Как измерить мощность лазерного излучения

Измерители мощности лазерного излучения

Дата публикации: 31.03.2020 2020-03-31

Статья просмотрена: 530 раз

Библиографическое описание:

Поезжалов, В. М. Измерители мощности лазерного излучения / В. М. Поезжалов, Д. Н. Агеев. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 14 (304). — С. 5-8. — URL: https://moluch.ru/archive/304/68478/ (дата обращения: 23.12.2021).

В статье описаны методы измерения мощности лазерного излучения. Подробно рассмотрены наиболее распространённые способы, существующие сегодня, принцип работы которых базируется на преобразовании энергии излучения лазера в электрический ток, а также в тепловую и механическую энергии.

Ключевые слова: лазерное излучение, мощность, энергия.

Лазерная промышленность неуклонно развивается, применяя новые длины волн, более высокие мощности. Базовая технология измерения мощности и энергии лазера не изменилась за последние десятилетия. Существует три основных способа измерения мощности и энергии лазера.

Первым типом лазерного измерительного устройства является тепловой детектор, который измеряет количество тепла, проходящего через детектор, путем его теплового воздействия на матрицу термопар. Этот тип детектора работает следующим образом: когда лазерный луч падает на центральную область диска датчика, то тепло распространяется радиально к охлажденной периферии, как показано на рисунке 1. Поскольку общее количество тепла, проходящего через кольцо термопар, не зависит от размера или положения луча, то до тех пор, пока лазерный луч находится в области термопар, показания будут полностью независимы от размера и положения луча.

Измеритель тепловой мощности измеряет не абсолютную температуру датчика, а перепад температуры по всему датчику. Поэтому показания прибора совершенно не зависят от температуры окружающей среды. Если температура охлажденной периферии повышается, то соответственно повышается и температура внутренней части датчика, и падение температуры — следовательно, показания — остаются тем же самыми.

Тепловой способ измерения лазерного излучения практически не зависит от длины волны, достаточно надежен, поэтому является основой измерения мощности и энергии лазера. Однако он не может измерять повторяющиеся импульсы или очень низкие мощности и энергии.

Второй тип измерительного устройства-фотодиодный детектор, преобразующий свет, падающий на фотодиод, в электрический ток. Эти детекторы фотодиода основаны на полупроводниковом p-n-переходе. Когда фотоны света с энергией, превышающей характеристическую энергию запрещенной зоны фотодиода, попадают в детектор, они создают электронно-дырочную пару, которая образует пропорциональный ток. Спектральная чувствительность такого детектора показана на рисунке 2.

Рис. 2. Спектральная чувствительность

Поскольку на каждый фотон образуется только один электрон, то чем короче длина волны, тем менее эффективен детектор (высокоэнергетичный фотон с короткой длиной волны образует столько же тока, сколько низкоэнергетичный фотон с большей длиной волны). На рисунке 2 видно, что с увеличением длинны волны эффективность резко падает.

Фотодиодные детекторы достаточно чувствительны, имеют широкий динамический диапазон и высокую линейность при низких мощностях. Однако они очень сильно зависят от длины волны, как показано на графике, что требует калибровки в полном диапазоне длин волн. Они также насыщаются при низких мощностях, становясь нелинейными. Поэтому этот тип измерителя мощности в основном предназначен для низких мощностей. Без дополнительных фильтров, они линейны до нескольких мВт и с фильтрами они могут измерять до 3 Вт.

Третий тип детектора – пироэлектрический детектор, состоящий из кристалла, который поляризуется при нагревании. Эти детекторы работают следующим образом. Когда импульс света попадает на поглощающую поверхность детектора, он нагревается и поляризует пироэлектрический кристалл, создавая таким образом равный и противоположный заряд на двух поверхностях детектора. Поверхность детектора металлизирована так, что заряд собирается на параллельном конденсаторе независимо от того, где лазерный луч попадает на поверхность. Заряд на конденсаторе, таким образом, пропорционален энергии импульса. После окончания импульса напряжение на конденсаторе считывается, и конденсатор разряжается электронным способом, чтобы быть готовым к следующему импульсу.

