SU701221A1

SU701221A1 - Способ измерени мощности и распределени интенсивности лазерного излучени

Info

Publication number: SU701221A1
Application number: SU772502912A
Authority: SU
Inventors: Н.Н. Белов; А.Е. Негин
Original assignee: Предприятие П/Я А-7629
Priority date: 1977-06-20
Filing date: 1977-06-20
Publication date: 1986-06-30

Abstract

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ.МОЩНОСТИ ИРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, основанный на определении вторичного свечени частицаэрозол при воздействии лазерного излучени , отличающийс тем, что, с целью измерени потоков лазерного излучени с интенсивностью более 10* Вт/см*, лазерный луч пересекают однородным по концентрации потоком аэрозольных частиц из тугоплавкого материала, производ т измерение распределени концентрации и общего количества этих частиц и затем рассчитьгоают мощность и распределение интенсивности излучени по их общему количеству и распределению.л.отм.ед. -••—I—••15W0.5 Оf(a)i(ЛINDto15 10 (]>&5lo,omu.ed.фиг.12 a,ffff/i

Description

I Изобретение относитс к способам измерени параметров лазерного излучени .

Известны способы измерени мощности и распределени интенсивности лазерного излучени , в основе которых лежит преобразование лазерного излучени во вторичное свечение. Эти способы предполагают либо преобразование всей мощности лазерного излучени , что преп тствует использованию данного пучка в процессе измерени его характеристик, либо расщепление лазерного пучка на несколько, причем измер ют характеристики одного из этих пучков. Применение расщепителей в р де случаев представл ет большие трудности, например., вследствие разрушени или изменени их характеристик в мощном лазерном излучении. Кро- 20

ме того, указанные приемники имеют низкую разрешающую способность, что преп тствует использованию их дл измерени характеристик быстропеременных потоков лазерного излучени .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу вл етс способ измерени мощности и распределени интенсивности лазерного излучени , основанный на определении вторичного свечени частиц аэрозол при воздействии лазерного, излучени „

Недостатком этого способа вл ет-с невозможность измер ть потрк и лаiepHoro излучени с интенсивностью более 10 Вт/см.

Цель изобретени - измерение потоков лазерного излучени с интенсивностью более 10 Вт/см2.

Цель достигаетс те.м, что лазерны луч пересекают однородным по концентрации потоком аэрозольных частиц из тугоплавкого материала, производ т измерение распределени концентрации и общего количества этих частиц и затем расчитьшют мощность и распределение интенсивности излучени по их общему количеству и распределению. С увеличением интенсивности излучени , облучающего аэрозольные частицы по вл етс наблюдаемое видимое свечение наиболее крупных частиц. Дальнейшему росту интенсивности излучени соответствует увеличение концентрации свет щихс аэрозольных частиц.

Временное разрешение измерений предлагаемым способом определ етс

ры. Дл аэрозольных частиц врем релаксации энергии очень мало, с дл частиц с радиусом .

На фиг. 1 приведена функци распределени частиц аэрозол по размерам (фиг. 1а), зависимость от размера частиц о. пороговой интенсивности лазерного излучени Т , при которой возникает свечение частиц с радиусом большим а (фиг. 16), зависимость концентрации свет щихс частиц - от интенсивности лазерного излучени (фиг.- 1в).

Некоторую область лазерного пучка

пересекают потоком аэрозол , частицы

которого состо т из тугоплавкого маКонцентрацию и функцию распределени аэрозольных частиц по размеру поддерживают одинаковыми в области лазерного пучка в течение всего времени измерений .

