 3D printer. The base 15 is attached to a three-coordinate moving device 11. The base 15 is a landing plane to which the test sample 9 and the reference standard 13 are pressed using a pressure plate 16 (Fig. 2).
Эталон сравнения 13 предназначен для воздействия сфокусированным лазерным излучением от источника 1, а также определения площади сфокусированного пятна лазерного излучения от источника 1, с помощью которого появляется возможность определения плотности энергии. Необходимость использования эталона сравнения 13 вызвана требованием исключить влияние физико-химических свойств исследуемых материалов на результаты измерений площади пятна воздействия лазерного излучения на исследуемом образце.The comparison standard 13 is intended for exposure to focused laser radiation from the source 1, as well as determining the area of the focused spot of laser radiation from the source 1, with the help of which it becomes possible to determine the energy density. The need to use comparison standard 13 is caused by the requirement to exclude the influence of the physicochemical properties of the materials under study on the results of measuring the spot area of laser radiation on the sample under study.
Эталон сравнения 13 выполняют в виде пластины толщиной 0,1 мм (фиг. 2). Эталон сравнения 13 выполняют из материала, пик спектра поглощения которого максимально соответствует длине волны источника 1 лазерного излучения, например, это может быть фольга из меди, либо другой материал, на поверхности которого фиксируется контрастное изображение лазерного пятна. Максимальное соответствие длине волны пика спектра поглощения материала эталона сравнения 13 источнику 1 лазерного излучения связано с тем, что абляция должна происходить даже при малой энергии импульса лазерного излучения источника 1, при этом границы площади пятна от воздействия лазерного излучения от источника 1 на эталоне сравнения 13 должны быть ярко выраженными.The comparison standard 13 is made in the form of a plate with a thickness of 0.1 mm (Fig. 2). The comparison standard 13 is made of a material whose absorption spectrum peak most closely matches the wavelength of the laser radiation source 1, for example, it can be copper foil or another material on the surface of which a contrast image of the laser spot is recorded. The maximum correspondence of the peak wavelength of the absorption spectrum of the material of the reference standard 13 to the source 1 of laser radiation is due to the fact that ablation should occur even at low pulse energy of the laser radiation of the source 1, while the boundaries of the spot area from the influence of laser radiation from the source 1 on the reference standard 13 should be clearly expressed.
Фотодиод 10 (счетчик импульсов) предназначен для считывания импульсов и синхронизации выводимых данных измерений на монитор компьютера 3, связывая их с падающим импульсом лазерного излучения на фоточувствительный элемент измерительной головки приемника 2 лазерного излучения.Photodiode 10 (pulse counter) is designed to read pulses and synchronize the output measurement data on the computer monitor 3, connecting them with the incident laser pulse on the photosensitive element of the measuring head of the laser radiation receiver 2.
В качестве фотодиода 10 может быть использован кремниевый фотодиод ФД-24К либо его аналог.A silicon photodiode FD-24K or its analogue can be used as photodiode 10.
Трехкоординатное устройство перемещения 11 предназначено для перемещения устройства крепления 12 исследуемого образца 9 в горизонтальной плоскости по оси X так, чтобы между пятнами, которые образуются на поверхности эталона сравнения 13, было одинаковое расстояние, и они не накладывались друг на друга, а также для обеспечения той же величины размера лазерного пятна на исследуемом образце 9, которая ранее была зафиксирована на эталоне сравнения 13.The three-coordinate moving device 11 is designed to move the fastening device 12 of the test sample 9 in a horizontal plane along the X axis so that there is an equal distance between the spots that form on the surface of the comparison standard 13 and they do not overlap each other, as well as to ensure that the same value of the laser spot size on the test sample 9, which was previously recorded on the comparison standard 13.
В качестве трехкоординатного устройства перемещения 11 может быть использован автоматизированный трехкоординатный столик, например, KML Linear Motion Technology GmbH.An automated three-axis table, for example, KML Linear Motion Technology GmbH, can be used as a three-axis moving device 11.
