Установка для калибровки/поверки и способ калибровки средств измерений угла расходимости лазерного пучка
Владельцы патента RU 2684435:
Российская Федерация, от имени которой выступает Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) (RU)
Изобретение относится к области оптических измерений, а именно к высокоточным фотометрическим установкам для калибровки/поверки средств измерений угла расходимости лазерного пучка. Заявленная установка для калибровки/поверки средств измерений расходимости лазерного пучка содержит закрепленные на едином основании источник лазерного излучения, делительную пластину и выполненное с возможностью перемещения основное средство измерений, а также контрольное средство измерений, расположенное на линии отраженного от светоделительной пластины лазерного пучка. Установка дополнительно содержит механизм изменения угла расходимости лазерного пучка, который выполнен в виде перестраиваемого линзового расширителя лазерного пучка, формирующего фиксированные углы расходимости. Способ калибровки средств измерений угла расходимости лазерного пучка с помощью описанной установки включает установку некоторого фиксированного значения угла расходимости лазерного пучка, принадлежащего измеряемому диапазону, измерение распределения плотности энергии (РПЭ) лазерного пучка с помощью основного и контрольного средств измерений, расчет вдоль осей x, y соответствующих углов расходимости, ширин пучков и калибровочных коэффициентов, установку калибруемого рабочего средства измерений (РСИ) вместо основного, измерение углов расходимости пучка с помощью РСИ и определение калибровочных коэффициентов РСИ. Технический результат - повышение точности измерений, проводимых в ходе калибровки/поверки РСИ. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области оптических измерений, а именно к высокоточным фотометрическим установкам для калибровки и поверки средств измерений угла расходимости лазерного пучка.
Из уровня техники известна метрологическая база для калибровки и поверки средств измерений распределения плотности энергии в поперечном сечении лазерного пучка, основанная на применении Государственного первичного специального эталона (ГПСЭ) единиц энергии, распределения плотности энергии (РПЭ), длительности импульса и длины волны лазерного излучения (ГЭТ187-2010). Современные средства измерения расходимости лазерного пучка используют в своем составе многоэлементные измерительные преобразователи (МИП), позволяющие получать информацию о подробной структуре РПЭ лазерных пучков разных видов (гомоцентрические (стигматические), слабоастигматические и астигматические) и определять их угол расходимости (в общем случае различную по осям координат x, y), по измеренному РПЭ с применением моментов второго порядка в соответствии с ГОСТ Р ИСО 11146-2008.
Алгоритм передачи единицы угла расходимости лазерного пучка отличается от алгоритма передачи РПЭ, так как угол расходимости пучка является функционалом РПЭ и представляет собой уже не скалярное поле, а числовую характеристику. Известны способы и устройства для воспроизведения и передачи таких числовых характеристик, как единицы средней мощности и энергии лазерного излучения, позволяющие с высокой точностью воспроизводить и передавать данные единицы и производить калибровку и поверку соответствующих средств измерения, но которые не могут определять расходимость пучка (см. а.с. SU 1408245, кл. G01J 5/00, опубл. 07.07.1988; Максак А.Г., Козак И.В., Плотников А.В., Ильин А.С., Улановский М.В. Обеспечение единства и точности измерений энергии пикосекундных импульсов лазерного излучения, Измерительная техника, №5, 2015, с. 37-40).
Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению в части установки является установка для измерения параметров лазерного пучка, содержащая закрепленные на едином основании исследуемый источник лазерного излучения, фокусирующую систему, ответвитель (светоделительную пластину), механизм изменения ширины лазерного пучка, и выполненное с возможностью перемещения основное средство измерений, расположенные на линии прямого лазерного пучка, а так же контрольное средство измерений, расположенное на линии отраженного от светоделительной пластины лазерного пучка (см. патент RU 2091729, кл. G01J 1/04, опубл. 27.09.1997). Однако, в известном техническом решении механизм изменения ширины лазерного пучка выполнен в виде калиброванных диафрагм, что некорректно для негомоцентрических пучков, кроме того известная установка не позволяет производить калибровку/поверку средств измерений, изменять угол расходимости, измерение угла расходимости производится на основании определения ширины пучка, полученных методом калиброванных диафрагм по ГОСТ 26086-84, в соответствии с чем измерение угла расходимости лазерного пучка производится не по одному импульсу излучения лазера, а - по серии импульсов с определенными значениями диаметров калиброванных диафрагм, что увеличивает погрешность измерения угла расходимости за счет возможного изменения угла от импульса к импульсу.
