Способ измерения мощности и распределения интенсивности лазерного излучения

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ.МОЩНОСТИ ИРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, основанный на определении вторичного свечения частицаэрозоля при воздействии лазерного излучения, отличающийся тем, что, с целью измерения потоков лазерного излучения с интенсивностью более 10* Вт/см*, лазерный луч пересекают однородным по концентрации потоком аэрозольных частиц из тугоплавкого материала, производят измерение распределения концентрации и общего количества этих частиц и затем рассчитьгоают мощность и распределение интенсивности излучения по их общему количеству и распределению.л.отм.ед. -••—I—••15W0.5 Оf(a)i(ЛINDto15 10 (]>&5lo,omu.ed.фиг.12 a,ffff/i

ВСЕ СбК) РН AR

ЭФТА;Р ..,... -,„.<;цщ .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ ЕСПУБЛИН „Я0„„01221 (51)4 С О1 .) 1/58

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

К) 1Я (РИ f

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫЛИ (21} 2502912/18-25 (22) 20,06,77 .(46) 30.06.86. Бюл. У 24 (72) Н.Н.Белов и. А.Е.Негин (53) 535.242(088.8) (56) Хирд Г. Измерение лазерных параметров. M., Мир, 1970, с. 539.

Авторское свидетельство СССР

У 554719, кл. G 01 J 1/58, 1977. (54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ И

РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, основанный на определении вторичного свечения частиц аэрозоля при воздействии лазерного излучения, отличающийся тем, что, с целью измерения потоков лазерного излучения с интенсивностью более 10 Вт/см, лазерный луч пересекают однородным ito концентрации потоком аэрозольных частиц Hs тугоплавкого материала, производят измерение распределения концентрации и общего количества этих частиц и затем рассчитывают мощность и распределение интенсивности излучения по их общему количеству и распределению.

701221

Изобретение относится к способам измерения параметров лазерного излучения.

Известны способы измерения мощности и распределения интенсивности лазерного излучения, в основе которых лежит преобразование лазерного излучения во вторичное свечение. Эти способы предполагают либо преобразование всей мощности лазерного излуче- . 10 ния, что препятствует использованию данного пучка в процессе измерения его характеристик, либо расщепление лазерного пучка на несколько, причем измеряют характеристики одного из 15 этих пучков. Применение расщепителей в ряде случаев представляет большие трудности, например,, вследствие разрушения или изменения их характеристик в мощном лазерном излучении. Кро- 20 ме того, указанные приемники имеют низкую разрешающую способность, что препятствует использованию их для измерения характеристик быстропеременных потоков лазерного излучения. 25

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения мощности и распределения интенсивности лазерного излученйя, основанный на определении вторичного свечения частиц аэрозоля при воздействии лазерного. излучения.

Недостатком этого способа являет.ся невозможность измерять потоки лазерного излучения с интенсивностью более 10 Вт/cM> .

Цель изобретения — измерение потоков лазерного излучения с интенсивностью более 10 Вт/см . . Цель достигается тем, что лазерный луч пересекают однородным по концентрации потоком аэрозольных частиц из тугоплавкого материала, производят измерение распределения концентрации . и общего количества этих частиц и затем расчитывют мощность и распределение интенсивности излучения по их общему количеству и распределению.

С увеличением интенсивности излучения, облучающего аэрозольные частицы, появляется наблюдаемое видимое свечение наиболее крупных частиц. Дальнейшему росту интенсивности излучения соответствует увеличение концентрации светящихся аэрозольных частиц.

Временное разрешение измерений предлагаемым способом определяется

1(а)сна

a"(1) .

4 — счетная.ля, см

f < — функция вольных где концентрация аэрозоf распределения аэрочастиц по размеру, 1 у((а)da временем релаксации температуры частиц н лазерном излучении и постоянной времени регистрирующей аппаратуры. Для аэрозольных частиц время ре-5 лаксации энергии очень мало, i +10 с для частиц с радиусом 10 4 см.

На фиг. 1 приведена функция распределения частиц аэрозоля по размерам (фиг. 1а), зависимость от размера частиц а пороговой интенсивности лазерного излучения Т,, при которой возникает свечение частиц с радиусом, большим о.(фиг. 16), зависимость концентрации светящихся частиц от интенсивности лазерного излучения (фиг; 1в).

