способ измерения энергетических характеристик мощного оптического излучения

Формула изобретения

Способ измерения энергетических характеристик мощного оптического излучения, включающий поглощение оптического излучения и регистрацию теплового отклика поглощающего элемента, отличающийся тем, что поглощение оптического излучения осуществляют на материале с Х-областью спектра для изотерм излучательной способности, а регистрацию теплового отклика поглощающего элемента производят на длине волны в Х-области спектра с временной задержкой _зад, определяемой соотношениями:

_зад = _и, _задh²/a,

где _и - длительность импульса излучения;

а - коэффициент температуропроводности материала поглощающего элемента;

h - толщина поглощающего элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к энергетической фотометрии, и может найти применение при разработке, производстве и эксплуатации сверхъярких источников излучения - мощных электрических дуг, лазеров.

В последние 30 лет получили широкое развитие силовые технологические лазеры, используемые в различных отраслях народного хозяйства, и светоиспытательные стенды для генерирования мощного оптического излучения, применяемые при проведении испытаний по воздействию такого излучения на различные материалы. Поэтому остается актуальной задача метрологического обеспечения таких работ, в частности, по измерению мощных световых потоков.

Традиционно задача решается помещением приемника излучения в измеряемый световой пучок после ослабителей излучения или измерением его ответвленной части. Но при больших мощностях светового излучения эти способы становятся ненадежными.

Известен способ измерения световых потоков (В.К. Грунин, А.В. Мезенов, Н. В. Пономарева. Дисковые термоэлектрические приемники для измерения излучения ОКГ. В кн.: Импульсная фотометрия. Л., "Машиностроение", 1975, вып. 4, с.47-50), основанный на воздействии лазерного излучения на приемный элемент, и регистрации теплового отклика воздействия этого излучения на элемент в виде эквивалентного значения термоЭДС. Он может применяться для измерения сравнительно высоких уровней энергии оптического излучения (50 Дж/см²), однако при этом возникают погрешности измерений, обусловленные нелинейной зависимостью термоЭДС от уровня интенсивности измеряемого излучения и распыления облучаемой поверхности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения энергетических характеристик мощного оптического излучения (В.М. Кузьмичев, М. П. Перепечай "Малоинерционный измеритель мощности излучения лазера на СО₂", Квантовая электроника, 1974, т. 1, N11, с. 2407), включающий поглощение оптического излучения и регистрацию теплового отклика поглощающего элемента. Регистрацию теплового отклика осуществляют по изменению электрического сопротивления поглощающего элемента от температуры (болометрический эффект). Поглощающий элемент выполняют в виде двух взаимно перпендикулярно ориентированных проволочных платиновых решеток, все нити которых электрически соединены последовательно и включены в одно из плеч мостовой схемы измерения сопротивления. Использование проволоки диаметром в единицы микрон для увеличения верхнего предела измеряемой плотности мощности ограничивается ее механической прочностью, наблюдается провисание проволок сеток при высоких уровнях интенсивности оптического излучения. Из-за нелинейности болометрического эффекта этот способ не обладает высокой точностью и надежностью измерений высоких энергий оптического излучения. Надежность результатов измерений зависит также от наводок систем электропитания мощных источников излучения на регистрирующее устройство.

Техническим эффектом заявленного изобретения является увеличение точности измерений энергетических характеристик мощного оптического излучения при одновременном повышении надежности измерений.

Такой технический эффект достигнут нами, когда в способе измерения энергетических характеристик мощного оптического излучения, включающем поглощение оптического излучения и регистрацию теплового отклика поглощающего элемента, новым является то, что поглощение оптического излучения осуществляют на материале с Х - областью спектра* для изотерм излучательной способности, а регистрацию теплового отклика поглощающего элемента производят на длине волны в Х-области спектра с временной задержкой, определяемой соотношениями:

_зад = _и, _задh²/a,

где _и - длительность импульса излучения,

а - коэффициент температуропроводности материала поглощающего элемента,

h - толщина поглощающего элемента.

* - Х-область (Х-точка) - область (точка) пересечения изотерм излучательной способности материала, см., например, "Излучательные свойства твердых материалов", Справочник под ред. Шейндлина А.Е., "Энергия", М., 1974 г., с. 235.

В предложенном изобретении осуществили измерение энергетических характеристик мощного оптического излучения в найденной нами спектральной области, где излучательная способность поглощающего материала не зависит от температуры нагрева и происходит фильтрация фонового излучения, а также разнесли во времени регистрацию теплового отклика и воздействие мощных электромагнитных помех, что привело к повышению надежности и точности измерений.

Принципиальная схема устройства, реализующего заявленный способ изобретения, дана на чертеже (пример конкретного исполнения).

На чертеже показаны: поглощающий элемент 1, оптический фильтр 2, регистрирующее устройство 3 (радиометр), формирующая оптика 4,

Р - измеряемое оптическое излучение, h - толщина поглощающего элемента.

