автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Методы и средства измерений пространственно-энергетических характеристик импульсного лазерного излучения

На правах рукописи

Абдрахманов Камиль Шамилевич

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ПРОСТРАНСТВЕННО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

»

05.11.16 — Информационно-измерительные и управляющие системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з ОКТ 2013

Москва, 2013 г.

005533956

Работа выполнена в Федеральном Государственном Унитарном Предприятии «Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений» (ФГУП «ВНИИОФИ»)

Научный руководитель:

доктор технических наук Михаил Владимирович Улановский

Официальные оппоненты:

Садагов Юрий Михайлович

доктор технических наук, ФГУП «ВНИИОФИ» ведущий научный сотрудник

Щипунов Андрей Николаевич доктор технических наук, ФГУП «ВНИИФТРИ» первый заместитель директора- заместитель директора по научной работе

Центр- Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики» ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ»

Ведущая организация:

ФГУП «Российский Федеральный Ядерный

Защита состоится 30 октября 2013 г. в 15 час на заседании диссертационного совета Д308.006.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измерений по адресу: 119361, г. Москва, ул. Озерная, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ВНИИОФИ». Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Вишняков Г.Н.

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

УПЭХ - установка для измерений пространственно-энергетических характеристик импульсного лазерного излучения;

РПЭ - распределение плотности энергии

МП - матричный преобразователь

ИЛИ - импульсное лазерное излучение

КФП - контрольный фотоэлектрический преобразователь пикосекундных импульсов лазерного излучения

ФМУ - фотометрическое устройство

СИ - средство измерений

СИПХ-1 - средство измерений параметров качества пикосекундных импульсов лазерного излучения

НСП - неисключенная систематическая погрешность

СКО - среднее квадратическое отклонение

ПО - программное обеспечение

СИПКП - средство измерений параметров качества пучка

ПЧП - пространственно-чувствительный приемник

ПЭХ - пространственно-энергетические характеристики

І.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность

Совершенствование импульсной лазерной техники, развитие и применение импульсных лазерных систем практически во всех сферах человеческой деятельности стимулировали разработку, наряду со средствами измерений энергии, современных средств измерений параметров качества пучка (СИПКП), обеспечивающих повышение точности измерений пространственно-энергетических характеристик. Так, для повышения точности траекторных лазерных измерений в системе ГЛОНАСС в связи с необходимостью увеличения концентрации энергии в пучке на 2-3 порядка, требуются СИПКП, обеспечивающие измерения угла расходимости в секундном диапазоне с погрешностью, не превышающей 3-5%, что является сложной метрологической задачей.

Измерения параметров качества лазерного излучения основываются на использовании данных о распределении плотности энергии в поперечном сечении пучка, как в ближней, так и в дальней зонах. Распределение плотности энергии Н(х,у) лазерного пучка характеризуется пространственным распределением плотности излучаемой энергии, получаемой экспериментально с применением двумерной матрицы с высоким пространственным разрешением. Распределение плотности энергии является основной интегральной характеристикой поля излучения импульсных лазеров, по которой вычисляются все частные величины, такие как: ширина пучка, угол расходимости, параметр М2 и другие. Необходимо отметить, что основным частным функционалом этого поля, имеющим большое практическое значение как для лазерных систем, так и для калибровки соответствующих СИ является ширина пучка лазерного излучения (ЛИ).

В настоящее время в России единство измерений энергии импульсного лазерного излучения регламентировано разработанной в ФГУП «ВНИИОФИ» государственной поверочной схемой. Данная поверочная схема гарантирует калибровку и поверку средств измерений пространственно-энергетических характеристик в диапазоне углов расходимости 1-10 мрад и ширины пучка 1-50 мм. Для обеспечения требований системы ГЛОНАСС необходимо осуществлять измерения углов расходимости в диапазоне 75-150 мкрад. Для лазеров, работающих в нано-, пико-, а также в фемтосекундном диапазонах длительностей она регламентирует процесс калибровки и поверки средств измерений, существенно отличающихся по энергетическим, пространственно-энергетическим, временным, спектральным и точностным характеристикам.

Как следует из результатов исследований зарубежных и отечественных авторов импульсных лазеров, задача формирования «эталонируемых» импульсов излучения с нормированным распределением плотности энергии, обладающих достаточной воспроизводимостью и энергетическим уровнем на современном этапе развития лазерной техники является исключительно сложной по целому ряду технологических причин, в связи с чем, очевидно, что ни один из существующих типов импульсных лазеров не может с достаточной степенью точности воспроизводить, хранить и передавать единицу распределения плотности энергии. В связи с этим комплекс СИ для воспроизведения единицы распределения плотности энергии импульсного лазерного излучения может базироваться на эталонном первичном измерительном преобразователе калориметрического типа с калиброванной диафрагмой на входе. Для передачи единицы распределения плотности энергии целесообразно применение специально отобранных и исследованных пространственно-чувствительных приемников" ' (ГТЧП), обладающих высоким пространственным разрешением, малыми значениями взаимовлияния элементов (пикселов), высокой стабильностью чувствительности и линейностью. В качестве источников излучения

(компараторов) в системе передачи единицы распределения плотности энергии используются стабилизированные импульсные твердотельные лазеры, имеющие достаточный энергетический уровень и колоколообразный распределение профиля функции распределения.

В целом, следует отметить, что на сегодняшний момент актуальной является задача разработки, исследования и создания методов и средств измерений параметров качества импульсного лазерного излучения.

Цель и основные задачи диссертации

Цель настоящей работы: разработка методов и средств измерений параметров качества импульсных лазерных пучков, исследование СИ параметров качества ЛИ на основе двумерных матриц и их применение для решения указанной задачи.

Цель определила основные научно-технические задачи, решение которых легло в основу настоящей работы:

1. Определение важнейших пространственно-энергетических характеристик импульсного лазерного излучения.