Пироэлектрические детекторы особенно могут быть применены для повторяющихся импульсов и могут измерять до тысячи импульсов в секунду. Они также довольно чувствительны, но не особенно долговечны и поэтому для более высоких энергий и мощности, Лазерный луч проходит через диафрагму, которая помещается перед кристаллом датчика, чтобы снизить энергию на пироэлектрическом кристалле.

Четвертый тип – это пондемоторные измерители мощности лазерного излучения. Излучение падает на тонкую приемную металлическую пластину и соответственно давит на нее. Давление измеряется чувствительным преобразователем. Самое широкое применение имеют крутильные весы — является классическим прибором для измерения сверхмалых сил.

Схема устройства приведена на рисунке 4.

Подвес 1, в нем находится коромысло 2 с приемником 3, противовес 4, зеркало 5 располагается в вакуумированной камере. Когда излучение попадает на приемное крыло, подвижная система отклоняется на некий угол, а именно величину, по которой уже можно судить о значении оптической мощности. Крюк 6 необходим для того, чтобы прикрепить груз при калибровке. С помощью такого метода есть возможность измерить мощность лазерного излучения, начиная с единицы миливатт, а энергию импульсов в десятые доли джоуля.

Лазеры и лазерные системы стали более точными, а системные требования к точной мощности или энергии стали более требовательными. Если раньше допустимой было измерение мощности ± 10 %, то сегодня во многих случаях широко требуется управлять лазерным устройством с абсолютной точностью ± 5 % и стабильностью ±1 % или выше. Сегодня существуют приложения, которые должны измерять стабильность пульса с точностью до 0,2 %.

Точность измерения мощности или энергии в настоящее время обычно оценивается как ±3 %, а в некоторых случаях и выше. Стабильность некоторых счетчиков энергии лучше, чем 0,2 %.

В заключение приведем плюсы и минусы рассмотренных методов.

К основным плюсам теплового метода относят весьма широкий спектральный диапазон измерения, надежность измерительных средств. В тепловых измерителях достигли самую высокую точность измерения мощности. К минусам относят очень малое быстродействие, чувствительность.

В приборах, которые основаны на фотоэлектрическом действии, достигаются максимальное быстродействие, чувствительность. Это позволяет использовать их вплоть до наносекундного диапазона. К недостатками этих приборов относится узкий спектральный диапазон, невысокий верхний предел измерения мощности и большая погрешность измерений, которая достигает 4–29 % по сравнению с тепловыми приборами.

К положительной стороне пондеромоторного метода относят высокий верхний предел измерения мощности излучения. Главный минус — весьма жесткие требования к условиям эксплуатации в особенности к вибрации

Источник

9.4. Измерение мощности лазерного излучения

9.4. Измерение мощности лазерного излучения

Мощность и энергия излучения лазеров — это различные, хотя и тесно связанные друг с другом величины. Мощность и энергию лазерного излучения обычно называют энергетическими параметрами.Лазерное излучение принято характеризовать следующими параметрами:

• мощностью излучения Р при работе лазера в непрерывном режиме;

• энергией излучения одиночных импульсов

W=p(t)dt, (9.9)

где τи — длительность импульса излучения;

• средней мощностью в импульсе

• средней мощностью импульсно-модулированного излучения

Рср = p(t)dt (9.11)

Здесь Т— период следования импульсов.

Измерения энергии и мощности лазерного излучения не отличаются достаточно высокой точностью (ошибки измерения около 2,5 % и редко понижаются до 0,5 %).

Для измерения импульсов лазерного излучения с энергией менее 10-3 Дж применяют вакуумный микрокалориметр с поглотителем в виде миниатюрного конуса, изготовленного из медной фольги и имеющего массу около 0,1г. Измеряемое излучение направляют в поглотитель с помощью короткофокусной линзы. Изменение температуры поглотителя регистрируется дифференциальной медно-константановой термопарой. Один из спаев термопары укреплен на вершине конуса, а другой (холодный) присоединен к траверсе, выходящей наружу через ножку колбы. Конус вклеен в слюдяную пластину, закрепленную в специальных держателях. При использовании гальванометра чувствительность прибора составляет 0,8 мДж на деление шкалы.

