автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Польская система метрологического обеспечения лазерной техники

ИНСТИТУТ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ

Р Г Б ОД

, п ^рэ На правах рукописи

УДК 621.382;538.376

ОВСИК Ян

ПОЛЬСКАЯ СИСТЕМА МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНИКИ (концепция создания, разработка, исследования, внедрение)

05.11.16 - информационно-измерительные системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Варшава 1995

Работа выполнена в Институте Оптоэлектршшки, г. Варшава

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Я.Т. Загорски», доктор технических наук, профессор B.C. Соловьев, доктор технических наук, профессор В.И. Телешевский.

Ведущая организация : Н П О „Космического Приборостроения".

Защита состоится в феврале 1996 г. в 14 часов на заседании специализированного совета Д 041.01.02 при Всеросашском научно-исследовательском институте оптико-физических измерешш по адресу : 103031, Москва, ул. Рождественка, 27, тел. 921-19-74.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИОФИ.

Автореферат разослан 22 января 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, старший научный сотрудник-

Тихомиров С.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследований. Для республики Польша лазерная техника и оптоэлектроника являются относительно новыми направлениями развития современной науки, промышленности, здравоохранения, связи и других отраслей хозяйства страны, в том числе и военной. В цивилизованных странах формирование новых научных и технических направлений сопровождается одновременным, а подчас и упреждающим, развитием измерительной техники и в целом системы метрологического обеспечения, позволяющих получать достоверную количественную информацию в процессе создания и эксплуатации товаров, изделий, материалов, оборудования и т.д.

В недавнем прошлом стоимость разработки и оснащения средствами измерений вновь создаваемых объектов военной техники в США составляла около 6% общего объема финансирования. В настоящее время, доля стоимости разработки сопровождающей измерительной техники и соответствующей метрологической базы достигает 30%.

Это в полной мере относится к лазерной технике и особенно к тем системам, устройствам, установкам, изделиям, где лазеры и оптоэлектронные элементы применяются как составные части, доминирующие в процессе их функционирования, например, в измерительных системах и установках, использующих физические принципы преобразования различных величин в изменения параметров когерентного или квазимонохроматического оптического излучения.

Поэтому при рассмотрении перспектив и разработке основ будущей польской системы метрологического обеспечения лазерной техники и оптоэлектроники в настоящей работе необходимо было :

- определить наиболее вероятные направления внедрения лазерной техники и оптоэлектроники в различные отрасли хозяйства и обороны Польши, основываясь на мировом опыте развитых стран (США, Германии, Англии, России);

- задать диапазоны измеряемых параметров (информативных и неинформативных) лазерного и квазимонохроматического излучения, освоение которых наиболее вероятно в Польше в ближайшее десятилетие;

- разработать предложения и рассмотреть конкретные технические решения, реализующие минимально необходимую первоочередную метрологическую базу, без которой невозможно создание системы метрологического обеспечения.

При этом принципиальным является концептуальный вопрос, обычно вызывающий дискуссию: следует ли при отсутствии широкого парка средств измерений упреждающе создавать метрологическую базу (эталоны, образцовые средства измерений, поверочные установки) или необходимо сначала насытить все заинтересованные отрасли приборами, а затем развивать систему метрологического обеспечения.

При ответе на этот вопрос нужно принимать во внимание, что любое средство измерений - измерительный преобразователь, прибор, мера, компаратор и т.д. - становятся таковым только будучи метрологически аттестованным, в противном случае оно является просто индикатором, не поставляющим пользователю достоверной количественной информации. Следовательно, развитие какой-либо новой для страны области науки, промышленности или хозяйственной деятельности нужно осуществлять с одновреьенным созданием минимально необходимой метрологической базы. По мере развития и пополнения парка средств измерений должна расширяться и совершенствоваться соответствующая метрологическая база. Однако вероятнее всего, что оптимальным следует признать одновременное развитие измерительной техники и метрологии с учетом существующих и перспективных потребностей пользователей, направления которых можно определить по результатам аналитического обзора современных применений лазерной техники в Республике Польша.

Поэтому целью настоящей работы явилась разработка основ и создание первоочередной метрологической базы и системы метрологического обеспечения лазерной техники в Польской Республике. Решение этой крупной, важной и актуальной для страны научно-технической проблемы позволит ускорить развитие и улучшить качество разрабатываемых и применяемых в Польше элементов и систем, использующих лазеры и оптоэлектронные приборы.

Выполнение работы потребовало предварительного аналитического обзора как состояния применений современной лазерной техники, так и тенденций ее развития на ближайшие годы. В обзоре потребовалось сопоставить положения дел в этой области в наиболее развитых странах и в Польше. Поскольку автору работы довелось около 20 лет участвовать в разработках отечественных лазерных систем, в обзоре нашли отражение и его труды в данном направлении. Эта часть обзора позволила оценить физические величины и диапазоны измерения их значений, которые в первую очередь должны быть охвачены системой метрологического обеспечения в Польше.

Вторая часть обзора посвящена метрологической базе ряда наиболее развитых стран (в первую очередь, США, Германии, России) в области лазерной техники. Эти материалы позволили определиться в части стратегии создания первоочередной базы в Польше и разработать систему передачи размеров единиц.

Основу этой базы составили два эталона, соподчиненные в соответствии с национальной поверочной схемой для средств измерений мощности и энергии лазерного излучения. Разработку польской системы метрологического обеспечения твердотельной оптоэлектроники (светодиодов, фотодиодов, оптронов, волоконных световодов и пр.) автор счел пока преждевременной.

С учетом содержащихся в обзоре сведений сформулированы основные требования к эталонам и их состав.

Дальнейшая часть работы посвящена разработке, созданию и всесторонним метрологическим исследованиям национальных эталонов единиц средней мощности и энергии лазерного излучения и энергии импульсного лазерного излучения малых уровней коротких длительностей. Первый из этих эталонов для Польши является первичным, а другой - вторичным.

В заключении подведены итоги работы и перечислены ее основные результаты.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Для калиброванного прецизионного широкодиапазонного деления интенсивности лазерного излучения в эталонных установках разных точностных разрядов следует использовать отражающие и прозрачные, „мелкие" и „глубокие" дифракционные решетки с симметричным профилем штриха в виде усеченной синусоиды, обеспечивающие:

а) погрешность передачи размера единицы мощности (энергии) не более 0.2% при:

- нормальном падении излучения;

- использовании симметричных порядков дифракции с установкой в одном из них эталонного, а в другом - калибруемого (поверяемого) первичного измерительного преобразователя;

- отношении глубины штриха Ь к длине волны падающего излучения Я, равном Ь/Я ~ 0.27;

б) погрешность передачи размера единицы мощности (энергии) не более 0.5% с помощью отражательной дифракционной решетки с коэффициентом деления от 102 до 103 при:

- падении излучения под углом, не превышающим 5°;

- использовании нулевого и±1-го порядков дифракции с установкой в первом из них эталонного, а в другом - калиб-уемого (поверяемого) первичного измерительного преобразователя;

- отношении ЬЛ.< 10-3;

в) погрешность передачи размера единицы мощности (энергии) не более 0.5% с помощью прозрачной дифракционной решетки с коэффициентом деления от 102 до 103 при:

- нормальном падении излучения;

- использовании нулевого и ±1-го порядков дифракции с установкой в первом из них эталонного, а в другом -калибруемого (поверяемого) первичного измерительного преобразователя;

- отношении h/A. ^ 103.

2. Теоретические исследования полостного первичного измерительного преобразователя национального эталона единиц средней мощности и энергии лазерного излучения позволяют утверждать, что:

а) решением тепловой задачи определения температурного поля по контуру приемного элемента с учетом потерь тепла посредством излучения, теплопроводности по воздуху и по проводам обмотки замещения найдено значение коэффициента эквивалентности тепловых потерь Кт = 0.99674 с неисключенной систематической погрешностью 8.3-Ю-4 % и средним квадратическим отклонением случайной погрешности 7.0-10-5 % , а также вычислены функции влияния на Кт изменений мощности лазера, температуры окружающей среды и давления воздуха;

б) путем сведения рассматриваемой фотометрической задачи к „бильярдным динамическим системам", изучение которых осуществляется в рамках теории динамических систем и эргодической теории, найдена оценка снизу коэффициента поглощения полости а > 0.9978 со средним квадратическим отклонением 0.810-4.

3. Экспериментально подтверждена установленная ранее (проф. В.А.Фабриков и др.) практическая независимость дифракции на „мелких" решетках от состояния поляризации падающего излучения и показано, что при работе с „глубокой" решеткой угол падения излучения во избежание недопустимого возрастания погрешности не должен отклоняться от нормали к поверхности более чем на ±30'.

4. Теоретические и экспериментальные исследования первичного измерительного преобразователя вторичного эталона единицы

энергии показали, что целенаправленным выбором конструкции приемного элемента в виде танталового конуса, вложенного в медный конус и плотно с ним состыкованного, удалось снизить погрешность определения коэффициента преобразования до 1% с превалирующими ее составляющими, обусловленными зависимое-

тями от уровня измеряемой энергии от 102 до Ю2 Дж и юстировки пучка лазерного излучения, и практическим отсутствием зависимости от изменения длительности импульса в пределах от Ю-8 до ] с#

5. Сравнительный теоретический анализ дифракции на „мелких" прозрачных решетках с прямоугольным и синусоидальным профилями штрихов привел к выводу, что в решетках с прямоугольным профилем уширение дифрагировавшего в них пучка значительно больше, чем в синусоидальных, что делает последние предпочтительными при работе с узкоапертурными оптическими системами.

6. Распространенное представление о преобладании в оптико-электронных приборах и установках оптических погрешностей над погрешностями измерений электрических величин цифровыми приборами не подтверждается применительно к национальному и вторичному эталонам: теоретически и экспериментально доказано, что они имеют примерно одинаковый порядок величин.

Научная новизна исследований

1.Впервые с участием автора в Республике Польше создана оптимизированная четырехканальная система на твердотельных лазерах, предназначенная для экспериментов со сжатием плазмы. При разработке и исследованиях ее отдельных узлов и блоков диссертантом получено 13 авторских свидетельств (патентов) Республики Польши.

2.Впервые проведен аналитический обзор состояния и перспектив развития в Республике Польше лазерной техники, систематизированы и рассмотрены ее настоящие и будущие применения, определены энергетические, спектральные и временные диапазоны измеряемых величин.

3.На основе проведенного сравнительного анализа лазерной метрологической базы ряда развитых стран ( США, ФРГ, России ) впервые разработана обоснованная концепция создания в Республике Польше первоочередной эталонной и поверочной базы для средств измерений энергетических параметров лазерного излучения в области энергетической лазерометрии.

4. Проведены теоретические и экспериментальные исследования эталонных дифракционных делителей лазерного излучения, базирующихся на „глубокой" отражательной и „мелкой" отражательной и прозрачной дифракционных решетках. В зависимости от требуемого коэффициента деления и точности его

реализации найдены оптимальные соотношения между формой и глубиной штриха, углом падения излучения и его длиной волны.

