Способ измерения энергии лазерного излучения болометрическими решетками

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в проходных измерителях энергии излучения мощных импульсных лазеров. Болометрические элементы (БЭ), составляющие решетки, выполняют из двух различных болометрических материалов, имеющих однотипную нелинейную аппроксимирующую зависимость сопротивления от температуры, но разные знаки при нелинейных членах. БЭ выполняют в форме прямоугольных параллелепипедов, одну из граней которых ориентируют нормально к направлению распространения лазерного излучения. Соотношение толщин (размера грани вдоль распространения излучения) у БЭ, выполненных из разного материала, выбирают из условия их прогрева до равной температуры при одинаковой плотности энергии воздействующего излучения. Соотношение ширин (размеров грани, подверженной облучению) расположенных рядом БЭ выбирают из условия обеспечения равенства вклада нелинейной составляющей (по абсолютной величине) в изменение сопротивления этих БЭ, нагретых до одной температуры. Технический результат изобретения - повышение точности измерения энергии лазерного излучения. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в проходных измерителях энергии лазерного излучения (ЛИ) мощных импульсных технологических лазеров.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему способу измерения энергии ЛИ болометрическими решетками является способ измерения энергии ЛИ болометрическими решетками, который описан в [1] .

Этот способ измерения энергии лазерного излучения болометрическими решетками в виде параллельных друг другу, соединенных последовательно тонких болометрических элементов (БЭ), расположенных в плоскости, перпендикулярной направлению распространения лазерного излучения, заключающийся в облучении излучением лазера болометрических решеток, перекрывающих все сечение пучка лазерного излучения, измерении суммарного сопротивления всех БЭ решеток до их облучения и после, а также обработку результатов измерения, причем БЭ одной решетки перпендикулярны БЭ другой решетки и имеют форму цилиндра.

Недостатками прототипа является зависимость точности измерения энергии ЛИ от параметров распределения плотности энергии (например, от размера "пятна" ЛИ) на болометрических решетках и от поляризации ЛИ. Отмеченные недостатки обусловлены тем, что практически все используемые болометрические материалы имеют нелинейный характер аппроксимирующей зависимости сопротивления от температуры. Изменение параметров распределения плотности энергии ЛИ на болометрических решетках приводит к изменению температурного поля на БЭ и, как следствие, к изменению вклада нелинейной составляющей в результат измерения. Кроме этого, коэффициент поглощения ЛИ цилиндрическим БЭ, а следовательно, и температура нагрева БЭ, зависят от ориентации плоскости поляризации ЛИ к цилиндру. Этот фактор также влияет на точность измерения энергии ЛИ.

Для устранения отмеченных недостатков в способ измерения энергии лазерного излучения болометрическими решетками в виде параллельных друг другу, соединенных последовательно тонких болометрических элементов (БЭ), расположенных в плоскости, перпендикулярной направлению распространения лазерного излучения, заключающийся в облучении излучением лазера болометрических решеток, перекрывающих все сечение пучка лазерного излучения, измерении суммарного сопротивления всех БЭ решеток до их облучения и после, а также в обработке результатов измерения, причем БЭ одной решетки перпендикулярны БЭ другой решетки, рядом стоящие БЭ, составляющие решетки, выполняют из двух различных болометрических материалов, имеющих однотипную нелинейную аппроксимирующую зависимость сопротивления от температуры, но разные знаки при нелинейных членах, причем БЭ выполняют в форме прямоугольных параллелепипедов, одну из граней которых ориентируют нормально к направлению распространения лазерного излучения, при этом соотношение толщины (размера грани вдоль распространения излучения) у БЭ, выполненных из разного материала, выбирают из условия их прогрева до равной температуры при одинаковой плотности энергии воздействующего излучения, а соотношение ширины (размеров грани, подверженной облучению) расположенных рядом БЭ выбирают из условия обеспечения равенства вклада нелинейной составляющей (по абсолютной величине) в изменение сопротивления этих БЭ, нагретых до одной температуры.

Существенные отличия предлагаемого способа от прототипа, показывающие "новизну" изобретения, заключаются в следующем. Применение в решетках двух типов БЭ, сделанных из различных болометрических материалов, имеющих однотипную нелинейную аппроксимирующую зависимость сопротивления от температуры, но с разными знаками при нелинейных членах (например, никель и платина [2] ), позволяет при выполнении ряда требований линеаризовать зависимость приращения суммарного сопротивления БЭ решеток от энергии облучающего лазера при различных пространственно-энергетических и поляризационных параметрах ЛИ. Изложим эти требования: 1. БЭ решеток имеют форму прямоугольного параллелепипеда, одна из граней которого ориентирована нормально к облучающему излучению. Это позволяет устранить зависимость эффективного коэффициента поглощения излучения БЭ решеток от ориентации поляризации излучения.