Измеряют энергию лазера и жидкостными калориметрами, подобным рассмотренным в разд. 9.2. Основной недостаток калориметров с датчиками температуры — большое время установления теплового равновесия (единицы минут). За это время часть тепла теряется на излучение и конвекцию, что является причиной дополнительных погрешностей измерения уровня поглощаемой энергии. Этого недостатка лишены жидкостные калориметры для измерения больших энергий излучения, работающие подобно термометрам. Примером такого калориметра может служить специальный сосуд, наполненный раствором нитрата меди в ацетонитриле. Концентрацию нитрата меди подбирают так, чтобы коэффициент пропускания ячейки длиной 75 мм составлял 10-4 для падающей энергии излучения на длине волны рубинового лазера. Сосуд связан с тонким капилляром диаметром 0,1 мм, в который мо-жет выходить жидкость при расширении. Обычно уровень жидкости уста-навливается так, что ее подъему на 25 мм соответствует увеличение изме-ряемой энергии на 2,5 Дж.

Фотоэлектрические измерители лазерного излучения

Измерители больших импульсных мощностей лазерного излучения

Большие импульсные мощности часто измеряют с помощью различных эффектов в кристаллах, прозрачных для лазерного излучения.

Сегнетоэлектрический измеритель мощности. При падении излучения на сегнетоэлектрик (пироэлектрик) на кристалле или на последовательно соединенном с ним резисторе удается получить пироэлектрическое напряже­ние, которое можно измерить.

В качестве сегнетоэлектриков применяют титанат бария, титанат свинца, моногидрат сульфата лития и др. Для измерения силы пиротока на противо­положные стороны кристалла напыляют серебряные или золотые электроды (рис. 9.9, а).

Приемник обычно выполняют в виде цилиндрического конденсатора с круглым или прямоугольным входным отверстием. Сфера состоит из двух полусфер, изготовленных из пироактивной керамики титаната бария и соединенных специальным образом. На внешнюю и внутреннюю noверхности полусфер наносят серебряные электроды, к которым присоединяются тонкие проводники. Для измерения высоких интенсивностей излучения внутреннюю поверхность сферы покрывают тугоплавким слоем с большой отражательной способностью— например, слоем платины толщиной 0,1 мм.

Рис. 9.9. Схемы измерителей больших импульсных мощностей:

а — на сегнетоэлектрике б — на обратном электрооптическом эффекте;

1 — измеритель; 2 — электроды, 3 — пластины конденсатора

Измеритель мощности излучения с использованием обратного электрооптического эффекта. Данный эффект состоит в том, что при падении монохроматического излучения на некоторые кристаллы в них возникает поляризация. Если такой кристалл поместить в конденсатор специальной формы (рис. 9.9,6), то измеряемая мощность излучения будет связана с напряжением и на зажимах конденсатора определенным соотношением.

Наиболее эффективно использовать полупроводники при измерении мощности лазеров, работающих в инфракрасном диапазоне (например, лазеров на СО2). Верхний уровень измеряемой мощности определяется оптической прочностью кристалла, которая для пьезокристаллов находится в пределах (0,15…1)1010 Вт/см2, что сравнимо с оптической прочностью оптических стекол лучших марок, используемых в лазерах.

Измеритель мощности с использованием обратного электрооптического эффекта содержит прозрачный для измеряемого излучения кристалл; конденсатор с помещенным в него кристаллом, с пластин которого снимается напряжение, пропорциональное пиковой мощности импульса лазера; электронную схему для измерения наведенной ЭДС (как правило, вольтметра амплитудного значения). Для регистрации длительности лазерного импульса при измерении энергии излучения к измерителю мощности может подключаться осциллограф.

Пондеромоторный ваттметр. Действие пондеромоторного (механического) измерителя основано на использовании светового давления. Давление электромагнитных волн на отражающую поверхность пропорционально значению вектора Умова-Пойнтинга, который определяет плотность потока энергии, проходящей ежесекундно через единичную площадь. Такие при­боры применяют для измерения энергии и мощности излучения лазеров, работающих как в импульсном, так и непрерывном режимах. Верхний пре­дел измеряемых величин мощности или энергии практически не ограни­чен. Пондеромоторные измерители мощности обладают высокой точно­стью измерений, потребляют незначительную мощность, малоинерционны и не боятся перегрузок. Их недостатком является низкая виброустойчи­вость и необходимость тщательного согласования и изготовления деталей по высшему классу точности.

Источник

Как измерить мощность высокомощного лазера?