2. Анализ составляющих основной погрешности многоканальных средств измерений пространственно-энергетических характеристик.

3. Разработка методов оценки погрешностей восстановления функции распределения и определения её ширины, как основной информативной ПЭХ ИЛИ, при использовании матричных приемников.

4. Разработка специального фотометрического устройства (ФМУ), обеспечивающего равномерное распределение плотности энергии для исследований неравномерности чувствительности СИ пространственно-энергетических характеристик.

5. Разработка и исследование метрологических характеристик комплекса средств измерений пространственно-энергетических характеристик ИЛИ для Государственного первичного специального эталона ГЭТ187-2010.

6. Разработка методики калибровки матричных средств измерений пространственно-энергетических характеристик ИЛИ.

Научная новизна работы

1. Разработана математическая модель, описывающая принцип работы специального фотометрического формирователя нормированного (равномерного) распределения плотности энергии.

2. Разработана математическая модель для оценки влияния неинформативных каналов на погрешность восстановления функции распределения и определения ее ширины.

3. Разработан метод для оценки взаимовлияния измерительных каналов многоэлементных МП на погрешность восстановления функции распределения и определения ее ширины на основе метода объединения микроэлементов с малыми размерами каждого элемента в макроэлементы.

Практическая ценность и использование результатов работы

Разработанный программно-аппаратный комплекс входит в состав Государственного первичного специального эталона единиц энергии, распределения плотности энергии, длины волны и длительности импульса лазерного излучения ГЭТ187-2010.

Разработанный программно-аппаратный комплекс может быть эффективно использован для измерений параметров качества лазерного излучения (ширина, угол расходимости, координаты центроида и т.д.) и для калибровки средств измерений указанных величин.

Вклад автора

Автор принимал непосредственное участие в разработке математического аппарата обработки измерительных данных, разработал математическую модель ФМУ, создающего нормированное РПЭ, рассчитал метрологические

характеристики программно-аппаратного комплекса, создал программное обеспечение для проведения измерений.

Также автор принимал участие в разработке:

- ГОСТ Р 8.780-2012 "Государственная поверочная схема для средств измерений энергии, распределения плотности энергии, длительности импульса и длины волны лазерного излучения в диапазоне длин волн от 0,3 до 2,0 мкм";

- ГОСТ Р ИСО 11554-2008 «Оптика и фотоника. Лазеры и лазерные установки (системы). Методы измерений мощности, энергии и временных характеристик лазерного пучка»;

- ГОСТ Р ИСО 11146-2009 «Лазеры и лазерные установки (системы). Методы измерений ширины, углов расходимости, и параметров качества пучка».

Апробация работы

Основные материалы диссертации были представлены на 6 научно-технических конференциях, в том числе: 18-я конференция «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», Москва, ВНИИОФИ, 2009; 1-я научная конференция, посвященная 100-летию Б.М.Степанова, Москва, ВНИИОФИ, 2010; 9-я Всероссийская научно-техническая конференция «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации», п. Поведники, 2012; 19-я научно-техническая конференция «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», Москва, ВНИИОФИ, 2013.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 11 научных работ: 5 статей, в том числе 4 статьи в рекомендуемых ВАК журналах, 6 тезисов докладов на научно-технических конференциях.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Общий объем составляет 140 страниц машинописного текста, в том числе 40 рисунков, 20 таблиц, а также 6 страниц списка литературы и 3 страницы приложений.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Погрешность определения ширины функции распределения интенсивности лазерного излучения зависит от количества неинформативных элементов как степенная функция с показателем степени 0,5.

2. Погрешность восстановления функции распределения интенсивности и определения её ширины, обусловленная взаимовлиянием элементов, для матричных преобразователей без функции антиблюминга составляет не более 0,7%.

3. Разработанные фотометрические устройства обеспечивают преобразование произвольной функции распределения интенсивности лазерного излучения на входе в нормированное распределение интенсивности излучения в рабочей апертуре выходного окна (0,4-11) с неравномерностью не хуже 1%.

4. Фотометрическое устройство на основе светопровода, имеющего форму обратного конуса (у=1,3; т-0,39), при заданном уровне неравномерности не хуже 1% обеспечивает значение коэффициента пропускания 0,45%.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ сформулированы актуальность задачи, цель работы и определены основные научно-технические задачи, решаемые в диссертации.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ представлен обзор современных методов и средств измерений параметров качества лазерного излучения. Так согласно рекомендациям ГОСТ Р ИСО 11146-1-2009 для определения поперечного размера (ширины) пучка необходимо измерить распределение плотности мощности (энергии) в его поперечном сечении и вычислить моменты второго порядка полученной функции.

В стандарте ГОСТ Р ИСО 11146-3-2009 рекомендованы следующие альтернативные способы измерений ширин пучка ЛИ: варьируемой диафрагмы, движущегося острого края, движущейся щели.

Следует отметить, что альтернативные способы пригодны только при измерениях стабильных во времени и пространстве пучков, по крайней мере, за время смены диафрагм, либо перемещения острого края или щели. Очевидно, что эти способы можно рекомендовать только для определения пространственно-энергетических параметров и характеристик непрерывных лазеров. Для лазеров же работающих в импульсном режиме, либо генерирующих однократные импульсы, следует руководствоваться методом моментов распределения плотности энергии (мощности), что обуславливает необходимость использования матричного СИ с высоким пространственным разрешением. Системы, основанные на многоэлементных матричных приемниках, позволяют измерять нестабильность указанных выше параметров от импульса к импульсу. Таким образом, необходимы теоретические и экспериментальные исследования матричных приемников, в частности, необходима разработка методов определения погрешности восстановления функции распределения и измерений ширины пучка ЛИ.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассмотрены методы оценки погрешности восстановления функции распределения и определения ее ширины при наличии некоторого числа неинформативных каналов МП, а также погрешности, обусловленной взаимовлиянием соседних элементов.

