WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

Янкевич Евгений Борисович РАЗРАБОТКА ВЫСОКОТОЧНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТЕПЛОВОГО ТРАП-ДЕТЕКТОРА И КАЛИБРОВАННОГО ОПТИЧЕСКОГО ОСЛАБИТЕЛЯ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.11.16 — информационно-измерительные и управляющие системы Москва 2012 г.

Работа выполнена в Федеральном Государственном Унитарном Предприятии «Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений» (ФГУП ВНИИОФИ)

Научный консультант: доктор технических наук, Тихомиров Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: Виктор Ильич Саприцкий, доктор технических наук, профессор, ФГУП «ВНИИОФИ», начальник НИО Александр Семенович Ильин, кандидат технических наук, Учреждение РАН «Институт теоретической и прикладной электродинамики», старший научный сотрудник

Ведущая организация: ОАО «Научно-производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения»

Защита состоится «____»_________2012 г. в 15-00 на заседании диссертационного совета Д308.006.01 при Всероссийском научноисследовательском институте оптико-физических измерений по адресу: 119361, г. Москва, ул. Озерная, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП ВНИИОФИ.

Автореферат разослан ______________________ 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета, Г.Н. Вишняков доктор технических наук 1.

Общая характеристика работы

1.1

Актуальность темы В последние несколько десятилетий наблюдается устойчивая тенденция использования лазеров, лазерных устройств и установок практически во всех отраслях народного хозяйства, при выполнении научных исследований, в медицине и пр. Ежегодно публикуемые сведения о продаже лазеров и лазерных устройств свидетельствуют о том, что интерес к этим источникам когерентного излучения во всех развитых странах не спадает, поскольку наряду с расширением областей применения лазеров совершенствуется технология их изготовления и неуклонно повышается качество элементов и изделий в целом.

К числу физических величин и параметров, по которым сертифицируются лазеры, относятся в первую очередь мощность и энергия лазерного излучения, измеряемые ватт- и джоульметрами, а также совокупность параметров, характеризующая качество пучка. По мере совершенствования лазерной техники, расширения динамического, спектрального и временного диапазонов, в пределах которых приходится измерять мощность и энергию излучения, увеличились номенклатура и количество выпускаемых десятками фирм лазерных ватт- и джоульметров.

В промышленности ватт- и джоульметры обязательно входят в состав оборудования, предназначенного для сварки, резки (раскроя) материала, поверхностного упрочнения, лазерной маркировки и неразрушающего контроля материалов и готовых изделий. Несоответствие параметров режимов сварки и резки материалов указанным в технологическом процессе приводит к появлению брака. Контроль за соблюдением режима обработки особенно важен в авиационной, судостроительной, автомобильной и электронной промышленностях.

В медицине ватт- и джоульметры используются в составе терапевтического, хирургического, офтальмологического и дерматологического оборудования в качестве дозаторов мощности и плотности мощности лазерного излучения. Передозировка, в силу неполной ясности о воздействии лазерного излучения на живой организм, может привести к побочным заболеваниям, в том числе онкологическим. Без контроля мощности или энергии, а также качества пучка лазерного излучения нельзя гарантировать положительный результат при проведении операций в офтальмологии.

Полупроводниковые импульсно-модулированные лазеры, являются основой в волоконно-оптических линиях связи. Качество связи, ее помехозащищенность и техническое состояние линий связи напрямую связаны с уровнем мощности, который должен постоянно контролироваться в процессе эксплуатации.

Достоверность получаемой в ходе научных исследований информации непосредственно зависит от состояния измерений параметров и характеристик непрерывного и импульсного лазерного излучения в перспективных областях:

термоядерного синтеза (токамаки), лазерной спектроскопии и лазерной интерферометрии, голографии и оптической томографии, микроскопии, при космическом зондировании объектов на орбитах.

В 70-х 80-х годах погрешность серийных ватт- и джоульметров составляла (1015)% и удовлетворяла требованиям повседневных измерений (ГОСТ 8.275-78).

Совершенствование лазерной техники, развитие и применение лазерных систем практически во всех сферах человеческой деятельности стимулировали разработку современных ватт- и джоульметров, обеспечивавших повышение точности измерений. Расширяются диапазоны их измерений, охватывая УФ и ИК спектральные диапазоны, увеличиваются входные апертуры приборов и, главное, существенно возросли требования к точности средств измерений (СИ).

Во многих областях науки и техники для современных применений, создаваемые на основе современной элементной базы лазерные ваттметры и джоульметры как у нас в стране, так и за рубежом имеют погрешность ~3,0%.