5.Проведены теоретические и экспериментальные исследования калориметрического первичного измерительного преобразова-теля для эталона единиц средней мощности и энергии лазерного излучения. При расчете значения коэффициента поглощения полости приемного элемента и оценке его точности задачу удалось отнести к классу решаемых в рамках теории динамических систем и эргодической теории и использовать методы, применяемые к „бильярдным динамическим системам". При расчете коэффициента эквивалентности замещения путем исследования уравнения, описывающего поле температур на поверхности приемного элемента, были определены потери тепла посредством излучения, теплопроводности по воздуху и по проводам обмотки замещения, что позволило оценить их влияние на этот важнейший для эталонного преобразователя параметр.

6.Проведены теоретические и экспериментальные исследования калориметрического первичного измерительного преобразова-теля для вторичного эталона единицы энергии импульсного лазерного излучения малых уровней коротких длительностей. Выбрана оптимальная конструкция приемного элемента, инвариантная к изменению длительностей импульсов от 108 до 1 с, экспериментально изучены составляющие основной погрешности определения коэффициента преобразования, зависящие от: уровня измеряемой энергии, длины волны, диаметра и юстировки пучка, длительности импульса лазерного излучения.

Практическая ценность работы

Разработаны, созданы и введены в эксплуатацию в Государственной метрологической службе Республики Польши национальный эталон единиц мощности и энергии лазерного излучения и вторичный эталон единицы энергии импульсного лазерного излучения малых уровней коротких длительностей.

Разработана национальная поверочная схема для средств измерений средней мощности лазерного излучения и энергии импульсного лазерного излучения в диапазоне длин волн 0.3 -=- 12.0 мкм и двухгодичный план мероприятий по ее внедрению. Поверочная схема регламентирует порядок передачи размеров единиц мощности и энергии от эталонов рабочим средствам измерений и позволяет узаконить систему метрологического обеспечения лазерометрии, охватывающую приборный парк Республики Польши в науке, промышленности, медицине, военной технике.

Основной вклад автора в разработку избранных проблем заключается в:

- участии в течение 20 лет в теоретических и экспериментальных исследованиях элементов и систем с использованием преимущественно высокоинтенсивных лазеров, приведших к созданию оптимизированной четырехканальной системы на твердотельных лазерах, предназначенной для экспериментов со сжатием плазмы, и позволивших определить диапазоны измеряемых величин и параметров лазерного излучения, необходимые для разработки метрологической концепции в области энергетической лазерометрии для Республики Польши;

- разработке концепции построения первой очереди системы ранее отсутствовавшего в Республике Польше метрологического обеспечения энергетической лазерометрии;

- разработке технических требований к двум первоочередным лазерным эталонам и их структурных схем, способов передачи размеров единиц мощности и энергии лазерного излучения;

- участии в теоретических и экспериментальных исследованиях основных метрологических звеньев созданных эталонов: калиброванных дифракционных ответвителей и первичных измерительных преобразователей;

- проведении всесторонних исследований и метрологической аттестации созданных эталонов и определении в результате приписываемых им значений неисключенной систематической и среднего квадратического отклонения погрешностей воспроизведения и передачи размеров единиц мощности и энергии лазерного излучения.

Результаты работы докладывались на: 6-й, 7-й, и 8-й конференциях „Квантовая электроника и нелинейная оптика", г.Познань, 1974, 1977 и 1980 гг.; 1-м, 2-м, 3-м и 4-м симпозиумах по лазерной технике, проводившихся соответственно в г.Торунь, 1984 г., г.Щецин, 1987 г., г.Свиноустье, 1990 и 1993 гг.; 11-й и 12-й международной конференциях „Лазер-93", „Лазер-95", г. Мюнхен; 2-й международной конференции „Тенденции в квантовой электронике", г.Бухарест, 1985 г.; 21-й Европейской конференции „Взаимодействие лазерного излучения с веществом", г.Варшава, 1991 г.; 4-й польско-чехословацкой оптической конференции, г. Варшава-Рыня, 1978 г.; 5-й международной конференции „Лазеры и их применения", г. Дрезден, 1985 г.; конференции „Демонстрация йодных лазеров и их применений" ,г. Бехина, 1986 г.; конференции „Физика для промышленности и промышленность для физики", г. Краков, 1991 г.; выставке-конференции „Метрология и измерения", г. Брно, 1992 г.; конференции

„Проблемы военной техники и ее эксплуатации", г. Кекш, 1991 г.; конференциях военных метрологов, г. Гдыня-Сопот, 1993 г., г. Рогово, 1994 г.; 7-м Международном метрологическом конгрессе, г. Ним, 1995г.; Международной конференции „Оптоэлектронная метрология и лазерометрия", г. Ланцут, 1994 г.

Основные результаты работы опубликованы в 74 печатных трудах, из них 12 патентов Республики Польши, 24 статей в научных журналах и 38 докладов на конференциях и симпозиумах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Всего в диссертации 171 листов текста, 33 листов рисунков, 19 листов с таблицами и библиографический список из 144 наименований. В приложении приведен акт внедрения эталонов.

Содержание работы

Во введении сформулированы цели, задачи, научная новизна исследований и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе изучения мировой научно-технической литературы установлено, что наибольшим спросом пользуются технологические лазеры, лазеры для исследований и разработок, медицинские лазеры и лазерные диоды для систем оптической памяти.

В различных технологических процессах чаще всего используются лазеры на углекислом газе с длиной волны 10.6 мкм, хотя немногим по части применения им уступают непрерывные и импульсные твердотельные лазеры с длиной волны, как правило, 1.06 мкм.

Разработчики и исследователи в последние годы сосредоточили основное внимание на полупроводниковых лазерных диодах в видимом и ближнем И К спектральных диапазонах, однако по-прежнему популярны Не-Ые лазеры.

Медицинские лазеры условно можно разделить на 3 основные группы: хирургические, терапевтические, диагностические. Хирургия использует преимущественно непрерывные СОг, твердотельные и аргоновые лазеры, в терапии все более широкое распространение получают лазерные диоды и Не-Ие лазеры, медицинская диагностика базируется в основном на гелий-неоновых лазерах.

Впечатляет колоссальное количество лазерных диодов в спектральном диапазоне 700-780 нм, применяемых в системах оптической памяти.

Применение лазеров в военной технике характеризуется табл. 1.

Таблица 1

Основные применения военной лазерной техники

Применение Используемые лазеры

твердотельные газовые полупроводниковые

Измерение дальности X X X

Указание цели X X

Распознавание и наблюдение X X X

Управление огнем X X X

Навигация X

Телекоммуникация X X X

Фиксация данных X

Образование данных X

Лазерное радиационное оружие X

Контролируемая термоядерная реакция X X

Моделирование поля военных действий X X X

В будущем создание лазерных дальномеров будет концентрироваться в двух основных направлениях:

1) лазеры с диодной накачкой;

2) лазеры, безопасные для глаз.

Главным недостатком в применении дальномеров является их опасность для зрения. Это ограничивает их применение на тренировочных занятиях. Лазеры Nd:YAG могут стать безопасными для зрения при исследовании явления Рамана в парах метана, в результате чего изменяется длина волны генерации. Легирование эрбием кристалла YAG также позволяет генерировать лазерное излучение в ближнем инфракрасном диапазоне, безопасное для зрения. В настоящее время на базе этих двух лазеров возможно производство военных систем.

Лазеры с диодной накачкой представляют собой одно из перспективных направлений современных лазерных исследований. Будущие лазерные военные системы с применением диодных накачек найдут применение в космических дальномерах, указателях целей, элементах телекоммуникации, в дальномерах с большим к.п.д., для безэкипажных самолетов, предназначенных для разведки территории

противника, в головках самонаведения снарядов, а также для других применений.

По данным проведенного аналитического обзора составлена табл.2, в которой представлены параметры излучения лазеров, используемых в иностранной военной технике.

Таблица 2

Параметры лазерных военных систем

Лазерная Военная Система Параметры

Мощность Энергия кмплльса Дюна волны Расстояние Погрешность Допле-(ШСШ погрешность Углоия погрешность

Дальномер - 10-^- 100 мДж 0,69; 1,06; 1,54; 10,6 мкм 22 км ± 1 м - -

Указатель цели - 100 мДж 1,06; 1,54 мкм > 10 км - - 20 мкрал

Лазерное радиационное оружие > 1 МВт > 10 МВт* > 1 кДж > 100 кДж* 3 мкм (НРЛЭР) 10,6 мкм СО, иу-^ж РЕЬ* - - - -

Космическая лазерная связь > 1 Вт > 10 Вт* Скорость передачи данных > 1 ГБ » 1 ГБ* 0,53; 0,83; 1,06 мкм - - - -

Тактический лазерный радар - - - 3 км <25 см <5 см/с <50 мкрад

Стратегический лазерный радар - - - 800 км 1 см <0,1 см/с 10 мкрад

*- Ожидаемые значения

Соответственно, в табл. 3 аналогичные данные приведены для импульсных лазерных дальномеров.

Таблица 3

Основные характеристики импульсных лазерных дальномеров

Тип, страна-изготовитель Активное вещество лазера Тип фотоприемника Длина волны, мкм Мощность в импульсе, МВт Длительность импульса, НС Прелель -мая дальность, км Абсолютная погрей иость изме рений, м

артиллерийские

IOS (США) Стекло с неодимом - 1.06 10 7

ТМ-10 (Франция) Стекло с неодимом 1.06 * 10 5

LP-3 (Норвегия) Стекло с неодимом pin-диод 1.06 2 30 20 5

РМ-81-(Швеция) Стекло с неодимом - 1.06 1.5 - 20 5

ХМ-23Е2 (США) Рубин - 0.69 2.5 30 10 5

танковые

США Рубин - 0.69 4 30 4 5

ЬР-2(Англия) Рубин - 0.69 1.0 40 5 10

ЬАТ (Нидерланды) Стекло с неоднмом pin- днод 1.06 10 30 10 5

РМ-К1 (Нидерланды) Стекло с неодимом pin-диод 1.06 ~ - 20 5

ТОМ 5 (Франция) Стекло с неодимом pin-диод 1.06 3.3 30 10 5

авиационные

США He-Ne ФЭУ 0.63 непрерывный режим 60мВт 30 0.3

США Ga As лавинный фотодиод 0.91 50 0.1

пехотные

АЫ/СУ5-5 (США) Стекло с неодимом - 1.06 0.5 30 5 10

ЬР-7 (Норвегия) - - 1.06 10 9 20

Вместе с тем в последнее время серьезную заинтересованность у военной промышленности вызывают СО2 лазеры. Они обладают рядом существенных достоинств:

- высокой эффективностью;

- компактностью;

- способностью работать в режиме непрерывного и/или импульсного излучения;

- большой средней мощностью в непрерывном и энергией вимпульсном режимах;

- малой расходимостью луча;

- хорошим распространением в окне прозрачности атмосферы;

- линейностью перестройки в широком интервале длин волн;

- высокой стабильностью частоты;

- безопасностью для глаз, поскольку максимально допустимая

- экспозиция (МРЕ) для излучения лазеров этого типа на несколько порядков выше, чел» для излучателей видимого и ближнего ИК диапазонов.