Исследуемое лазерное излучение, поступая на многоэлементный приемник, претерпевает геометрическую селекцию поперечного сечения в

соответствии с его конструкцией, а затем излучение, поступившее на отдельные элементы матрицы, преобразуется в электрические сигналы, измеряемые соответствующей аппаратурой. При этом необходимо учитывать параметры, влияющие на точность измерений, такие как дискретность структуры, сложные процессы, связанные с переносом зарядов, шумы матрицы, механические воздействия и вибрации, температурный дрейф, взаимовлияние каналов.

Как правило, при выпуске соответствующего типа матрицы, производитель, учитывая сложную технологию изготовления, указывает в её технических характеристиках процент неработающих элементов (пикселей), элементов образующих кластеры и «горячих» точек. Следует отметить, что и в процессе работы, часть приемных элементов матрицы также могут выйти из строя, что следует учитывать при оценке результатов калибровки и измерений. Однако для применения в соответствующих СИПКП, где необходима точная количественная оценка целого ряда параметров, остается открытым вопрос о погрешности измерений ширины функции распределения интенсивности лл, обусловленной отказами элементов. В диссертации была разработана математическая модель, с помощью которой при наличии определенного числа неинформативных элементов было получено выражение (1) для оценки указанной погрешности:

где Ат1Х- погрешность определения первого момента по оси х; Лт1У- погрешность определения первого момента по оси у; Лт2х- погрешность определения второго момента по оси х; Лт2У- погрешность определения второго момента по оси у; Лтху- погрешность определения смешанного момента. Было смоделировано распределение интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка близкое к распределению Гаусса. Результаты моделирования приведены в табл.1.

д

¿»л+Л^+гл,

(1)

Таблица 1.

Число элементов матрицы приемника Погрешность определения ширины функции распределения ЛИ с учетом наличия неинформативных элементов, %:

1 2 3 п 4 5 6 7 8 9 10 20

320x240 0,106 0,101 0,142 0,153 0,175 0,189 0,225 0,197 0,253 0,231 0,310 0,279 0,306 0,291 0,337 0,328 0,335 0,313 0,388 0,376 0,631 0,513

512x256 0,053 0,050 0,076 0,074 0,087 0,100 0,107 0,104 0,123 0,120 0,127 0,138 0,133 0,146 0,148 0,169 0,173 0,161 0,181 0,188 0,359 0,320

512x512 0,025 0,023 0,030 0,037 0,042 0,044 0,049 0,050 0,058 0,056 0,063 0,057 0,066 0,064 0,074 0,071 0,078 0,073 0,098 0,092 0,131 0,136

640x480 0,022 0,023 0,032 0,031 0,036 0,044 0,049 0,041 0,049 0,052 0,055 0,056 0,070 0,065 0,064 0,073 0,072 0,077 0,081 0,090 0,112 0,123

1024x512 0,018 0,017 0,025 0,023 0,035 0,035 0,035 0,037 0,041 0,040 0,042 0,042 0,047 0,051 0,049 0,048 0,052 0,051 0,085 0,085 0,087 0,110

1024x1024 0,012 0,013 0,016 0,016 0,022 0,024 0,024 0,023 0,028 0,027 0,031 0,033 0,040 0,036 0,034 0,041 0,037 0,041 0,046 0,048 0,069 0,086

Разработанная математическая модель позволяет оценить погрешность матричного средства измерений, обусловленную наличием некоторого числа неинформативных приемных элементов при вычислении ширины функции распределения интенсивности излучения с учетом класса функции распределения.

Производители современных МП и систем на их основе часто не включают в технические параметры пункт, который описывает наличие перетекания заряда в соседний элемент. Это явление называется оптической пересветкой (blooming), и если в системах регистрации слабых сигналов в силу невысокой вероятности с ним столкнуться и возможности изменить время накопления он не оказывает существенного влияния, то в камерах для дальнометрии это совершенно недопустимо. Поэтому был разработан метод для оценки взаимовлияния измерительных каналов многоэлементных МП на погрешность восстановления функции распределения и определения ее ширины. На сегодняшний день используется 2 основных метода борьбы с этим явлением - горизонтальный и вертикальный антиблюминг.

При проведении высокоточных измерений необходимо знать степень взаимовлияния соседних каналов, и какой вклад в погрешность

восстановления функции распределения и определения её ширины она вносит.

Наиболее приемлемым методом определения взаимовлияния является подача излучения на ограниченный участок приемного элемента матрицы и оценка количества зарядов, перешедших в соседние ячейки. Однако, малые размеры приемных элементов делают это задачу труднореализуемой. Поэтому был предложен метод объединения элементов в макроэлементы, имеющие большие линейные размеры. Макроэлемент с известными координатами засвечивается для определения взаимовлияния, что значительно упрощает задачу.

Процедура определения взаимовлияния проводится по следующему алгоритму:

-программным методом исходная матрица А(х,у) делится на макроэлементы А(х',у') (размер макроэлемента выбирается исходя из известного диаметра пучка используемого лазера, но таких макроканалов в матрице должно быть не менее 20);

- при отсутствии излучения вычисляется шумовой сигнал Ы(х',у')\

- после чего на матрицу подается излучение, которое вызывает отклик каждого макроканала В(х ',_><

- вычитая шумовой сигнал Щх ',у') создается массив данных С(х ',у');

-в полученном массиве С(х ',у') определяется усредненная интенсивность

сигнала во всех макроэлементах 1ср, за исключением засвеченного С(х, ',у,') и соседних с ним макроэлементов С(хс ',ус'), имеющих интенсивность и 1с;

-степень взаимовлияния можно определить как —-100% .