Принцип работы изобретения заключается в следующем.

Размещают поглощающий элемент 1 в измеряемом мощном световом пучке Р. Часть этого светового потока поглощается этим элементом и нагревает его. Температура нагрева поглощающего элемента прямо пропорциональна энергии измеряемого потока и может служить мерой измеряемой величины. (Коэффициентом преобразования такого поглощающего элемента может являться отношение максимальной температуры на его тыльной поверхности к поглощенной части излучения. ) Поглощающий элемент по закону Планка испускает излучение, интенсивность которого определяется температурой его нагрева и излучательной способностью материала поглощающего элемента. В качестве материала для поглощающего элемента выбрали материал, обладающий особенным свойством, а именно, Х-областью спектра изотерм излучательной способности, в которой излучательная способность материала не зависит от температуры нагрева материала. Тем самым минимизировали дополнительные погрешности измерений, связанные с зависимостью излучательной способности материала от температуры, так как при различных уровнях интенсивности измеряемого излучения, излучательная способность материала поглощающего элемента в этой области спектра остается постоянной. После поглощающего элемента 1 установлен оптический фильтр 2, выделяющий длину волны в Х-области спектра изотерм иэлучательной способности материала. Выбор фильтра и, соответственно, длины волны, на которой будет производиться регистрация теплового излучения, будет определяться материалом поглощающего элемента. Так для вольфрама и золота эта длина волны будет иметь значение 1,28 и 0,51 мкм, соответственно. Фильтрация помимо решения основной задачи повышает точность и надежность измерений за счет подавления фонового теплового излучения, сопровождающего работу мощных источников оптического излучения.

Выбирая толщину материала поглощающего элемента, с одной стороны, и его теплофизические характеристики, с другой стороны, из найденных соотношений:

_зади; _зад = h²/a,

тем самым создали необходимую временную задержку теплового отклика от воздействия паразитных засветок и электромагнитных помех измеряемого мощного оптического излучения и, что, в свою очередь, повысило надежность результатов измерений. Работа мощных светоиспытательных стендов и технологических лазеров всегда сопровождается мощными электромагнитными помехами, оказывающими негативное влияние на схемы регистрации, тем самым искажая результаты измерений. Регистрирующее устройство 3 измеряет уровень теплового излучения поглощающего элемента пропорционально уровню измеряемого оптического излучения и откалибровано в энергетических единицах (Джоуль/Ватт). В качестве регистрирующего устройства могут быть использованы различные приборы. Для проецирования поверхности поглощающего элемента 1 на входное окно регистрирующего устройства 3 служит формирующая оптика 4.

Пример конкретного выполнения способа.

На нашем предприятии был создан образец устройства для измерения энергетических характеристик мощного оптического излучения, реализующий предлагаемый способ.

В качестве источника мощного светового излучения использовали поток Р (см. чертеж), создаваемый мощной, в 55 кВт, электрической дугой в ксеноновой лампе высокого давления на светоиспытательном стенде, предназначенном для проведения испытаний на воздействие мощных световых потоков на материалы. В этот поток помещалась вольфрамовая полоска (позиция 1) размером 10х2х0,1 мм³. Полоска разогревалась и излучала в ИК-области спектра. В качестве формирующей оптики (позиция 4) использовали сферическое зеркало с фокусным расстоянием 50 мм. Регистрировалось излучение от тыльной поверхности полоски на длине волны 1,28 мкм, определяемой интерференционным фильтром (позиция 2) и находящейся в Х-области спектра вольфрама. Излучение после интерференционного фильтра направлялось на регистрирующее устройство (позиция 3), состоящее из германиевого фотодиода ФД-256, подключенного через предусилитель к вольтметру Щ301. Световое воздействие снималось и полоска (приемный элемент) включалась в сеть постоянного тока от стабилизированного источника питания СПН-40. Подбором тока выбирают такой режим, когда сигналы германиевого приемника уравнивались для обоих случаев (оптического воздействия и электрического замещения). Приравнивая электрическую мощность к световой, определили светоэнергетические параметры мощного электродугового разряда, в частности, создаваемую им освещенность.

Были проделаны 3 серии измерений по 5 отсчетов в каждой, из которых найдены значения освещенностей и определена погрешность измерений. Результаты опытов даны в таблице.

Погрешность определена равной 8,6%.

Предложенный способ измерения энергетических характеристик мощного оптического излучения значительно превосходит известные; он дает возможность расширения области измерений в сторону больших потоков с одновременным повышением надежности и точности. Эти преимущества достигаются путем специфического ослабления измеряемого излучения на приемном поглощающем элементе и регистрации вторичного теплового излучения. Способ измерения успешно осуществим в лабораторных, промышленных и натурных условиях, т.к. не требует дополнительных условий его осуществления, обеспечивает надежное и точное измерение энергетических характеристик мощных электродуговых разрядов, лазерных источников, применяемых в настоящее время в современных технологических процессах и решении специальных задач.