Перечисленные достоинства предопределяют и наиболее многообещающие применения СОз лазеров:

- дальнометрия;

- наведение по пучку ;

- локация, включающая: слежение за целью на больших дальностях; доплеровскую велосиметрню;навигацию с наблюдением за местностью; обнаружение целей с формированием трехмерного изображения и распознаванием вибраций; обнаружение ветра с внесением поправок на снос цели; дистанционную спектрометрию в части обнаружения загрязнений и химических агентов;

- скрытная связь;

- активное лазерное противодействие.

Каждое применение должно налагать специфические требования на параметры и характеристики используемых СО? лазеров, важнейшими из которых следует признать:

- выходную мощность/энергию импульса;

- длительность импульса;

- частоту следования импульсов;

- длину волны выходного излучения;

- расходимость/качество луча;

- стабильность частоты выходного излучения;

- размеры;

- массу;

- потребляемую мощность/эффективность;

- стоимость;

- надежность/срок службы.

Первые шесть параметров наиболее фундаментальны и менее зависимы от конструкции лазера. Однако нужно помнить, что остальные пять параметров часто предопределяют возможность использования лазера в специальных системах.

Анализ показывает, что можно привести ряд типичных параметров СОг лазерных дальномеров, локаторов и линий связи. Для дальномеров характерны:

- длина волны 10.59 мкм;

- мощность или энергия

в импульсе 0.1-2 МВт,

5-100 мДж;

- длительность импульса 50 не;

- апертура 5•20 см;

- расходимость пучка 100 - 500 мкрад.

Для локаторов характерны:

- длина волны 10.59 мкм;

- мощность излучения 1-100 Вт;

- ширина полосы 50 кГц;

- апертура 10-20 см;

Для линий связи характерны:

- длина волны 10.59 мкм;

- средняя мощность излучения 1 -100 Вт;

- расходимость пучка 0.1-10 мкрад.

Представляется весьма полезным более детально рассмотреть некоторые параметры излучения СО:-лазера,предопределяющие его перспективные возможные будущие применения.

В первой части второй главы проанализированы состояние и тенденции развития лазерной техники в Польше, ее применений и исследований параметров. Разработки и освоение лазерной техники в Республике Польше в основном развиваются по тем же путям, что и в мировой практике, но приоритеты соответствуют ее первоочередным потребностям.

Анализ показывает, что предпочтение отдано импульсным УАв^с! лазерам с модулированной добротностью в разных

приложениях, медицинским газовым и ионным непрерывным лазерам, преимущественно Не-К'е и СО:, а также полупроводниковым лазерам в видимом и ближнем И К. диапазонах спектра как в непрерывном, так и в импульсном режимах эксплуатации. Мощные технологические СО: лазеры в Польше пока не получили распространения, равно как и эксимерные.

Поэтому создание пока отсутствующей в Польше метрологической базы в области измерений в первую очередь энергетических и пространственно-энергетических параметров лазерного излучения следует начннать с самых необходимых эталонов и поверочных установок для средств измерения энергии импульсного и мощности непрерывного лазерного излучения, основываясь на опыте развитых стран - США, Германии. России. При этом начинать создание системы метрологического обеспечения измерении энергии необходимо, по-видимому, с исходных ( эталонных или образцовых высшего разряда) средств измерений для коротких импульсов наносекундного диапазона длительностей при длинах волн 1.06 и 0.53 мкм. Это позволит решать первоочередные метрологические задачи в области оптическом локации и дальнометрии, некоторых технологических процессов, в терапии, хирургии, отоларингологии и офтальмологии и в ряде специальных применений.

Вопрос о метрологическом обеспечении средств измерений мощности непрерывного лазерного излучения наиболее остро стоит в медицине, причем парк медицинских лазерных приборов непрерывно расширяется, оптимальной на ближайшие угоды метрологической базой для подобных средств измерений следует признать национальный эталон единицы средней мощности лазерного излучения н минимально необходимым набор поверочных установок для столиц польских воеводств, получающих от него размер единицы.

Вторая часть этой главы посвящена краткому обзору работ автора в течение последних 20 лет по теоретическим и экспериментальным исследованиям лазеров, их элементов, лазерных установок преимущественно с высокими уровнями энергин излучения.

Третья глава посвяшеиа аналитическому обзору современных систем метрологического обеспечения лазерной техники и оптоэлектроники с целью разработки концепции построения польской системы измерений и метрологического обеспечения в энергетической лаэерометрии.

Выбор и обоснование необходимой для Республики Польши первоочередной метрологической базы для лазерной техники и оптоэлектроники выполнены на основе краткого аналитического обзора состояния систем метрологического обеспечения ряда передовых в этом отношении стран и концепций их построения.

Ознакомление с научно-технической литературой показало, что наибольший опыт vi десятилетние традиции в создании и совершенствовании системы метрологического обеспечения имеют США, ФРГ и Россия ( в прошлом СССР). Эти страны хранят и эксплуатируют соответствующие первичные и вторичные эталоны, системы же передачи размеров единиц техническим (рабочим) средствам измерений у них различаются, равно как и нормативно-техническая документация, регламентирующая эти процессы. Непосредственными разработчиками и держателями эталонной базы в этих странах являются: National Institute of Standards and Technology (NIST); Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB); Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений (ВНИИОФИ). Основными воспроизводимыми единицами в области лазерной техники и оптоэлектроники являются единицы мощности и энергии лазерного излучения (во всех трех странах) и единица потока непрерывного и импульсного излучения на светодиоде (только в России).

В диссертации подробно рассмотрены эталоны и порядки передачи в этих трех странах размеров единиц мощности и энергии лазерного излучения техническим приборам (рабочим средствам измерений). Особенно детально описана российская эталонная и поверочная база в области энергетической лазерометрии и оптоэлектроники. Результатом проведенного в данной главе анализа явилась разработка проекта национальной поверочной схемы для средств измерений средней мощности и энергии лазерного излучения в диапазоне длин волн 0.3 * 12.0 мкм (рис. 1) и структуры национального и вторичного эталонов.

Четвертая глава содержит результаты разработки, создания и метрологических исследований польского национального эталона единиц средней мощности и энергии лазерного излучения, предназначенного для хранения, воспроизведения размеров единиц мощности и энергии лазерного излучения и их передачи поверяемым или метрологически аттестуемым средствам измерений (лазерным ваттметрам и джоульметрам), находящимся в обращении в Республике Польша.

Структурная схема эталона приведена на рис. 2. Эталонный 4 и поверяемый 5 первичные измерительные преобразователи воспринимают пучки излучения одного и того же лазера, поступающие на их входные апертуры со светоделителя. Оптимальным следует признать вариант, когда исходный пучок лазерного излучения делится строго пополам, но для этого необходим метрологически аттестованный делитель. Для рассматриваемого эталона таким делителем служит „глубокая" отражательная дифрак-ционная решетка.

О £ (Й 4 Ф 3 с ^Г

Е 3 £ 3

о<о и'О

О <Ь о О)

3; га * га 3 а 3 а а> <а ш <и о.5 а?

« <п « о) о га о га с о. с о.

ы и :

<0 (Л <

¡Я НО и)/1С

ИИНЭ(131Л1СИ \га1зНзс10 зиьоэм

Рис. 1. Национальная поверочная схема для средств измерений средней мощности лазерного излучения и энергии импульсного лазерного излучения в диапазоне длин волн 0,3 ч-12,0 мкм

Рис. 2. Структурная схема национального эталона единиц средней мощности и энергии лазерного излучения 1,(1а) - источник лазерного излучения с двумя длинами волн 0,5 и 10,6мкм; 2 - формирующая оптическая система; 3 - делители излучения; 4,5 - эталонный и поверяемый первичные измерительные преобразователи; 6 - электронная система измерения и регистрации выходных сигналов преобразователей 4 и 5; 7 - блок электрической калибровки преобразователей; 8 - электромеханический затвор; 9 - система регистрации и обработки информации и управления эталоном; 10 - система термостатирования.

В эталоне также используется „мелкая" дифракционная решетка, которая расширяет его возможности, позволяя осуществлять поверку средств измерений в диапазонах мощности и энергии (10-2 - 10 3) Вт, (Ю-2 - Ю-3) Дж. При использовании „мелкой" дифракционной решетки также реализуется второй вариант, при котором эталонный и поверяемый преобразователи одновременно воспринимают пучки излучения, при этом в нулевом порядке дифракции установлен эталонный, а в плюс или минус первом порядке дифракции измерительный преобразователь поверяемого средства измере-ний.Подача излучения в оба преобразователя исключает необходимость в стабилизации излучательных параметров лазера и существенно сокращает время, требуемое для передачи размера единицы мощности и энергии.

В соответствии со структурной схемой (рис. 2) процесс передачи размера единицы от национального эталона поверяемому средству

измерений протекает следующим образом. Лазерное излучение с длиной волны 0,5 мкм (лазер 1) или 10,6 мкм (лазер 1а) проходит через единую для обеих длин волн формирующую оптическую систему 2 и попадает на делитель 3 в виде голографической дифракционной решетки. Дифрагировавшие в +1-й и -1-й порядки одинаковые по мощности пучки (с точностью до погрешности деления) направляются во входные апертуры измерительных преобразователей 4 и 5. При использовании „мелкой"дифракционной решетки рабочими являются нулевой и плюс или минус первые порядки дифракции. Излучение нулевого порядка направляется в эталонный, а плюс или минус первого порядка - в измерительный преобразователь поверяемого средства измерений, при этом мощности пучков на входе каждого преобразователя известны с точностью до погрешности деления. В рассматриваемой схеме предполагается, что оба преобразователя калориметрического типа, поэтому предусмотрены устройства электрического замещения 7 и термостатирования 10. Если поверяемый преобразователь другого принципа действия, то надобность для него в устройствах 7 и 10 отпадает. Выходные сигналы преобразователей 4 и 5 вводятся в электронную систему измерений 6, совместимую с устройством управления 9 с ЭВМ типа IBM, обеспечивающим управление процессом воспроизведения и передачи размера единицы, а также регистрацию и обработку информации, поступающей из системы 6. При передаче размера единицы энергии в оптический тракт вводится электромеханический затвор 8, вырезающий импульс излучения с нормированной длительностью.

Процедура воспроизведения и передачи размера единицы средней мощности состоит из трех этапов.

На первом этапе имеют дело только с эталонным преобразователем, характеризуемым коэффициентом эквивалентности К^ки замещения оптической мощности электрической. В его рабочий и идентичный ему компенсационный приемники подаются одновременно оптическая Р0нт и электрическая Рэл мощности, соответственно, и измеряются выходные электрические сигналы Vi (с выхода рабочего приемника) и V2 (с выхода компенсационного приемника).

Второй и третий этапы направлены на расширение диапазона применимости существующего способа воспроизведения и повышения его точности.