I маке

Рисунок 1. К методу определения перетекания зарядов.

На основании полученных данных о степени взаимовлияния каналов вычисляется аппаратная функция перетекания зарядов ¿(у). После применения операций свертки можно определить степень влияния перетекания зарядов на искажение реального РПЭ. Фурье-образ аппаратной функции К(со) - это комплексная функция, обычно представляемая в виде: К{а>) = А(©)ехр -¡<р(а>) (2)

Если аппаратная функция g(y) вещественная и симметрична относительно ее максимума, то К(со)=А(со).

Алгоритм восстановления входного сигнала (/„) по выходному (Рм): найти Фурье-образ выходного сигнала > разделить его на К(<в)—»

выполнить обратное преобразование Фурье:

/„(х) = — [ф.,(®)ехр ¡сох ¿со (3) 1л ^

Так при использовании разработанного метода было установлено, что в матрицах, имеющих функции защиты от перетекания зарядов его степень составляла менее 0,5 %. В матрицах же с отсутствием функции антиблюминга степень перетекания зарядов составляла до 6%, что обуславливает погрешность определения диаметра пучка ЛИ не более 0,7%.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ приведены результаты расчетов специального оптического формирователя равномерной интенсивности излучения на приемной площадке СИПКП. Элементы МП имеют неодинаковую чувствительность (иногда этот эффект называют геометрическим шумом).

Величина этой неоднородности составляет 1-5% (для разных типов матриц). Для коррекции неравномерности чувствительности необходимо зарегистрировать сигналы со всех элементов матричного преобразователя при подаче на него равномерной освещённости. На основе полученных данных можно определить коэффициенты коррекции, которые будут применены при всех последующих экспозициях.

Для исследований формирователя равномерного поля распределения интенсивности, было рассмотрено ФМУ на основе конического светопровода, жестко скрепленного с пластиной (рисунок 2).

Пластина изготовлена из диффузно - рассеивающего молочного стекла (например, МС-23), а и светопровод из диффузно - отражающего молочного стекла (например, МС-20). Отражаясь от каждой точки внутренней поверхности конуса, излучение будет распределяться по закону, близкому к закону Ламберта.

Расчет интенсивности на выходном окне ФМУ выполнялся в два этапа. На первом этапе рассчитывался вклад от излучения, отраженного от внутренних стенок ФМУ Ес(р), на втором этапе учитывалась интенсивность

прямого излучения, падающего на выходное окно без отражения от стенок Е„(р). После преобразований, получим выражение для Ес(р):

2 Е0ут3т£ | и(1-и)у[т2{у2-р2 + 2р2(1~у)и) + и2уи

арУ

яН2ф + т2( 1-у)7 о (ту + (1 + 4т

Интенсивность Еп(р) прямого излучения в точке С, падающего на выходное окно ФМУ без отражения от стенок:

яН2 (т2р2+1)

Распределение плотности интенсивности на выходном окне ФМУ равно:

Е*{р) = Е0

2 ут3в | и{1-и)у[т2[у2-р2 + 2р2[1-г)и)+и2]ск1

71 + т2(1 'Г? °(т2у2 + (1 -и)2)'[(т2{р2 + у2) + и2)2-4т>

У

(т2р2 +1)

7Г

(4)

В таблице 2 для величин параметров £'0=1, г = 0,61, е- 0,965 представлены результаты расчета по формуле (4) Е(р)=Е'(р)/Етах, где Етах=Е'(0).

Таблица 2.

=0,194 отсутствует светопровод т = 0,3;Е р =0

р 0 ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Е р 1,0 0,998 0,993 0,984 0,972 0,956 0,938 0,917 0,894 0,869 0,842

Е =0,2 та* ' 51 т = 0,3; у = 1,2

Р 0 од 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Е р 1,0 0,998 0,991 0,980 0,965 0,945 0,921 0,892 0,859 0,820 0,694

т = 0,5; у = 1

Р 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Е р 1,0 0,996 0,985 0,967 0,942 0,911 0,873 0,83 0,78 0,723 0,554

Эксперимент т-0,5;/-1

дг(лш) -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

хШ -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -од 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Е р 0,911 0,942 0,967 0,985 0,996 1,0 0,996 0,985 0,967 0,942 0,911

Е(х 1 й) 0,940 0,952 0,971 0,985 0,993 1,0 0,994 0,984 0,970 0,954 0,938

Из таблицы 2 видно, что наличие светопровода существенно увеличивает интенсивность излучения Е^ на выходе ФМУ, обеспечивая приемлемую равномерность функции распределения. Наибольшее значение интенсивности достигается для значений т ~ 0,3; у ¡и 1,2 .Из таблицы 2 следует, что выигрыш в интенсивности по сравнению со случаем отсутствия светопровода достигает и 1,8 раза.

Коэффициент пропускания ФМУ кп(р') на апертуре радиуса р'= р! Я

описывается следующим выражением: (

*(р> г А\в-

А -

ету

т*(р" -У)(1-У) + ^1(отУ +2»«У +Цг -т')

♦ I ч

чу Р

¿и + О

■ -В--

+ ««•(! -У)1 [Лу+ (!-£/)']'С/

1 Л4

■Л- ! 1 1 п тр

-—\С = ту + и - т ; В

1 + т р'

(5)

Таблица 3.

Р 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

т=0,39 ЕС(Р)=0 0,093 0,369 0,824 1,449 2,235 3,167 4,231 5,411 6,691 8,053

т=0,39 7=1 0,095 0,407 1,013 2,001 3,437 5,384 7,925 11,16 15,07 18,87

т=0,39 у=1,3 0,095 0,448 1,069 2,162 3,787 6,03 9,001 12,84 17,51 22,04

В таблице 3 представлены результаты расчета коэффициента пропускания к„(р). Из таблицы видно, что с увеличением у, значение

коэффициента пропускания к„(р*) также увеличивается, при этом гарантируется заданная степень равномерности распределения интенсивности на выходном окне ФМУ.