2. Выполнено определенное соотношение между толщиной (размером грани вдоль распространения излучения) БЭ разных типов. Это, совместно с первым требованием, позволяет нагреть все БЭ решеток до равной температуры при одинаковой плотности энергии облучающего излучения.

3. Выполнено определенное соотношение между шириной (размером облучаемой грани) различных типов БЭ. Этим задается соотношение сопротивлений различных типов БЭ, обеспечивающее равенство вклада нелинейной составляющей (по абсолютной величине) в изменение сопротивления этих БЭ, нагретых до одной температуры.

4. Чередование в решетках двух типов БЭ позволяет при изменении параметров пространственно-энергетического распределения ЛИ (например, размеров "пятна") на решетке, минимизировать различия в суммарной протяженности участков разнотипных БЭ, нагретых до одной температуры. Тем самым возрастает точность компенсации нелинейной составляющей ошибки при измерении энергии ЛИ.

Совокупность введенных элементов и их связи, не обнаруженные до даты подачи заявки в патентной и научной литературе, позволили уменьшить составляющую погрешность измерения, вызванную видом пространственно-энергетического распределения излучения лазера на решетках и ориентацией поляризации ЛИ. Техническое решение соответствует изобретательскому уровню.

Сущность настоящего способа будет понятна из рассмотрения чертежа устройства, на котором реализуется указанный способ, где 1. рамка-держатель; 2. БЭ из никеля; 3. БЭ из платины; 4. блок измерения сопротивления; 5. блок обработки.

Устройство, реализующее предлагаемый в качестве изобретения способ, содержит: две решетки, составленные из чередующихся тонких БЭ 2 и БЭ 3, натянутых на рамку-держатель 1 и перекрывающих все сечение пучка лазерного излучения; блок измерения сопротивления 4; блок обработки 5, причем БЭ 2 и БЭ 3 выполнены в виде прямоугольных параллелепипедов, одна из граней которых ориентирована нормально к излучению лазера. Размеры граней БЭ 2 и БЭ 3 выполнены с заданными пропорциями. БЭ 2 и БЭ 3 расположены в решетке параллельно друг другу с периодом k и чередуются: вначале БЭ из никеля 2, потом БЭ из платины 3, потом БЭ из никеля 2 и т. д. БЭ 2 и БЭ 3 одной решетки перпендикулярны БЭ 2 и БЭ 3 другой решетки, расположены в плоскости, перпендикулярной распространению лазерного излучения и соединены последовательно между собой и с блоком измерения сопротивления 4. Блок измерения сопротивления 4 соединен с блоком обработки 5.

Поскольку в устройстве, реализующем способ-прототип [1] БЭ выполнены из никеля, в предлагаемом устройстве часть БЭ (БЭ 2) выполнена тоже из никеля, а вторая часть (БЭ 3) - из платины. Это связано с тем, что платина имеет однотипную с никелем нелинейную аппроксимирующую зависимость сопротивления от температуры, вида [2] R_Т = R₀(1+AT+BR²), (1) где R_Т - сопротивление БЭ при температуре Т, Ом; R₀ - сопротивление БЭ при температуре 0^oС, Ом;
А, В - постоянные для болометрического материала коэффициенты, размерности ^oС^-1 и ^oС^-2 соответственно;
Т - температура БЭ, ^oС.

Так для никеля A_Ni= 5,86•10^{-3 o}С^-1 и B_Ni= 8,0•10^{-6 o}С^-2, а для платины A_Pt= 3,97•10^{-3 o}C^-1 и B_Pt= -5,85•10^{-6 o}С^-2 [2] .

Зададим геометрически пропорции между БЭ из никеля 2 и БЭ из платины 3. Обозначим минимальный размер облучаемой грани (ширину) через ΔX_Ni для БЭ из никеля 2 и ΔX_Pt для БЭ из платины 3, а толщину (размер грани вдоль направления распространения измеряемого излучения) через ΔY_Ni и ΔY_Pt соответственно.

Соотношение ΔY_Ni:ΔY_Pt выбирается из условия нагрева БЭ из никеля 2 и БЭ из платины 3 до равных температур при одинаковой плотности энергии измеряемого излучения лазера q.

Приращение температуры для прямоугольного параллелепипеда, при нормальном облучении ЛИ его грани ΔX, определяется как [4]
(2)
где ε - коэффициент поглощения лазерного излучения БЭ;
q - плотность энергии лазерного излучения на БЭ, Дж/м²;
С_m - удельная теплоемкость БЭ, Дж/(кг ^oС);
ρ - плотность болометрического материала, кг/м³.