Современные требования к точности измерений энергетических параметров лазерного излучения имеют устойчивую тенденцию к снижению значения погрешности до ~1,0% в динамическом (10-31,0) Вт и спектральном (0,412,0)мкм диапазонах. Создание высокоточных измерительных преобразователей является научной проблемой для мировой и отечественной лазерной метрологии и является актуальной задачей.

1.2 Цель и основные задачи диссертации Необходимость решения этой проблемы определила цель настоящей работы:

создание прецизионных измерительных преобразователей на основе теплового трап-детектора и калиброванных оптических мер для высокоточных измерений (< 1,0%) в динамическом (10-31,0) Вт и спектральном (0,412,0)мкм. диапазонах в местах эксплуатации лазеров и лазерных систем.

Цель работы поставила основные научно-технические задачи, решение которых позволило бы обеспечить возможность ее реализации. К этим задачам прежде всего относятся:

- выполнение анализа различных принципов ослабления оптического излучения и существующих схем ослабителей, выбора пути построения калиброванного ослабителя и определение предельно достижимой точности значения коэффициента ослабления лазерного излучения;

- разработка и создание калиброванного ослабителя лазерного излучения на основе использования призм Дове, исследование и определение его технических и метрологических характеристик;

- разработка и создание измерительного преобразователя на основе теплового трап-детектора, исследование и определение его технических и метрологических характеристик;

- разработка и создание комбинированного измерительного преобразователя на основе теплового и фотоэлектрического трап-детекторов, исследование и определение его технических и метрологических характеристик.

1.3 Научная новизна работы 1. Разработана математическая модель плоского трехслойного теплового приемника, представляющего из себя тонкую плоскую слоистую структуру с помощью которого было установлено, что для элементарного теплового приемника потери, определяемые влиянием внешней среды (радиационные, конвективные), не оказывают существенного влияния на его точностные характеристики (их вклад в суммарную неопределенность не превышает 0,01%).

2. Создан новый тип теплового приемника, построенный по схеме трапдетектора, в основу которого положен плоский трехслойный тепловой приемник (патент на изобретение №2434207 от 20 ноября 2011г.).

3. Разработана математическая модель отражения лазерного пучка от плоской поверхности, в которой падающий и отраженный пучки лазерного излучения рассматриваются в виде пакета плоских волн, а коэффициент отражения ослабителя, состоящего из двух плоскостей, определяется выбором геометрического положения второй отражающей плоскости.

4. Предложен способ юстировки ослабителя с использованием призм Дове в качестве отражающих элементов френелевского ослабителя совместно с ПЗС матрицей, позволяющий производить предварительную юстировку ослабителя и выставлять поляризацию падающего излучения.

5. Создан новый тип калиброванного ослабителя лазерного излучения на основе использования призм Дове (заявка №2011128809 от 13.07.2011 г. о выдаче патента Российской Федерации на изобретение «Френелевский ослабитель лазерного излучения»).

1.4 Практическая ценность и использование результатов работы Предложенные в работе схемы построения высокоточных измерительных преобразователей на основе использования теплового трап-детектора и калиброванного оптического ослабителя могут быть применены в широком спектре приложений, предъявляющих высокие требования к точности измерений мощности лазерного излучения в широком динамическом и спектральном диапазонах.

Измерительные преобразователи на основе использования теплового трап-детектора и калиброванного оптического ослабителя были применены при проведении передачи единицы мощности от ГПЭ СМ к вторичным и разрядным рабочим эталонам.

1.5 Вклад автора Изложенные в работе результаты получены автором в соавторстве при его непосредственном участии.

1.6 Апробация работы Результаты работы докладывались на двух международных конференциях:

- Proc. SPIE 7912, 79121W(2011); doi: 10.1117/12.872196 Conference Date:

Sunday 23 January 2011. Conference Location: San Francisco, California, USA - Proceedings SPIE Vol. 7419 Infrared Systems and Photoelectronic Technology IV Date: 27 August 2009.

1.7 Публикации Всего опубликовано 9 работ, в том числе один патент и одна заявка на выдачу патента, все по теме диссертации.

1.8 Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложения.

Общий объем составляет 168 страниц печатного текста, в том числе рисунка и 35 таблиц, а также 5 страниц списка литературы и 8 страниц приложения.

1.9 Положения, выносимые на защиту 1. Способ юстировки ослабителя с использованием призм Дове в качестве отражающих элементов френелевского ослабителя совместно с ПЗС матрицей, позволяет производить юстировку ослабителя и выставлять поляризацию падающего излучения при этом коэффициент поляризации уменьшается с 5,0% до ~0,7%.