На основании полученных результатов было разработано программное обеспечение, позволяющее определять геометрические размеры ФМУ, для заданных пользователем рабочей длины волны излучения, материалов изготовления и степени неравномерности на его выходном окне.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ рассматривается разработанный при участии автора комплекс средств измерений параметров качества лазерного излучения, входящий в состав Государственного первичного специального эталона ГЭТ 187-2010. Приведены его принципиальные схемы, а также результаты метрологических исследований. Структурная схема комплекса приведена на рис. 3.

Рисунок 3. Структурная схема комплекса СИ для воспроизведения и передачи единицы РПЭ импульсного ЛИ:

1^2- сменные лазеры на длинах волн 1,064; 0,532 мкм; 3 - светоделитель; 4 - датчик относительного уровня энергии; 5 - длиннофокусная линза; 6 - ослабитель; 7 - отрицательная линза; 8 - формирователь равномерного РПЭ; 9 - ЭПИП с АЦП АГ>иС824В8 и устройством электрической калибровки; 10 - поверяемый рабочий эталон единицы РПЭ импульсного ЛИ; 11 - калиброванная диафрагма; 12 - блок управления; 13 - компьютер; 14 - принтер; 15 - устройство перемещения длиннофокусной линзы; 16 - двумерная матрица.

Комплекс состоит из:

1) Аппаратуры воспроизведения и измерений единицы распределения плотности энергии РПЭ, состоящая из ФМУ, отрицательной линзы, эталонного первичного измерительного преобразователя ЭПИП, АЦП АВиС824В8, устройства электрической калибровки и калиброванной диафрагмы.

2) Аппаратуры передачи единицы РПЭ состоящая из импульсных твердотельных лазеров ЛТИ-241 с длиной волны излучения 1,064 мкм, ЛТИ-242 с длиной волны 0,532 мкм, непрерывного Не-Ые лазера ГН-5 с длиной волны излучения 0,6328 мкм, оптической системы и двумерной матрицы.

Внешний вид комплекса СИ для воспроизведения и передачи единицы распределения плотности энергии импульсного лазерного излучения приведен на рис. 4.

Рисунок 4. Внешний вид комплекса СИ РПЭ

В качестве источников излучения (компараторов) в системе передачи единицы распределения плотности энергии используются стабилизированные по энергии импульсные твердотельные лазеры, имеющие достаточный энергетический уровень и колоколообразный характер распределения плотности энергии.

Процесс воспроизведения и передачи единицы РПЭ заключается в формировании однородного двумерного распределения плотности энергии импульсного лазерного излучения в поперечном сечении его пучка при помощи специального ФМУ и пространственной калибровки с определением значений плотности энергии этого распределения по координатам х, у в сечении пучка с координатой г с помощью эталонного первичного измерительного преобразователя, имеющего на входе калиброванную диафрагму и сканирующего устройства. При этом в процессе воспроизведения по измеренным выходным сигналам эталонного измерительного преобразователя ЭПИП определяется распределение плотности энергии лазерного излучения Щх, у) из соотношения:

Н(х,у) = Н(х,у,г0)[ 1 + ос] = _ Ошцм+0[п_-Кцт-П+оф Дж/СМ2

где Копт - выходной сигнал ЭПИП под действием импульса лазерного излучения, В;

Н(х, у, г о) - плотность энергии в сечении пучка с координатой г0;

а - коэффициент, характеризующий неоднородность воспроизводимого распределения;

Кя - коэффициент деления оптического тракта;

Кз - коэффициент эквивалентности замещения оптической энергии электрической, выделяемой в обмотке замещения ЭПИП;

Кзл - коэффициент преобразования ЭПИП по электрической энергии, В-Дж"1;

5а - площадь калиброванной диафрагмы, см2.

Данная система гарантирует работу в динамическом диапазоне (МО-4 1-Ю"2) Дж/см2. Разработанные алгоритмы воспроизведения единицы и обработки результатов наблюдений позволяют реализовать учет неоднородности РПЭ в поперечном сечении лазерного пучка на уровне 0,5

%, что достигается использованием специальной оптической системы и ФМУ.

Погрешность ^ передачи единицы распределения плотности энергии равна 0,5 % и обусловлена случайными изменениями за время передачи размера единицы РПЭ

Результаты исследования были использованы при разработке комплекса средств измерений пространственно-энергетических характеристик, входящего в состав Государственного первичного специального эталона единиц энергии, распределения плотности энергии и ряда других величин ГЭТ 187-2010, а также создана ветвь Государственной поверочной схемы для средств измерений указанных единиц ГОСТ Р 8.780-2012, в части СИ параметров качества лазерного пучка.

Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований, а также созданная эталонная база позволили разработать новое поколение средств измерений пространственно-энергетических характеристик СИПХ-1 на основе мегапиксельной матрицы и программного обеспечения, экспериментально исследовать взаимовлияние каналов матричных средств измерений, а также оценить равномерность функции распределения на выходе ФМУ, применяемого для оптической калибровки указанных типов средств измерений.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Проведены теоретические и экспериментальные исследования возможности использования матричных преобразователей для создания средств измерений пространственно-энергетических характеристик.

2. Разработан метод определения ширины функции распределения интенсивности с учетом взаимовлияния измерительных каналов матричного преобразователя с использованием метода макроканалов.

3. Разработана математическая модель формирования нормированного распределения интенсивности в выходном окне фотометрического устройства, позволяющего проводить интегральную калибровку матричного СИ. Проведены экспериментальные исследования образцов ФМУ.

4. Разработан, исследован и утвержден комплекс средств измерений распределения плотности энергии, входящий в состав Государственного первичного специального эталона единиц энергии, распределения плотности энергии и др. ГЭТ 187-2010.