Микроскоп 17 предназначен для проведения измерений на поверхности эталона сравнения 13 параметров пятен - следов от воздействия импульсов лазерного излучения источника 1 при соответствующих заданных значениях плотностей энергии импульсов лазерного излучения источника 1.The microscope 17 is designed to carry out measurements on the surface of the standard for comparison of 13 parameters of spots - traces from the influence of laser radiation pulses from source 1 at the corresponding specified values of the energy densities of laser radiation pulses from source 1.
В качестве микроскопа 17 может быть использован, например UM20-GN08.The microscope 17 can be used, for example, UM20-GN08.
Устройство для измерения плотности энергии работает следующим образом.The energy density measuring device operates as follows.
Лазерное излучение от источника 1 проходит через затвор 2, который в соответствии с программой контролируется с помощью компьютера 3 и пропускает определенное количество импульсов в соответствии с заданной программой. Затем лазерное излучение от источника 1 падает на первую полупрозрачную кварцевую пластину 6, которая разделяет излучение на два пучка, один из пучков отражается на вторую полупрозрачную кварцевую пластину 7, другой пучок проходит через оптическую систему фокусировки 8, фокусирующую лазерное излучение от источника 1 в фокальной плоскости исследуемого образца 9 или эталона сравнения 13, которые закреплены в устройстве для крепления 12 исследуемого образца 9 и эталона сравнения 13, расположенном на трехкоординатном устройстве перемещения 11, подключенном к компьютеру 3. Одновременно лазерное излучение от источника 1, проходящее через вторую полупрозрачную кварцевую пластину 7, попадает на чувствительный элемент измерительной головки приемника 2 лазерного излучения, который подключен к компьютеру 3. Другой пучок лазерного излучения от источника 1, разделенный второй полупрозрачной кварцевой пластиной 7 отражается на подключенный к компьютеру 3 фотодиод 10, который считает и контролирует число импульсов, проходящих через затвор 14.Laser radiation from source 1 passes through shutter 2, which, in accordance with the program, is controlled by computer 3 and passes a certain number of pulses in accordance with the specified program. Then the laser radiation from the source 1 falls on the first translucent quartz plate 6, which divides the radiation into two beams, one of the beams is reflected onto the second translucent quartz plate 7, the other beam passes through the optical focusing system 8, which focuses the laser radiation from the source 1 in the focal plane the test sample 9 or the comparison standard 13, which are fixed in a device for fastening 12 of the test sample 9 and the comparison standard 13, located on a three-coordinate moving device 11 connected to the computer 3. At the same time, laser radiation from the source 1 passing through the second translucent quartz plate 7, falls on the sensitive element of the measuring head of the laser radiation receiver 2, which is connected to the computer 3. Another beam of laser radiation from the source 1, separated by a second translucent quartz plate 7, is reflected onto a photodiode 10 connected to the computer 3, which counts and controls the number of pulses passing through the shutter 14.
Измерение плотности энергии происходит следующим образом.Energy density is measured as follows.
