Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Разработка высокоточных измерительных преобразователей мощности лазерного излучения на основе теплового трап-детектора и калиброванного оптического ослабителя

Диссертация: Разработка высокоточных измерительных преобразователей мощности лазерного излучения на основе теплового трап-детектора и калиброванного оптического ослабителя
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Таким образом, в настоящей работе решена актуальная научно-техническая 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… Читать ещё >

Разработка высокоточных измерительных преобразователей мощности лазерного излучения на основе теплового трап-детектора и калиброванного оптического ослабителя (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • Цель и основные задачи диссертации
  • Научная новизна работы
  • Практическая ценность и использование результатов работы
  • Вклад автора
  • Апробация работы, публикации
  • Положения, выносимые на защиту
  • Глава 1. Аналитический обзор методов и средств ослабления потока излучения
    • 1. 1. Общие сведения. ц
    • 1. 2. Дифракционная эффективность «глубоких» дифракционных решеток с различными профилями штриха
    • 1. 3. Метрологические характеристики делителей на основе глубоких дифракционных решеток
    • 1. 4. Прецизионный ослабитель интенсивности лазерного излучения на основе «мелкой» дифракционной решетки
    • 1. 5. Выводы к главе 1 и постановка основной задачи
  • Глава 2. Теоретическое исследование путей создания калиброванного прецизионного френелевского ослабителя мощности непрерывного лазерного излучения
    • 2. 1. Постановка задачи
    • 2. 2. Основные требования
    • 2. 3. Отражение лазерного пучка от плоской поверхности
    • 2. 4. Расчет погрешностей коэффициента ослабления мощности лазерного излучения френелевским делителем пучка
    • 2. 5. Френелевский ослабитель на основе призмы Дове
      • 2. 5. 1. Математическая модель
    • 2. 6. Неопределенность измерения коэффициента ослабления Коа
    • 2. 7. Конструкция ослабителя
    • 2. 8. Экспериментальное определение значения неопределенности френелевского ослабителя на основе призм Дове
    • 2. 9. Выводы к главе 2
  • Глава 3. Теоретическое исследование возможности и пути создания прецизионного измерительного преобразователя мощности непрерывного лазерного излучения на основе теплового трап-детектора
    • 3. 1. Постановка задачи
    • 3. 2. Теоретическое исследование измерительной задачи
      • 3. 2. 1. Математическая модель трехслойного теплового приемника
      • 3. 2. 2. Математическая модель двухслойного теплового приемника
    • 3. 3. Результаты расчетов и
  • выводы
    • 3. 4. Трап-детектор на основе плоских тепловых приемников
    • 3. 5. Комбинированный трап-детектор
    • 3. 6. Выводы к главе 3
  • Глава 4. Теоретические и экспериментальные исследования измерительных преобразователей
    • 4. 1. Теоретические и экспериментальные исследования измерительного преобразователя на основе теплового трап- детектора
      • 4. 1. 1. Неопределенность воспроизведения и передачи размера единицы средней мощности лазерного излучения на ГПЭ СМ
      • 4. 1. 2. Неопределенность измерения выходных электрических сигналов теплового трап-детектора и электрической мощности замещения
      • 4. 1. 3. Суммарная стандартная неопределенность теплового трап-детектора
      • 4. 1. 4. Оценка расширенной неопределенности эталона сравнения на основе теплового трап-детектора
    • 4. 2. Теоретические и экспериментальные исследования и оценка расширенной неопределенности измерительного преобразователя на основе комбинированного трап-детектора

    4.3. Результаты передачи единицы средней мощности от Государственного первичного эталона средней мощности лазерного излучения (ГПЭ СМ ФГУП «ВНИИОФИ») рабочему эталоном нулевого разряда средней мощности и энергии («Ростест»).

    4.4 Выводы к главе 4.

Актуальность работы.

В последние несколько десятилетий наблюдается устойчивая тенденция роста 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 возрастает, 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 ватти 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 ватти джоульметров.

В промышленности ватти 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 ватти 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 области 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 ватти джоульметров составляла (10-Н5)% 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 ватти джоульметров, обеспечивавших повышение точности измерений рассматриваемых энергетических величин. Расширяются диапазоны их измерений, охватывая УФ и ИК спектральные диапазоны, увеличиваются входные апертуры приборов и, главное, существенно возросли требования к точности средств измерений (СИ). Назрела необходимость для многих современных применений, чтобы создаваемые с использованием современной элементной базы лазерные ваттметры и джоульметры как в нашей 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%. Создание столь высокоточных измерительных преобразователей является серьезной научной проблемой для мировой и отечественной лазерной метрологии и является актуальной задачей.

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″ 3−1,0) Вт и спектральном (0,4-Н2,0)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 характеристикразработка и создание комбинированного измерительного преобразователя на основе теплового и фотоэлектрического трап-детекторов, исследование и определение его технических и метрологических характеристик.

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 трап-детектора, в основу которого положен плоский трехслойный тепловой приемник (патент на изобретение № 2 434 207 от 20 ноября 2011 г.);

3. Рассмотрена 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 № 2 011 128 809 от 13.07.2011 г. о выдаче патента Российской Федерации на изобретение «Френелевский ослабитель лазерного излучения»).