5. Разработана ветвь Государственной поверочной схемы для средств измерений распределения плотности энергии ГОСТ 8.780-2012.

6. Разработано, исследовано и внесено в спецреестр средство измерений пространственно-энергетических характеристик лазерного излучения на основе мегапиксельного матричного преобразователя СИПХ-1.

7. Разработана методика измерений ширины, углов расходимости и параметров качества пучка лазерного излучения ФР.1.37.2011.10869.

8. Разработана методика калибровки средств измерений пространственно-энергетических характеристик импульсного лазерного излучения МК01/2011.

Таким образом, в настоящей работе решена актуальная научно-техническая задача разработки методов и средств высокоточного измерения параметров качества лазерного излучения, создан программно-аппаратный комплекс для вычисления указанных величин, имеющий существенное значение для обеспечения единства измерений и метрологического обеспечения лазерной дальнометрии.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Абдрахманов К. Ш. Исследование возможности использования когерентного лазерного излучения в составе эталонных средств для калибровки анализаторов излучения на основе ПЗС матриц [Электронный

ресурс] // Вторая Всероссийская научно-техническая конференция «Студенческая весна 2009: Машиностроительные технологии» / МГТУ им. Н.Э Баумана.

2. Абдрахманов К. Ш. Восстановление формы РПЭ (РПМ) ЛИ с использованием гомогенизатора излучения для оценки взаимовлияния каналов приемной матрицы ПИП [Электронный ресурс] // Третья Всероссийская научно-техническая конференция «Студенческая весна 2010: Машиностроительные технологии» / МГТУ им. Н.Э Баумана.

3. Абдрахманов К.Ш., Улановский М.В. Установка для измерений параметров качества короткоимпульсного лазерного пучка. // Измерительная техника. 2010. -№7. - С. 13-16.

4. Абдрахманов К.Ш., Быкова О.Г., Улановский М.В. Стандартизация методов измерений ширин, углов расходимости и коэффициентов распространения пучков лазерного излучения. // Метрология. 2010. - №2. -С. 23-44.

5. Абдрахманов К.Ш., Улановский М.В. Разработка прикладного программного обеспечения и алгоритмов для определения параметров качества лазерного пучка // 18-я научно-техническая конф. «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», ВНИИОФИ, 2009. С. 59-61.

6. Абдрахманов К.Ш., Либерман A.A. и др. Государственная поверочная схема для измерителей единиц энергии, распределения плотности энергии, длительности импульса и длины волны лазерного излучения. // Лазер-Информ. 2011. - №15-16. - С. 7-10.

7. Абдрахманов К.Ш. Метод калибровки средств измерений параметров качества лазерного пучка. // Измерительная техника. 2012. - №10.- С.22-24.

8. Абдрахманов К.Ш., Райцин A.M. Диффузный формирователь равномерного распределения интенсивности в поперечном сечении пучка лазерного излучения. // Измерительная техника. 2013. - №1.- С. 33-38.

9. Абдрахманов К.Ш., Улановский М.В. Теоретические и экспериментальные исследования формирователей нормированного распределения

интенсивности излучения в поперечном сечении лазерного излучения // 9-я Всероссийская научно-техническая конференция «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации», п. Поведники, 2012. С. 7-10.

10. Абдрахманов К.Ш., Райцин A.M., Улановский М.В. Моделирование точностных характеристик многоэлементных матричных СИ параметров качества лазерного излучения с учетом вероятных отказов отдельных элементов // 19-я научно-техническая конференция «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», ВНИИОФИ, 2013. С. 4446.

11. Абдрахманов К.Ш., Улановский М.В., Оценка точностных характеристик матричных СИ параметров качества лазерного излучения с учетов взаимовлияния измерительных каналов ПЗС-матриц. 19-я научно-техническая конференция «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», ВНИИОФИ, 2013. С. 47-49.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ

ИЗМЕРЕНИЙ (ФГУП «ВНИИОФИ»)

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ПРОСТРАНСТВЕННО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ

05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы

04201363549

На правах рукописи

Абдрахманов Камиль Шамилевич

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук

М.В. Улановский

Москва, 2013 г.

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

УПЭХ - установка для измерений пространственно-энергетических

характеристик импульсного лазерного излучения; РПЭ - распределение плотности энергии

МП - матричный преобразователь

ИЛИ - импульсное лазерное излучение

КФП - контрольный фотоэлектрический преобразователь

пикосекундных импульсов лазерного излучения ФМУ - фотометрическое устройство СИ - средство измерений

СИПХ-1 - средство измерений параметров качества пикосекундных

импульсов лазерного излучения НСП - неисключенная систематическая погрешность

СКО - среднее квадратическое отклонение

ПО - программное обеспечение

СИПЭХ - средство измерений пространственно-энергетических

характеристик лазерного пучка ПЧП - пространственно-чувствительный приемник

ПЭХ - пространственно-энергетические характеристики

ОЭИП - оптико-электронный измерительный преобразователь

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список принятых в диссертации сокращений.................................. 2

Введение................................................................................................ 5

Глава 1. Аналитический обзор методов и средств измерений пространственно-энергетических характеристик импульсного лазерного излучения и его метрологического обеспечения............ 13

1.1. Методы измерений пространственно-энергетических характеристик импульсного лазерного излучения................... 13

1.2. Средства измерений пространственно-энергетических характеристик импульсного лазерного излучения................... 22

1.3. Выводы и постановка задачи............................................... 33

Глава 2. Теоретические исследования точностных параметров матричных средств измерений пространственно-энергетических характеристик....................................................................................... 35

2.1. Анализ составляющих основной погрешности матричных средств измерений диаметра пучка импульсного лазерного излучения.................................................................... 35