Рисунок 1. Термический датчик мощности S 322 C и измерительная консоль PM 100 D компании Thorlabs

Принцип работы термического датчика

Датчики тепловой мощности включают в себя термопары и основаны на принципах термоэлектрического эффекте (эффекта Зеебека), согласно которому любой проводник, подверженный тепловому градиенту, генерирует напряжение. Следовательно, если между двумя поверхностями присутствует разность температур, градиент температуры будет генерировать разность напряжений между этими двумя поверхностями. Этот процесс можно рассматривать как инверсию эффекта Пельтье.

В термическом датчике мощность падающего лазерного пучка поглощается верхней поверхностью термопары и преобразуется в тепло. Другая поверхность термопары остается холодной, так как она термически связана с радиатором. Градиент температуры между двумя поверхностями зависит от падающей оптической мощности. Следовательно, генерируемое напряжение между горячей и холодной поверхностями пропорционально падающей мощности.

Преобразование оптической мощности в измеряемое напряжение зависит от способности поверхности датчика поглощать оптическое излучение и преобразовывать его в тепло. Для увеличения поглощения на чувствительную поверхность датчика S 322 C нанесено широкополосное покрытие с эффективностью поглощения, не зависящей от длины волны, и высоким порогом повреждения (то есть оно способностью выдерживать высокие плотности оптической мощности).

Радиальная конфигурация термопар

Датчик мощности S 322 C является радиальным (рис. 2, вид сверху). При такой конструкции поглотитель света размещается в центре. Он окружен концентрическим кольцом термопар, соединенных последовательно, которые в свою очередь окружены концентрическим радиатором. Свет, падающий на поглотитель, генерирует тепло, которое распространяется в радиальном направлении через термопары к радиатору. Радиатор сконструирован таким образом, чтобы находиться в хорошем механическом контакте с внешним кольцом термопары, без теплового контакта с поглотителем света или внутренним кольцом термопары. Область за поглотителем изолирована от теплового контакта с чем-либо, что может отклонить тепловой поток от радиального направления. Преимущество радиальной конструкции датчиков состоит в том, что они могут использоваться для измерений высокомощного лазерного излучения.

Рисунок 2. Схема термодатчика с радиально сконфигурированными термопарами (свет падает на поглощающий слой в центре, тепло проходит через термопары к радиатору)

Основные технические характеристики датчика S 322 C

Рисунок 3. График зависимости поглощения от длины волны

Рисунок 4. Уровень плотности энергии в импульсе и порога повреждения

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ

Источник

Измеритель мощности лазера

Захотелось мне купить китайский лазер для выжигания на станочке с ЧПУ. Предложений много, но много и плохих отзывов. В итоге перед покупкой лазера озадачился вопросом измерения его мощности. Повторил вот эту конструкцию с небольшими изменениями. При калибровке измерителя возникли некоторые вопросы, решением которых я и хочу поделиться.

Работает такой измеритель просто. Лазером светят на зачерненную сторону термоэлемента, что вызывает ее нагрев. Соответственно на термоэлементе появляется напряжение, пропорциональное мощности лазера. Резисторы, наклеенные на термоэлемент служат для калибровки. Выделяемую на них мощность легко вычислить, зная подаваемое напряжение. В статье, ссылка на которую приведена выше, описано подробнее.

Немного о сборке измерителя. В качестве термоэлемента использован TEC1-12706.

Размеры термоэлемента 40 x 40 мм. Надпись, как я понимаю, означает следующее: TEC — Termo Electric Cooler, количество термопар — 127, рабочий ток — 6А. Это самый распространенный термоэлемент на Aliexpress, соответственно и один из самых дешевых. К одной стороне термоэлемента на клей Алсил-5 приклеил радиатор 40x40x11mm. Спаял цепочку из 6 резисторов типоразмера 2512, сопротивлением 3.6 Ом и приклеил ее к другой стороне термоэлемента. В итоге получилась вот такая конструкция.

К какой стороне что клеить по моему все равно. Но я выбирал так, чтобы при нагреве стороны с резисторами на красном проводе термоэлемента появлялся плюс. В результате радиатор оказался приклеен к стороне с надписью. Резисторы я сначала спаял в цепочку и припаял к ним провода, а потом приклеил. Если паять уже приклеенные резисторы — не уверен, что клей не отвалится.