На втором этапе в рабочие и компенсационные приемники эталонного и поверяемого преобразователей одновременно подается одинаковая электрическая мощность и измеряются выходные сигналы приемников эталонного преобразователя Upa6 .эт, и.компэт и поверяемого преобразователя Upao поа, UkOMn.noo, после чего вычисляются отношения выходных сигналов:

м= Ц>аб.эт . м^ иР"б-"о» /«>

и ' и

^комп.эт ^ КОМ П. ПО 8

На третьем этапе осуществляется подача одновременно таких же оптической и электрической мощностей в оба преобразователя, причем параллельно Ропт подается в рабочие приемники, а Рэл ~ в компенсационные приемники обоих преобразователей, и измеряются выходные сигналы рабочего У3 и компенсационного У4 приемников поверяемого преобразователя и повторно измеряются сигналы, обозначаемые как V-!' и У2\

По результатам измерений определяется размер воспроизводимой единицы средней мощности лазерного излучения:

Poпт=мT]bг/^'Pr,, (2)

а также коэффициент эквивалентности кв замещения поверяемого преобразователя:

и- _к1эо-УУ2 М ...

При воспроизведении размера единицы энергии оптико-механическим затвором вырезается из непрерывного излучения прямоугольный импульс, длительность Топт которого измеряется с

высокой точностью. Тогда энергия определяется по формуле:

Ропт = ^опт ' "^опт •

где Ропт

определяется по формуле (2). В обмотку замещения поверяемого преобразователя подается

импульс электрической энергии . = Рзл • Тзл = I ■ и ■ Тэл, где

Рзл - электрическая мощность в обмотке замещения поверяемого

измерительного преобразователя; Тм - длительность электрического

импульса; I, и - ток в обмотке замещения и напряжение на ее зажимах, соответственно.

По результатам измерений определяется коэффициент эквивалентности Кзжв замещения оптической энергии у поверяемого измерительного преобразователя:

V р'

0Г1Т ЗЛ /сч

"■Зэк в- р ~ ТГ~Тэл •

ГОПТ ' '•ОПТ *зл

где Уопт , Уэл- выходные сигналы поверяемого измерительного

преобразователя при воздействии оптической и электрической энергии, соответственно. Состав эталона представлен на рис. 3. Основные метрологические характеристики эталона удовлетворяют следующим требованиям:

1) размер единицы мощности лазерного излучения, хранимый и передаваемый поверяемому (аттестуемому) средству измерений, находится в диапазонах : I. (0,1 - 2) Вт, Х= 0.5; 10.6 мкм; И. (10-г - Ю-3) Вт, А.= 0.5 мкм;

2) размер единицы энергии импульсного лазерного излучения, хранимый и передаваемый поверяемому (аттестуемому) средству измерений, находится в диапазонах: I. (0,1 - 2) Дж, А= 0.5; 10.6 мкм; II. (Ю-2-Ю-3)Дж, к= 0.5 мкм;

3) рабочие длины волн лазерного излучения 0,5 и 10,6 мкм;

4) суммарная погрешность эталона, выраженная в виде среднего квадратического отклонения результата измерений единицы средней мощности и энергии не превышает: 0,15-10"2 и 0,20-10'2,

соответственно, для диапазона I- 0.5-Ю-2 и 0.5-102, соответственно, для диапазона II;

5) погрешность передачи Ьцр размера единицы мощности и единицы энергии поверяемому (аттестуемому) средству измерения в

диапазоне I не превышает 0,15-10"2 и 0,20-10"2, соответственно, а в диапазоне II - 0.5-10-2 и 0.5-10 2, соответственно.

Основным ответственным за точность аппаратуры воспроизведения и хранения размеров единиц элементом эталона является первичный измерительный преобразователь (ЭПИП) (рис. 4). В основу работы ЭПИП положен калориметрический принцип, суть которого состоит в генерировании термоэдс, прямо пропорциональной выделяемому в приемном элементе тепловому потоку под воздействием лазерного излучения.Конструкция ЭПИП во многом аналогична конструкции измерительного преобразователя российского первичного эталона единицы средней мощности лазерного излучения и представлена на рис. 4. Как видно из рис. 4, ЭПИП содержит два идентичных приемных элемента, обозначенных на рисунке как „рабочий приемник" и „компенсационный приемник". Оба приемных элемента расположены в цилиндрических выемках пассивного термостата 1.

тэ я о

Ж

ш

в я о я

О"

Я с

а (а

и п

та я

0

1 о

я я в

и

а

" тэ

я о 2 ^ ьа Я п> Я!

2 о

В я о

и я

п "О 1 Я

я

Блок свидетеля

Аппаратура передачи размера единиц средней мощности и энергии лазерного излучения

Термоэле- Механизм перемещении

Поглоти- / зеркала

мент тель /

^Система управ-I ления эталоном | средней мощнос-| ти и энергии

Поворотное

ю и*

Рис. 4. Устройство ЭПИП 1- пассивный термостат; 2 - приемное основание; 3 - обмотка электрического нагревателя; 4 - термобатареи; 5 - корпус; 6 - изолирующая пластинка; 7 - терморезистор; 8 - направляющая втулка.

Устройство приемного элемента обеспечивает высокую степень эквивалентности воздействия на приемное основание 2 как оптической мощности излучения, так и электрической мощности замещения, подводимой к обмотке нагревателя 3, расположенной на приемном основании. Выделившееся на нем тепло перетекает по стенкам приемного элемента и его фланцу на пассивный термостат. Хороший тепловой контакт фланца с блоком 1 обеспечивается стяжкой с помощью болтов (на рисунке не указаны). Сигнал измерительной информации от воздействующей на приемное основание мощности вырабатывается с помощью радиальных термобатарей 4, расположенных по обеим сторонам фланца и фиксирующих падение по нему температуры при перетоке тепла от центральной области фланца к термостату. Последний вместе с приемными элементами помещен в наружный корпус 5 и отделен от него теплоизолирующими прокладками 6. Для контроля и учета изменения температуры блока 1

используется зачеканенный в его тело терморезистор 7. Юстировка с целью полного попадания лазерного излучения в приемный элемент осуществляется с помощью втулки 8, выводы термобатарей и обмоток нагревателей рабочего и компенсационного приемников присоединены к трем разъемам.

Все вышеописанные конструктивные меры приняты, главным образом для, повышения стабильности коэффициента преобразования ЭПИП, т.е. для минимизации его случайной погрешности. Систематическая погрешность практически полностью исключяется при периодической (раз в 1,5 - 2 года) поверке ЭПИП на российском первичном эталоне единицы средней мощности лазерного излучения.

ЭПИП имеет следующие технические характеристики:

рабочие длины волн лазерного излучения , мкм 0,5:10,6

диапазон воспроизводимых значений средней мощности, Вт 0,1 - 2,0

коэффициент преобразования при измерениях электрической мощности (0,9 ± 0,1) Вт должен быть не менее, В/Вт 5-Ю'3

различие коэффициентов преобразования по электрической мощности рабочего и компенсационного приемных элементов не более, % 5

диаметр входного отверстия, мм 8

постоянная времени не более, с 100

сопротивление термобатарей не более, Ом 700

Детальным экспериментальным исследованиям ЭПИП и аппаратуры воспроизведения и хранения единиц в целом предшествовало теоретическое изучение его основных влияющих на точность метрологических параметров: коэффициентов поглощения полости приемного элемента ЭПИП и эквивалентности тепловых потерь (замещения). При этом предполагается,что во входное отверстие приемного элемента поступает излучение лазера энергии <3в. Часть этого излучения с энергией <3вы* выходит наружу через входное отверстие. Остальная часть излучения поглощается основанием и стенками корпуса приемного элемента. Поглощенная энергия большей частью будет отводиться через фланец в пассивный термостат, а частью уходить по подводящим проводам обмотки замещения и переходить на стенки термостата путем излучения и теплопроводности воздуха. Обозначив соответственно <3С , С>„ и С?т энергии указанных частей излучения, согласно закону сохранения энергии получим:

<Зв=<2вы* + Рс+<5п + Рт- (6)

При исследовании коэффициента поглощения оценивалась величина а оценка коэффициента эквивалентности замещения

сопровождалась расчетом величин Ос, С?п и От и их отличий от соответствующих величин , и при электрическом

замещении.

При расчете коэффициента поглощения предполагалось, что приемный элемент представляет собой полость V, ограниченную поверхностью О (см. рис. 5), состоящую из круга А, цилиндра В и полусферы С. В полости имеется входное отверстие Б, через которое поступает излучение лазера с мощностью Рв.

Предполагается, что:

1) при попадании луча в точки круга А происходит диффузное отражение с поглощением; р - коэффициент отражения;

2) при попадании луча в точки 0\А происходит зеркальное отражение;

3) каждый луч, вошедший в полость V через отверстие Б, прежде чем снова выйти из V, хотя бы один раз попадает в круг А.

Выполнение первых двух условий обеспечивается используемыми покрытиями. Выполнение условия 3 обеспечивается геометрией приемного элемента (отметим, что это условие выполняется для любой диаграммы направленности излучения лазера).

Часть мощности Рв в результате отражений от поверхности поглощается стенками полости (согласно условию 1 поглощение происходит при попадании луча в круг А), а часть мощности, обозначаемая Раых, после всевозможных отражений выходит через отверстие Б наружу. Коэффицентом поглощения полости является величина:

с

а=л+в+с в

Рис. 5. Приемный элемент ЭПИП.

а = 1_Рвых1 (7)

которая характеризует долю мощности, поглощенной полостью, р

Отношение может быть оценено при решении интеграль-

"в

ного уравнения переноса излучения, описывающего процесс поглощения и отражения излучения в области V. Для составления этого уравнения необходимо предварительно вычислить так называемые угловые коэффициенты, через которые выражаются ядра соответствующих интегральных операторов.

Однако, явное вычисление угловых коэффициентов удается провести только в самых простых случаях, например, если полость V представляет собой шар или цилиндр. При более сложных конфигурациях полости V применяют различные приближенные методы расчета на электронных вычислительных машинах, среди которых одним из самых распространенных является метод Монте-Карло. Недостатками этих методов являются, во-первых, их значительная трудоемкость, а, во-вторых, трудности с определением погрешности метода.

В последнее время для решения ряда задач аналогичного характера применяются методы, позволяющие свести рассматриваемые системы к „бильярдным динамическим системам", изучение которых может быть осуществлено в рамках теории динамических систем и эргодической теории. При помощи этих методов была получена оценка снизу для коэффициента поглощения а.

Результирующая формула для оценки а выглядит следующим образом:

Рвмх < Р 'тах 'шал

в ' ~ Р Фтах ср ^ — Р Фтах 'ср

где эф) и з(А) - площади областей Б и А на поверхности

Оценим коэффициент поглощения а рассматриваемого приемного элемента. В этом случае Б - это диск радиуса г, а А - это основание приемника, т.е. диск радиуса К, так что 5(0)=лг2, 5(А)=т1112 Согласно формуле (8) получим:

Риых < Р__'тах Г Г 1

Рв "1-рФтах 1ср ^ '

Окончательно получим искомую оценку для коэффициента поглощения приемного элемента:

Для вычисления коэффициента поглощения приемного элемента принимаем следующие значения:

И. = 15-КГ3 м; г = 4-10"3 м; р = 0,85-10"2; сртах=2,3;

Подставляя эти значения в формулу (9), получим а > 0,9978.