Благодаря конструкции основания 15 поверхности исследуемого образца 9 и эталон сравнения 13, на которые воздействуют импульсным лазерным излучением источника 1, лежат в одной плоскости. Это позволяет проводить измерения в следующем порядке:Thanks to the design of the base 15, the surfaces of the test sample 9 and the reference standard 13, which are exposed to pulsed laser radiation from the source 1, lie in the same plane. This allows measurements to be taken in the following order:
1) исследуемый образец 9 и эталон сравнения 13 для калибровки помещают на устройство крепления 12;1) the test sample 9 and the comparison standard 13 for calibration are placed on the mounting device 12;
2) для заданных значений плотностей энергии импульсов лазерного излучения источника 1 проводят калибровку эталона сравнения 13. Для чего лазерное излучение от источника 1 фокусируют с помощью оптической системы фокусировки 8 на эталоне сравнения 13, закрепленном на устройстве крепления 12, далее создают серию пятен на рабочей поверхности эталона сравнения 13 с разной энергией в импульсе лазерного излучения от источника 1 и одинаковым числом импульсов лазерного излучения. Трехкоординатное устройство перемещения 11 перемещает устройство крепления 12 с эталоном сравнения 13 в горизонтальной плоскости по оси X так, чтобы между пятнами, которые образуются на поверхности эталона сравнения 13, было одинаковое расстояние, и они не накладывались друг на друга (фиг. 2);2) for given values of energy densities of pulses of laser radiation from source 1, the comparison standard 13 is calibrated. For this purpose, laser radiation from source 1 is focused using an optical focusing system 8 on the comparison standard 13, mounted on the mounting device 12, then a series of spots are created on the working surface comparison standard 13 with different energies in the laser pulse from source 1 and the same number of laser pulses. The three-coordinate moving device 11 moves the fastening device 12 with the comparison standard 13 in the horizontal plane along the X axis so that there is an equal distance between the spots that form on the surface of the comparison standard 13 and they do not overlap each other (Fig. 2);
3) снимают эталон сравнения 13, исследуют эталон сравнения 13 на микроскопе 17 с целью проведения измерения на поверхности эталона сравнения 13 параметров пятен - следов от воздействия импульсов лазерного излучения источника 1 при соответствующих заданных значениях плотностей энергии импульсов лазерного излучения источника 1 и определяют характерные размеры сечения пятен (площадь каждого пятна) - воздействия лазерного пучка;3) remove the comparison standard 13, examine the comparison standard 13 on a microscope 17 in order to measure on the surface of the comparison standard 13 parameters of spots - traces from the action of laser radiation pulses from source 1 at the corresponding specified values of the energy densities of laser radiation pulses from source 1 and determine the characteristic cross-sectional dimensions spots (area of each spot) - exposure to a laser beam;
4) для заданных плотностей энергии импульсов лазерного излучения источника 1 проводят соответствующую обработку поверхности исследуемого образца 9, причем устройство, показанное на фиг. 2, гарантированно обеспечивает размер пятна лазерного излучения, измеренный ранее на эталоне сравнения 9.4) for given energy densities of laser radiation pulses from source 1, the surface of the test sample 9 is subjected to appropriate treatment, and the device shown in FIG. 2 is guaranteed to provide the laser spot size previously measured using reference standard 9.
Сравнивая энергию лазерного излучения от источника 1, измеренную приемником 2 лазерного излучения, и площадь соответствующих пятен находят реальную площадь лазерного пучка и далее определяют плотность энергии лазерного излучения 1.By comparing the energy of laser radiation from source 1, measured by laser radiation receiver 2, and the area of the corresponding spots, the real area of the laser beam is found and then the energy density of laser radiation 1 is determined.
Например, данное устройство можно использовать для определения плотности энергии ультрафиолетового лазерного излучения, воздействующего на образец германия с энергией лазера 1 до 2 мДж и площадью сфокусированного лазерного пучка меньше 1 мм2. При малых плотностях энергии (до абляции на поверхности исследуемого образца 9 германия), невозможно определить площадь сфокусированного лазерного пучка, так как практически не остается следов воздействия лазерного излучения, а при больших энергиях происходит разрушение материала, и расплавление поверхностного слоя германия с образованием бруствера. При этом вокруг центра лазерного пятна на поверхности исследуемого образца 9 германия возникают разные нано- и микроструктуры, которые не всегда позволяют точно определить центр пятна и измерить его. И, чтобы определить плотность энергии лазерного излучения делают серию пятен на эталоне сравнения 13 с одинаковым количеством импульсов, но с разной плотностью энергии от заданной минимальной до максимальной. Затем, с помощью