Таким образом, технической проблемой является обеспечение возможности передачи единицы угла расходимости лазерного пучка от эталона к нижестоящим рабочим средствам измерений (РСИ) на основе МИП для их калибровки и поверки в широком диапазоне изменения угла расходимости пучка с учетом устранения вышеупомянутых недостатков.
В предлагаемой установке для калибровки/поверки средств измерений угла расходимости лазерного пучка, содержащей закрепленные на едином основании источник лазерного излучения, светоделительную пластину, механизм изменения угла расходимости лазерного пучка и выполненное с возможностью перемещения основное средство измерения, расположенные на линии прямого лазерного пучка, а также контрольное средство измерений, расположенное на линии отраженного от делительной пластины лазерного пучка, механизм изменения угла расходимости лазерного пучка выполнен в виде перестраиваемого линзового расширителя лазерного пучка, формирующего различные фиксированные углы расходимости. Основное и контрольное средства измерений предпочтительно выполнены в виде многоэлементных измерительных преобразователей лазерного излучения с ПЗС - матрицами. На линии прямого лазерного пучка перед механизмом изменения угла расходимости предпочтительно установлен ослабитель, а после - положительная линза.
Согласно предлагаемому способу калибровки средств измерений угла расходимости лазерного пучка с использованием предлагаемой установки выполняют следующие последовательные операции:
- устанавливают фиксированное значение угла расходимости лазерного пучка в механизме изменения угла расходимости лазерного пучка;
- одновременно измеряют распределение плотности энергии лазерного пучка с помощью основного и контрольного средств измерений;
- передают сигналы, соответствующие измеренным распределениям плотности энергии лазерного пучка, в блок управления;
- на основании полученных сигналов вдоль осей x, y рассчитывают углы расходимости пучка θxOC, θyOC, соответствующие измерениям основного средства измерения, и ширины пучка dxKC, dyKC, соответствующие измерениям контрольного средства измерения, а также калибровочные коэффициенты для контрольного средства измерения , 
;
- перемещают основное средство измерения и устанавливают на его место калибруемое средство измерений;
- одновременно измеряют вдоль осей x, y углы расходимости лазерного пучка θxPCИ, θyРСИ с помощью калибруемого средства измерений и распределение плотности энергии лазерного пучка с помощью контрольного средства измерений, передают сигнал, соответствующий измеренному распределению плотности энергии лазерного пучка в блок управления и рассчитывают ширины лазерного пучка 
, 
, соответствующие измерениям контрольного средства измерений;
- определяют калибровочные коэффициенты калибруемого средства измерения как 
, 
.
Совокупность изложенных признаков позволяет решить вышеуказанную техническую проблему и получить технический результат, заключающийся в повышении точности измерений, проводимых в ходе калибровки РСИ.
На фиг. 1 приведена функциональная схема заявляемой установки;
на фиг. 2 ход лучей в механизме изменения угла расходимости лазерного пучка.
Предлагаемая установка для калибровки/поверки средств измерений угла расходимости лазерного пучка содержит закрепленные на едином основании источник лазерного излучения 1 (например типа Lotis TII Ls 2137/2 с угловой расходимостью 200 угл.с), светоделительную пластину 2 (например, из стекла марки К-8), контрольное средство измерения (КС) 3, оптический ослабитель 4, механизм 5 изменения угла расходимости лазерного пучка, положительную линзу 6 (например, из стекла К8, с фокусным расстоянием ƒ≈0,982 м) для формирования дальней зоны лазерного излучения и расположенное в ее фокальной плоскости основное средство измерения (ОС) 7, а также блок управления 8 и компьютер 9. Средства измерений 3 и 5 выполнены в виде многоэлементных измерительных преобразователей и могут содержать ПЗС-матрицы, например, Hamamatsu S7170-0909-01.