Полученное значение представляет собой оценку снизу для коэффициента поглощения. Истинное значение коэффициента поглощения может оказаться несколько выше по следующим причинам. Во-первых, в приведенных выше оценках интеграл от интенсивности по множеству Ао заменялся своим наибольшим значением 1тах ц(А0). Получение более точной оценки этого интеграла

требует подробной информации о структуре множества Ао, что представляет собой довольно трудную геометрическую задачу. Во-вторых, в приведенном выше расчете не учитывалось, что при отражении от поверхности цилиндра и сферы полости происходит (правда, весьма незначительное) поглощение.

Отметим также, что полученная нами оценка (8) не зависит от геометрии множеств А и Б и весьма слабо зависит от геометрии поверхности С2 и диаграммы направленности источника излучения.

Приведем расчет погрешности определения коэффициента поглощения. Из формулы для с.к.о. получаем погрешность проведенной оценки:

(9)

= 3,5;

1СР= 0,285

1ср

ср

О* =

'да

чЗр

да 3Фта:

«-2 ( да СУ + -

"Ртм (.а I

шах

а? +

*та*

'я ^ да

срУ

с* +

'ср

(9а).

Вычисляя частные производные

да да

да да да

др' Зфтах' а!тах' 51'

да

и -— при указанных выше значениях параметров и подставляя д г

полученные значения в формулу (9а), а также значения случайных погрешностей <7,^ = 0,026%, а, = 0,020%,

СТр = 0,010%,

СУК =0,014%, СГГ = 0,012%, для среднего

квадратического отклонения получим Оа = 0,8 • 10"4.

Для определения коэффициента эквивалентности замещения пришлось учесть разницу в распределениях тепла по поверхности приемного элемента, вызванных излучением лазера и электрической обмоткой замещения, и найти потери тепла посредством излучения, теплопроводности по воздуху и по проводам обмотки замещения.

Уравнение, описывающее поле температур Т приемника в цилиндрической системе координат (х, г, Э) (рис. 5), имеет вид:

дгТ 15 ЗТ 1 д2Т .

—_ +--г— + —~ = 0

дх тдт дт ггд92

(10)

с краевыми условиями:

ЭТ дх'

О

к

(И)

на основании приемного элемента, где: 0 - плотность источников тепла; А.т - коэффициент теплопроводности при условии малости отношений

2Я

■ = е

2Я

£1.

где 8 - характерная толщина корпуса приемного элемента;

h - период рифления основания приемного элемента;

R- радиус основания.

Решение задачи последовательно по элементам контура приемного элемента с учетом передачи тепла по токовым и потенциальным проводам позволило найти значение коэффициента эквивалентности тепловых потерь 0.99674 с неисключенной систематической погрешностью Б.З-Ю-^/о и со средним квадратическим отклонением 1-105 %.

Основными ответственными за точность аппаратуры передачи размеров единиц элементами эталона являются делители излучения на „глубокой" и „ мелкой" дифракционных решетках. Они подверглись детальным теоретическому и экспериментальным исследованиям.

В соответствии с техническими требованиями эталон должен передавать размер единицы мощности и энергии лазерного излучения в двух диапазонах: (0.1 - 2) Вт, (0.1 - 2) Дж и (10-2 - 10-3)Вт, (102 - 103) Дж. Для обеспечения этих требований в эталоне используются в качестве делителей лазерного излучения „глубокие" с отношением глубины штриха h к длине волны излучения ЫХ « 0.27 и „мелкие" с h/A. < Ю-3 дифракционные решетки с симметричным профилем штриха, выполненным в форме усеченной синусоиды.

„ Мелкая" дифракционная решетка устанавливается под углом, не превышающим 5°, к падающему потоку излучения, при этом рабочими являются нулевой, в котором устанавливается эталонный измерительный преобразователь, и плюс (или минус) первый порядок дифракции, в котором устанавливается измерительный преобразователь поверяемого средства измерений. „Глубокая" дифракционная решетка используется в схеме нормального падения лазерного излучения, при этом рабочими являются плюс и минус первые порядки дифракции, в одном из которых установлен эталонный измерительный преобразователь, а в другом измерительный преобразователь поверяемого средства измерений.

При построении „мелкой" дифракционной решетки, варьируя отношением h/A., добиваются максимального сосредоточения мощности (энергии) лазерного излучения в нулевом порядке дифракции, при этом коэффициент деления Кд S 102.

При построении „глубокой" дифракционной решетки, наоборот, стремятся максимально подавить нулевой порядок, а для использованных симметричных порядков дифракции (±1) из соотношения взаимности при симметричности периодической структуры дифракционной решетки и нормальном падении излучения на ее поверхность априорно справедливо равенство:

е>ей • (12)

Погрешность оптического делителя формируется из двух групп составляющих:

- обусловленных погрешностью его аттестации;

- связанных с изменением пространственных и поляризационных характеристик воздействующего лазерного излучения.

В первую группу входят случайные погрешности измерений значений V0; V0; V,; V,',

где: V0;V0-показания первого измерительного преобразователя при положении делителя в исходном состоянии и повернутом на 180°, соответственно;

Vj; V, - показания второго измерительного преобразователя n;v'.

аналогичных положениях делителя. Среднее квадратическое отклонение случайной погрешности измерений Кд находится по формуле:

<тКд = О,5^а20 + а2о+<т21+ст2.. (13)

Вторую группу формируют составляющие, обусловленные зависимостью коэффициента деления от перераспределения плотности мощности (энергии) в поперечном сечении пучка лазерного излучения 0ху, ухода оси диаграммы направленности 0р, и составляющая © , зависящая от изменения поляризации излучения лазера.

Составляющая 0ху может быть охарактеризована как

зависимость Кд от места попадания пучка излучения на рабочую поверхность дифракционной решетки и отражает неравномерность свойств дифракционной решетки по рабочей поверхности. Оценка 0ху

производится по верхнему пределу измерения К™8* относительно

среднего значения К^:

°ху" ДКф Л|-Ю0%. (14)

Изменение поляризации воздействующего лазерного излучения и уход диаграммы направленности являются взаимосвязанными

факторами, так как только для одной из поляризаций (ТЕ или ТМ) с высокой эффективностью происходит дифрагирование. Для другой поляризации подавляющая часть мощности падающего излучения испытывает зеркальное отражение. Такая ситуация представляет собой идеализацию, которая позволяет наглядно оценить влияние поляризации и ухода оси диаграммы направленности падающего излучения на изменение Кд.

В работе проведена оценка влияния на дифракционную эффективность изменений поляризации и отклонения угла падения излучения от нормали по углам 8 и ф, где 0 - угол падения (0 « 1 ф - азимутальный угол в плоскости решетки. В случае линейной поляризации изменение абсолютного значения дифракционной эффективности е на 0,2% соответствует Дф=2,5°, при этом коэффициент деления Кя = е+11 е., остается равным единице.

В случае эллиптической поляризации, когда одна из осей эллипса совпадает с направлением, от которого отсчитывается угол ф, зависимость от угла ф остается количественно такой же, как и для линейной поляризации.

Таким образом, отклонение угла падения излучения по ф влияет только на абсолютное значение е, при этом Кд остается равным единице при любом виде поляризации. При плоско-поляризованном излучении подлежат рассмотрению два варианта: первый, когда плоскость падения параллельна штрихам решетки, и второй, когда плоскость падения перпендикулярна им. В первом случае влияние отклонения по углу 0 сказывается только на абсолютном значении е, при этом Кд остается равным единице. Во втором случае возникающая асимметрия значений е+1 и е.! оказывает влияние и на значение Кд

Изменение значения Кд на 0,1% при минимальном значении [3=0,4 соответствует 0 = 15', а при (3 = 1 соответствует 0 = 10.

Наличие двух линейных поляризаций (эллиптическая поляризация) изменяет ситуацию по сравнению с одной линейной поляризацией. Суммарный по поляризациям коэффициент деления становится менее чувствительным к изменению угла 0, при этом зависимость е от 0 остается линейной. Изменение значения Кд на 0,1% при тех же значениях р достигается, соответственно, при 0 = 24 и 0=12'.

При экспериментальном определении составляющей погрешности, обусловленной изменением поляризации и уходом оси диаграммы направленности лазерного излучения, ее расчет производился по формуле:

К-П+Рх _ 1<-(П+Р)т.>1

где Кд4(и - коэффициент деления при нормальном падении излучения;

к?4*- " максимальное отклонение значения коэффициента деления.

Результаты исследований двух глубоких дифракционных делителей для длин волн 0,5 и 10,6 мкм приведены в табл. 4.

Таблица 4

Значения составляющих погрешности дифракционных делителей

Составляющие погрешности Обозначение Оценка составляющих погрешности,%

А. = 0.5мкм X = 10,6мкм

С.к.о. результатов измерений средних значений выходных показаний средств измерений Ч 0,036 0,052 0,028 0,034 0,025 0,032 0,047 0,042

Составляющая погрешности, обусловленная зависимостью коэффициента деления Кд от места попадания пучка излучения на рабочую поверхность дифракционного делителя 0ху 0,008 0,012

Составляющая погрешности, обусловленная зависимостью Кд от изменения поляризации и ухода оси диаграммы направленности лазерного излучения 0р +0п 0,078 0,086

В мелких решетках доля энергии падающей волны, ответвляемой решеткой в дифрагировавший пучок п-го порядка дифракции, когда плоскость падения перпендикулярна к штрихам решетки, определяется соотношением:

.„.ы2^. по

где 0П - угол дифракции п-го порядка;

0 - угол падения лазерного излучения; ц/п - нормированная комплексная амплитуда дифрагировавшей волны.

На основании скалярной теории дифракции Кирхгофа для ТЕ - поляризации, когда вектор Ё падающей волны параллелен штрихам решетки, доля энергии определяется как:

45т(плт/?) И

п I

СО50СО50П, (17)

п 0 Л

где р = —; а- ширина штриха. С1

Для ТН - поляризации, когда вектор Н падающей волны параллелен штрихам решетки, эта доля энергии определяется как:

еп = Яа-еп. 08)

.2

где: Яп «1 +

п-Х У

•соб©/

При соблюдении условия « 1, Ип я 1 и, следовательно,

а

еп = еп, а вносима я при этом погрешность, обусловленная поляризационными эффектами, равна | " ^ | , что при коэффициенте

ЧС1-СО50/

2 3

деления Кд=10 -г 10 и условном разделении пучков 0,1 рад приводит к значениям беп*(0,2 -г 0,3)%.

Источником другой значимой составляющей погрешности передачи размеров единиц мощности (энергии) являлась нестабильность мощности лазерного излучения.

Одновременность измерения средней мощности лазерного излучения с помощью измерительных преобразователей эталона и поверяемого средства измерения в значительной мере снижает требования к стабильности выходной мощности источника лазерного излучения.

Погрешность, обусловленная нестабильностью выходной мощности лазерного излучения, определяется как:

. [ээ(0-9пс(01*РОпт(0

р • ^

гопг0

где: * - обозначает свертку функции;

9э(0 и 9Пс(0" импульсные переходные характеристики соответственно измерительных преобразователей эталона и поверяемого средства измерения;

Ропг0 " среднее значение мощности излучения во время проведения измерения; I - момент времени измерения выходных сигналов.