микроскопа 17, определяется площадь каждого пятна, а на компьютере 3, с помощью специального программного обеспечения, соизмеряют площадь пятна с энергией лазерного излучения, которая воздействовала в данной точке, и определяют реальный размер площади лазерного пучка. Далее, в зависимости от эксперимента, который необходимо провести, например, сканирование образца исследуемого образца 9 германия по растровой траектории (типа «змейка») таким образом, что соседние пятна перекрывались с коэффициентом перекрытия к (отношение площади, обработанной двумя импульсами излучения, к площади одного пятна) больше 99%, затем соотносим среднюю энергию лазера во время эксперимента с площадью реального лазерного пучка и получаем с высокой точностью реальную среднюю плотность энергии лазерного излучения даже при разрушении исследуемого образца 9 в результате поведенных с ним испытаний.For example, this device can be used to determine the energy density of ultraviolet laser radiation applied to a germanium sample with a laser energy of 1 to 2 mJ and a focused laser beam area of less than 1 mm 2 . At low energy densities (before ablation of 9 germanium on the surface of the test sample), it is impossible to determine the area of the focused laser beam, since there are practically no traces of the influence of laser radiation, and at high energies the material is destroyed and the surface layer of germanium melts with the formation of a parapet. In this case, around the center of the laser spot on the surface of the test sample 9 germanium, different nano- and microstructures appear, which do not always make it possible to accurately determine the center of the spot and measure it. And to determine the energy density of laser radiation, a series of spots are made on a comparison standard of 13 with the same number of pulses, but with different energy densities from a given minimum to maximum. Then, using a microscope 17, the area of each spot is determined, and on a computer 3, using special software, the area of the spot is compared with the energy of the laser radiation that acted at a given point, and the real size of the area of the laser beam is determined. Further, depending on the experiment that needs to be carried out, for example, scanning a sample of the test sample 9 germanium along a raster trajectory (of the “snake” type) in such a way that adjacent spots overlap with an overlap coefficient k (the ratio of the area processed by two radiation pulses to the area one spot) is more than 99%, then we correlate the average laser energy during the experiment with the area of the real laser beam and obtain with high accuracy the real average energy density of laser radiation even if the test sample 9 is destroyed as a result of the tests performed on it.
На основании вышеизложенного новый достигаемый технический результат предлагаемого изобретения обеспечивается следующими по сравнению с прототипом техническими преимуществами.Based on the above, the new achieved technical result of the proposed invention is provided with the following technical advantages compared to the prototype.
1. Достигается возможность более точного определения плотности энергии (мощности) лазерного излучения от источника 1 на поверхности исследуемого образца 9 посредством исключения влияния физико-химических свойств разных материалов исследуемых образцов 9 на величину площади лазерного пятна на исследуемом образце 9 от воздействия лазерного излучения от источника 1, то есть уменьшается погрешность при измерении площади лазерного пятна.1. It is possible to more accurately determine the energy density (power) of laser radiation from source 1 on the surface of the test sample 9 by eliminating the influence of the physicochemical properties of different materials of the test samples 9 on the area of the laser spot on the test sample 9 from the influence of laser radiation from source 1 , that is, the error in measuring the area of the laser spot decreases.
2. Достигается возможность определения плотности энергии (мощности) лазерного излучения на поверхности исследуемого образца 9, выполненного из материала, который может быть разрушен при воздействии импульсов лазерного излучения источника 1 при соответствующих заданных значений плотностей энергии импульсов лазерного излучения источника 1, что приводит к невозможности измерения размеров фокусного пятна и, как следствие, определения по нему плотности энергии. То есть при разрушении исследуемого образца 9 остается возможность определить плотность энергии (мощности) лазерного излучения.2. It is possible to determine the energy density (power) of laser radiation on the surface of the test sample 9, made of a material that can be destroyed when exposed to pulses of laser radiation from source 1 with corresponding specified values of the energy densities of pulses of laser radiation from source 1, which leads to the impossibility of measurement the size of the focal spot and, as a consequence, determining the energy density from it. That is, when the test sample 9 is destroyed, it remains possible to determine the energy (power) density of laser radiation.