2. Калиброванный расчетный ослабитель лазерного излучения на основе использования призм Дове обеспечивает коэффициент ослабления мощности лазерного излучения ~10-3 в спектральном диапазоне (0,41,1) мкм с погрешностью <0,5%.

3. Для элементарного теплового приемника потери, определяемые внешней средой (радиационные, конвективные), не оказывают существенного влияния на его точностные характеристики (их вклад в суммарную неопределенность не превышает 0,01%).

4. Измерительный преобразователь на основе теплового и комбинированного трап-детекторов обеспечивает измерение мощности лазерного излучения в динамическом (0,01 10,0) Вт и (10-41,0) Вт и спектральном (0,411,0)мкм и (0,41,1)мкм диапазонах соответственно с погрешностью <0,3%.

2. Содержание работы Во введении сформулирована актуальность проблемы, цель работы, определены основные научно-технические задачи, решаемые в диссертации.

В первой главе приведена классификация законов и технических средств ослабления потока излучения, используемых при разработке оптических ослабителей интенсивности, которая приведена на рисунке 1. В работе показано, что из всех представленных на рис.1 претендовать на сверхвысокую точность могут лишь пластины с покрытием или без такового, да и то при строгом соблюдении технологии их изготовления и определенной геометрии измерений. Принцип работы таких ослабителей основан на законах Френеля (в дальнейшем по тексту френелевские ослабители). Однако в этой классификации отсутствуют прецизионные ослабители на мелких (отношение глубины штриха h к длине волны излучения много меньше единицы) и глубоких (отношение глубины штриха h к длине волны излучения лежит в диапазоне от единицы до двух) дифракционных решетках. Поэтому в работе проведен анализ возможности их использования для решения задач, решаемых в диссертации. В результате проведенного рассмотрения можно сделать следующие выводы:

Рис.1 Классификация законов и технических средств, используемых при построении ослабителей лучистого потока 1.Дифракционные делители с использованием «глубоких» дифракционных решеток не решают задач диссертационной работы, так как этот тип делителя имеет коэффициент деления равный единице и с их помощью невозможно создать измерительные преобразователи, работающие в широком динамическом диапазоне.

2. Дифракционные делители с использованием «мелких» дифракционных решеток имеют коэффициент деления ~103, который определяется с погрешностью ~0,7%, что соответствует задачам, решаемым в диссертации.

Однако, это значение справедливо только для одной длины волны и для работы в широком спектральном диапазоне для каждой фиксированной длины волны необходимо изготавливать свой делитель. При этом, чтобы сохранить значение коэффициента деления и угол дифракции между нулевым и первым порядками глубина и число штрихов должны также быть переменными, что требует создания специализированной технологии, что в свою очередь значительно затрудняет их использование для задач, решаемых в диссертационной работе.

3. В соответствии с приведенной классификацией (рисунок 1) наиболее перспективным является способ, основанный на использовании законов Френеля, поэтому именно он был подробно рассмотрен применительно к решению задач, решаемых в диссертационной работе.

Вторая глава содержит результаты теоретических и экспериментальных исследований путей создания калиброванного прецизионного ослабителя мощности непрерывного лазерного излучения, в основе работы которого лежит закон Френеля (френелевский ослабитель).

Френелевские ослабители могут быть расчетными и просты в эксплуатации. Однако у таких ослабителей коэффициент отражения излучения его поверхности зависит от поляризации излучения и от угла его падения на поверхность раздела сред. Зависимость коэффициента отражения от поляризации можно устранить, используя, например, два последовательных отражения. Именно поляризационная независимость коэффициента отражения может служить основой для создания калиброванного ослабителя мощности пучков лазерного излучения.

В диссертации подробно проанализировано влияние ограниченности радиуса лазерного пучка на энергетический коэффициент отражения излучения от плоской поверхности. Этот вопрос исследовался с помощью представления падающей и отраженной волн в виде узконаправленных пакетов плоских волн, для каждой из которых справедливы формулы Френеля.

В результате проведенного анализа было установлено, что распределение поля в зеркально отраженной волне зависит от поперечного размера пучка и в линейном приближении эта поправка имеет порядок малости ~ (k1r )1, где k1 - модуль волнового вектора падающей волны, а r - характерный радиус пучка. В то же время полная мощность излучения в зеркально отраженной волне не зависит от поправок ~ (k1r)1. Квадратичные по порядку малости поправки ~ (k1r)2 обусловлены дифракционным расширением пучка и изначальным искривлением волнового фронта пучка. При характерных параметрах лазерного пучка: его расходимости 10-3 рад и радиусах r в диапазоне 0,11 см, эти поправки в энергетический коэффициент отражения составляют ~ 10-810-7 и ими можно пренебречь.