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.

Вклад автора.

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

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на двух международных конференциях:

— Proc. SP1E 7912, 79121W (2011) — dol: 10.1117/12.872 196 Conference Date: Sunday 23 January 2011. Conference Location: San Francisco, California, USA.

— Proceedings SP IE Vol. 7419 infrared Systems and Photoelectronlc Technology IV Date: 27 August 2009.

Публикации.

Всего опубликовано 9 работ, в том числе получен один патент и подана одна заявка на предполагаемое изобретение, все по теме диссертации.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложения.

4.4 Выводы к главе 4.

1. Новый тип теплового приемника, построенного из трех элементарных тепловых приемников по схеме трап-детектора, позволяет проводить сличение эталонных измерительных преобразователей как на основе фотоэлектрического трап-детектора, так и измерительных преобразователей калориметрического типа с суммарной неопределенностью, не превышающей 0,30%.

2.Суммарная неопределенность сличений иРостЕСт/гпэ находится в диапазоне значений (0,3 0,4)%, при этом относительная разность между измерениями не превышает 0,3%.

Заключение

.

В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты:

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 (0,4+1,1) 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 (0,4+11,0) мкм диапазонах с погрешностью ~ 0,28%.

6. Суммарная неопределенность теплового приемника, представляющего из себя слоистую (трехслойную) структуру, определяется его зонной характеристикой и 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 (0,4+1,1)мкм диапазонах с погрешностью <0,2%.

8. Экспериментально показано, что тепловой и комбинированный трап-детекторы, а также калиброванный оптический ослабитель могут использоваться при проведении сличений измерительных преобразователей калориметрического типа с суммарной неопределенностью (0,3-Ю, 4)% и относительной разностью между измерениями, не превышающей -0,4%.

Таким образом, в настоящей работе решена актуальная научно-техническая 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.

