681.7.08
Обеспечение единства и точности измерений энергии пикосекундных импульсов лазерного излучения
А. Г. МАКСАК1, И. В. КОЗАК1, А. В. ПЛОТНИКОВ1, А. С. ИЛЬИН2,
М. В. УЛАНОВСКИЙ2
1 «Главный научный метрологический центр» Министерства обороны Российской
Федерации, Мытищи, Россия, e-mail: 32gnii@mil.ru 2 Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений,
Москва, Россия, e-mail: mcsak@ya.ru, ikosz@yandex.ru
Рассмотрены состав и принцип построения вторичного эталона единицы энергии пикосекундных импульсов лазерного излучения, перечислены решаемые с его помощью задачи. Приведены результаты измерений энергии коротких импульсов лазерного излучения и оценены составляющие погрешности эталона.
Ключевые слова: лазерное излучение, вторичный эталон.
The rnmposition of secondary standard of the unit of energy of laser radiation picosecond pulses is considered. The principle of secondary standard construction is presented and the solved problems are listed. The results of experimental studies of laser radiation short pulses are presented. The components of error of the standard are listed.
Key words: laser radiation, secondary standard.
В последнее время в промышленности, медицинской технике, а также в сложных технических системах стали применять твердотельные и полупроводниковые лазеры нано-и пикосекундного диапазонов длительностей импульсов. Расширение спектрального диапазона импульсных лазеров и сферы применения все более короткоимпульсного излучения привели к необходимости сертификации и измерительного контроля технических, эксплуатационных и метрологических характеристик лазерных систем, в частности, такого информативного параметра, как энергия лазерного излучения. По мере совершенствования лазерной техники также увеличилась номенклатура и количество выпускаемых средств измерений (СИ) энергии пикосекундных импульсов лазерного излучения (лазерных джоульметров).
До недавнего времени существующая эталонная база не обеспечивала воспроизведение, хранение и передачу единицы энергии лазерного излучения пикосекундной длительности, что осложняло решение задач метрологического обеспечения существующих и перспективных лазерных систем траекторных измерений. Для решения указанной проблемы во ВНИИОФИ разработан и создан вторичный эталон, предназначенный для получения единицы энергии пикосекундных импульсов лазерного излучения от вторичного эталона единиц средней мощности и энергии лазерного излучения, хранения, воспроизведения и передачи единицы энергии пикосекундных импульсов лазерного излучения эталонам низших разрядов и СИ на месте эксплуатации эталона, а также на местах дислокации СИ.
Эталон состоит из стационарного и транспортируемого комплектов. Стационарный комплект обеспечивает аттестацию (поверку) эталонов низших разрядов и СИ на месте эксплуатации эталона и содержит пикосекундный лазерный источник, по ходу излучения которого установлены аттенюатор (для поверки СИ в различных точках динамического диапазона), диафрагма, расширитель пучка, эталонный изме-
рительный преобразователь лазерного излучения, светоде-лительная пластина, контрольный преобразователь излучения. Поверяемое СИ устанавливается на место эталонного преобразователя в соответствии с алгоритмом поверки.
Элементы эталона связаны с компьютером. Поверку СИ осуществляют методом последовательного измерения энергии пикосекундного импульса эталонным преобразователем и преобразователем поверяемого средства. В результате определяют его коэффициент преобразования или калибровочное число.
Транспортируемый комплект эталона обеспечивает аттестацию (поверку) СИ на местах эксплуатации лазерных систем с помощью эталонного термоэлектрического преобразователя и контрольного фотоэлектрического СИ энергии пикосекундных импульсов лазерного излучения СИЭПИ-2.
Принцип действия и структурная схема аппаратуры измерений энергии. Основным элементом указанной аппаратуры является эталонный измерительный преобразователь термоэлектрического типа ПИ-П, на основе которого построена функциональная схема вторичного эталона, приведенная на рис. 1.
С учетом описанных требований обеспечения минимально возможных погрешностей выбрана конструкция ПИ-П, представленная на рис. 2. Рассматриваемый ПИ-П содержит чувствительный элемент 5, установленный в массивном блоке 1, размещенном в металлическом корпусе 10. Приемным элементом служит танталовый конус 12, угол при вершине которого равен 15°, а основание имеет диаметр 20 мм. Для уменьшения влияния конвективных потоков перед конусом расположена диафрагма 8. На наружной поверхности приемного конуса намотана обмотка электрического нагревателя 13, выполненная из манганинового провода. Обмотка предназначена для подачи в нее электрической энергии замещения и калибровки ПИ-П. Конус с обмоткой защищен внешним выравнивающим медным конусом 14, к на-
Рис. 1. Функциональная схема вторичного эталона: 1 — пикосекундный лазер; 2, 3, 5, 6 — зеркала; 4 — преобразователь излучения; 7 — лазерный модуль; 8, 12, 19 — аттенюаторы лазерного излучения; 9 — диафрагма; 10 — светоделитель; 11 — линза; 13 — расширитель лазерного пучка; 14 — эталонный термоэлектрический преобразователь энергии пикосекундных импульсов лазерного излучения ПИ-П; 15 — место поверяемого СИ; 16 — устройство вывода на печать; 17 — устройство управления и обработки; 18 — блок управления; 20 — контрольный фотоэлектрический преобразователь
ружной поверхности которого через изоляционную прослойку 15 приклеены восемь секций термобатарей. Каждая секция — это слюдяной каркас 16 с намотанными на нем термобатареями 17.