Рассмотрим идеальный френелевский ослабитель. Электрическое поле в падающей волне представляется в виде:

E1(r,t) e1 expik1r. (1) E Здесь - индекс поляризации волны, p, s; E1 - амплитуды соответствующих плоских волн; e1 ( ) - единичные векторы их поляризаций, r - пространственный радиус-вектор. Как известно электрическое поле любой плоской волны может быть разложено на взаимно перпендикулярные поляризации:

[k1[n1k1]] [n1k1] e1p , e1s , (2) [k1[n1k1]] [n1k1] где n1 - нормаль к отражающей поверхности, направленная вглубь материала.

Для зеркально отраженной волны имеют место соотношения, аналогичные (1), (2), с соответствующей заменой нижних индексов 1 0, k0- волновой вектор зеркально отраженной волны.

Независимость от поляризации коэффициента отражения ослабителя, состоящего из двух плоскостей (рис.2), определяется выбором геометрического положения второй отражающей плоскости, при котором в системе поляризаций s относительно этой плоскости вектор e0 оказался бы в плоскости p поляризации, а вектор e0p - в плоскости s-поляризации. При этом плоскость S1, проходящая через векторы k0 и n1, должна быть перпендикулярна плоскости S2, проходящей через векторы k0 и n2.

Оценим для идеальной ситуации погрешность отклонения коэффициента отражения от расчетного значения за счет неточности выставления основных углов, обеспечивающих поляризационную независимость ослабителя.

Для двухплоскостного ослабителя таких углов всего три: 1 - угол падения на первую плоскость, 2 - угол падения на вторую плоскость и 1 - отклонение угла от 90 между плоскостями S1 и S2.

ns sk s k1 nE1p E3 s E1s E2 E2p E3p s EE0p Рис.2 Отражение лазерного пучка от двух плоских поверхностей Ослабитель может содержать и более двух отражающих плоскостей. При этом рассматривается отражение от первой поверхности, а поле в зеркально отраженной волне представляется в системе поляризаций, соответствующих второй отражающей плоскости. Процедура повторяется требуемое число раз.

Полный коэффициент отражения системы из N плоскостей вычислялся:

M 2 p s RN )(RNm EN 1 EN m RN , а СКО: , где RN c 2 s RN M E1p Eпогрешностью < 0,001% совпадает с RN 0 - коэффициентом отражения идеальной системы, т.е. когда все i и i равны нулю. На рис.3 представлены результаты расчетов зависимостей (,) для ослабителя на основе стекла ТФ5 ( = 3,08, =589,3 нм). Вычисления проводились при 10 20 =45 и 1,2 для s случаев соответственно, E1p E1s и E1 0.

Из представленных на графиках результатов следует, что при отклонении углов уже на 30 угловых секунд отличие коэффициента отражения от расчетного значения составляет 0,050,1 %, что сравнимо с погрешностями измерения мощности лазерного излучения существующими эталонами.

Практическая реализация френелевского ослабителя была осуществлена с помощью двух призм Дове. Конфигурация исследованного ослабителя представлена на рис.4. Положение первой призмы в пространстве задается , % , % N = N = N = N = ” ” а) б) Рис.3. Зависимость величины от (угловые секунды) для ослабителя из s стекла ТФ5 в случае: а) E1p E1s ; б) E1 Рис. 4. Конфигурация френелевского ослабителя из двух призм Дове единичным вектором. Система координат, жестко связана с призмами Y k ослабителя. Углы и – углы отклонения проекций волнового вектора X на плоскости (YZ) и (XZ) от оси z; – угол поворота вектора поляризации E падающего излучения относительно оси x; – амплитуда электрического поля, которая полагается равной единице, поскольку речь идет об относительных измерениях. Изначально ослабитель вручную выставляется относительно оси и плоскости поляризации лазерного пучка.

Для проведения юстировки была разработана установка, оптическая схема которой представлена на рис.5. Юстировка, т.е. выставление вектора параллельно оси падающего лазерного пучка производилось с помощью ПЗС матрицы путем последовательного пропускания лазерного пучка вначале мимо призмы, а затем через нее и совмещением полученных изображений путем поворота ослабителя на соответствующие углы. После выполнения этой Y процедуры считалось, что величины и известны и равны нулю.

X Рис. 5. Оптическая схема установки: 1 – лазерное излучение; 2 – телескопическая система; 3,9 – диафрагмы; 4, 6 – линейные поляризаторы; 5 – четвертьволновая пластинка; 7 – ослабитель, состоящий из двух призм Дове; – поворотный столик; 10 –полупроводниковый детектор; 11 – объектив 50мм;

12 – ПЗС матрица.

