Способ измерения мощности и частоты импульсов лазерного излучения и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2636256:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики Уральского отделения Российской академии наук (RU)
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова" (RU)
Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа измерения мощности и частоты импульсов лазерного излучения. Способ включает в себя направление пучка лазерного излучения на поверхность пленочного чувствительного элемента, обладающего свойством разделения носителей заряда на поверхности при локальном нагревании. Измерения проводят с помощью первой и второй пары электродов, подключенных к чувствительному элементу. Для определения мощности лазерного излучения измеряют постоянную составляющую разности потенциалов между облученной и необлученной областями чувствительного элемента. Для определения частоты лазерного излучения измеряют переменную составляющую разности потенциалов между облученной и необлученной областями чувствительного элемента. Технический результат заключается в расширении спектрального диапазона и упрощении способа измерений. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений мощности, энергии, длительности и частоты импульсов технологических лазеров.
Известен способ измерения параметров импульсов лазерного излучения, использующий калориметрическое преобразование лазерных импульсов в электрический сигнал. Недостаток этого способа состоит в том, что он используется для измерения средней энергии импульсов и, вследствие инерционности, не может регистрировать каждый импульс и частоту импульсов лазерного излучения [Справочник по лазерной технике: пер. с нем. - М.: Энергоатомиздат, 1991, 544 с.].
Известен способ измерения мощности импульсов лазера, использующий фотоэлектрическое преобразование полупроводниковым датчиком лазерных импульсов в электрические импульсы. Недостатком способа является необходимость применения ослабляющих фильтров для измерения мощных импульсов лазера [Фриш С.Э. Оптические методы измерений. 4.1. Световой поток и его измерение. Источники света. Л.: Изд. ЛГУ, 1976 г., 126 с.].
Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ определения мощности излучения технологических, в том числе СО2-лазеров, работающих в непрерывном режиме с применением в качестве приемника излучения пленочного анизотропного термопреобразователя, который однократно перемещают поперек лазерного пучка.
Недостатком способа, выбранного в качестве прототипа, является влияние человеческого фактора на скорость перемещения приемника и невозможность регистрации параметров импульсного излучения лазеров [Глебов В.Н., Мананков В.М. Способ измерения мощности лазерного излучения, патент РФ на изобретение №2084843, G01J 5/00. Бюл. №20 от 20.07.97].
Известен измеритель мощности излучения импульсных оптических квантовых генераторов, содержащий двухлучевой интерферометр Рождественского с двумя глухими и двумя полупрозрачными зеркалами, две оптические ветви - сигнальную и опорную, одночастотный одномодовый оптический квантовый генератор непрерывного действия. В сигнальной ветви последовательно установлены магнитооптическая ячейка Коттона-Мутона и скрещенный николь, а в опорной - фазовая пластина, фотометрический клин и полуволновая пластина. Выход интерферометра Рождественского связан с входом гомодинного фотодетектора на соединении кадмий-ртуть-теллур, охлаждаемом жидким азотом, электрический выход которого подключен к входу спектроанализатора. Измерения параметров импульсов лазерного излучения импульсного оптического квантового генератора использует калориметрическое преобразование лазерных импульсов в электрический сигнал.
Недостаток устройства состоит в том, что оно имеет сложную конструкцию и обеспечивает линейную оценку мощности ультракоротких и мощных импульсов лазерного излучения в режимах с модуляцией [Меньших О.Ф. Измеритель мощности излучения импульсных оптических квантовых генераторов, патент РФ на изобретение №2386933, G01J 1/20, Бюл. №11 от 20.04.2010].
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство, с помощью которого осуществляют способ измерения мощности лазерного излучения, в котором в качестве приемника излучения использован широкоапертурный пленочный анизотропный термопреобразователь, работающий в режиме пространственно-временного ослабления при перемещении приемника вручную. В результате за время, равное 0,1 с формируется импульсный сигнал, амплитудное значение которого пропорционально мгновенной мощности измеряемого лазерного излучения.
Недостатком устройства является невозможность его использования в широком спектральном диапазоне и необходимость ручного перемещения приемного устройства [Глебов В.Н., Мананков В.М. Способ измерения мощности лазерного излучения, патент РФ на изобретение №2084843, G01J 5/00. Бюл. №20 от 20.07.97].
Технической задачей изобретения, совпадающей с положительным техническим результатом от ее решения, является разработка эффективного способа измерения мощности и частоты лазерных импульсов и создание устройства для его осуществления, обеспечивающего преобразование излучения в электрический сигнал и измерение его характеристик.
Способ измерения мощности и частоты импульсов лазерного излучения включает направление пучка лазерного излучения на поверхность пленочного чувствительного элемента, обладающего свойством разделения носителей заряда на поверхности при локальном нагревании. При этом с помощью первой и второй пары электродов, подключенных к упомянутому чувствительному элементу, измеряют постоянную составляющую разности потенциалов, создаваемой между облученной и необлученной областями чувствительного элемента, и определяют мощность лазерного излучения, затем измеряют переменную составляющую разности потенциалов, создаваемой между облученной и необлученной областями чувствительного элемента, и определяют частоту лазерного излучения.