Из выражения (19) следует, что значение ДР при определенном виде Ропт (1) зависит от степени отличия импульсных характеристик

9,(0 и дпс(0-

Так как постоянные времени калориметрических измерительных преобразователей близки по своим значениям, то разность импульсных характеристик |дэ(1)-дпс(0] стремится к нулю. Поэтому большие

вариации Ропт (1) приводят к незначительной погрешности и значение

ДР определяется разностью [д3(0~9пс(0] •

При работе на эталоне энергия, поступающая на вход поверяемого средства измерений, формируется оптико-механическим затвором из непрерывного лазерного излучения Р0пт0 , и ее значение определяется выражением:

Qoпт = ^и ' Ропт0 , (20)

где тн - длительность импульса излучения, равная ~1 с.

Выражение (20) позволяет определить значение энергии, если в течение некоторого интервала времени, предшествующего началу импульса и близкого к времени протекания переходного процесса, в измерительном преобразователе эталона не происходили резкие изменения мощности излучения. В противном случае значение энергии будет определено с погрешностью До . В процессе аттестации эталона

дня длин волн 0.5 и 10.6 мкм были определены значения средних квадратических отклонений сто* и ooq погрешностей ДР и Aq , приведенные в табл. 5.

Таблица 5

Значения составляющих погрешности <Тот и CT0q

Составляющие погрешности Обозначение Оценка составляющих погрешности, %

X = 0,5мкм X = 10,6мкм

Составляющая погрешности, обусловленная нестабильностью выходной мощности лазерного излучения при передаче размера единицы средней мощности 0,060 0,070

Составляющая погрешности, обусловленная нестабильностью выходной мощности лазерного излучения при передаче размера единицы энергии 0,05 0,05

Исследования суммарной погрешности национального эталона (НЭ), выраженной в виде среднего квадратического отклонения результата измерений при его сличении с первичным эталоном, а также воспроизведения размера единицы энергии, были выполнены на ЭПИП и аппаратуре измерений средней мощности и энергии НЭ с учетом паспортных данных измерительных приборов, а также метрологического затвора. В табл. 6 приведены значения составляющих погрешности, учитываемых при определении и

Значения 5£см и 52э, с учетом приведенных значений

составляющих погрешности табл. 5, равны 0,10% и 0,12%, соответственно. Определение значений суммарных погрешностей и 5£э

проводилось для уровня средней мощности 0,3 Вт, а энергии 0,3 Дж.

В табл. 7 приведены значения составляющих погрешности, учитываемых при определении 5еЕсм и 8е5:э для „глубокой"

дифракционной решетки.

Значения 5е2см с учетом приведенных значений составляющих

погрешности равны 0,11% и 0,10% для длины волн 0,5 и 10,6 мкм, соответственно.

Значения 5е£э равны 0,15 и 0,14% для длины волн 0,5 и 10,6 мкм, соответственно.

Таблица 6

Значения составляющих погрешности учитываемых при определении

$1см И ^Еэ

Составляющая погрешности Обозначение Оценка составляющей погрешности, %

С.к.о. погрешности воспроизведения размера единицы средней мощности ПЭ СМ S 0,03

Н.с.п. воспроизведения размера единицы средней мощности ПЭ СМ 0,04

Погрешность передачи размера единицы от ПЭ СМ к вторичным эталонам Ses 0,1

С.к.о. погрешности измерения отношения электрических сигналов при определении Кэ на первичном эталоние средней мощности (ПЭ СМ) Sov 0,04

Н.с.п. измерения электрической мощности на ПЭ СМ ®орэ 0,01

Выраженная в виде с.к.о. основная погрешность ЭПИП Sun 0,06

С.к.о. погрешности измерения электрических сигналов при передаче размера единицы средней мощности поверяемым СИ S()CM 0,059

С.к.о. погрешности измерения длительности импульса излучения, формируемого оптическим затвором s3 0,07

В табл. 8 приведены значения составляющих погрешности, учитываемых при определении 8с1си и 3(;2э в схеме эталона с „мелкой"

дифракционной решеткой с коэффициентом деления Кд = 122. С учетом приведенных значений составляющих погрешности ^см = 0-37% ; Б,,, = 0.39%.

Таблица 7

Значения составляющих погрешности при определении 5г£см и 5гХг1 для „глубокой" дифракционной решетки

Составляющие погрешности Обозначение Оценка составляющих погрешности %

к = 0,5мкм X = 10,6мкм

С.к.о. результатов измерений средних значений выходных показаний СИ, используемых при определении Кд 0,046 0,034 0,050 0,025 0,015 0,040 0,014 0,049

Составляющая погрешности, обусловленная зависимостью Кд от места попадания пучка излучения на рабочую поверхность дифракционного делителя ®*у 0,005 0,006

Составляющая погрешности, обусловленная зависимостью Кд от поляризации и ухода диаграммы направленности лазерного излучения 0,071 0,084

Составляющая погрешности, обусловленная нестабильностью выходной мощности лазерного излучения £>от 0,056 0,056

С.к.о. результата измерения длительности оптического импульса Эз 0,1 0,1

Таблица 8

Значения составляющих погрешности при определении 5е2см[ и Зе£э для схемы эталона с „мелкой" дифракционной решеткой

Составляющие погрешности Обозначение Оценка составляющих погрешности %

С.к.о. результатов измерений средних значений выходных показаний СИ, используемых при определении Кд Svo sv+1 0,052 0,048 0,2! 0,26

Составляющая погрешности, обусловленная зависимостью Кд от места попадания пучка излучения на рабочую поверхность дифракционного делителя ©xy 0,007

Составляющая погрешности, обусловленная зависимостью Кд от поляризации лазерного излучения ©n 0,2

Составляющая погрешности, обусловленная нестабильностью выходной мощности лазерного излучения So-t 0,056

С.к.о. результата измерения длительности оптического импульса s3 0,1

Пятая глава содержит результаты разработки, создания и метрологических исследований польского вторичного эталона (ВЭ) единицы энергии импульсного лазерного излучения малых уровней коротких длительностей, предназначенного для хранения единицы энергии импульсного излучения малых уровней и передачи ее размера средствам измерений, работающим на длинах волн 0,53 и 1,06 мкм в диапазонах энергии (10^ - 101) Дж при длительностях импульсов (10 ®-И О"3) с.

Блок-схема вторичного эталона приведена на рис. 6.

Рис. 6. Блок-схема ВЭ с использованием дифракционной решетки 1 - излучатель; 2 - оптическая система; 3 - делитель на дифракционной решетке с КД=КД|; 4 - делитель на дифракционной решетке с Кд=Кд2; 5 - ЭПИП ВЭ; б - поверяемое средство измерения; 7 - система измерений и регистрации ВЭ.

Вторичный эталон единицы энергии малых уровней получает размер единицы энергии от национального эталона единицы средней мощности и энергии лазерного излучения и предназначен для хранения размера этой единицы и передачи ее поверяемым средствам измерений.

Блок-схема описываемого способа передачи размера единицы энергии представлена на рис. 7.

В процессе передачи размера единицы на вход ЭПИП ВЭ подается оптический импульс известной энергии (20ПТ и регистрируется его выходной сигнал иопт. По этим двум значениям вычисляется коэффициент преобразования по оптической энергии:

Аопт = ;~- (20

Хопт

Затем в обмотку замещения ЭПИП ВЭ подается электрический импульс, энергия <3ЭЛ которого близка по значению энергии оптичес-

кого импульса. Регистрируется его выходной сигнал и,л и вычисляется коэффициент преобразования по электрической энергии:

Аэ„=^. (22)

1

Рис. 7. Блок-схема принципа работы ВЭ с использованием делителя на дифракционной решетке

1 - излучатель; 2 - делитель на дифракционной решетке; 3 - ЭПИП ВЭ; 4 - поверяемое средство измерений; 5 - система электрической калибровки; 6 - система измерения и регистрации ВЭ.

Вычисляется коэффициент эквивалентности Кэ воздействия на приемный элемент ЭПИП ВЭ оптической энергии и эквивалентной электрической энергии:

К,-^. (23)

Значение коэффициента Кэ фиксируется как результат передачи размера единицы энергии от одного эталона другому.

В режиме передачи размера единицы энергии от ВЭ поверяемым средствам измерений на первом этапе в ЭПИП ВЭ подается электрическая энергия и по измеренным значениям выходного сигнала У,л, а также напряжения Ц,л и тока 1ЗЛ на обмотке замещения и

длительности электрического импульса тм, определяется коэффициент

преобразования:

А»вНЬг- (24)

'эл кэл

На втором этапе одновременно подается оптическая энергия в ЭПИП ВЭ и поверяемое средство измерений. При этом по выходному сигналу U0onT, коэффициенту деления на дифракционной решетке Кд, коэффициенту эквивалентности Кэ, полученному при сличении, и коэффициенту преобразования Аэл, полученному на первом этапе,

рассчитывается энергия импульса лазерного излучения на входе поверяемого средства измерений.

Основную метрологическую нагрузку в схеме эталона несут делитель на дифракционной решетке и ЭПИП ВЭ. Состав эталона представлен на рис.8. Основные метрологические характеристики ВЭ удовлетворяют следующим требованиям:

1) размер единицы энергии лазерного излучения, хранимый и передаваемый аттестуемым средствам измерений, находится в диапазоне (Ю-3 - 2102) Дж;

2) рабочие длины волн лазерного излучения 1,06 и 0,53 мкм;

3) длительность лазерного импульса т > 5-10"8 с;

4) суммарная погрешность эталона, выраженная в виде среднего квадратического отклонения результата измерений S£q, не

превышает МО'2;

5) погрешность передачи, выраженная в виде среднего квадратического отклонения Se£Q, не превышает МО'2.

В качестве источника лазерного излучения на длине волны 1,06 мкм примененен лазер твердотельный импульсного типа ЛТИ-205 с доработками. Для длины волны 0,53мкм разработан преобразователь частоты лазерного излучения.

Лазер ЛТИ-205 для получения импульсов монохроматического когерентного излучения в частотном режиме состоит из излучателя на основе активного элемента YAG: Nd, блока питания БПЛ-66/ЗЗУ, блока питания БПЛ-75, блока управления затвором БУЗ- /4 и системы охлаждения типа УО-1.

Для использования лазера в режиме однократных импульсов разработана схема внешнего запуска.

Основные технические данные ЛТИ-205:

Длина волны излучения, мкм.............................................................1,06

-9

Длительность импульса, с, не более.....................................(10 -15) -10

Энергия в импульсе, Дж, не менее..................................................2 • 10 1

Расходимость, мрад, не более.................................................................3

Диаметр активного элемента, мм...........................................................6

Технический ресурс (число вспышек), не менее..................................10

Частота следования импульсов, Гц, не более.......................................50.

Основные технические параметры ПЧ:

Энергия импульса лазерного излучения на длине волны

0,53 мкм, Дж, не менее............................................................0,08;

Уход оси преобразованного излучения от оси основного

излучения (1,06 мкм), мрад, не более.......................................1,0;

Коэффициент подавления основного излучения с длиной

волны 1,06 мкм, не менее, отн. ед.............................................105;

Предельная частота следования импульсов, Гц...................................25;

Напряжение питания, В....................................................................27±3.