Работает ПИ-П следующим образом. Измеряемое излучение попадает в приемный конус 5 (12) и нагревает его. Далее теплота через клеевую прослойку и обмотку нагревателя 13 распространяется на выравнивающий конус 14 и через изоляционную прослойку на термобатареи 16, горячие концы которых расположены на конусе 14, а холодные — на корпусе 15.
Термобатареи фиксируют разность температур между выравнивающим конусом 3 (14) и корпусом 4, и с помощью
Рис. 2. Конструкция эталонного термоэлектрического преобразователя энергии излучения (а) и чувствительного элемента ПИ-П (б): 1 — массивный корпус; 2, 17 — термобатареи; 3, 14 — выравнивающий конус; 4 — электрический нагреватель; 5, 12 — внутренний приемный танталовый конус; 6 — входное окно; 7 — крышка; 8 — диафрагмы; 9 — изолятор; 10 — внешний корпус; 11 — разъем РС; 13 — обмотка замещения электрического нагревателя; 15 — изоляционная прослойка; 16 — слюдяной каркас
входного усилителя ВУ (см. рис. 3) сигнал усиливается, преобразуется аналого-цифровым преобразователем АЦП в цифровой код, а микропроцессор МП1 масштабирует и запоминает его максимальное значение. Цифровой сигнал передается по команде на другой вход микропроцессора МП1, который служит для обмена информацией с микропроцессором МП2. Последнему подчиняются индикаторное табло ИТ, панель управления ПУ, также с его помощью происходит в случае необходимости обмен информацией с компьютером по линии связи RS-232. Цифроаналоговый преобразователь ЦАП, управляемый микропроцессором МП1, обеспечивает компенсацию дрейфа измеряемого сигнала при возможных изменениях температуры окружающей среды.
По принципу действия эталонный термоэлектрический преобразователь является инерционным интегрирующим приемником излучения. При работе преобразователя в режиме, в котором не достигается нелинейное поглощение, в диапазоне длительностей лазерного импульса от 1 с до единиц пикосекунд (исследовано экспериментально) форма выходного сигнала преобразователя не зависит от длительности импульса и уровня энергии, поступающей на его вход. Поэтому термоэлектрический преобразователь можно калибровать по максимальному значению амплитуды функции его отклика. Это подтверждается исследованиями, проведенными ранее и опубликованными в [1]. Представленные экспериментальные результаты показывают корректность метода измерений энергии коротких импульсов лазерного излучения посредством инерционных термоэлектрических преобразователей.
На рис. 4 приведены функции отклика термоэлектрического преобразователя в интервале длительностей импульсов 70 пс — 2 с, полученные во ВНИИОФИ по [1] и дополненные расчетными и экспериментальными данными для длительностей 70 пс, 100 нс, 0,2 с, 0,5 с, 1 с. Из рис. 4 следует, что для конкретного термоэлектрического преобразователя отклики и({), нормированные на итах, для коротких импульсов (70 пс, 100 нс, 150 мкс) полностью идентичны, поэтому максимальное значение амплитуды проинтегрированного импульса пропорционально энергии входного лазерного импульса.
Метрологические характеристики вторичного эталона и принципы определения его погрешности. Погрешность эталона или погрешность измерения энергии импульса лазерного излучения на входе поверяемого СИ зависит от погрешностей преобразователей ПИ-П, контрольного фотоэлектрического преобразователя (КФП) и принятого способа передачи единицы энергии.
При поверке СИ реализуется метод непосредственного сличения [2]. Вторичный эталон построен с использованием КФП — средства контроля относительного изменения энергии импульсного лазерного излучения, при этом в процессе поверки энергию импульса измеряют одновременно сначала эталонным ПИ-П (иопт1) и КФП (ик1), а затем поверяемым СИ и КФП (ик2).
Энергию импульсного лазерного излучения на входе ПИ-П определяют методом сравнения его выходного сигнала под воздействием импульса лазерного излучения и энергии электрического импульса (иопт, иэл), нахождением эквивалентной электрической энергии Qэл, коэффициента преобразования ПИ-П Аэл от Qэл и определением Qопт1 в момент времени ^ по формуле
Qопт1 = Цопт /(КАяХ
где Кэ — коэффициент эквивалентности воздействия энергии лазерного импульса и электрической энергии.
Одновременно с измерением иопт находят выходной сигнал ик1 преобразователя КФП.
После установки (вместо ПИ-П) в оптический тракт эталона преобразователя поверяемого СИ во время передачи единицы энергии измеряют показания поверяемого СИ и КФП ик2.
Энергию Qопт2 импульсного лазерного
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.