Как правило, эксперименты провод тс в присутствии постороннего . аэрозол , например, концентраци естественного аэрозол в лабораторном воздухе составл ет л. 10 . Концентрацию аэрозол в слое, пересекающем лазерньш луч выбирают в диапазоне , При более высоких концентраци х измерительного аэрозол увеличиваетс возмущение измер емого лазерного излучени (теплова дефокусировка и аэрозольное рассе ние). Увеличение точности измерений и облегчение процесса нахождени мощности и интенсивности лазерного излучени по общему количеству и распределению концентрации частиц может быть достигнуто при применении аэрозол со специальной функцией распределени по размеру, дл которого линейному росту интенсивности излучени соответствует линейный рост концентрации свет щихс частиц. Концентраци свет щихс частиц ь определ етс соотношением:

{(

Ьд- счетна концентраци аэрозогде л , ; f(ai- функци распределени аэро о зольных частиц по размеру,

Si (a)cia 1 701221 временем 1 релаксации температуры частиц и лазерном излучении и посто нной времени регистрирующей аппаратутериала , например, из окиси алюмини .

пути лазерного пучка. Картину рас-, пределени интенсивности лазерного излучени в дальней зоне характеризуют расходимостью лазерного излучени Q . Величина б определ етс соотношением 9 f d , где С - фокусное рассто ние линзы, d - размер лазерного п тна в фокальной плоскости линзы. Величина d определ етс из картины распределени интенсивности лазерного излучени .

Дл облегчени определени мощности и .распределени интенсивности лазерного излучени можно использовать мощность и распределение интенсивности излучени аэрозольных частиц . При этом мощность и распределение интенсивности в лазерном пучке наход т из калибровочных данных.

Увеличение динамического диапазона достигают при использовании пониженных , давлений газов, окружак цих частицы. Изменению теплопровс)дности газа, окружак цего частицы, соответствует изменение зависимости порога свечени частицы от ее размера (см. формулу 2).

В р де случаев, например, при пониженных давлени х возникают трудное ти в транспортировке частиц. Транспортировка частиц может быть облегчена применением электрического пол вынуждающего перемещатьс зар женные аэрозольные частицы в заданном направлении .

П РИМ е р. Испытани данного способа применены дл измерени мощности и распределени интенсивности излучени в фокусированном пучке лазера ГОС-301, (длительность импульса 8-10 с, длины волны излучени 1,06 мкм, мощность И 4-10 Вт) непрерывного СО -лазера ( 10,6 мк W 20 Вт), импульсного СО -лазера ( N 10,6 мкм, Ы,, 1,„п

1,5-10с и импульсного Симического лазера (А 2,7-3 мкм, W 10 Вт, 5.).

Аэрозольный поток создают полевьш генератором. Скорость потока устанавливают в диапазоне 1-100 м/с.

Пороги возникновени свечени частиц аэрозол в излучении непрерывного COj-лазера составл ют: 1) дл корундовых частиц ргщиусом 1,52 ,5 мкм - 5-10 Вт/см, 2) дл частиц окиси магни радиусом 0,5-1,0 мкм ЗЮ Вт/см, 3) дл частиц алюмини размером 10 мкм - 10 Вт/см. Пороги возникновени свечени частиц в излучении импульсного СОJ-лазера составл ют: 8-10 Вт/см дл частиц корунда радиусом 2 мкм, и 3,5-10 Вт/см дл алюминиевых частиц-пластинок размером 10 мкм. В случае импульсного химического лазера возникновение свечени корундовых частиц наблюдалось при интенсивност х 1,8-10 Вт/см, 2,6.10 Вт/сй, 5,810 Вт/см соответственно дл частиц размером 2 мКм, 7 мкм, 0,14 мкм. Свечение алюминиевых частиц - пластинок возникает при интенсивности излучени А/2-10 Вт/см

На фиг. 2 приведено распределение . интенсивности по сечению фокусированного луча-таз ера ГОС-Зр1,

Сравнительные испытани показали, что данный способ обеспечивает возможность проведени измерени .мощности и распределени , интенсивности лазерного излучени при интенсивност х, больших 10 Вт/см, при которых измерени другими способами затруднительны .

Временное разрешение способа эаби ,сит от времени нагрева и времени релаксации температуры частицы.