Механизм 5 выполнен в виде, например, расширителя типа Vicon stands 10 BE 03-2-12, который формирует лазерный пучок с фиксированными и определяемыми далее в процессе измерений значениями угла расходимости, входящих в диапазон измерений (15-200 угл.с) на длинах волн 0,532 и 1,064 мкм.
Предлагаемое использование механизма 5 позволяет обеспечить изменение угла расходимости лазерного пучка в широком диапазоне, что увеличивает возможности калибровки/поверки различных РСИ. Проведение калибровки/поверки в различных фиксированных точках диапазона угла расходимости позволяет повысить точность измерений данной характеристики.
Калибровку средств измерений угла расходимости лазерного пучка с использованием описанной установки осуществляют следующим образом.
На первом этапе калибруют КС 3 по углу расходимости лазерного пучка методом вторых моментов в соответствии с ГОСТ Р ИСО 11146-2008.
Сначала устанавливают некоторое значение угла расходимости пучка в узле 5. Излучение лазера 1, проходя через светоделительную пластину 2, разделяется на прямой и отраженный пучки. Отраженный пучок поступает на КС 3, а прямой пучок поступает на ослабитель 4 для согласования уровня энергии излучения лазера с характеристикой линейности ОС 7, затем на механизм 5 изменения угла расходимости лазерного пучка, на положительную линзу 6 и далее на ОС 7. По сигналу с управляющего компьютера 9 КС 3 и ОС 7 производят одновременное измерение РПЭ лазерного излучения в поперечных сечениях прямого и отраженного пучков и передают их в блок управления 8 и далее в компьютер 9 для последующей обработки.
По результатам измерений РПЭ в компьютере 9 определяют угол расходимости лазерного пучка θOC на входе ОС 7 и его ширину (диаметр dKC для гомоцентрических пучков) на входе КС 3 по формулам, представленным в ГОСТ Р ИСО 11146 - 2008, например, для гомоцентрических пучков:
,
где 
, 
, 
, 
- вычисленные вторые моменты измеренного РПЭ излучения по осям x и y, поступающего на входы ОС 7 и КС 3, соответственно, ƒ - фокусное расстояние положительной линзы 6.
Далее определяют калибровочный коэффициент для КС 3 по формуле
На втором этапе производится непосредственно калибровка/поверка средств измерений угла расходимости лазерного пучка.
При калибровке в оптический тракт предлагаемой установки вместо ОС 7 вводят калибруемое/поверяемое средство измерений (РСИ) 10.
Путь прохождения оптического сигнала аналогичен описанному выше.
В данном случае прямой пучок поступает на ослабитель 4, необходимый для согласования уровня энергии излучения лазера с характеристикой линейности калибруемого/поверяемого РСИ 10.
КС 3 по сигналам с компьютера 9 через блок управления 8 производит измерение РПЭ лазерного излучения в поперечном сечении отраженного от светоделительной пластины 2, а РСИ одновременно производит измерение угла расходимости прямого лазерного пучка (θРСИ - для гомоцентрического пучка).
По аналогии с первым этапом по измеренному РПЭ в компьютере 9 определяют ширину лазерного пучка (
- для гомоцентрического пучка), поступающего на вход КС 3.
Далее с помощью компьютера 9 определяют угол расходимости 
лазерного пучка, поступающего на вход РСИ 10, определенную КС 3 с учетом его калибровки на первом этапе.
По полученным данным определяют калибровочный коэффициент для РСИ 10
Определение угла расходимости лазерного пучка РСИ 10 в процессе его эксплуатации производят с учетом вышеупомянутого калибровочного коэффициента, так для гомоцентрического лазерного пучка имеем
где 
- измеренный РСИ 10 некалиброванный угол расходимости лазерного пучка, определенный в соответствии с ГОСТ Р ИСО 11146-2008.