Для увеличения амплитуды измеряемого сигнала к первой паре электродов может быть приложено электрическое напряжение смещения, усиливающее сигнал, измеряемый с помощью второй пары электродов, при этом упомянутое электрическое напряжение с целью снижения температуры в зоне воздействия лазерного излучения подают периодически.
Разделение зарядов на поверхности пленочного чувствительного элемента происходит за счет возникновения градиента температуры и тока в процессе термодиффузии носителей заряда, в результате чего в облучаемой части чувствительного элемента возникает область пространственного заряда, по знаку отличающегося от заряда необлученной части.
Устройство, представленное на чертеже, с помощью которого осуществляют раскрытый выше способ, содержит чувствительный элемент 1, сформированный на диэлектрической подложке 2 и обладающий свойством разделения носителей заряда на поверхности при локальном нагревании, с подключенными к нему первой 3 и второй 4 парами электродов, подключенных к измерительному блоку, выполненному на основе микропроцессорной системы, содержащей электронный усилитель 5, аналого-цифровой преобразователь и блок индикации 6. Чувствительный элемент выполняют из материала, генерирующего ЭДС при нагревании его локальной области, например, в виде серебро-палладиевого толстопленочного резистивного датчика, при этом упомянутый элемент может быть как полупроводником p-типа, так и полупроводником n-типа. Первую пару электродов 3 выполняют в виде пластин, расположенных на краях чувствительного элемента, а вторую пару электродов 4 выполняют точечными, расположенными на некотором расстоянии от первой пары электродов.
Способ осуществляют с помощью устройства следующим образом. Устройство с чувствительным элементом 1, размещенным на диэлектрической подложке 2, устанавливается таким образом, чтобы лазерное излучение 7, параметры которого необходимо измерить, попадало на поверхность чувствительного элемента 1, не касаясь электродов 3 и 4. При попадании лазерного излучения на поверхность электродов 3 или 4 возможно искажение сигнала, снимаемого с чувствительного элемента 1, и получение ошибочных значений параметров лазерного излучения. В зависимости от варианта реализации устройства, сигнал может сниматься либо с электродов 3, расположенных на краях чувствительного элемента 1, либо с точечных электродов 4 с одновременной подачей на электроды 3 постоянного или переменного электрического напряжения.
Полученный сигнал подается на схему электронного усилителя 5 измерительного блока и, после усиления, направляется в аналого-цифровой преобразователь, обеспечивающий преобразование сигнала в цифровую форму, и визуализацию измеренных параметров лазерного излучения с помощью блока индикации 6.
1. Способ измерения мощности и частоты импульсов лазерного излучения, включающий направление пучка лазерного излучения на поверхность пленочного чувствительного элемента, обладающего свойством разделения носителей заряда на поверхности при локальном нагревании, отличающийся тем, что с помощью первой и второй пары электродов, подключенных к упомянутому чувствительному элементу, измеряют постоянную составляющую разности потенциалов, создаваемой между облученной и необлученной областями чувствительного элемента, и определяют мощность лазерного излучения, затем измеряют переменную составляющую разности потенциалов, создаваемой между облученной и необлученной областями чувствительного элемента, и определяют частоту лазерного излучения.
2. Способ измерения мощности и частоты импульсов лазерного излучения по п. 1, отличающийся тем, что для увеличения амплитуды измеряемого сигнала к первой паре электродов прикладывают электрическое напряжение смещения, усиливающее сигнал, измеряемый с помощью второй пары электродов.
3. Способ измерения мощности и частоты импульсов лазерного излучения по п. 2, отличающийся тем, что электрическое напряжение смещения, прикладываемое к первой паре электродов, подают периодически.
4. Устройство для измерения мощности и частоты импульсов лазерного излучения, содержащее чувствительный элемент, обладающий свойством разделения носителей заряда на поверхности при локальном нагревании с подключенными к нему первой и второй парами электродов, отличающееся тем, что упомянутые электроды подключены к измерительному блоку, выполненному на основе микропроцессорной системы, содержащей аналого-цифровой преобразователь и блок индикации, а чувствительный элемент выполнен из материала, генерирующего ЭДС при нагревании его локальной области.
5. Устройство для измерения мощности и частоты импульсов лазерного излучения по п. 4, отличающееся тем, что чувствительный элемент изготовлен по толстопленочной технологии и выполнен полупроводником p-типа.
6. Устройство для измерения мощности и частоты импульсов лазерного излучения по п. 4, отличающееся тем, что чувствительный элемент изготовлен по толстопленочной технологии и выполнен полупроводником n-типа.
7. Устройство для измерения мощности и частоты импульсов лазерного излучения по п. 4, отличающееся тем, что первая пара электродов выполнена в виде пластин, расположенных на краях чувствительного элемента.
8. Устройство для измерения мощности и частоты импульсов лазерного излучения по п. 4, отличающееся тем, что вторая пара электродов выполнена точечными, расположенными на некотором расстоянии от первой пары электродов.
9. Устройство для измерения мощности и частоты импульсов лазерного излучения по п. 5, отличающееся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде серебро-палладиевого толстопленочного резистора.
