УДК 621.384.3.53.087.45
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ СО2-ЛАЗЕРОВ
AUTOMATED SYSTEM FOR DETERMINING OF CHARACTERISTICS OF TUNABLE CO2-LASER RADIATION
Павленко Анатолий Александрович
д-р физ.-м. наук, зав. лабораторией Е-mail: ipcet@mail.ru
Максименко Евгений Валерьевич
канд. физ.-мат. наук, ст. научн. сотрудник Е-mail: eugene.maksimenko@yandex.ru
Чернышова Людмила Владимировна
аспирант, мл. научн. сотрудник Е-mail: lvchernyshova@bk.ru
Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН
Аннотация: Разработана автоматизированная измерительная система получения точных характеристик лазерного излучения перестраиваемых СО2-лазеров. Разработан алгоритм управления с реализацией на языке Python. В результате работы системы формируются файлы с данными калибровки лазера.
Ключевые слова: автоматизированная измерительная система, перестраиваемый СО2-лазер, язык программирования Python.
Pavlenko Anatoly A.
D. Sc. (Phys. Math.), Head of Laboratory Е-mail: ipcet@mail.ru
Maksimenko Evgeny V.
Ph. D. (Phys. Math.), Senior Researcher Е-mail: eugene.maksimenko@yandex.ru
Chernyshova Lyudmila V.
Postgraduate, Associate Scientist Е-mail: lvchernyshova@bk.ru
Institute for Problems of Chemical & Energetic Technologies of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences
Abstract: The automated measuring system for obtaining of accurate characteristics of laser radiation of tunable CO2-lasers was designed. The algorithm of management of automated measuring system was realized in Python. Process of system working generates files with laser calibration data.
Keywords: automated measuring system, tunable CO2-laser, Python.
ВВЕДЕНИЕ
Перестраиваемые СО2-лазе-ры получили широкое применение в различных областях науки и техники. Сфера их применения постоянно расширяется. Появляются возможности внедрения таких лазеров в области технологической обработки материалов в сфере автомобилестроения, судостроения, при авиационном и космическом производстве. Лазеры также находят применение в области лазерной химии, медицине и спектроскопии. Наиболее актуально применение таких лазеров при разработке средств дистанционного обнаружения и идентификации паров и следов
различных опасных и взрывчатых веществ [1—3].
Одним из основных требований, предъявляемых к лазерным измерительным системам таких средств обнаружения, является стабильность выходных характеристик зондирующего лазерного излучения в процессе проведения измерений, и, соответственно, равномерность воздействия излучения на исследуемый объект.
Для удовлетворения предъявленного требования служит непрерывный контроль параметров лазерного излучения перестраиваемого лазера в процессе измерения и автоматическая коррекция характеристик излучения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
В работах [4, 5] описан разработанный измерительный комплекс по дистанционному обнаружению следов взрывчатых веществ (ВВ) на поверхностях удаленных объектов методом активного формирования спектральных изображений в ИК-области. Метод заключается в получении многомерного пространственно-спектрального изображения в результате облучения поверхности интересующего объекта перестраиваемым источником излучения с узкой полосой генерации и приемом диффузно рассеянного поверхностью излучения многоэле-
ментным приемником с последующим извлечением и анализом спектральной яркости каждого пикселя зарегистрированного теплового изображения [6].
В измерительной установке (рис. 1) излучение перестраиваемого СО2-лазера рассеивается оптическим элементом и облучает исследуемый объект с нанесенными на его поверхность следовыми количествами ВВ. Тепловизионное изображение поверхности регистрируется при помощи тепловизионного приемника с неохлаждаемой матрицей.
Зарегистрированное тепло -визионное изображение несет информацию о воздействии излучения определенной длины волны на вещества, находящиеся на поверхности обследуемого объекта. Из анализа набора изображений, полученных при облучении объекта излучением с различной длиной волны, могут быть идентифицированы конкретные вещества, находящиеся на поверхности объекта.
Возможность применения данного метода для дистанционного обнаружения была продемонстрирована на следах ок-тогена (с концентрацией менее 1 мг/см2), нанесенного на различные образцы-подложки. Результаты проведенных исследований подтвердили возможность
выделения на зарегистрированных тепловизионных изображениях формы и положения нанесенных следов октогена.
Однако в разработанном ранее измерительном комплексе все контрольно-измерительные операции по определению характеристик излучения СО2-ла-зера, таких как длина волны излучения, мощность излучения и ее стабильность во времени, а также установка этих параметров, выполнялись вручную оператором, что существенно увеличивало время обследования объекта и вносило дополнительную погрешность в получаемые данные.
С целью автоматизации определения параметров перестра-
иваемого СО2-лазера, а также их непрерывного контроля в процессе проведения измерений разработана автоматизированная измерительная система, схема которой приведена на рис. 2.