Оптическая схема ВЭ практически идентична таковой в ПЭ, отличие состоит лишь в использовании прозрачной „мелкой" дифракционной решетки в качестве делителя излучения. В связи с этим были теоретически рассмотрены специфические вопросы дифракции плоской монохроматической волны на прозрачной диэлектрической решетке с синусоидальным профилем и оценки погрешности, возникающей при уширении пучка в процессе его переотражений в прозрачной плоскопараллельной пластине. Были сделаны оценки для параметров решетки, обеспечивающих требуемый диапазон коэффициента деления Кд энергии излучения. Для ТЕ поляризации падающего излучения при угле падения 9 = 0 (нормальное падение) Кд = 102 при h * 3.3-Ю-2Я и Кд = 10* при h « 3.3-10->Х . Для ТМ поляризации при тех же значениях Кд отношения h/Я равнялись 5.7-10 2 и 5.7-Ю-4, соответственно.

Для ответвителя в целом полученные оценки справедливы с точностью до численного множителя порядка единицы. Следует обратить внимание, что для обеспечения коэффициента ослабления

П ж 1(Н при к ~ 1 мкм требуется решетка с очень малой глубиной о

профиля Ь«10Д. Анализ уширения дифрагировавшего пучка показал, что оно происходит в обоих направлениях оси X и по размеру значительно больше, чем для решетки синусоидального профиля.

Таким образом, использование последней более предпочтительно во избежание возможных погрешностей измерении приборами с небольшими размерами входной оптической системы.

В качестве ЭПИП был выбран конусный калориметрический приемник излучения, снабженный обмоткой замещения н имеющий следующие параметры:

диапазон измеряемой энергии на длинах волн

(0,48 * 1,06) мкм (102 -1,0 > Дж;

длительность импульсов излучения ^ _ с.

максимальная плотность импульсной мощности 5 10е Вт/см2;

коэффициент преобразования по энергии (5 - 8) мВ/Дж:

минимальный диаметр пучка излучения 3 мм;

диаметр входного окна 2 15 мм;

время установления показаний ¿7 с;

время между двумя измерениями < 5 мин;

выходное сопротивление £ 5 кОм:

сопротивление обмотки электрической калибровки 200 Ом.

Формула определения суммарной погрешности данного ВЭ выглядит следующим образом:

Я*» = ^ +51, +5}т +52м„ + 1(0* +0о\Эм). (25)

где: Б,- с.к.о. погрешности воспроизведения размера единицы на вышестоящем национальном эталоне (НЭ); 0,- н.с.п. воспроизведения размера единицы на вышестоящем НЭ;

Бег - погрешность передачи размера единицы от вышестоящего

НЭ данному ВЭ; Боу- с.к.о. погрешности измерения отношения электрических сигналов при определении коэффициента эквивалентности (Кэ) замещения на вышестоящем НЭ;

Б.щ - с.к.о. собственной инструментальной погрешности ЭПИП ВЭ;

0Одм - н.с.п. измерения электрической энергии замещения;

Боз - с.к.о. погрешности измерения электрических сигналов при

подаче энергии излучения на вход поверяемого средства измерений;

- с.к.о. погрешности измерения длительности импульса

излучения, формируемого оптическим затвором вышестоящего НЭ.

Большинство составляющих погрешности 5Еи были определены

для национального эталона единицы средней мощности и энергии.

Лишь Бнп специфична для используемого ЭПИП ВЭ, функциональная схема которого представлена на рис. 9 и потребовала специального рассмотрения.

Выражение для расчета Бия имеет вид:

где 0д - составляющая погрешности, обусловленная зависимостью коэффициента преобразования ЭПИП ВЭ от уровня измеряемой энергии;

0^ - составляющая погрешности, обусловленная зависимостью коэффициента преобразования ЭПИП ВЭ от диаметра пучка лазерного излучения;

0Х - составляющая погрешности, обусловленная зависимостью коэффициента преобразования ЭПИП ВЭ от длины волны лазерного излучения;

0ху - составляющая погрешности, обусловленная зависимостью коэффициента преобразования ЭПИП ВЭ от юстировки пучка лазерного излучения;

0, - составляющая погрешности, обусловленная изменением длительности импульса лазерного излучения.

(26)

12 3

Рнс.9. Функциональная схема ЭПИП ВЭ 1 - измерительный преобразователь; 2 - обмотка замещения; 3 - рабочий приемный элемент; 4 - компенсационный приемный элемент; 5 - термо-батарея; 6 - измерительный блок; 7 - источник напряжения калибровки; 8 - измеритель амплитуды импульсных сигналов; 9 - устройство компенсации начального сдвига нуля.

Результаты теоретического исследования этих составляющих представлены в табл. 9.

Значение инструментальной погрешности Б,,,,, рассчитанное по формуле (26), будет равно:

/о 82 + 0,352 + 0 52 +112 8,т = = о,86 %.

Погрешность оптического делителя формируется из двух групп: группы составляющих, обусловленных погрешностью его аттестации, и группы составляющих, связанных с изменением пространственных и поляризационных характеристик воздействующего лазерного излучения. Первая группа погрешностей теоретически рассмотрена в главе 4. Вторую группу-формируют составляющие, обусловленные: зависимостью коэффициента деления от перераспределения плотности энергии в поперечном сечении пучка лазерного излучения 0ХУ и

уширением пучка лазерного излучения, которые были также подробно исследованы в главе 4 и 5.

Таблица

Значения составляющих инструментальной погрешности, % ЭПИП ВЭ

Нанменованне составляющей погрешности Обозначение Значе

Составляющая погрешности, обусловленная зависимостью А от уровня измеренной энергии 0.Е

Составляющая погрешности, обусловленная зависимостью А от длины волны лазерного излучения ©л 0,3:

Составляющая погрешности, обусловленная зависимостью А от диаметра пучка лазерного излучения ®Ф 0,5

Составляющая погрешности, обусловленная зависимостью А от юстировки пучка лазерного излучения ©ху 1.1

Составляющая погрешности, обусловленная изменением длительности импульса лазерного излучения ®т 0

Погрешность 0» теоретически оценивается значение] (0,2 - 0,3) %, что хорошо согласуется с результатами эксперимента.

Теоретическое рассмотрение влияния нестабильности энергии н точность передачи размера единицы эталоном было проведено главе 4,

Экспериментально было получено значение погрешносп Дд = 0.0В %

Исследования суммарной погрешности ВЭ, выраженной в вид среднего квадратического отклонения результата измерений при еп сличении с вышестоящим НЭ, были выполнены в процессе ег< аттестации.

В табл. 10 приведены численные значения составляюшн: погрешности, учитываемых при определении Бда.

Расчет значения суммарной погрешности данного ВЭ с учетол составляющих погрешности, приведенных в табл. 10, дает значенш погрешности Бдо = 0.93%, что не превышает 1 %.

Таблица 10

Значения составляющих погрешности, сумарной погрешности Б^вэ

Составляющая погрешности Обозначение Оценка составляющей погрешности. %

Суммарная погрешность результата измерений при воспроизведении размера единицы энергии 5гэ 0,12

Погрешность передачи размера единицы от вышестоящего НЭ данному ВЭ ^ 0,15

С.к.о. погрешности измерения отношения электрических сигналов при определении коэффициента эквивалентности (Кэ) замещения на вышестоящем НЭ 5>оу 0,05

С.к.о. собственной инструментальной погрешности первичного измерительного преобразователя рассматриваемого ВЭ 0,9

Н.с.п. измерения электрической энергии замещения Зое« 0,01

С.к.о. погрешности измерения электрических сигналов при подаче энергии излучения на вход поверяемого средства измерения 5оэ 0,06

С.к.о. погрешности измерения длительности импульса излучения, формируемого оптическим затвором вышестоящего НЭ ^затв 0,07

В табл. 11 приведены значения составляющих погрешности, учитываемых при определении $егвэ .

Расчет значения погрешности передачи размера единицы энергии на двух длинах волн с учетом составляющих погрешности, приведенных в табл. 11, дает значение погрешности Зе£НЭ «0,20%.

Таблица

Значения составляющих погрешности при определении погрешносп передачи размера единицы &схвэ

Составляющая погрешности Обозначение ОЦСН! состав.™ погремлю

С.к.о. результатов измерений средних значений выходных показаний СИ, используемых при определении Кд ч V. ч, 0,01 0,01 0,05

0,05

Составляющая погрешности, обусловленная зависимостью Кд от места попадания пучка излучения на рабочую поверхность дифракционного делителя ®ху 0,00

Составляющая погрешности, обусловленная зависимостью Кд от поляризации лазерного излучения ©п 0,3

Составляющая погрешности, обусловленная зависимостью Кд от уширения лазерного излучения 0,07!

Составляющая погрешности, обусловленная нестабильностью энергии лазерного излучения до 0,08

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

Основным результатом диссертации явилось решение крупне важной и актуальной для Республики Польши научно-техническ проблемы - разработки основ и создания первоочередной национа; ной метрологической базы в области энергетической лазерометрии.

Конкретные результаты проведенных исследований мож сформулировать следующим образом:

1. Проведены и в основном закончены автором совместны« другими польскими и российскими учеными многолетние разработ* создание и исследования элементов, оптических устройств и систем использованием высокоэнергетнческих лазеров, предназначенных д проведения физических экспериментов, в первую очередь - со сжати плазмы.

2. Проведен аналитический обзор состояния и перспектив развития в Республике Польше и в ряде развитых стран лазерной техники, систематизированы и рассмотрены ее настоящие и будущие применения, определены энерге-тические, спектральные и временные диапазоны измеряемых величин.

3. На основе проведенного сравнительного анализа лазерной метрологической базы ряда развитых стран (США, ФРГ, России) впервые разработана обоснованная концепция создания в Республике Польше первоочередной эталонной и поверочной базы для средств измерений энергетических параметров лазерного излучения в области энергетической лазерометрии.

4. Разработана национальная (государственная) поверочная схема, регламентирующая передачу размеров единиц мощности и энергии от национального и вторичного эталонов рабочим средствам измерений.

5. Разработаны структурные схемы, определены составы, сформулированы технические, метрологические и эксплуатационные требования к эталонам.

6. Разработан, изготовлен, исследован и введен в эксплуатацию национальный эталон единиц средней мощности и энергии лазерного излучения (фото N1).

7. Теоретически исследованы определяющие точность эталонного первичного измерительного преобразователя коэффициент поглощения полости приемного элемента и коэффициент эквивалентности замещения тепловых потерь.

8. Теоретически исследованы доминирующие составляющие погрешности передачи размеров единиц средней мощности и энергии, вносимые эталонным делителем на отражательной „глубокой" дифракционной решетке с профилем в виде усеченной синусоиды и нестабильностью мощности лазерного излучения.

9. Экспериментально исследованы все метрологические характеристики национального эталона, установлены приписываемые ему значения погрешностей воспроизведения единиц средней мощности и энергии и их передачи вторичному эталону единицы энергии малых уровней коротких длительностей.

10. Разработан, изготовлен, исследован и введен в эксплуатацию вторичный эталон единицы энергии импульсного лазерного излучения малых уровней коротких длительностей (фото N2).

11. Теоретически исследованы специфические вопросы деления пучков лазерного излучения на „мелкой" прозрачной дифракционной решетке, служащей для передачи размера единицы энергии рабочим средствам измерений.

