Способ измерения мощности лазерного пучка и энергии лазерного импульса

 

Изобретение относится к тепловым способам измерения энергетических параметров лазерных пучков. В качестве приемника излучения используют слой жидкости со свободной поверхностью на поглощающей излучение нетеплопроводной подложке. Поглощение измеряемого излучения приводит к развитию в жидкости термокапиллярного конвективного вихря, который приводит к деформации свободной поверхности слоя в виде углубления. Часть излучения отражается поверхностью углубления и несет информацию о его форме в виде интерференционной картины. Мощность пучка (или энергию импульса) измеряют по эволюции с начала облучения слоя интерференционной картины. Изобретение позволяет значительно сократить длительность измерения. 1 з. п. ф-лы, 2 ил. , 1 табл.

Предлагаемое изобретение относится к тепловым способам измерения энергетических параметров лазерных пучков.

Известен способ измерения и контроля мощности лазерного излучения (1), основанный на тепловом действии лазерного пучка на тонкий слой жидкости на поглощающей излучение мембране, при котором мощность лазерного излучения определяют по стационарному диаметру интерференционной картины (будем называть ее откликом) (1, 2), образуемой в результате отражения части излучения измеряемого пучка от свободной поверхности жидкости, деформированной (в виде углубления) термокапиллярной (ТК) конвекцией, индуцированной тепловым действием измеряемого пучка.

Измерение мощности лазерного пучка в этом способе проводят по диаметру установившегося с начала облучения отклика. Стационаризация диаметра отклика длится несколько десятков секунд [3] и протекает с переменной скоростью: сначала наблюдается быстрый рост диаметра до размера примерно 60. . . 80% от стационарного, затем происходит замедление и момент стационаризации отклика становится уже трудноопределим. Это ограничивает скорость измерения мощности и может приводить к ошибкам из-за измерений по еще неустановившемуся диаметру. Кроме того, указанный способ не позволяет измерять энергию лазерных импульсов.

Предлагаемый способ основан на зависимости эволюции диаметра отклика с начала облучения от мощности лазерного пучка.

На фиг. 1 показаны зависимости диаметра отклика от времени с начала облучения слоя жидкости измеряемым лазерным пучком, которые получены на основании видеозаписи процесса развития отклика, с экрана помещенного в поперечном сечении отраженной от углубления части измеряемого пучка (Условия эксперимента: He-Ne лазер, слой бензилового спирта на эбонитовой подложке). В последовательности а, б, в, г и д приведены зависимости, отвечающие мощности пучка 18,8, 14,0, 6,9, 3,4 и 2,4 мВт, соответственно. Черточками в правой части графика, фиг. 1, показаны стационарные диаметры откликов (t>60 с). Начальные участки зависимостей получить не удалось из-за малых размеров и размытых границ отклика, обусловленных большим радиусом кривизны углубления на начальной стадии его развития, когда плоскость экрана попадает в область перефокусировки отраженного пучка.

Для измерения мощности можно определить ряд параметров, получаемых из эволюционных зависимостей. Примеры таких параметров приведены в таблице (данные в таблице основаны на фиг. 1).

Помимо того, что время измерения мощности по эволюционным параметрам отклика на порядок меньше относительно прототипа, при использовании для измерений дополнительного маломощного считывающего лазерного пучка непрерывного действия, направленного в область воздействия измеряемого пучка, можно измерять энергию лазерных импульсов.

Считывающий пучок дает отклик полностью (от момента начала воздействия импульса на чувствительный слой жидкости до полной релаксации углубления по окончании импульса), визуализирующий эволюцию углубления, которая зависит от энергии импульса. Это позволяет определять энергию коротких лазерных импульсов, когда из-за инертности слоя большая часть времени эволюции углубления и, следовательно, времени эволюции отклика протекает уже по окончании облучения слоя измеряемым импульсом.

Так же, как и для измерения мощности, для измерения энергии импульсов можно определить несколько эволюционных параметров отклика. Выбор любого из них зависит от технических особенностей используемого для измерений устройства.

В частности, наблюдается сильная зависимость максимально достигаемого откликом диаметра D_max от энергии лазерного импульса, фиг. 2. Прямоугольные лазерные импульсы формировали модуляцией по времени непрерывного пучка с контролируемой мощностью (He-Ne лазер номинальной мощностью 20 мВт, мощность пучка ослабляли светоделительными пластинками). В качестве считывающего использовали расширенный пучок юстировочного He-Ne лазера, не создающий ТК деформации поверхности слоя. Интенсивность считывающего пучка была на два порядка ниже интенсивности модулируемого пучка.

ЛИТЕРАТУРА 1. Патент РФ 2163712, 7 G 01 J 1/00, БИ 6, 2001.

2. Bezuglyi B. A. , Shepelenok S. V. , Tarasov O. A. "Laser flatness control of the liquid surface", Proceedings of 2nd Int. Aerospace Congress (IAC'97), V II, Moscow, Russia, STC "Petrovka", 1999, pp. 68-71.

3. Безуглый Б. А. Канд. диссертация, Гл. 5. Москва, МГУ, 1983.

Формула изобретения

1. Способ измерения мощности лазерного пучка и энергии лазерных импульсов, включающий поглощение измеряемого излучения приемником в виде нетеплопроводной поглощающей излучение мембраны, покрытой тонким слоем жидкости, и измерение энергетических параметров лазерного излучения по диаметру интерференционной картины, образуемой в результате отражения части излучения измеряемого пучка от свободной поверхности жидкости, деформированной термокапиллярной конвекцией, индуцированной тепловым действием измеряемого пучка, отличающийся тем, что мощность определяют по эволюции диаметра интерференционной картины с момента начала облучения приемника измеряемым пучком.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в область воздействия на слой жидкости измеряемого лазерного излучения направляют маломощный считывающий лазерный пучок непрерывного действия, а о мощности измеряемого лазерного пучка или энергии лазерных импульсов судят по эволюции диаметра интерференционной картины от считывающего пучка с момента начала воздействия измеряемого излучения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3