способ измерения мощности лазерного излучения

Формула изобретения

Способ измерения мощности лазерного излучения, включающий размещение на пути измеряемого излучения датчика в виде металлической пленки, измерение изменения электрического сопротивления датчика, возникшее после изменения его температуры под действием излучения, компенсацию влияния изменения температуры внешней среды на значение измеряемой величины при помощи второго датчика, идентичного первому, и определение мощности излучения по значению изменения электросопротивления, пропорциональному интенсивности потока, отличающийся тем, что датчики выполнены из металла, имеющего обратимое полиморфное превращение в интервале температур измерения, фиксируют изменение электросопротивления датчика, вызванное перестройкой кристаллической решетки металла в ходе превращения при повышении температуры под воздействием излучения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения энергетических параметров лазерного излучения в широком диапазоне длин волн.

Известен способ измерения мощности оптического излучения с помощью пироэлектрических датчиков. Пироэлектрический эффект заключается в спонтанной поляризации кристалла, из которого изготовлен датчик. Поляризация связана с перестройкой кристаллической решетки в ходе полиморфных превращений вещества при изменении внешних термодинамических параметров, в данном случае, температуры. Температура датчика меняется под воздействием потока излучения. В результате поляризации на гранях кристалла образуются электрические заряды, измерение величины которых позволяет оценить мощность источника излучения [Ишанин Г.Г. Источники и приемники излучения. - СПб.: Политехника, 1991, стр.219] (аналог).

Существенным недостатком этого способа является значительная анизотропия пироэлектриков к пироэлектрическим токам, что вынуждает прибегать к дорогостоящим технологиям получения монокристаллов. Другим недостатком является зависимость величины пироэлектрического тока от темпа изменения температуры, что требует специальной калибровки прибора.

Известен способ измерения мощности оптического излучения, заключающийся в регистрации изменения электрического сопротивления датчика под действием падающего на него лучистого потока при изменении его температуры. Датчик выполнен в виде металлической пленки, представляющей собой термосопротивление. Конструктивно измеритель мощности содержит два термосопротивления, одно из которых облучает поток излучения, а второе - компенсационное - для компенсации изменения температуры внешней среды. Затем по значению изменения электросопротивления, пропорциональному интенсивности потока, определяют мощность оптического излучения [Ишанин Г.Г. Источники и приемники излучения. - СПб.: Политехника, 1991, стр.210] (прототип). При этом температура и электросопротивление датчика при облучении связаны между собой соотношением:

R=R₀[1+ _T(Т-Т₀)],

где R₀ - сопротивление проводника при температуре Т₀; _T - температурный коэффициент сопротивления. Таким образом, изменение сопротивления

R=R_{0 T} T.

Основным недостатком данного способа является низкая чувствительность применяемой металлической пленки к изменениям температуры под воздействием падающего на него лучистого потока. Это обусловлено тем, что обычный металл имеет небольшой температурный коэффициент сопротивления _T в широком диапазоне температур, что неоднократно отмечено в литературе.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является существенное повышение чувствительности датчика.

Технический результат достигается тем, что, как и в прототипе, на пути измеряемого излучения помещают датчик в виде металлической пленки, измеряют изменение электрического сопротивления датчика, возникшее после изменения его температуры под действием излучения, компенсируют влияние изменения температуры внешней среды на значение измеряемой величины при помощи второго датчика, идентичного первому, и определяют мощность излучения по значению изменения электросопротивления, пропорциональному интенсивности потока. В отличие от прототипа оба датчика выполнены из металла, имеющего обратимое полиморфное превращение в интервале температур измерения, а изменение электросопротивления датчика вызвано перестройкой кристаллической решетки металла в ходе превращения при повышении температуры под воздействием лучистого потока.

Предлагаемый способ измерения мощности лазерного излучения основан на том, что поглощение потока излучения в датчике приводит к повышению его температуры. Датчик изготовлен из сплава, претерпевающего обратимое полиморфное превращение при изменении температуры в интервале температур измерения. В ходе превращения доля новой фазы изменяется пропорционально изменению температуры. Процесс имеет атермическую кинетику - при прекращении изменения температуры прекращается изменение соотношения долей фаз. Указанное превращение заключается в перестройке кристаллической решетки с понижением (повышением) симметрии кристалла, что приводит к изменению электронно-фононного взаимодействия в системе и, соответственно, к изменению электрического сопротивления датчика в целом.

В технике известны сплавы, в которых подобное изменение электрического сопротивления имеет отрицательный температурный коэффициент, по абсолютному значению в несколько раз больший, чем у обычных металлов. К таким сплавам относятся, например, квазибинарные соединения TiNi-TiCu с атомным содержанием меди от 15 до 28% [Ерофеев В.Я., Паскаль Ю.И. Кинетические и морфологические закономерности мартенситных превращений в сплавах Ti(NiCu). ДАН СССР, 1986, Т. 286, С.879-882, рис.1 (7)]. Фазовые переходы в этих сплавах, которые идут вблизи комнатной температуры, сопровождаются резким изменением электросопротивления, при этом его температурная зависимость близка к линейной.

Приведенные сплавы отличаются высокой технологичностью, позволяющей получать тонкие пленки. Интервал температуры фазового перехода в них может быть легко смещен в ту или иную сторону по температурной шкале путем изменения соотношения концентраций компонент. Такой технологический прием позволяет получить датчики, действующие в широком диапазоне температур. Преимуществами этих сплавов также является отсутствие влияния числа рабочих циклов (измерений) на вид функции электросопротивления от температуры, что обеспечивается нулевым фазовым наклепом у этих сплавов; число рабочих циклов практически неограниченно, что также связано с особенностями фазового наклепа; наконец, следует отметить их высокую стойкость к агрессивным средам и механическую прочность.

На чертеже представлена зависимость электросопротивления от температуры R_усл.ед. =f(t) одного из таких сплавов. Указанная зависимость в области значений температур I имеет характер, свойственный обычным металлам, из которых изготавливают существующие датчики. Зависимость в области II имеет место в материале датчика предлагаемого способа. Сравнение этих зависимостей показывает, что при изменении температуры на одну и ту же величину ( t_I= t_II) изменение электрического сопротивления в области II в несколько раз превышает изменение электрического сопротивления в области I ( R_II/ R_I 7 при t=const).

Способ измерения мощности лазерного излучения сводится к определению разности электросопротивлений двух датчиков в области II (см. чертеж), поэтому он может быть реализован посредством двухканального измерителя сопротивления и микропроцессорного блока (микроконтроллера). Задачей последнего является прием, обработка и контроль результатов измерения и, при необходимости, учет дополнительно введенной информации об измерениях и вывод на исполнительное устройство (дисплей и т.д.) данных о мощности лазерного излучения.

Предлагаемый способ позволяет существенно повысить чувствительность датчика, что способствует созданию приборов с улучшенными параметрами.