Далее занялся калибровкой измерителя. Подал на резисторы напряжение 5.61 Вольта с лабораторного источника питания и стал мерить напряжение на термоэлементе. Получилась вот такая зависимость от времени.

Синие точки — реальные данные. Красная кривая — аппроксимация этих данных кривой y = 0.07499 + 0.02387*exp(-0.001957*x) — 0.0994*exp(-0.1135*x). Видно, что наибольшая постоянная времени — 511 секунд. А значит для полного завершения переходного процесса неплохо бы подождать в три раза больше — 25 минут. Это очень долго. Можно подождать до достижения максимума — 48 секунд. Тоже не быстро, но более или менее приемлемо.

20 минут. В качестве упрощенного варианта можно измерять разницу между напряжением в максимуме и напряжением до включения лазера. Но тут появляется систематическая погрешность.

Калибровка происходил так. Установил измеритель в удобное положение. Подождал, пока модуль напряжения на термоэлементе упадет ниже 0.5 мВ. Записал начальное значение. Подключил к резисторам источник напряжения. Подождал по секундомеру приблизительно 48 сек. Измерил напряжение на термоэлементе. Выключил источник напряжения. Подождал пока остынет конструкция. Повторил для другого напряжения. Получились вот такие результаты:

Первый столбец — подаваемое напряжение на резисторы. Второй — вычисленная мощность, выделяемая на резисторах. Третий — напряжение на термоэлементе в максимуме минус напряжение до подачи тепла (оно было отрицательное всегда, поэтому стоит плюс). Четвертый — коэффициент передачи измерителя. В целом до 5 Вт зависимость можно считать линейной с коэффициентом 15.3.

Далее нужно зачернить мишень. Вообще-то лучше было бы откалибровать уже зачерненный измеритель. Но повторять измерения не хотелось. Я просто закоптил мишень на свечке. Коптится поверхность только если пламя ее касается. Чтобы уменьшить риск перегрева я закоротил выход термоэлемента. Теплопередача на радиатор при этом улучшается. Но все равно есть риск испортить термоэлемент. В документации написано, что максимальная температура горячей стороны термоэлемента не должна превышать 100 градусов Цельсия. Вот фото измерителя после чернения.

Далее — попытка измерения мощности китайского красного лазерного фонарика с заявленной мощностью 200 мВт. Разместил лазер и измеритель на расстоянии

Кстати. После чернения, при размещении ладони на расстоянии 10 см на измерителе появляется напряжение чуть больше 1 мВ. То есть он чувствует тепловое излучение ладони. Ну и, естественно, на него влияют сквозняки.

Меня этот измеритель вполне устроил и переделывать его я не буду. Но, может быть, кому-нибудь пригодятся мои мысли по его улучшению: Для ускорения теплового переходного процесса при включении источника тепла лучше применить термоэлемент поменьше. Радиатор лучше использовать побольше — меньше будет снижение напряжения после прохождения максимума. А вообще, лучше использовать радиатор в виде стакана, внутри которого разместить термоэлемент. Это должно снизить чувствительность (что плохо) но зато снизит и влияние сквозняков и нагретых предметов, стоящих в стороне. И, я думаю, сделает практически незаметным падение напряжения после прохождения максимума.

Источник

Высокоскоростное измерение лазерного излучения высокой мощности

Б. Ньюманн, С. Райт Artifex Engineering, Германия

* Статья опубликована в журнале Фотоника № 1 / 69 / 2018

ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ ОПРЕДЕЛЯЮТ ДАТЧИКИ

Измерение оптической мощности лазерного излучения основано на использовании датчиков, преобразующих оптическую мощность в измеряемое напряжение или силу тока. Физические принципы, заложенные в основу работы датчика, определяют функциональность всего измерительного устройства. Для измерения мощности лазерного излучения используют два типа стандартных датчиков:

СЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ ТЕРМОПАРЫ

Термоэлемент представляет собой датчик, состоящий из массива термопар. Отдельные термопары соединены термически параллельно, но в электрической цепи они представляют собой последовательное соединение. Такое соединение имеет важное практическое значение для повышения чувствительности измерительного устройства, так как чувствительность (V/°C) одной термопары крайне низкая.