2.2. Оценка погрешности матричных средств измерений диаметра пучка импульсного лазерного излучения с учетом наличия некоторого числа неинформативных элементов....... 40

2.3. Оценка погрешности матричных средств измерений диаметра пучка импульсного лазерного излучения с учетом взаимовлияния измерительных каналов.................................... 47

2.4. Выводы................................................................................... 53

Глава 3. Теоретические и экспериментальные исследования формирователей нормированного распределения интенсивности

в поперечном сечении пучка лазерного излучения.......................... 54

3.1. Расчет фотометрических устройств для формирования

нормированного распределения интенсивности лазерного

излучения....................................................................................... 54

3.2. Экспериментальные исследования степени равномерности поля излучения в выходном окне фотометрического устройства на основе светопроводящего

конуса............................................................................................. 85

Глава 4. Разработка и метрологические исследования эталона единицы распределения плотности энергии и средства измерений пространственно-энергетических характеристик импульсного лазерного излучения............................................................................. 91

4.1. Комплекс средств измерений распределения плотности энергии Государственного первичного специального эталона ГЭТ 187-2010................................................................................ 91

4.2. Средство измерений пространственно-энергетических характеристик импульсного лазерного излучения СИПХ-1.... 103 4.3 Метод калибровки матричного средства измерений распределения энергии в поперечном сечении пучка

импульсного лазерного излучения............................................. 122

4.4. Выводы................................................................................... 128

Заключение............................................................................................ 128

Литература............................................................................................. 130

Приложения.......................................................................................... 137

ВВЕДЕНИЕ

1. Актуальность и задачи исследования

В 70-х годах ХХ-го века началось бурное развитие лазерной техники, сопровождавшееся непрерывно расширявшимся применением лазеров, лазерных устройств и установок практически во всех отраслях экономики, обороны, 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 не спадает, поскольку наряду с расширением областей применения лазеров совершенствуется технология их изготовления и неуклонно повышается качество элементов и изделий в целом. В последнее десятилетие наблюдается серьезный скачок в разработке, выпуске и продажах импульсных твердотельных и волоконных лазеров, а также систем на их основе.

К числу основных физических величин и параметров, по которым сертифицируются импульсные лазеры, относятся энергия, совокупность параметров, характеризующих качество пучка (РПЭ, угол расходимости, ширина пучка, параметр М2 и др.), длительность импульса, длина волны. По мере совершенствования импульсной лазерной техники, расширения динамического, временного и спектрального диапазонов, в пределах которых приходится измерять энергию, параметры качества пучка, длительность импульса и длину волны излучения, увеличились номенклатура и количество выпускаемых десятками зарубежных фирм лазерных джоульметров, СИ параметров качества пучка, длительности импульса и длины волны.

В промышленности указанные СИ входят в состав оборудования, содержащего импульсные лазеры и предназначенного для сварки, резки (раскроя) материала, поверхностного упрочнения, лазерной маркировки,

изготовления интегральных микросхем, 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 указанные СИ используются в составе терапевтического, хирургического, офтальмологического и дерматологического оборудования в качестве дозаторов плотности энергии лазерного излучения. Передозировка, в силу неполной ясности о воздействии когерентного излучения на живой организм, может привести к побочным заболеваниям, в том числе онкологическим. Без контроля параметров качества пучка, длительности импульса лазерного излучения нельзя гарантировать положительный результат при проведении операций в офтальмологии.

Достоверность получаемой в ходе научных исследований информации непосредственно зависит от состояния измерений параметров и характеристик импульсного лазерного излучения в области термоядерного синтеза, лазерной спектроскопии и лазерной интерферометрии, голографии и оптической томографии, микроскопии, при космическом зондировании внеземных объектов на орбитах.

К наиболее существенным областям применения импульсной лазерной техники относится авиационная и спутниковая лазерная дальнометрия, лазерные локаторы полигонных средств испытаний изделий авиационной и ракетно-космической техники, бортовые лазерные высотомеры и дальномеры, оптико-локационные станции авиационного базирования, системы лазерной связи и системы построения изображений с использованием лазерной подсветки и адаптивной оптики.

Все эти системы постоянно совершенствуются и их новые

технические возможности в значительной степени определяются

6

параметрами лазеров и других изделий фотоники, оптики и точной механики. Эта область импульсной лазерной техники остается востребованной, достаточно упомянуть такие объекты как «ОЛС», «КОЛС», «КЛЕН», «КЛЕН-ПС», квантово-оптические системы «САЖЕНЬ» для прецизионной спутниковой лазерной дальнометрии.

Совершенствование импульсной лазерной техники нано- и пикосекундного диапазона длительностей, бурное развитие и применение импульсных лазерных систем практически во всех сферах человеческой деятельности стимулировали разработку современных СИ параметров качества пучка, обеспечивающих повышение качества измерений. Расширялись диапазоны измерений, охватывались УФ и ИК спектральные диапазоны, увеличивались входные апертуры приборов, лучевая стойкость и, главное, существенно возросла точность этих СИ.

Назрела необходимость, чтобы созданные с использованием современной элементной базы СИ параметров качества пучка имели погрешность < (3 5) %. Более того, появилась потребность в автоматизации калибровочных (поверочных) работ, сокращении числа разрядов поверочной схемы, максимальном приближении эталонных установок к местам эксплуатации СИ.

Решения о допустимости применения импульсных лазеров основываются на использовании данных о распределении плотности энергии в поперечном сечении пучка как в ближней и дальней зонах. Распределение плотности энергии Н(х,у) лазерного пучка характеризуется пространственным распределением плотности излучаемой энергии, получаемой экспериментально с применением двумерной матрицы с высоким пространственным разрешением. Распределение плотности энергии является основной интегральной характеристикой поля излучения импульсных лазеров, по которой вычисляются все частные величины, например: угол расходимости, ширина пучка, параметр М2 и другие.