Измерительная система позволяет определять и устанавливать параметры перестраиваемых СО2-лазеров с механической перестройкой по длинам волн излучения. В качестве лазерного источника использовался газовый лазер LCD-5WGT со следующими характеристиками: длина волны лазерного излучения от 9,18 до 10,81 мкм (76 длин волн); мощность излучения (на сильных линиях) 8,0...10,5 Вт;
энергетическая расходимость ла-
—2
зерного излучения 10 рад; диаметр пучка лазерного излучения на выходном зеркале 1,8 мм.
Перестройку излучения лазера по длинам волн обеспечивает серворегулятор MR-J2S-10 CL совместно со встроенным в излучатель сервомотором
HC-MFS053 компании Mitsubishi Electric. Серворегулятор подключается к ПК через встроенный последовательный интерфейс RS-232C/RS-422. Управле-
Монитор для управления измерителем мощности
Измеритель мощности
г
ИК Фурье спектрометр
Рис. 2. Схема автоматизированной измерительной системы
ние мощностью излучения лазера осуществляется при помощи внешнего TTL сигнала управления частотой от 2 до 4 кГц и напряжением +5 В.
Средняя мощность излучения лазера пропорциональна коэффициенту заполнения управляющего сигнала. Для генерации управляющего сигнала применяется генератор сигналов специальной формы ГСС-40, который обеспечивает необходимые параметры управления.
Основные характеристики генератора сигналов специальной формы: частотный диапазон 1 мкГц...40 МГц; возможны различные формы выходного сигнала; коэффициент заполнения 0,1...99,9 %; интерфейс RS-232C.
Для определения мощности излучения используется измеритель мощности UP19K-30H-H5-D0 фирмы Gentec-EO с управляющим монитором Maestro со следующими основными характеристиками: максимальная мощность непрерывного излучения 30 Вт; максимальная средняя мощность в течение 1 мин 60 Вт; эффективная апертура 19 мм; спектральный диапазон 0,19...20 мкм; чувствительность 0,65 мВ/Вт; время нарастания 0,6 с.
Для регистрации спектра и определения длины волны излучения выбран ИК Фурье-спектрометр "Инфралюм ФТ-801". Его основные характеристики: рабочий спектральный диапазон 2...12 мкм (5000...800 см-1); спектральное разрешение 1—2 см 1; пределы допускаемой составляющей систематической погрешности измерения волновых чисел не более ±0,05 см 1; предел допускаемого значения среднего квадратического отклонения
случайной составляющей погрешности результатов измерений волновых чисел не более ±0,02 см 1; интерфейс USB.
Управление всем оборудованием, сбор и обработка измерительной информации осуществляются при помощи персонального компьютера.
РЕЗУЛЬТАТЫ АВТОМАТИЗАЦИИ
Схема разработанного алгоритма автоматизированного управления измерительным комплексом представлена на рис. 3.
Вначале осуществляется установка соединения с измерительным оборудованием, его пер-
( Начало ) ♦
Вход оператором исследуемого диапазона длин волн.
Установка соединения и инициализация оборудования: ГСС, сервопривод, Maestro, ИК Фурье-спектрометр
Для каждой длины волны из установленного рабочего даипазона
Настройка параметров генерации и приема излучения (ГСС, сервопривод, Maestro, ИК Фурье-спектрометр)
X
Включение генерации лазерного излучения (ГСС)
Проверка наличия мощности излучения и ее стабилизация (ГСС, Maestro)
Да
Есть лазерное излучение (Maestro)?
Нет
Регистрация и обработка параметров лазерного излучения (Maestro, ИК Фурье-спектрометр)
i
Выключение генерации лазерного излучения (ГСС)
Запись в файл полученных данных
Увеличение коэффициента заполнения (ГСС)
Коэффициент „заполнения равен 100 %?
Да
Нет
Выключение генерации лазерного излучения (ГСС)
Присвоение регистрируемым параметрам нулевых значений. Запись в файл полученных данных
Да
Установка сервопривода в начальное положение (сервопривод)
( Конец )
Рис. 3. Алгоритм автоматизированного управления измерительным комплексом
1,0 « 0,9 к 0,8 §8 °,7 g£ 0,6 ES og 0,5 о S 0,4 0,3 9 A
A i % г \
Л ♦ ♦
X f ♦♦ ♦
♦ t f ♦ ♦
♦ ♦ ж ж ♦ w ♦
▼ ♦
0 9,5 10,0 10,5 11,0 Длина волны, мкм
Рис. 4. Зависимость относительной мощности лазерного излучения от длин волн
воначальная настройка и проверка работоспособности. Начальные параметры настройки оборудования приведены в таблице.
Основной рабочий цикл алгоритма состоит в последовательной перестройке излучения в пределах заданного рабочего диапазона длин волн с управляемой генерацией лазерного излучения. Перестройка лазерного излучения по длинам волн осуществляется с помощью программно-управляемого перемещения частотно-селективного элемента. Одновременно с генерацией излучения выполняется проверка наличия излучения, измерение ее мощности, зависимости от различных значений коэффициента заполнения управляющего сигнала.
Результатом измерения является зависимость интенсивности излучения перестраиваемого лазера от длин волн. Пример зарегистрированных данных приведен на рис. 4.
При получении подтверждения о н
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.