Приемник лазерного излучения

Изобретение относится к технике оптических измерений. Приемник лазерного излучения содержит установленные последовательно в механическом контакте диафрагму и рассеиватель падающего излучения, зафиксированные с воздушным зазором перед входным окном, поглотитель излучения и акустический датчик (пьезоэлемент), с обеих поверхностей которого выполнены электроды. В качестве поглотителя в приемнике используется жидкость, обладающая объемным поглощением падающего излучения. Приемник, дополнительно, может быть снабжен регистратором, подключенным к акустическому датчику (пьезоэлементу) через емкостной делитель напряжения, а запуск регистратора осуществляется синхронизирующим фотоприемником. Технический результат - расширение диапазона измеряемых энергий. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к технике оптических измерений, в частности к средствам измерения энергии импульсов лазерного излучения, которые могут быть применены в различных областях техники и народного хозяйства, в частности в медицине.

Известен приемник лазерного излучения, используемый для измерения энергии импульсов лазерного излучения (патент RU 2046305, G 01 J 5/50, 1995 г.). Этот приемник выполнен в виде расположенных последовательно плоскопараллельного оптического элемента (входного окна), поглотителя энергии в форме поглощающего экрана, промежуточного элемента с фланцем, акустического датчика и регистратора, подключенного к электродам датчика.

Недостатком этого приемника является использование твердотельного поглотителя, характеризуемого поверхностным поглощением энергии излучения. При этом существенные ограничения на верхний уровень измеряемых энергий накладывает наличие абляции (испарения) материала поглотителя при облучении его импульсом мощного лазерного излучения. Кроме того, при больших размерах плоскопараллельного оптического элемента /входного окна/ (˜30-60 мм) происходит увеличение разброса значений коэффициента преобразования по площади акустического датчика. Особенно это проявляется при использовании приемника в технологических системах, где требуется увеличение диаметра входной апертуры до 100 мм и более.

Для расширения диапазона измеряемых энергий в сторону их существенного увеличения разработан приемник лазерного излучения, содержащий установленные последовательно в механическом контакте прозрачную для принимаемого излучения пластину, жидкостной поглотитель излучения, обладающий объемным поглощением падающего излучения, и акустический датчик, а также содержащий последовательно расположенные диафрагму и рассеиватель, установленные с воздушным зазором перед плоскопараллельной пластиной. Приемник дополнительно может быть снабжен регистратором, подключенным к пьезодатчику, а также содержать синхронизирующий фотоприемник, осуществляющий запуск регистратора. Кроме того, приемник дополнительно может содержать емкостной делитель напряжения с переключаемыми пределами измерения, установленный на его выходе и подключенный к регистратору. Предпочтительно в приемнике использовать диафрагму с диаметром, равным 1/2-1/3 от диаметра входного окна. При этом толщина жидкого поглотителя составляет 0.3-0.5 от величины расстояния между рассеивателем и входным окном.

На чертеже показан приемник в разрезе.

Приемник содержит ограничивающую диафрагму 1, рассеиватель падающего излучения 2, воздушный промежуток 3, плоскопараллельную пластину (входное окно) 4, слой жидкости - поглотителя 5, акустический датчик (пьезоэлемент) 6 с металлизированными обкладками 7 и 8.

Плоскопараллельная пластина выполнена из материала, прозрачного для исследуемого излучения (в выбранном диапазоне длин волн), и имеет полированные грани. Размер ее (диаметр) соответствует апертуре приемника и размеру (диаметру) герметичной полости 5, заполненной жидкостью - поглотителем;

Все вышеперечисленные детали датчика (1-8) установлены внутри разъемного корпуса (на чертеже корпус показан схематически тонкими линиями), полость 5, заполненная жидким поглотителем, герметизирована силиконовой смазкой. Пьезоэлемент 6 и потенциометрические провода, передающие сигнал с обкладок 7, 8 на регистрирующий прибор, электрически изолированы от корпуса.

Диаметр диафрагмы 1 составляет ˜1/2 от диаметра входного окна, толщина рассеивателя 2 и размер воздушной полости 3 подбираются таким образом, чтобы при полусферическом характере рассеяния все падающее излучение равномерно распределялось по поверхности входного окна 4 и далее поглощалось в объеме жидкого поглотителя, заполняющего полость 5. Толщины плоскопараллельной пластины (входного окна) 4 -"H₁" и акустического датчика 6 -"Н₂" выбирают из соотношений:

H₁=C₁/4F, Н₂=С₂/2F,

где C₁, C₂ - скорости звука в материалах оптического элемента 4 и акустического датчика 6 соответственно;

"F" - резонансная частота акустического датчика.