Необходимо отметить, что основным частным функционалом этого поля, имеющим большое практическое значение как для лазерных систем, так и для калибровки соответствующих СИ является ширина пучка лазерного излучения (ЛИ).

В настоящее время в России единство измерений энергии импульсного лазерного излучения регламентировано разработанной в ФГУП «ВНИИОФИ» государственной поверочной схемой [46]. Данная поверочная схема гарантирует калибровку и поверку средств измерений пространственно-энергетических характеристик в диапазоне углов расходимости 1-10 мрад и ширины пучка 1-50 мм. Для обеспечения требований системы ГЛОНАСС необходимо осуществлять измерения углов расходимости в диапазоне 75-150 мкрад. Для лазеров, работающих в нано-, пико-, а также в фемтосекундном диапазонах длительностей она регламентирует процесс калибровки и поверки средств измерений, существенно отличающихся по энергетическим, пространственно-энергетическим, временным, спектральным и точностным

характеристикам.

Как следует из результатов исследований зарубежных и отечественных авторов импульсных лазеров [19,20], задача формирования «эталонируемых» импульсов излучения с нормированным распределением плотности энергии, обладающих достаточной воспроизводимостью и энергетическим уровнем на современном этапе развития лазерной техники является исключительно сложной по целому ряду технологических причин, в связи с чем, очевидно, что ни один из существующих типов импульсных лазеров не может с достаточной степенью точности воспроизводить, хранить и передавать единицу распределения плотности энергии. В связи с этим комплекс СИ для воспроизведения единицы распределения плотности энергии импульсного лазерного излучения может базироваться на эталонном первичном измерительном

преобразователе калориметрического типа с калиброванной диафрагмой на входе. Для передачи единицы распределения плотности энергии целесообразно применение специально отобранных и исследованных пространственно-чувствительных приемников (ПЧП), обладающих высоким пространственным разрешением, малыми значениями взаимовлияния элементов (пикселов), высокой стабильностью чувствительности и линейностью. В качестве источников излучения (компараторов) в системе передачи единицы распределения плотности энергии используются стабилизированные импульсные твердотельные лазеры, имеющие достаточный энергетический уровень и колоколообразное распределение профиля функции распределения.

В целом, следует отметить, что на сегодняшний момент актуальной является задача разработки, исследования и создания методов и средств измерений параметров качества импульсного лазерного излучения.

Целью настоящей работы является разработка методов и средств измерений параметров качества импульсных лазерных пучков, исследование СИ параметров качества ЛИ на основе двумерных матриц и их применение для решения указанной задачи.

Можно сформулировать следующие основные научно-технические задачи, решение которых легло в основу настоящей работы:

1. Определение основных пространственно-энергетических характеристик импульсного лазерного излучения.

2. Анализ составляющих основной погрешности многоканальных средств измерений пространственно-энергетических характеристик.

3. Разработка методов оценки погрешностей восстановления функции распределения и определения её ширины, как основной информативной ПЭХ ИЛИ, при использовании матричных приемников.

4. Разработка специального фотометрического устройства (ФМУ), обеспечивающего равномерное распределение плотности энергии для исследований неравномерности чувствительности СИ пространственно-энергетических характеристик, для определения коэффициентов преобразования матричных приемников в пределах динамического диапазона,

5. Разработка и исследование метрологических характеристик комплекса средств измерений пространственно-энергетических характеристик ИЛИ для Государственного первичного специального эталона ГЭТ187-2010.

6. Разработка методики калибровки матричных средств измерений пространственно-энергетических характеристик ИЛИ.

2. Краткое содержание работы

В соответствии с поставленными задачами данная работа состоит из четырех глав.

В первой главе приводятся общие сведения о состоянии измерений пространственно-энергетических характеристик, дается определение измеряемых величин. Кратко описываются существующие методы и средства измерений пространственно-энергетических характеристик и

формулируются основные требования к высокоточным матричным

*

средствам измерений пространственно-энергетических параметров. Глава завершается постановкой задачи данного исследования.

Во второй главе приводятся теоретические исследования по оптимизации точностных параметров при построении матричных СИПЭХ. Приведен теоретический анализ влияния систематических погрешностей матричных СИПЭХ, обусловленных наличием неинформативных элементов и взаимовлиянием измерительных каналов, также разработан метод определения взаимовлияния измерительных каналов с использованием объединения в макроканалы. Проведено математическое

моделирование для оценки этих составляющих погрешности. Результаты теоретических исследований использованы в данной работе на стадии аттестации высокоточного матричного преобразователя, предназначенного для использования в рабочем эталоне.

Третья глава посвящена разработке и исследованию фотометрических устройств, для создания нормированного распределения плотности энергии в поперечном сечении пучка лазерного излучения. Разработана математическая модель фотометрического устройства, состоящего из входной пластины и светопровода конической формы, изготовленных из материалов, имеющих Ламбертов характер рассеяния излучения. На основе данной модели на ЭВМ проведены расчеты и даны рекомендации по выбору габаритных параметров данных ФМУ. По результатам расчетов были изготовлены опытные образцы и проведены их исследования.

В четвертой главе рассмотрены вопросы разработки и внедрения комплекса средств измерений пространственно-энергетических характеристик Государственного первичного специального эталона ГЭТ 187-2010.

Разработана методика калибровки матричных СИПЭХ в точке поля. Проведены исследования некоторых характеристик матричного СИПЭХ СИПХ-1 с использованием комплекса средств измерений пространственно-энергетических характеристик из состава ГЭТ 187-2010.

Глава завершается рассмотрением структуры и принципа действия поверочной установки для аттестации матричных СИПЭХ.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты работы.

В приложении представлены:

- свидетельство об утверждении типа средств измерений военного назначения СИПХ-1;

- акты внедрения результатов диссертационной работы.

11

Основные научные по