Некоторую область лазерного пучка пересекают потоком аэрозоля, частицы которого состоят из тугоплавкого материала, например, из окиси алюминия.

Концентрацию и функцию распределения аэрозольных частиц по размеру поддерживают одинаковыми в области лазерного пучка в течение всего времени измерений.

Как правило, эксперименты проводятся в присутствии постороннего . аэрозоля, например, концентрация ес- тественного аэрозоля в лабораторном воздухе составляет 10 см . Концентрацию аэрозоля в слое, пересекающем лазерный луч выбирают в диапазоне

10 -10 см- . При более высоких кон8 центрациях измерительного аэрозоля увеличивается возмущение измеряемого лазерного излучения (тепловая дефокусировка и аэроэольное рассеяние).

Увеличение точности измерений и облегчение процесса нахождения мощности и интенсивности лазерного излучения по общему количеству и распределению концентрации частиц может быть достигнуто при применении аэро4 золя со специальной функцией распределения по размеру, для которого линейному росту интенсивности излучения соответствует линейный рост концентрации светящихся частиц. Концентрация светящихся частиц,ь определяется соотношением:

701221 пути лазерного пучка. Картину рас-, пределения интенсивности лазерного излучения в дальней зоне характеризуют расходимостью лазерного излучения 6 ; Величина 0 определяется cot отношением 9 = 4 d, где 1 — фокусное расстояние линзы, d — размер лазерного пятна в фокальной плоскости линзы. Величина d определяется из 1О картины распределения интенсивности лазерного излучения.

Для облегчения определения мощности и .распределения интенсивности лазерного излучения можно использо- 15 вать мощность и распределение интенсивности излучения аэрозольных частиц. При этом мощность и.распределение интенсивности в лазерном пучке находят иэ калибровочных данных. 20

Увеличение динамического диапазона достигают при использовании пониженных давлений газов, окружающих частицы. Изменению теплопровбдности газа, окружающего частицы, соответ- 25 ствует изменение зависимости порога свечения частицы от ее размера (см. формулу 2).

В ряде случаев, например, при пониженных давлениях возникают труднос- 3р ти в транспортировке частиц. Транспортировка частиц может быть облегчена применением электрического поля, вынуждающего перемещаться заряженные аэрозольные частицы в заданном направлении.

Пример. Испытания данного способа применены для измерения мощности и распределения интенсивности излучения в фокусированном пучке ла- 4О зера ГОС-301, (длительность импульса 8 ° 10 " с, длины волны излучения

1,06 мкм, мощность S = 4" 104 Вт), непрерывного СО,-лазера (= 10,6 мкм, L4 = 20 Вт), импульсного СО -лазера 45 (3 10,6 мкм, W =,10 Вт, 1,5 10 6 с и импульсного химического лазера (h = 2,7-3 мкм, 1> = 1О Зт, = 5 ° 10 с).

Аэрозольный поток создают полевым генератором. Скорость пэтока устанавливают в диапазоне 1-100 м/с.

Пороги возникновения свечения частиц аэрозоля в излучении непрерывногь СО,-лазерa составляют: 1) для корундовых частиц радиусом 1,5—

2,5 мкм — 5. 10 Вт/см, 2) для часВ тиц окиси магния радиусом 0,5-1,0 мкм3 10 Вт/см, 3) для частиц алюминия размером 10 мкм — 10 Вт/см . Пороги возникновения свечения частиц в излучении импупьсного СО -лазера сос6 тавляют: 8 10 Вт/см для частиц корунда радиусом 2 мкм, и 3,5.10 Вт/см для алюминиевых частиц-пластинок размером 10 мкм. В случае импульсного химического лазера возникновение свечения корундовых частиц наблюдалось при интенсивностях 1,8"10 Вт/см, 2,6. 10 Вт/см, 5,8 10 Вт/см соответственно для частиц размером 2 мкм, 7 мкм, О, 14 мкм. Свечение алюминиевых частиц — пластинок возникает при интенсивности излучения 2"10 Вт/см>.

На фиг. 2 приведено распределение интенсивности по сечению фокусированного луча =.азера ГОС-301.