В результате в системе «лазерный пучок – ослабитель» остаются 1 неизвестными 4 параметра: угол, - угол между призмами, и - углы скоса рабочих граней призм, которые представляют собой углы между нормалями к рабочим граням идеальных и реальных призм.

Рассматриваемый ослабитель имеет рабочий двухгранный угол, который можно характеризовать двумя неизвестными векторами нормалей к этим плоскостям, или четырьмя скалярными неизвестными. Таким образом, из дополнительных экспериментов с ослабителем мы можем определить неизвестные 4 параметра.

В качестве таких зависимостей были выбраны две зависимости коэффициента ослабления от угла (вращение вокруг вертикальной оси) в X диапазоне ±1,5° для двух взаимно перпендикулярных поляризаций.

Полученные зависимости представлены на рис.6.

Из данных, приведенных на рис.6 ( К// 9,22 104,К 8,3104 ), следует, что после предварительной юстировки френелевского ослабителя относительно его первой призмы с помощью ПЗС матрицы Рис. 6. Измеренные зависимости коэффициента ослабления от угла поворота ослабителя относительно вертикальной оси. 1 – вертикальная поляризация падающего излучения, 2 – горизонтальная поляризация.

0, Y ( ) коэффициент поляризации, определяемый как:

X P|| P P|| P, (3) P|| P оказывается равным ~ 5 %. В (3) и – мощности излучения параллельно и перпендикулярно поляризованной компонент излучения.

Полученные зависимости аппроксимировались методом наименьших 1 квадратов с целью определения неизвестных параметров,, и. Однако 1 вследствие нелинейности задачи однозначно определить параметры,, и не удается. Специально проведенный эксперимент показал, что в нашем 1 случае имеет место, что соответствует одному из найденных решений.

Таким образом, определялись параметры, и. Их значения необходимы, чтобы скорректировать плоскость поляризации излучения относительно ослабителя и конкретизировать характеристики самого ослабителя.

В результате подстановки значений полученных параметров в модель ослабителя с помощью алгоритма минимизации степени поляризации Y ослабленного излучения от углов и определялись положения углов X гониометрических столиков, при которых коэффициент ослабления не зависит от поляризации.

После соответствующей корректировки углов положения призм и поворота плоскости поляризации излучения на угол было измерено значение степени поляризации ( К// 9,29 104,К 9,14 104 ), которое оказалось ~ 0,76 %, что существенно меньше изначально измеренных 5 %.

Следует отметить, что полученный средний коэффициент ослабления излучения составил 9,22·10-4, что отличается от идеального коэффициента ослабления 8,80·10-4. Это различие объясняется несколько большим значением двухгранного угла между отражающими плоскостями по сравнению с идеальным, а именно, ~ 62° вместо 60°.

По степени поляризации ослабленного излучения, можно вычислить погрешность оценки коэффициента ослабления, которая определяется формулой:

2 2 ( ) I ( ))2 d / ())2 d, (4) 0 (I (I 0 0 где I0() – поляризационная диаграмма для идеального излучения с круговой поляризацией, I() – поляризационная диаграмма для реального излучения.

Подставляя в (4) выражение для эллиптической поляризации I ( ) 1 cos2 получаем связь погрешности коэффициента ослабления с величиной степени поляризации излучения 0,61.

Погрешность оценки коэффициента ослабления составляет 0,46%.

В третьей главе рассмотрена математическая модель работы плоского теплового приемника, который является основой при построении теплового трап-детектора.

Элементарный тепловой приемник представляет собой тонкую плоскую слоистую структуру, внешняя металлическая поверхность которого покрыта черным лаком с коэффициентом отражения ~ 5 %. Сток тепла осуществляется на термостат через тонкую диэлектрическую прослойку (рис.7).

Среда 0 – термостат, который поддерживается при температуре 0° (в общем случае температура термостата T0 и задача решается для разности температур U T T0 при нулевой температуре термостата); среды 1 и 2 - изолирующие прямоугольные пластины диэлектриков с теплопроводностями 1 и 2, соответственно; среда 3 – прямоугольная, зачерненная с Рис. 7 Схема плоского теплового приемника (трехслойная структура) внешней стороны металлическая пластина с теплопроводностью 3 ; среда 4 – окружающая воздушная среда, теплопроводность которой в.