Показать весь текст

Список литературы

  1. В.С.Иванов, А. Ф. Котюк. Фотометрия и радиометрия оптического излучения. Книга 1. Введение в фотометрию и радиометрию оптического излучения. — М.: Полиграф сервис, 2002. — 192 с.
  2. Г. П., Феерман Г. П. Сравнительный анализ фотометрическихсистем ослабления света //Оптико-механическая промышленность. -1978. 1, С. 53−59.
  3. Г. Л. Ослабители оптического излучения.- Л.: Машиностроение,
  4. Ленинградское отделение, 1980. 158 с.
  5. С.А., Янкевич Е. Б. Прецизионные ослабители интенсивности лазерного излучения // Метрология.- 2010.- N7.-С. 3−19.
  6. С.А., Янкевич Е. Б. Использование оптических прецизионных френелевских делителей совместно с первичными эталонными измерительными преобразователями интенсивности лазерного излучения// Метрология.-2012.-№ 2.-С 16−31.
  7. О.И., Фабриков В. А. Методы теории систем и преобразований в оптике. Л.: Наука, 1989.- 310 с.
  8. Dlugaszek A., Januckl J., Owslk J., Kotyuk A. F., Llberman A.A. A mathematical model of diffraction from cylindrical gratings// J.Tech. Phys.-1997.- vol. 38.- No 4.-P. 765−773.
  9. Dlugaszek A., Januckl J., Owslk J., Kotyuk A. F., Llberman A.A. Diffraction from a triangular-profile grating // J.Tech. Phys. 1997.- vol. 38.- No 4.- P. 775 782.
  10. М.Ю. Червенко Оптимизация отражательной дифракционной решетки прямоугольного профиля. Тр. НИИР.-1988- № 3- с.40−43.
  11. Chang K.S., Shah V., Tamlr Т. Scattering and guiding of waves by dielectric grating with arbitrary profiles // J. Opt. Soc. Amer. 1980.-Vol.70, — N 7.-P. 804−813.
  12. Wlrgln A. Scattering from sinusoidal gratings: an evaluation of the Klrchhoff approximation // J. Opt. Soc. Amer. 1983.-Vol.73.- N 8, — P. 1028−1041
  13. А.А., Суков А. И. Дифракция на периодической (волнистой) поверхности. // Препринт. -М.: ИРЭ, 1984. № 8 (380).
  14. Kalhor Н.А., Neureuther A.R. Comparison of Approximate-Analysis Techniques for Diffraction // J. Opt. Soc. Am. 1972. — V. 62. — N. 12. — P. 14 441 448.
  15. Janklewlcz Z., Owslk J., Kotyuk A. F., Llberman A. A., Ulanowsky M. V., Application of diffraction gratings as splitters of laser radiation // J.Tech. Phys. 1995.-vol.36, — No 3.- P. 351−357,.
  16. С.А., Либерман A.A., Янкевич E.M. Делитель оптического излучения на дифракционной решетке для рабочего эталона средней мощности лазерного излучения.//Измерительная техника.- 1993.- № 2, С. 38−39.
  17. С.А., Котюк А. Ф., Либерман А. А. Вторичный эталон единиц средней мощности и энергии лазерного излучения// Измерительная техника.-1993.-№ 1.-С. 23−25.
  18. Дьячков А. Л, Кауфман С. А, Колбановская Н. А., Либерман А. А, Фабриков
  19. B.А. Вопросы метрологического обеспечения измерения параметров технологических лазеров.// Сборник научных трудов ВНИИФТРИ.- М.: 1984.1. C. 53−60.
  20. М., Вольф Э. Основы оптики. -М: 1973, Наука.- 855с.
  21. Petit R. Electromagnetic grating theories: limitations and successes //Nouv. Rev. Opt.- 1975,-V.6.-N3.-P. 129−135.
  22. Petit R. Electromagnetic Theory of Grating. Topics an current Physics. Sprlng-Verlag. Berlin, 1980.
  23. Г. Л., Кауфман C.A., Лнберман A.A. Рабочий эталон единицы энергии импульсного лазерного излучения // Измерительная техника. -1998.-№ 8.- С.29−30.
  24. А. А. Ковалев, С. А. Москалюк, Е. Б. Янкевич. Теоретическое исследование метрологических характеристик калиброванного френелевского ослабителя мощности пучка лазерного излучения// Измерительная техника.- 2009.- № 9.- С.9−12.
  25. А.А.Ковалев, А. С. Микрюков, С. А. Москалюк, Е. Б. Янкевич. Калиброванный френелевский ступенчатый ослабитель мощности лазерного излучения Измерительная техника, — 2012.-№ 2. С. 17−21.
  26. Owslk Jan, Kovalev Anatoly A., Moskalyuk Sergey A., Yankevlch Eugene В., Remblellnska Anna. Precision Fresnel attenuator of the beam power of laser radiation
  27. Proc. SP1E7912, 79 121 W (2011) — dol: 10.1117/12.872 196
  28. Conference Date: Sunday 23 January 2011
  29. Conference Location: San Francisco, California, USA
  30. А.А.Ковалев, А. А, Либерман, А. С. Микрюков, С. А. Москалюк, Е. Б. Янкевич. Заявка № 2 011 128 809 от 13.07.2011 г. о выдаче патента Российской Федерации на изобретение «Френелевский ослабитель лазерного излучения»
  31. Л.В., Лифшиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. М.: Физматлит, 2003. — 656 с.
  32. В.А. Отражение света. М.: Наука, 1973.- 352 с.
  33. М.Б., Руденко О. В., Сухоруков А. П. Теория волн.-М.:Наука, 1990.-3 84с.
  34. С.А. Основы оптики. СПб.: СПб ГИТМО (ТУ), 2000.-167 с.
  35. А.И. Аналитическая механика-М: Физматлит, 1961. 824 с.
  36. Ю.А. Оптические резонаторы и лазерные пучки М: Наука, 1990. — 255 с.
  37. Eppeldauer G.P., Lynch D.C. Opto-Mechanlcal and Electronic Design of a Tunnel-Trap SI Radiometer//J.Res.Natl.lnst.Stand.Technol. -2000, — Vol. 105.-P. 813−828.
  38. Д.В. Общий курс физики. Оптика. М.: Физматлит, 1980.- 762 с.
  39. А. А. Ковалев, С. А. Москалюк, Е. Б. Янкевич. Математическая модель высокоточного теплового приемника для эталона сравнения единицы средней мощности лазерного излучения// Измерительная техника. 2009. — N 10. — С. 712
  40. А.А.Ковалев, А. А, Либерман, С. А. Москалюк, Е. Б. Янкевич. Патент на изобретение «Тепловой трап-детектор» N2434207 от 20.11.2011 г.
  41. R.Frledrlch, J. Fisher, М.Stock. Accurate calibration of filter radiometers against a cryogenic radiometer using a trap detector.// Metrologia.- 1995/1996.- V 32.- P. 509−513
  42. S.P.Morozova, V.A.Konovodchenko, V.l.Saprltsky, B.E.LI slansky, P.A.Morozov, U.A.Melenevsky, A.G.Petlc. An absolute cryogenic radiometer for laser calibration and characterization of photodetectors.// Metrologla.-1995/1996,-V 32.-P. 557−560.
  43. H.C., Глинер Э. Б., Смирнов M.M. Уравнения в частных производных математической физики.- М.: Высшая школа, 1970.-712с.
  44. М.А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. М.: «Энергия», 1977.-344C.
  45. В. и др. Конвективный тепло и массоперенос. — М.: «Энергия», 1980.-49с.
  46. А.А. Ковалев, А. А. Либерман, С. А. Москалюк Математическое моделирование нестабильности излучения и возможный способ ее учета при воспроизведении единицы мощности лазерного излучения и передаче ее размера//Измерительная техника.-2004.- № 7.-С. 17−19.
  47. Таблицы физических величин. (Справочник под редакцией академика И.К.Кикоина) -М.: «Атомиздат», 1976.- 1006 с.
  48. Motorized Goniometrs 8 MG99 Standa Техническое описание
  49. ЕА-2/03, ЕА lnterlaboratory Comparison, Appendix Н (1996).
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!