устройство для измерения мощности лазерного излучения

Формула изобретения

1. Устройство для измерения мощности оптического излучения на выходе из волоконно-оптического зонда, включающее рассеиватель, выполненный с возможностью рассеивания излучения по всему собственному объему, по меньшей мере, один фотоприемник, расположенный на поверхности рассеивателя таким образом, чтобы уровни приходящего на него оптического излучения при использовании различных типов наконечников с заранее известными пространственными распределениями были наиболее близки друг к другу при равной оптической мощности, вводимой в волоконно-оптический зонд, блок измерения, включающий средство регистрации сигнала, связанное с фотоприемником, при этом в рассеивателе выполнена несквозная полость для размещения наконечника волоконно-оптического зонда.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рассеиватель выполнен в виде параллелепипеда из материала на основе фторопласта.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно снабжено стеклянной колбой, размещенной в полости рассеивателя.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что стеклянная колба установлена в полости рассеивателя с возможностью замены.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно снабжено средством отображения информации.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что средство отображения информации выполнено в виде индикатора.

7. Устройство по п.5, отличающейся тем, что средство отображения информации выполнено в виде дисплея.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство регистрации сигнала выполнено в виде аналогово-цифрового преобразователя.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок измерения содержит микроконтроллер, связанный с аналогово-цифровым преобразователем, и средство передачи данных, связанное с микроконтроллером.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что средство передачи данных выполнено в виде USB интерфейса.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фотоприемник соединен с аналого-цифровым преобразователем посредством экранированного кабеля.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фотоприемник выполнен на основе фотодиодов.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фотоприемник выполнен на основе термопары, неселективной к спектральному составу излучения.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения мощности оптического излучения, и может быть использовано, в частности, для измерения оптической мощности медицинских лазерных установок с волоконно-оптическим выходом.

Уровень техники

Проведение точных измерений выходной оптической мощности

терапевтических лазерных установок с волоконно-оптическим выходом является актуальной задачей при диагностике и терапии с использованием методов фотодинамической терапии (ФДТ), особенно при терапии внутриполостных органов.

Известны измерители оптической мощности, содержащие тепловые фотоприемники излучения, действие которых основано на увеличении температуры при поглощении излучения [см: страница с описанием продукции компании Thorlabs http://www.thorlabs.com/NewGroupPage9.cfm?ObjectGroup_ID=1694].

Недостатками данных устройств являются низкое быстродействие, необходимость стабилизировать температуру и отводить тепло от корпуса фотоприемника, а также при длительном сеансе измерения производить периодическую компенсацию нагрева чувствительного элемента измерительной головки.

Известны измерители оптической мощности, в которых измерение мощности оптического излучения производится с помощью фотодиодов [см. http://www.ophiropt.com/laser-measurement-instruments/laser-power-energy-meters/products/smart-sensors/photodiode-sensors].

Недостатками фотодиодных измерителей мощности являются высокая селективность к спектральному составу излучения и низкое значение предельной оптической мощности, превышение которого ведет к необратимому повреждению фотодиода. При необходимости компенсации этих недостатков используют специальные оптические фильтры.

Наиболее близким к предложенному устройству является интегрирующая сфера, имеющая вместо одного фотоприемника распределенную сеть фотоприемников (вводов в оптические волокна) для дополнительного усреднения освещенности, создаваемой измеряемым излучением внутри сферы, которая по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату может быть принята в качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения [М.Szylowski, M.Mossman, D.Barclay, and L.Whitehead. Novel fiber-based integrating sphere for luminous flux measurements. Rev. Sci. Instrum. 77, 063102 (2006)].

Устройство включает традиционную интегрирующую сферу, в которой отсутствует система экранов и заслонов, препятствующая попаданию на фотоприемник прямого или первично отраженного излучения, но содержащая распределенную, находящуюся в определенных точках поверхности систему фотоприемников, сигналы которых образуют среднеарифметическое значение, соответствующее измеряемой оптической мощности.

Недостатком данного устройства является сложность конструкции, трудоемкость изготовления и большие габариты.

Сведения, подтверждающие реализацию изобретения

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании устройства для измерения мощности оптического излучения с различными, но заранее известными пространственными распределениями на выходе волоконно-оптических зондов или иных средств доставки оптического излучения.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей устройства за счет измерения мощности оптического излучения на выходе волоконно-оптических зондов с различными типами наконечников с заранее извесными пространственными распределениями без дополнительной перенастройки устройства и упрощении конструкции устройства.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что устройство для измерения мощности оптического излучения на выходе из волоконно-оптического зонда включает рассеиватель, выполненный с возможностью рассеивания излучения по всему собственному объему, по меньшей мере, один фотоприемник, расположенный на поверхности рассеивателя таким образом, чтобы уровни приходящего на него излучения при использовании различных типов наконечников, с заранее извесными пространственными распределениями, были наиболее близки друг к другу при равной оптической мощности, вводимой в волоконно-оптический зонд, блок измерения, включающий средство регистрации сигнала, вход которого связан с выходом фотоприемника, при этом в рассеивателе выполнена несквозная полость для размещения наконечника волоконно-оптического зонда.

Выполнение рассеивателя с возможностью распределения излучения, выходящего из волоконно-оптического зонда по всему собственному объему, обеспечивает возможность измерения излучения любых типов наконечников оптических волокон.