На внешнюю поверхность слоистой структуры падает поток лазерного излучения, поглощенная мощность которого на границе раздела сред 3–составляет P0. На границах раздела сред 1-2 и 2-3 помещаются обмотка замещения, термопары и дополнительные источники теплопотерь. Приток тепла при включении обмотки замещения задается мощностью P1. Сток тепла осуществляется по контактным проводам и на поверхности слоистой структуры имеют место потери тепла за счет радиационного излучения и конвективного теплообмена. Влиянием измерительной пленочной термопары на процессы теплообмена пренебрегается.

Для ограниченных сред без внутренних источников стационарное решение методом Лапласа ищется в виде произведения U (x, y, z) X (x) Y (y) Z(z). Для каждого из трех слоев приемника имеет место система из трех дифференциальных уравнений:

2 X 2 X 0 ; Y Y 0 ; Z (2 )Z 0.

Основная сложность – нелинейные по температуре граничные условия для уравнений с x и y.

Задача упрощалась следующим образом: источники теплопотерь на боковых гранях слоев заменялись эквивалентными по мощности источниками на границах раздела сред z const вблизи кромки, а на боковых гранях задавались нулевые граничные условия. Предложенная процедура не избавляет от нелинейности, но позволяет описать функции X (x) и Y ( y) одними и теми же функциями во всех 3-х средах. Нелинейность задачи учитывалась, с использованием метода итераций.

hi hi Предполагалось, что, вследствие малости отношений, « 1 и большой x0 yтеплопроводности, температура в слое металла должна слабо зависеть от того, где расположены рассматриваемые источники теплопотерь, и что основной сток тепла в системе должен осуществляться через слоистую систему на термостат. Теплопотери с боковых граней являются поправками к основному потоку тепла. Предложенная процедура является аппроксимацией учета этих поправок и при корректном осуществлении не должна приводить к существенным погрешностям в результатах расчетов.

Полное решение для температуры в i-ой области можно записать:

(i) (i) Ui Cnm exp(nm z) Dnm exp(nm )cos(n x)cos(m y), (5) n,m n m где nm 2 m ; n , n 0,1,2,..... ; m , m 0,1,2,.....

n x0 y Решение задачи сводится к определению (6 n m) неизвестных (i) коэффициентов Cnm и D(i), i 1,2,3. Для их нахождения nm Решение задачи сводится к определению (6 n m) неизвестных (i) коэффициентов Cnm и D(i), i 1,2,3. Для их нахождения имеют место nm уравнений сшивки на границах раздела сред, где решение задачи сводится к (i) определению (6 n m) неизвестных коэффициентов Cnm и D(i), i 1,2,3. Для их nm нахождения имеют место 6 уравнений сшивки на границах раздела сред, где приравниваются друг другу температуры и тепловые потоки. Вследствие выполнения соотношений (условие ортогональности собственных функций):

x0 yx0 y и n m mm cos( x) cos(n x)dx nn cos( y)cos(m y)dy , (6) 2 0 где символ Кронекера nn 1 при n n и 0 при n n. При заданных nn источниках теплоприхода и теплопотерь уравнения сшивки позволяют получить систему 6-и линейных алгебраических уравнений связи между (i) неизвестными коэффициентами Cnm и D(i) с произвольно выбранной парой nm индексов n и m.

На границе сред 3-4 имеют место как теплоприход за счет поглощения лазерного излучения, так и тепловые потери вследствие радиационного излучения и конвективного теплообмена с окружающей средой.

На границе раздела сред 2-3 располагаются: тепловой источник, моделирующий обмотку замещения; расположенные вблизи ребер источники радиационных и конвективных потерь с боковых граней среды 2; источник потерь по подводящим проводам обмотки замещения. На границе раздела сред 1-2 мы имеем только теплопотери с боковых граней среды 1, обусловленные радиационным излучением и свободной конвекцией окружающего воздуха.

Конвективная задача для наших условий (геометрия, распределение температур) ни теоретически, ни экспериментально никем не решалась. Оценка величин конвективных потерь проводилась поэлементно, используя известные результаты для отдельных граней поверхности приемника.

Выше для общности рассмотрена 3-х слойная система. Такая система позволяет рассчитывать различные конструкции приемника. В отсутствие такой необходимости проще рассматривать двухслойную систему, формулы для которой легко получаются с помощью предельного перехода h1 0 и последующей замены нижнего индекса 32.

Эта тепловая задача численно решалась методом последовательных приближений. Предполагалось, что термопары закреплены на боковых поверхностях металлической пластины. Т.е, вычислялась средняя по периметру сечения (z const) температура боковых поверхностей приемника. При расчетах использовались следующие численные значения основных параметров задачи:

h1 0,002м, h2 0,002м; T0 293 К; 1 1,3 Вт/мК (боросиликатное стекло С381), 2 401 Вт/мК (медь), теплопроводность воздуха в 2,59 102 Вт/мК. На рис.8 представлены результаты расчетов коэффициента электрического ( 2 ( замещения зам, определяемого как: Uбп)(P0 0,P1) Uбп)(P0, P1 0), где P0 P1 0.