При проведении поверки РСИ 10 по сигналам с компьютера 9 через блок управления 8 измеряют РПЭ лазерного излучения, поступающего на вход КС 3, и определяют угол расходимости 
(для гомоцентрического пучка) на входе РСИ 10 и измеренный РСИ 10 
.
Определяют погрешность измерения угла расходимости поверяемого РСИ 10 формуле 
.
При наличии слабоастигматических и астигматических лазерных пучков в ходе калибровки согласно предлагаемому способу, по результатам измерений РПЭ в компьютере 9 по формулам ГОСТ Р ИСО 11146 - 2008 раздельно вдоль осей для координат x и y определяют угол расходимости лазерного пучка ОС 7 и его ширину КС 3.
где 
, 
, 
, 
, 
, 
- вычисленные вторые моменты измеренного распределения интенсивности на выходах ОС 7, и КС 3 соответственно, 
, 
и далее определяют набор калибровочных коэффициентов
, 
, 
, 
.
Поверку и определение погрешности РСИ 10 в этом случае производится аналогично и раздельно по координатам x и y.
Благодаря описанным особенностям предлагаемых установки и способа заявленное изобретение позволят повысить точность измерений при калибровке/поверке РСИ, за счет «привязки» проводимых измерений к эталону, обеспечивающей единство измерений; за счет возможности измерения угла расходимости за один импульс излучения при применении МИП, а также - проведения калибровки/поверки в различных фиксированных точках диапазона измерений.
1. Установка для калибровки/поверки средств измерений расходимости лазерного пучка, содержащая закрепленные на едином основании источник лазерного излучения, светоделительную пластину и выполненное с возможностью перемещения основное средство измерений, расположенные на линии прямого лазерного пучка, а также контрольное средство измерений, расположенное на линии отраженного от светоделительной пластины лазерного пучка, отличающаяся тем, что содержит механизм изменения угла расходимости лазерного пучка, выполненный в виде перестраиваемого линзового расширителя лазерного пучка, формирующего фиксированные углы расходимости.
2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что основное и контрольное средства измерения выполнены в виде многоэлементных измерительных преобразователей лазерного излучения.
3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что основное и контрольное средства измерения содержат ПЗС-матрицы.
4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что на линии прямого лазерного пучка перед механизмом изменения угла расходимости установлен ослабитель, а после - положительная линза.
5. Способ калибровки средств измерений угла расходимости лазерного пучка с помощью установки по п. 1, включающий выполнение следующих последовательных операций:
- устанавливают фиксированное значение угла расходимости лазерного пучка в механизме изменения угла расходимости лазерного пучка;
- одновременно измеряют распределение плотности энергии лазерного пучка с помощью основного и контрольного средств измерений;
- передают сигналы, соответствующие измеренным распределениям плотности энергии лазерного пучка, в блок управления;
- на основании полученных сигналов вдоль осей x, y рассчитывают углы расходимости пучка θxOC, θyOC, соответствующие измерениям основного средства измерения, и ширины пучка dxKC, dyKC, соответствующие измерениям контрольного средства измерений, а также калибровочные коэффициенты для контрольного средства измерения 
, 
;
- перемещают основное средство измерений и устанавливают на его место калибруемое/поверяемое средство измерений;
- одновременно измеряют вдоль осей x, y углы расходимости лазерного пучка θxxРСИ, θyРСИ с помощью калибруемого средства измерений и распределение плотности энергии лазерного пучка с помощью контрольного средства измерений, передают сигнал, соответствующий измеренному распределению плотности энергии лазерного пучка в блок управления и рассчитывают ширины лазерного пучка d'xKC, d'yKC, соответствующие измерениям контрольного средства измерений;
- определяют калибровочные коэффициенты калибруемого средства измерений как 
, 
.