Экспериментально определено, что временное разрешение по крайней мере не хуже, чем 2,5-10 с. )- минимальн гй размер аэрозол ных частиц, свет щихс в поле лазерного излучени с интенсивностью 1 Вт/см. .Выбор функции распределени аэрозол по размеру частиц следует провес ти так, чтобы удовлетвор лосьсоотношение: (i) const 1 Если длина волны лазерного излуч ни значительно превосходит максимальный размер частиц аэрозол (что обеспечивает однородность интенсивности излучени внутри частиц) и ес ли размер минимальных частиц аэрозо л значительно превосходит длину свободного пробега молекул газа 5 , то зависимость минимальной интенсивности от размера частиц 1 (о), при которой по вл етс свече ние частиц размером а , выгл дит .Следующим образом: Г (а) С,-о ( Т, -Т. I - коэффициент теплопроводност газа, Вт/см сек град, ci - коэффициент поглощени мате рила частиц аэрозол , см Т.- температура, при которой наблюдаетс свечение частиц . град. TO - температура окружающего газа , град, Така зависимость приведена на фиг, Из выражени (1) и (2) можно найти вид f(d) дл случа , когда линейному росту интенсивности соответствует линейный рост концентрации све т щихс частиц Применение смеси монодисперсных аэрозолей позвол ет проводить быструю визуальную оценку мощности и рас пределени интенсивности лазерного излучени , В этом случае, при увеличений интенсивности до определенного значени I , свечение частиц отсутствует . Небольшое увеличение интенсивности приводит к высвечиванию всех частиц одного из монодисперс.ных аэрозолей. Дальнейшее увеличение интенсивности вплоть до I не сопровождаетс увеличением концентрации ( 1 ) 221 свет щихс частиц. При 1 высвечиваютс частицы другой моиодисперсной фракции и т,д. Динамический диапазон можно существенно увеличить применением аэрозол , частицы которого состо т из различных материалов. Дл увеличени точности измерений лазерных характеристик следует применить высокоскоростной поток аэрозол , С увеличением скорости аэрозольного потока уменьшаетс врем , в течение которого частицы наход тс в лазерном луче и, следовательно, уменьшаетс зависимость среднего размера аэрозольных частиц от характеристик лазерного излучени . Кроме того, высокоскоростной поток аэрозол используют дл уменьшени вли ни аэрозол на лазерное излучение . Во врем пересечени частицами аэрозол лазерного луча происходит разогрев газа - носител аэрозольных частиц. Разогреву газа сопутствует искажение.лазерного пучка (например, теплова дефокусировка и т,п,). Дл уменьшени вли ни указанных эффектов следует примен ть аэрозольный поток с высокой скоростью, частицы которого быстро пересекают лазерный пучок , так чтобы газ в области пучка . существенно не разогревалс . Точность измерений лазерные характеристик предлагаемым способом определ етс точностью измерени концентрации свет щихс частиц, которые могут быть измерены с большой точностью , если поток аэрозол сформирован в виде плоского сло . Создание широкого однородного высокоскоростного аэрозольного сло вл етс достаточно сложной технической задачей. Возможно значительное снижение затрат, если лазерньш луч пересечь узкими аэрозольными стру ми, При этом рассто ние между стру ми следует выбирать исход из требуемой точности определени размеров неоднородностей лазерного пучка. Дл повьш1ени динамического диапа3она используют в качестве носител аэрозольных частиц газы с различной еплопроводностью. При этом пороги свечени частиц смещаютс в соответствии с формулой (2), Дл измерени интенсивности лазерного пучка в дальней зоне измер т распределение концентрации св т ихс аэрозольных частиц в фокальной области линзы, расположенной на

м

Imox

,0 Hffft)

Claims

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ.МОЩНОСТИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, основанный на определении вторичного свечения частиц аэрозоля при воздействии лазерного излучения, отличающийся тем, что, с целью измерения потоков лазерного излучения с интенсивностью более 10’ Вт/см^г, лазерный луч пересекают однородным по концентрации потоком аэрозольных частиц из тугоплавкого материала, производят измерение распределения концентрации и общего количества этих частиц и затем рассчитывают мощность и распределение интенсивности излучения по их общему количеству и распределению.