Акустический датчик 6 может быть заключен в экран и снабжен выводными контактами.

В качестве регистратора может быть использован любой запоминающий цифровой осциллограф с частотой дискретизации более 10 МГц.

Оптический элемент (входное окно) имеет акустическую толщину на рабочей частоте F-L/4-(2n-1), акустический датчик (пьезоэлемент) - L/2·(2n-1), где n=1, 2, 3..., a L - длина волны падающего лазерного излучения. Наличие коэффициента (2n-1) не вносит изменений принципиального характера, но позволяет сделать конструкцию более удобной.

Приемник работает следующим образом.

Исследуемое излучение через диафрагму 1 падает на рассеиватель, который на толщине воздушной полости 3 равномерно распределяет излучение по поверхности входного окна 4, далее излучение поглощается в объеме жидкости, заполняющей, герметичную полость 5. Термализация энергии лазерного импульса в поглотителе приводит к генерации акустического импульса, который регистрируется пьезоэлементом. При достаточно больших размерах лазерного пучка (при входных окнах ˜30-60 мм из-за неравномерности в распределении энергии по сечению пучка) происходит увеличение разброса значений коэффициента преобразования по площади акустического датчика. Для компенсации этого эффекта перед входным окном установлен рассеиватель. В качестве объемно поглощающей жидкости могут быть использованы продукты нефтеперегонки, технические, силиконовые масла. Использование объемно поглощающей жидкости позволяет существенно расширить диапазон измеряемых энергий лазерного импульса в сторону их увеличения. Жидкий поглотитель в отличие от твердотельного (также поглощающего в объеме) не обладает упругостью. Поглощение энергии приводит к генерации акустического импульса пропорционально величине коэффициента объемного расширения жидкости. При этом, в отличие от твердотельного поглотителя, не индуцируются термические напряжения, которые при определенном уровне поглощенной энергии могут привести к механическому разрушению самого поглотителя. Такое решение позволяет проводить прямые измерения датчиком энергии в мощных лазерных пучках, при этом ограничения по измеряемой мощности импульса определяются оптическим пробоем используемых оптических материалов ˜10⁹ Вт/см². Толщина слоя жидкого поглотителя может быть выбрана в пределах ˜5-8 мм, расстояние между рассеивателем и входным окном ˜10-15 мм.

Изготовлен и испытан датчик энергии импульса лазерного излучения, выполненный в соответствии с описанием, размер входного окна составляет ˜60мм, а величина измеренной энергии лазерного импульса в прямом пучке составила ˜10.0 Дж (длительность импульса ˜25 нс), при этом данным датчиком можно гарантированно измерять энергию лазерного импульса в прямом пучке ˜100 Дж. Датчик не имеет аналогов при работе с высокоэнергетическими импульсами лазерного излучения.

В датчике, например, может быть использовано окно из оптического BaF₂ в сочетании с силиконовым маслом в качестве поглотителя. При малых величинах энергии импульса ˜10^-5 Дж предпочтительно использовать датчик с меньшей апертурой и, соответственно, большей величиной чувствительности.

Испытания показали, что датчик является достаточно универсальным прибором широкого применения, тем не менее, тип используемых конструкционных материалов: материал и диаметр входного окна, тип пьезоэлемента, толщина и тип поглотителя определяются конкретными условиями измерения энергии (длиной волны лазерного излучения) и эксплуатации.

1. Приемник лазерного излучения, содержащий установленные последовательно в механическом контакте прозрачную для принимаемого излучения плоскопараллельную пластину, поглотитель излучения и акустический датчик, с обеих поверхностей которого выполнены электроды, отличающийся тем, что дополнительно снабжен последовательно расположенными диафрагмой и рассеивателем падающего излучения, установленными с воздушным зазором перед плоскопараллельной пластиной, и при этом в качестве поглотителя излучения в приемнике используется жидкость, обладающая объемным поглощением падающего излучения.

2. Приемник по п.1, отличающийся тем, что дополнительно снабжен регистратором, подключенным к акустическому датчику.

3. Приемник по п.1, отличающийся тем, что диаметр диафрагмы составляет 1/2-1/3 диаметра пластины (входного окна).

4. Приемник по п.1, отличающийся тем, что толщина слоя жидкого поглотителя составляет 1/2-1/3 величины расстояния между рассеивателем и пластиной (входным окном).

5. Приемник по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит синхронизирующий фотоприемник, подсоединенный к регистратору.

6. Приемник по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит емкостный делитель напряжения с переключаемыми пределами измерения, установленный на его выходе и подключенный к регистратору.