зам Расчеты были проведены для двух случаев: с учетом только радиационных теплопотерь и с учетом как радиационных, так и конвективных теплопотерь. Из приведенных на рис.8 и рис.9 результатов следует:

1. Не учет конвективных теплопотерь приводит к погрешности в определении коэффициента электрического замещения ~ 0,0170,027 %. При изменении поглощенной мощности от 0,1 Вт до 1 Вт измеряемая температура изменялась от 2,3 С до 22,6 С. Данные расчетов приведены на рис. 8 и 9.

Рис.8 Зависимость коэффициента электрического замещения зам от мощности, выделяемой на приемнике; кривая 1 – с учетом только радиационных потерь;

кривая 2. – с учетом радиационных и конвективных потерь Рис.9 Зависимость коэффициента электрического замещения зам от температуры термостата T0 ; кривая 1 – с учетом только радиационных потерь;

кривая 2 – с учетом радиационных и конвективных потерь 2. Зависимость величины зам от температуры окружающей среды T0 в диапазоне температур 291295 К для P0 P1 1 Вт является const, как при учете радиационных потерь (зам 1,00021), так и при совместном учете радиационных и конвективных теплопотерь (зам 0,99994).

3. При P0 P1 1 Вт погрешность, обусловленная зонной характеристикой при учете только радиационных потерь составляет ~ 0,136 %, а с учетом и конвективных потерь ~0,125%.

Из полученных результатов следует, что суммарная неопределенность приемника определяется в основном его зонной характеристикой. Эта неопределенность может быть уменьшена как подбором соответствующих параметров приемника, так и использованием специальных юстировочных устройств.

Следует отметить, что в измерителе (рис.7) в замкнутом пространстве конвективный теплообмен будет играть меньшую роль по сравнению с рассмотренным конвективном теплообмене в свободном пространстве.

Поэтому результаты настоящей работы можно рассматривать как оценку сверху.

Предложенная математическая модель была положена в основу построения теплового трап-детектора, структурная схема которого приведена на рисунке 10а, а его внешний вид на рисунке 10б.

В главе 4 проводятся теоретические и экспериментальные исследования метрологических характеристик измерительных преобразователей на основе теплового трап-детектора и калиброванного оптического ослабителя.

С учетом значений, полученных в ходе исследований:

UC = 0,28%, U =0,13% ; UВ =0,25%, U =0,58%, U =0,79%.

0,95 0,А ТТД ТТД ТТД Для комбинированного трап-детектора:

UC =0,281%, U =0,13% ; UВ =0,25%, U =0,58%, U =0,79%.

0,95 0,АКТД КТД КТД В главе приведена оценка метрологических характеристик калиброванного ослабителя лазерного излучения на основе использования призм Дове, который обеспечивает коэффициент ослабления мощности а) 3 2 6 4 1. Плоский тепловой приёмник; 2. Мультиметр; 3. Коммутатор плоских тепловых приёмников, 4. Обмотка замещения; 5. Высокостабильный источник питания; 6.7.

Высокоточное сопротивление; 8. Коммутатор обмотки замещения.

б) Рис.10 Тепловой трап-детектор: а) структурная схема; б) внешний вид.

лазерного излучения ~10-3 в спектральном диапазоне (0,41,1 мкм), определенного с погрешностью <0,5%.

Созданные в процессе выполнения работы измерительные преобразователи использовались при исследованиях и сличениях рабочего эталона единицы средней мощности лазерного излучения. Акты внедрения, подтверждающие использование результатов работы во ФГУП «ВНИИОФИ», ФБУ «Ростест-Москва» и институте «Оптоэлектроники» г.Варшава р.Польша, прилагаются а) б) в) Рис.11 Результаты передачи размера средней мощности от ГПЭ СМ рабочему эталону средней мощности и энергии нулевого разряда («Ростест» г.Москва) а) Тепловой трап-детектор, б) комбинированный трап-детектор, в) фотоэлектрический трап-детектор в комбинации с оптическим ослабителем мощности и энергии. Результаты передачи единицы средней мощности приведены на рисунках 11а, 11б и 11в.

Заключение 1. Приведена классификация законов и технических средств ослабления потока излучения, используемых при разработке оптических трансформаторов интенсивности и подробно рассмотрена возможность использования ослабителей на мелких и глубоких дифракционных решетках. Указаны достоинства и недостатки оптических измерительных преобразователей на дифракционных решетках.