В настоящее время в Институте электрофизики и электроэнергетики РАН проведены испытания предлагаемого устройства для измерения параметров и характеристик источника лазерного излучения, и на их основе выпущена конструкторская документация на данное устройство.Currently, the Institute of Electrophysics and Electric Power Engineering of the Russian Academy of Sciences has tested the proposed device for measuring the parameters and characteristics of a laser radiation source, and based on them, design documentation for this device has been issued.
Используемые источникиSources used
1. Патент RU 2594634, 2015, МКИ G01J 1/04, G01J 11/00.1. Patent RU 2594634, 2015, MKI G01J 1/04, G01J 11/00.
2. Патент RU 2547163, 2015, МКИ G01J 1/04, G01J 1/10.2. Patent RU 2547163, 2015, MKI G01J 1/04, G01J 1/10.
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2808750C1 true RU2808750C1 (en) | 2023-12-04 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2547163C1 (en) * | 2013-12-27 | 2015-04-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | Method to measure parameters and characteristics of radiation sources |
| RU2664969C1 (en) * | 2017-08-14 | 2018-08-24 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Laser radiation with structural materials interaction parameters examination test bench |
| RU2764777C1 (en) * | 2021-01-26 | 2022-01-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики и электроэнергетики Российской академии наук (ИЭЭ РАН) | Method for treating the surface of a non-ferrous metal by forming a microrelief |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2547163C1 (en) * | 2013-12-27 | 2015-04-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | Method to measure parameters and characteristics of radiation sources |
| RU2664969C1 (en) * | 2017-08-14 | 2018-08-24 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Laser radiation with structural materials interaction parameters examination test bench |
| RU2764777C1 (en) * | 2021-01-26 | 2022-01-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики и электроэнергетики Российской академии наук (ИЭЭ РАН) | Method for treating the surface of a non-ferrous metal by forming a microrelief |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112033644B (en) | High-reflection sample laser damage threshold testing device | |
| US4243327A (en) | Double-beam optical method and apparatus for measuring thermal diffusivity and other molecular dynamic processes in utilizing the transient thermal lens effect | |
| CN102393383B (en) | ArF laser film element irradiation damage test device with high irradiation density uniformity | |
| KR101857950B1 (en) | High accuracy real-time particle counter | |
| RU2249813C2 (en) | Device for taking elementary analysis by means of spectrometry of optical emission on laser-generated plasma | |
| CN105223126A (en) | A kind of polymkeric substance irradiation damage proving installation and method of testing | |
| CN105572076B (en) | THz wave spectrometry device and its measurement method based on scattering effect | |
| CN111443062A (en) | Ultrafast detection device and method for transient refractive index of semiconductor material | |
| JP3258889B2 (en) | Optical axis adjustment method in scattering particle size distribution analyzer | |
| Busch et al. | Four‐frame holographic probing system for plasma density measurement | |
| RU2808750C1 (en) | Device for measuring parameters and characteristics of radiation sources | |
| GB1298658A (en) | Photometer for measuring total radiant energy at selected angles | |
| CN116991046A (en) | Chip overlay measurement device and method based on space coding illumination | |
| CN107886820B (en) | Integrated double-light-path laser ionization effect simulation system | |
| EP1312912A1 (en) | Light track observing device | |
| CN110966931B (en) | Femtosecond laser processing morphological parameter time-resolved confocal measurement method and device | |
| CN212364068U (en) | Ultra-fast detection device for transient refractive index of semiconductor material | |
| WO2019038823A1 (en) | Far-infrared spectroscopic device and far-infrared spectroscopic method | |
| RU2540451C1 (en) | Laser location system | |
| RU2671150C1 (en) | Method for forming defects in volume of dielectric sample with laser radiation | |
| CN111443101A (en) | Direct comparison system for different crystal X-ray diffraction efficiencies | |
| CN112268860A (en) | Dual-wavelength femtosecond pumping detection heat reflection system | |
| CN112268861A (en) | Dual-wavelength femtosecond pumping detection heat reflection system | |
| RU2289153C1 (en) | Device for focusing optical radiation onto object | |
| CN109459415B (en) | Laser transient grating system with continuously adjustable space period |