Рис.1. Детекторы лазерной мощности: a) – термопары; b) – термоэлементы

СЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ ФОТОДИОДОВ

Фотодиод представляет собой полупроводниковое устройство, конструкция которого подразумевает наличие двух электродов (анода и катода), между которыми возникает градиент электрического потенциала. Каждый электрод через тонкие провода соединен с двумя выходными контактами. Поскольку эта конструкция чувствительна к механическим воздействиям, то устройство заключено в металлический корпус с защитным прозрачным окном, через которое может проникать излучение.

Рис. 2. Принцип работы фотодиода [2] Рис. 3. Схема фотодиода [3]

Рассмотрим функциональные свойства фотодиода, связанные c особенностями его конструкции:

Фотодиод обладает высокой чувствительностью к возбуждающему излучению, поскольку происходит прямое преобразование падающих фотонов в электроны. Обычно квантовая эффективность фотодиодов может быть близкой к 100%. Это позволяет измерять низкую мощность светового потока вплоть до фемтосекундного диапазона. Сверху диапазон измеряемых величин мощности ограничен несколькими милливаттами, выше которых фотодиод переходит в режим насыщения, и генерируемый ток уже перестает расти пропорционально энергетическому световому потоку.

Приемная чувствительная площадка сенсора выполнена из полупроводникового материала. Кремний – материал, который чаще всего используется для регистрации излучения видимого диапазона, так как он имеет низкую себестоимость. Однако Ge и InGaAs, столь необходимые для создания фотодиодов для ближней ИК-области, в противоположность Si являются дорогостоящими. Также датчики сильно ограничены по своим размерам.

Так как приемная поверхность датчика плоская, то устройство представляет собой в некоторой степени зеркало. Полупроводниковые материалы имеют высокий показатель преломления, что приводит к частичному отражению входящего светового потока. Это вносит затруднения в точность измерений.

Защитное окно действует как фильтр: в зависимости от угла и положения падающего луча относительно чувствительной площадки фотодиод может проявлять разную интегральную чувствительность [3].
Может показаться, что фотодиод не подходит для измерений высокомощных лазерных источников, так как площадь сечения высокомощного лазерного пучка превышает чувствительную площадку детектора, и диапазон измерений детектора ограничен значением величины мощности в несколько милливатт. Поэтому многие пользователи идут на компромисс и просто используют термоэлектрические датчики.
Но как поступить, если для работы одновременно требуются высокое разрешение, широкий динамический диапазон и высокая скоростью вывода данных?

Интегрирующая сфера – это измерительное средство, лишенное недостатков фотодиодов и термоэлементов, о которых сказано выше. Это пассивное метрологическое средство измерений, содержащее полый шар с отверстиями («порты»), которые позволяют лазерному излучению проникать внутрь него и легко его покидать.

Рис. 4. Принцип работы интегрирующей сферы

Внутренняя поверхность шара имеет покрытие, обладающее высоким коэффициентом отражения в измеряемом диапазоне длин волн. Внутри сферы происходит равномерное распределение падающего лазерного излучения по всей поверхности сферы с помощью многочисленных сильно рассеивающих отражателей.

Полые сферы, изготовленные из специального полимера, подходят для измерений в диапазоне длин волн от 250 нм до 2,5 мкм. Алюминиевые сферы, покрытые сульфатом бария (BaSO4), несколько дешевле аналогов, но со временем покрытие приобретает желтую окраску, и следовательно, сферы становятся непригодными для высокоточных измерений мощности лазера. Для измерения мощности излучения в диапазоне длин волн 700 нм – 20 мкм используют сферы с шероховатой металлической поверхностью, покрытой золотом. В этот спектральный диапазон попадает излучение, генерируемое многими типами лазе-ров высокой мощности. Поэтому твердая медь или алюминий подходят в качестве хорошего материала теплопроводящей подложки интегрирующих сфер.

Рис.5. Комбинация сферы с фотодиодом и оптоволоконным портом

В боковую стенку интегрирующей сферы встроен фотодиод. Он регистрирует только часть лазерной мощности, попадающей в сферу. При этом характеристики падающего на датчик света отличаются от характеристик того излучения, которое падает на сферу:

Плотность мощности излучения получается полностью однородной.

Излучение не поляризовано, даже если входное излучение поляризовано.