Расположение фотоприемника на поверхности рассеивателя в точке, где достигается схожесть уровня освещенности для всех конфигураций наконечников волоконно-оптических зондов, обеспечивает попадание на фотоприемник лишь небольшой части излучения, выходящего из наконечника зонда, что дает возможность применять фотодиоды в качестве фотоприемников без дополнительных оптических фильтров, т.е. рассеиватель также выполняет функции ослабителя излучения, и в то же время позволяет измерять мощность излучения на выходе любых типов волоконно-оптических наконечников без дополнительной перенастройки устройства.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения рассеиватель выполнен в виде параллелепипеда из материала на основе фторопласта.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство дополнительно снабжено стеклянной колбой, размещенной в полости рассеивателя.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения колба установлена с возможностью замены.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения устройство дополнительно снабжено средством отображения информации.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения средство отображения информации выполнено в виде индикатора или дисплея.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения средство регистрации сигнала выполнено в виде аналогово-цифрового преобразователя.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения блок измерения содержит микроконтроллер, связанный с аналогово-цифровым преобразователем, и средство передачи данных, связанное с микроконтроллером.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения средство передачи данных выполнено в виде USB интерфейса.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения фотоприемник соединен с аналогово-цифровым преобразователем посредством экранированного кабеля.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения фотоприемник выполнен на основе фотодиодов.

Кроме того, в частном случае реализации изобретения фотоприемник выполнен на основе термопары.

Осуществление изобретения

Устройство для измерения мощности лазерного излучения (чертеж) включает в себя рассеиватель 1, который предпочтительно может быть выполнен в виде параллелепипеда из фторопласта, что обеспечивает рассеивание излучения по всему собственному объему рассеивателя, в рассеивателе 1 выполнена несквозная полость 2 для размещения наконечника 3 волоконно-оптического зонда, на выходе которого измеряют мощность оптического излучения, причем для обеспечения стерильности оптического волокна в процессе измерения в полости 2 может быть установлена сменная стеклянная колба (не показана), в которой размещают наконечник 3 волоконно-оптического зонда, на поверхности рассеивателя 1 установлен, по меньшей мере один фотоприемник 4, который может быть выполнен на основе фотодиодов или на основе термопары, неселективной к спектральному составу излучения, поскольку в зависимости от типа наконечников волоконно-оптических зондов изменяется картина распределения излучения в объеме рассеивателя 1, фотоприемник 4 устанавливают на поверхности рассеивателя таким образом, чтобы уровни приходящего на него излучения при использовании различных типов наконечников, с заранее извесными пространственными распределениями, были наиболее близки друг к другу при равной оптической мощности, вводимой в волоконно-оптический зонд, что позволяет измерять мощность оптического излучения волоконно-оптических зондов с различными типами наконечников без дополнительной перенастройки устройства, блок 5 измерения, содержащий средство 6 регистрации сигнала, которое предпочтительно выполнено в виде аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), вход которого соединен с выходом фотоприемника 4 посредством экранированного кабеля, микроконтроллер 7, соединенный со средством 6 регистрации сигнала, блок 8 передачи данных, выполненный в виде USB интерфейса, соединенный с микроконтроллером 7 и компьютером, содержащим программное обеспечение, позволяющее осуществлять дальнейшую обработку информации. Геометрическая форма рассеивателя 1 может быть любой и выбираться, исходя из соображений выполнения требований по габаритам, массе или обеспечения требуемого распределения излучения внутри рассеивателя, а материал рассеивателя 1 выбирается из соображений обеспечения требуемых индикатрисы рассеяния и коэффициента поглощения в рабочем спектральном диапазоне. Использование нескольких фотоприемников 4, расположенных в разных точках поверхности рассеивателя 1, обеспечивает более высокую точность измерения и анализа диаграммы направленности излучения, выходящего из наконечника 3 волоконно-оптического зонда. Также для отображения результатов измерения устройство может содержать индикатор или дисплей, а для измерения плотности оптического излучения устройство может содержать калиброванное окно с заданной площадью. Для обеспечения точности измерения после сборки предлагаемого устройства производится его калибровка для всех типов наконечников волоконно-оптических зондов, для измерения которых предполагается использовать это устройство.

Устройство работает следующим образом

Наконечник 3 волоконного - оптического зонда, на выходе которого измеряют мощность оптического излучения, устанавливают в полости 2 рассеивателя 1, в которой предварительно может быть установлена стеклянная колба (не показана). Оптическое излучение, исходящее из волоконно-оптического зонда, находящегося внутри рассеивателя 1, выполненного в форме параллелепипеда из фторопласта, рассеивается по всему объему рассеивателя. Фотоприемник 4, расположенный на поверхности рассеивателя 1 в точке, где уровни приходящего на него излучения при использовании различных типов наконечников с заранее известными пространственными распределениями наиболее близки друг к другу при равной оптической мощности, вводимой в волоконно-оптический зонд, регистрирует уровень падающего на него оптического излучения на выходе волоконно-оптических зондов любой конфигурации, например, с торцевым выходом излучения или с цилиндрическим рассеивателем без дополнительной перенастройки устройства. Аналоговый сигнал с выхода фотоприемника 4 подается на вход аналогово-цифрового преобразователя 6, который преобразует его в соответствующий цифровой код. Затем цифровой сигнал поступает в микроконтроллер 7 и обрабатывается в нем. Получившийся результат передается через USB интерфейс 8 на компьютер, где с помощью специального программного обеспечения производится вывод информации на экран монитора и ее дальнейшая обработка. Программное обеспечение позволяет отображать текущие значения мощности, осуществлять временную развертку, изменять интервал считывания данных с устройства, учитывать особенности измерения в зависимости от типа волокна и длины волны излучения, сохранять результаты измерения.

Таким образом, заявляемое техническое решение возможно реализовать с использованием известных средств и методов, что позволяет сделать вывод о соответствии критерия патентоспособности "промышленная применимость".