Сравнительные испытания показали, что данный способ обеспечивает возможность проведения измерения.мощности и распределения. интенсивности ла» зерного.излучения при интенсивностях, больших 103 Вт/см, при которых измерения другими способами затруднительны. Временное разрешение способа эайи .сит от времени нагрева и времени релаксации температуры частицы.

Экспериментально определено, что временное разрешение по крайней мере не хуже, чем 2,5 10 5 с.

701221 (I) = COnSeI.

Т (а)=С а, (n) 25

1()

1 (3) g (1) минимальный размер аэрозоль— ных частиц, светящихся в поле лазерного излучения с интенсивностью I Вт/см °

Выбор функции распределения аэрозоля по размеру частиц следует провести так, чтобы удовлетворялось coot ношение:

Если длина волны лазерного излучения значительно превосходит максимальный размер частиц аэрозоля (что обеспечивает однородность интенсивности излучения внутри частиц) и если размер минимальных частиц аэрозоля значительно превосходит длину свободного пробега молекул газа 5<

«10 4 см, то зависимость минимальной интенсивности от размера частиц—

1, (а), при которой появляется свечение частиц размером а, выглядит .следующим образом: где С вЂ” - -(Т -Т. ), 3

$ — коэффициент теплопроводности газа, Вт/см сек град.

Ы вЂ” коэффициент поглощения материла частиц аэрозоля, см

Т вЂ” температура, при которой наблюдается свечение частиц, град.

T — температура окружающего газа, град.

Такая зависимость приведена на фиг.1а.

Из выражения (1) и (2) можно найти вид () для случая, когда линей-. ному росту интенсивности соответствует линейный рост концентрации светящихся частиц

I.

Применение смеси монодисперсных аэрозолей позволяет проводить быструю визуальную оценку мощности и распределения интенсивности лазерного излучения. В этом случае, при увеличении интенсивности до определенного значения I, свечение частиц отсутствует. Йебольшое увеличение интенсивности приводит к высвечиванию всех частиц одного из монодисперсных аэрозолей. Дальнейшее увеличение интенсивности вплоть до 1 не сопро2. вождается увеличением концентрации светящихся частиц. При 1 высвечина2 ются частицы другой монодисперсной ,фракции и т,д. Динамический диапазон можно существенно увеличить применением аэрозоля, частицы которого состоят из различных материалов.

Для увеличения точности измерений лазерных характеристик следует применить высокоскоростной поток аэрозоля. С увеличением скорости аэрозоль| ного потока уменьшается время, в течение которого частицы находятся в лазерном луче и, следовательно, уменьшается зависимость среднего размера аэрозольных частиц от характеристик лазерного излучения.

Кроме того, высокоскоростной поток аэрозоля используют для уменьшения влияния аэрозоля на лазерное излучение. Во время пересечения частицами аэрозоля лазерного луча происходит разогрев газа — носителя аэрозольных частиц. Разогреву газа сопутствует искажение. лазерного пучка (например, тепловая дефокусировка и т.п.). Для уменьшения влияния указанных эффектов следует применять аэрозольныи поток с высокой скоростью, частицы которого быстро пересекают лазерный пучок, так чтобы газ в облас-,и пучка . существенно не разогревался.

Точность измерений лазерных характеристик предлагаемым способом определяется точностью измерения концентрации светящихся частиц, которые мо35 гут быть измерены с большой точностью, если поток аэрозоля сформирован в виде плоского слоя.

Создание широкого однородного высокоскоростного аэрозольного слоя

40 является достаточно сложной технической задачей. Возможно значительное снижение затрат, если лазерный луч пересечь узкими аэрозольными струями.

При этом расстояние между струями

45 следует выбирать исходя из требуемой точности определения размеров неоднородностей лазерного пучка.

Для повышения динамического диапа.зона используют в качестве носителя

50 аэрозольных частиц газы с различной теплопроводностью. При этом пороги свечения частиц смещаются в соответствии с формулой (2).

Для измерения интенсивности лазерного пучка в дальней зоне измеряют распределение концентрации светящихся аэрозольных частиц в фокальной области линзы, расположенной на

Составитель А.Шеломова

ТехредЛ.Олейник Корректор С.Черни

Редактор Jl.Ïèñüìàí

Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 3626/4

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4