Из выражения (2) следует, что для нагрева БЭ 2 и БЭ 3 до равной температуры, при одинаковой плотности энергии облучающего излучения, требуется выполнить следующее условие:
(3)
С учетом того, что при Т= 20^oС: C_{m Ni}= 446 Дж/(кг ^oС), C_{m Pt}= 133 Дж/(кг ^oС), ρ_Ni= 8900 кг/м³, ρ_Pt= 21450 кг/м³, ε_Ni (при λ= 10,6 мкм)= 0,030, ε_Pt(при λ= 10,6 мкм)= 0,036 [3] , выберем следующее соотношение толщин БЭ 2 и БЭ 3
ΔY_Ni/ΔY_Pt = 0,6. (4)
Для обеспечения равенства вклада нелинейной составляющих (по абсолютной величине) в изменение сопротивления этих БЭ 2 и БЭ 3, нагретых до одной температуры, соотношение ΔX_Ni:ΔX_Pt выбирается из условия
R_oNi|B_Ni| = R_oPt|B_Pt|. (5)
Преобразовав выражение (5), получим
(6)
где ζ_Ni и ζ_Pt- удельное сопротивление проводника из никеля и платины соответственно, Ом•м.

При Т= 20^oС: ζ_Ni= 6,14•10^-6 Ом•м, ζ_Pt= 9,81•10^-6 Ом•м. Подставив в выражение (6) соответствующие коэффициенты, получим
ΔX_Ni/ΔX_Pt = 14,3. (7)
Устройство, реализующее предлагаемый в качестве изобретения способ, работает следующим образом. Импульсное лазерное излучение с длиной волны 10,6 мкм облучает две взаимно ортогональные решетки, составленные из никелевых БЭ 2 и платиновых БЭ 3, натянутых на рамку-держатель 1. При этом основная часть энергии ЛИ проходит сквозь решетку и используется по целевому назначению. Часть энергии ЛИ перехватывается БЭ 2 и БЭ 3 решеток. Каждая из решеток производит пространственное интегрирование распределения плотности энергии по поперечному сечению пучка. Поглощенная болометрическими элементами 2 и 3 решеток энергия приводит к их нагреву и, вследствие болометрического эффекта, к изменению их сопротивления. Причем при равной плотности воздействующего излучения БЭ из никеля 2 и БЭ из платины 3 прогреваются до одной температуры и имеют равные по абсолютной величине и противоположные по знаку нелинейные составляющие в своих болометрических зависимостях. В результате изменение суммарного сопротивления БЭ решеток, вызванное воздействием лазерного излучения, прямо пропорционально энергии облучающего излучения. Блок измерения сопротивления 4 производит измерение суммарного сопротивления всех БЭ 2 и БЭ 3 до их облучения R_Σ1 и после R_Σ2. В блоке обработки 5 производится расчет энергии лазерного импульса.

Источники информации
1. Измерение энергетических параметров и характеристик лазерного излучения /Под ред. А. Ф. Котюка. - М. : Радио и связь, 1981 г.

2. Фандеев Е. А. , Лущаев Г. А. , Карчков В. А. Специальные термометры с термопреобразователями. - М. : Энергоатомиздат, 1987 г.

3. Таблицы физических величин. Справочник /Под ред. И. К. Кикоина. - М. : Атомиздат, 1976. -1008с.

4. Ф. Крейт, У. Блэк. Основы теплопередачи /Пер. с англ. - М. : Мир, 1983 г.

Формула изобретения

Способ измерения энергии лазерного излучения болометрическими решетками в виде параллельных друг другу, соединенных последовательно тонких болометрических элементов (БЭ), расположенных в плоскости, перпендикулярной направлению распространения лазерного излучения, заключающийся в облучении излучением лазера болометрических решеток, перекрывающих все сечение пучка лазерного излучения, измерении суммарного сопротивления всех БЭ решеток до их облучения и после, а также в обработке результатов измерения, причем БЭ одной решетки перпендикулярны БЭ другой решетки, отличающийся тем, что рядом стоящие БЭ, составляющие решетки, выполняют из двух различных болометрических материалов, имеющих однотипную нелинейную аппроксимирующую зависимость сопротивления от температуры, но разные знаки при нелинейных членах, причем БЭ выполняют в форме прямоугольных параллелепипедов, одну из граней которых ориентируют нормально к направлению распространения лазерного излучения, при этом соотношение толщин (размера грани вдоль распространения излучения) у БЭ, выполненных из разного материала, выбирают из условия их прогрева до равной температуры при одинаковой плотности энергии воздействующего излучения, а соотношение ширин (размеров грани, подверженной облучению) расположенных рядом БЭ выбирают из условия обеспечения равенства вклада нелинейной составляющей (по абсолютной величине) в изменение сопротивления этих БЭ нагретых до одной температуры.

РИСУНКИ

Рисунок 1