Входная мощность сильно ослабляется.

Мы видим, что комбинация интегрирующей сферы и фотодиода позволяет спроектировать лазерный датчик мощности, обладающий преимуществами и фотодиода, и интегрирующей сферы. Подобный датчик может реагировать так же быстро, как фотодиод, и проводить измерения в широком диапазоне значений мощности, как интегрирующая сфера. Меняя размер интегрирующей сферы, можно изменять общую чувствительность системы. Кроме того, чувствительность детектора теперь не зависит от неоднородности плотности мощности и от поляризации излучения, генерируемого лазером. Детектор также не зависит от взаимного расположения падающего луча и поверхности приемной чувствительной площадки детектора, а также от угла падения на нее лазерного излучения.

Интегрирующую сферу можно использовать для измерений пучков с сечениями относительно больших диаметров, поскольку размер приемной площадки фотодиода в этом случае не будет проявлять себя как ограничивающий фактор. Плотность мощности излучения, попадающего на внутреннюю стенку сферы, также значительно меньше той, что попадает на поглощающий термоэлемент. Причина в том, что общая площадь внутренней поверхности сферы, по меньшей мере, в 20 раз больше площади входной апертуры. Таким образом, материал стенки может выдерживать более высокую плотность мощности, и со временем это качество существенно не изменяется.
В боковой части сферы дополнительно могут быть расположены иные измерительные порты, что дает преимущества иного рода. Например, волоконно-оптический порт может использоваться для одновременного измерения спектрального состава излучения лазера.

ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

В качестве примера использования интегрирующей сферы для измерений рассмотрим практику измерений флуктуаций мощности дискового лазера мощностью 5 кВт. Данный твердотельный лазер используется для обработки материалов. Измерительное устройство представляет собой интегрирующую сферу – медный шар диаметром 200 мм с золотым покрытием и с водяным охлаждением. Поскольку при таких высоких уровнях мощности происходит нагрев интегрирующей сферы, фотодиод требуется установить вне сферы – изменение температуры самого фотодиода может привести к снижению точности измерений мощности. Сфера была оснащена оптоволоконным портом SMA типа, который подключается к соответствующему порту измерителя мощности. Полная система (сфера-волокно-фотодиод) была предварительно откалибрована как единая измерительная установка измерения мощности. Счетчик мощности питается от USB и контролируется. Этим ограничивается число кабелей, используемых в измерениях (один USB-кабель и две линии подачи воды).

Рис.6-7. Установка интегрирующей сферы и измерителя мощности внутри кабины обработки
Рис. 8. Рабочая измерительная установка (вид через смотровое окно).
Обратите внимание на пирографическую камеру, показывающую температуру поверхности сферы (42 °C)

При использовании измерительной установки было обнаружено, что мощность лазера обладает высокой стабильностью, вплоть до величин 2500Вт. Однако когда мощность излучения возрастает до 5000Вт, наблюдалась долговременная флуктуация около 1,5%.

Рис.9. Результаты измерений мощности при Р = 2,5 кВт и Р = 5 кВт

Кроме того, в выходной мощности присутствуют колебания амплитуды, они составляют около 0,7%. Обращаем внимание, что эти более быстрые флуктуации зависят от временного масштаба, который не может быть измерен с помощью термоэлемента.

Рис.10. Расширенное представление результатов (см. рис. 9) измерения мощности при 5 кВт

ВЫВОДЫ
Интегрирующая сфера в сочетании с фотодиодом представляет собой практически идеальный датчик для измерения лазерной мощности. При работе с высокомощными лазерами эта комбинация позволяет обнаружить колебания рабочих параметров, которые для термоэлектриче-ского детектора незаметны вследствие слишком длительного временного отклика. С помощью подобной системы можно обнаружить колебания во время работы непрерывных лазерных источни-ков, переходные процессы и флуктуации мощности при запуске лазера, а также кратковременные падения мощности во время работы.
Кроме того, поскольку измерение практически не зависит от величины расходимости пучка, интегрирующие сферы могут использоваться для таких лазерных измерений, как пропускание и отражение на преломляющих и рассеивающих объектах. Например, интегрирующую сферу можно использовать для измерения передачи лазерно-свариваемых пластиковых материалов для определения оптимальных рабочих параметров сварочного лазера.

Источник