2. Предложен способ юстировки ослабителя с использованием призм Дове в качестве отражающих элементов френелевского ослабителя совместно с ПЗС матрицей, позволяющий производить предварительную юстировку ослабителя и приближенно выставлять поляризацию падающего излучения при этом коэффициент поляризации уменьшается с 5,0% до ~0,76%.

3. Создан калиброванный ослабитель лазерного излучения на основе использования призм Дове, обеспечивающий коэффициент ослабления мощности лазерного излучения ~10-3 в спектральном диапазоне (0,41,1) мкм с погрешностью <0,5%.

4. Разработана математическая модель элементарного трехслойного теплового приемника, представляющего из себя тонкую плоскую слоистую структуру, с помощью которой было доказано, что потери, определяемые влиянием внешней среды (радиационные, конвективные), не оказывают существенного влияния на его точностные характеристики (их вклад в суммарную неопределенность не превышает 0,01%).

5. Создан тепловой трап-детектор, обеспечивающий измерение мощности лазерного излучения в динамическом (0,01 10,0) Вт и спектральном (0,411,0) мкм диапазонах с погрешностью ~ 0,28%.

6. Суммарная неопределенность теплового приемника, представляющего из себя слоистую (трехслойную) структуру, определяется его зонной характеристикой, которая не превышает 0,15%.

7. Создан комбинированный измерительный преобразователь на основе теплового и фотоэлектрического трап-детекторов, обеспечивающий измерение мощности лазерного излучения в динамическом (10-4 1,0)Вт и спектральном (0,41,1)мкм диапазонах с погрешностью ~0,28%.

8. Экспериментально показано, что тепловой и комбинированный трапдетекторы, а также калиброванный оптический ослабитель могут использоваться при проведении передачи размера средней мощности измерительным преобразователям калориметрического типа с суммарной неопределенностью (0,30,4)% и относительной разностью между измерениями, не превышающей ~0,4%.

Таким образом, в настоящей работе решена актуальная научнотехническая задача по созданию высокоточных измерительных преобразователей средней мощности лазерного излучения, имеющая существенное значение, как для измерений и контроля выходной мощности источников лазерного излучения используемых в современных высоких технологиях, так и для обеспечения единства измерений мощности лазерного излучения в соответствии с общероссийской поверочной схемой ГОСТ 8.275 – 2007.

Список публикаций 1. Москалюк C.А., Янкевич Е.Б. Прецизионные ослабители интенсивности лазерного излучения // Метрология.- 2010.- N7.-C. 3-19.

2. Москалюк C.А., Янкевич Е.Б. Использование оптических прецизионных френелевских делителей совместно с первичными эталонными измерительными преобразователями интенсивности лазерного излучения// Метрология.- 2012.-№2.-С 16-31.

3. Ковалев А.А., Москалюк С.А., Янкевич Е.Б.. Теоретическое исследование метрологических характеристик калиброванного френелевского ослабителя мощности пучка лазерного излучения// Измерительная техника.- 2009.- № 9.- с.9-12.

4. Ковалев А.А., Микрюков А.С., Москалюк С.А., Янкевич Е.Б..

Калиброванный френелевский ступенчатый ослабитель мощности лазерного излучения – Измерительная техника.- 2012.-№2. С.17-21.

5. Owsik Jan, Kovalev Anatoly A., Moskalyuk Sergey A., Yankevich Eugene B., Rembielinska Anna. Precision Fresnel attenuator of the beam power of laser radiation Proc. SPIE 7912, 79121W(2011); doi: 10.1117/12.872196. Conference Date:

Sunday 23 January 2011. Conference Location: San Francisco, California, USA 6. Ковалев А.А., Либерман А.А., Микрюков А.С., Москалюк С.А., Янкевич Е.Б.. Заявка №2011128809 от 13.07.2011 г. о выдаче патента Российской Федерации на изобретение «Френелевский ослабитель лазерного излучения» 7. Ковалев А.А., Москалюк С.А., Янкевич Е.Б.. Математическая модель высокоточного теплового приемника для эталона сравнения единицы средней мощности лазерного излучения // Измерительная техника. - 2009. - N 10. - С. 78. Kovalev Alexander, Moskaluk Sergey, Yankevich Eugene. Possibility of constructing a standard comparison for laser radiation based on a combined trap detector. Proceedings SPIE Vol. 7419 Infrared Systems and Photoelectronic Technology IV Date: 27 August 209. Ковалев А.А., Либерман А.А., Москалюк С.А., Янкевич Е.Б.. Патент на изобретение «Тепловой трап-детектор» N2434207 от 20.11.2011г.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.