12. Теоретически и экспериментально исследованы специфичные для конусного приемного элемента эталонного первичного

измерительного преобразователя составляющие погре-шности, проведены экспериментальные исследования нестабильности энергии лазерного излучения.

□.Экспериментально исследованы все метрологические характеристики вторичного эталона, установлены приписываемые ему значения погрешностей передачи размера единицы энергии рабочим средствам измерений.

Фото N2. Вторичный эталон единицы энергии импульсного лазерного излучения малых уровней коротких длительностей

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

[1] J.Chlodzinski, A.Dubik, S.Kaliski, J.Marczak, W.Niedzielski, J.Owsik, Picosecond diagnostics of rapidly changing process. Biulletin de L'Academie Des Sciences, vol. 25, No 8,p.l01,1977.

[2] J.Badziak, J.Owsik, Eksperymentalne badania wzmocnienia impulsu laserowego w nieliniowych ukladach wieloskladnikowych, Biul.WAT, vol. 308, No 4, s.105, 1978.

[3] J.Chlodziriski, J.Marczak, J.Owsik, K.Zuber, Laser z samosynchronizacjq modow do diagnostyki procesow szybkozmiennych. Biul. WAT, vol. 312, No 8, s.105, 1978.

[4] A.Antonik, W.Niedzielski, J.Owsik, L.Szadziiiski, J.Terlecki, Metoda synchronizacji laserow w pikosekundowej diagnostyce procesow szybkozmiennych. Biul.WAT, vol. 312, No 8, s. 109, 1978.

[5] J.Badziak, K.Jach, W.Nowakowski, J.Owsik, W.Szypula, Deformacje czasowe impulsow fali czqstosci podstawowej i drugiej harmonicznej w krysztale nieliniowym. Biul.WAT, vol. 281, No 1, 1976.

[6] W.Nowakowski, J.Owsik, W.Szypula, Badanie przetwarzania promieniowania laserowego (WDH) w generatorze z elementem dyspersyjnym. VI Konferencja Elektronika Kwantowa i Optyka Nieliniowa EKON, Poznan 22-24.04.1974.

[7] T.Cesarz, J.Owsik, Badanie efektywnosci przetwarzania promieniowania k=l.Q6 fm na drugq harmonicznq. I Sympozjum Techniki Laserowej (STL), Torun 25-27.06.1984.

[8] A.Dubik, J.Marczak, J.Owsik, Laser wielofalowy do urzqdzenia Lidar. П STL, Szczecin, 7-10.9.1987.

[9] J.Marczak, R.Ostrowski, J.Owsik, A.Rycyk, A.Sarzyriski, Nd:YAG laser-oscillator with unstable resonator. 11th International Trade Fair and Insternational Congres Laser 93, Munich, 21-25.06.1993.

[10] J.Owsik, Patent Nr P-150966- Laser wielofalowy, 12.03.1991.

[lljs.Denus, ADubik, B.Kaczmarczyk, J.Makowski, J.Marczak, J.Owsik,

Z.Patron, M.Szczurek, Optimized four-channel Nd:glass laser system for compression experiments. Laser and Particile Beams, vol. 4, part 119- 139, 1986.

[12]S.Denus, A.Dubik, B.Kaczmarczyk, J.Makowski, J.Marczak, J.Owsik, Z.Patron, M.Szczurek, Optimized four-channel Nd:glass laser system for the investigations of spherical plasma compression. Optica Applicata, Vol. XVI, No 2,1986.

[13] A-Dubik, J.Owsik, ASarzynski, A.E.Danilow, W.W.Ortow, S.M. Sawczenko, G.W.Sklizkow, C.I.Fiedotow, A.L.Citrow, The influence of spatial coherence on the parameters of high power Nd:glass lasers. J.TechaPhys., vol.29, No 3-4,289-295, 1988.

[14]S.Denus, A.Dubik, B.Kaczmarczyk, J.Makowski, J.Marczak, J.Owsik, Z.Patron, M.Szczurek, Four channel Nd:glass laser system for fusion experiments. Second International Conference Trends in Quantum Electronics. Bucharest - Romania, 2-6.09.1985.

[15] A.Dubik, J.Godzik, J.Makowski, M.Mazur, J.Owsik, A study of the influence of the quantum converters on the efficiency of laser heads. J.TechaPhys. vol.29, No 3-4,377-384, 1988.

[16]S.Denus, A.Dubik, B.Kaczmarczyk, J.Makowski, J.Marczak, J.Owsik, Z.Patron, M.Szczurek, Zmodemizowany czterowiqzkowy system laserowy o mocy 0,2 TW na s:kle Nd przeznaczony do badan sferycznej kompresji plazmy. I STL, Toruri 27.06.1984.

[17]A.Dubik, J.Godzik, J.Makowski, J.Owsik, Badanie glowic lasera Nd o aperturach osrodkow czynnych 0 45 oraz 0 60 mm. I STL, Torun 2527.06.1984.

[18]A.Dubik, J.Godzik, J.Makowski, J.Owsik, Wplyw przeksztaltnikow kwantowych na sprawnosc glowic laserowych. II STL, Szczecin 710.09.1987.

[19]A.Dubik, J.Marczak, J.Owsik, A.Sarzynski, Laser beam propagation in high power laser systems. 21st European Conference on Laser Interaction with Matter, Warsaw - Poland, 21-25.10.1991.

[20] T.Cesarz, J.Owsik, Liquid crystal isolators for high power laser systems. 21st European Conference on Laser Interaction with Matter, Warsaw -Poland, 21-25.10.1991.

[21]N.E.Bykowskij, S.Denus, A.Dubik, W.W.Iwanow, J.Marczak, J.Owsik, J.Piotrowski, J.W.Senatskij, G.W.Sklizkow, Formirowanije subnano-sekundowych impulsow dla moszcznoj lazemoj ustanowski na nieodinowom stiekle. Kratkije soobszczenija po fizykie, No 11,1987.

[22]J.Badziak, J.Owsik, Pulses profiling in high-power lasers. J.Techn.Phys. vol. 19, No 3,307-319,1978.

[23]A.Dubik, KJach, J.Owsik, Z.Patron, Sterowanie rozkladem przestrzennym promieniowania w generatorze laserowym. IV Polsko-Czechoslowacka Konferencja Optyczna, Warszawa-Rynia, 19-22.09.1978.

[24]A.Dubik, J.Firak, KJach, J.Owsik, Dyfrakcja promieniowania na ostrych i profilowanych diafragmach. IV Polsko-Czechoslowacka Konferencja Optyczna, Warszawa-Rynia, 19-22.09.1978.

[25]ADubik, KJach, J.Owsik, Radiation difraction an sharp and profiled diafragms in high-power laser system.Theory and experiment. J.TechaPhys., vol. 20, No I, 63, 1979.

[26] A.Dubik, J.Owsik, A.Sarzynski, A study of propagation of laser radiation by Laguerre-Gatiss function method. Optica Applicata, vol.XVIII, No 2, 1988.

[27]A.Dubik, K.Jach, J.Owsik, Evolution of laser beam concentration taking account of diffraction effects. Optica Applicata, vol.X, No 3,1980.

[28] J.Chlodziñski, A.Dubik, J.Firak, J.Marczak, J.Owsik, Z.Patron, A.Rycyk, M.Szczurek, Study on the spatial filter in a high Nd:glass laser system. J.Techn.Phys. vol. 22, No 2. 1981.

[29]S.Denus, A.Dubik, S.I.Fiedotow, B.Kaczmarczyk, J.Owsik, Z.Patron, J.A.Senatskij, Badanie prózniowych flltrów przestrzennych w systemie lasera Nd o mocy 109 - IO,0W. I STL, Toruñ, 25-27.06.1984.

[30]S.Denus, A.Dubik, J.Marczak, J.Owsik, S.I.Fiedotow, J.A.Senatskij, Badanie izolatoraw Faraday'a o aperturach 025 i 050 mm stosowanych w systemie lasera Nd. I STL, Toruñ, 25-27.06.1984.

[31]S.Denus, A.Dubik, J.Owsik, J.W.Senatskij, G.W.Sklizkow, S.LFiedotow, Application of Faraday's Rotators in Supperession of reflected radiation in laser-target experiments. 5th International Conference on Laser and their applications, Dresden, GDR, 28.10-1.11.1985.

[32] T.Cesarz, A.Dubik, J.Kusnierz, J.Owsik, A.Szymañski, Liquid crystal isolators for high power laser systems. "Workshop" Iodine Laser and Applications. Bechyne, CSRR, 15-19.09.1986.

[33] T.Cesarz, ADubik, J.Kusnierz, J.Owsik, A.Szymañski, Badania polaryzatorówcieklokrystalicznych. II STL Szczecin 7-10.09.1987.

[34] .N.E.Bykowskij, S.Denus, ADubik, J.Owsik, W.W.Lisunow, J.W.Senatskij, S.I.Fiedotow, Primienienija wraszczatiela Faraday'a dla podwalenija otrazonogo ot miszeni izluczenija w opticzeskom traktie lazemoj ustanowki. Trudy Fizyczeskogo Instituía AN SSSR i. P.N.Lebiediewa, 1.178, 1987.

[35] J.Owsik, E.Szwajczak, A.Szymañski, Chiral mesomorphic materials as optical isolators for high energy laser systems. Conference Physics for industry, industry for physics. Cracow-Poland, 17-19.08.1991.

[36] J.Owsik, E.Szwajczak, A.Szymañski, Chiral mesomorphic materials as optical isolators for high power laser system. 11m International Trade Farir and International Congres Laser 93, Munich, 21-25.06.1993.

[37] J.Chlodziñski, A.Dubik, J.Firak, K.Jach, J.Marczak, J.Owsik, Z.Patron, A.Rycyk, Influence of apodization and filtration of high power laser system on the radiation characteristics in the environment of the focus focusing system. VIII Konferencja EKON, PoznaN 23-2504.1980.

[38]A.Dubik, KJach, J.Owsik, M.Szczurek, Influence of realy system in high power laser on the radiation characteristics in the environment of the focus. XII National Conference on coherent and nonlinear optics. Yerevan, USSR, 22-25.11.1982.

[39] J.Owsik, Pat. Nr 150279 - Uklady chlodzenia glowicy laserowej duzej mocy. 10.01.1991.

[40] J.Owsik, Pat. Nr 142129 - Komórka Pockelsa.3.05.1988.

[41] J.Owsik, Pat. Nr 142128 - Glowica laserowa. 17.08.1988.

[42] J.Owsik, Pat. Nr 150965 - Glowica laserowa A.03.1991

[43] J.Owsik, Pat. Nr 152916 - Przyrzqd do precyzyjnego ustawiania elementow optycznych zwlaszcza soczewek w filtrach przestrzennych lasera duzej mocy.20.09.1991.

[44] J.Owsik, Pat. Nr 152917 - Przyrzqd do precyzyjnego ustawiania elementu optycznego zwlaszcza pinhola w filtrze przestrzennym lasera duzej mocy. 20.09.1991

[45] J.Owsik, Pat. Nr 152914 - Przyrzqd do precyzyjnego ustawiania elementow optycznych zwlaszcza soczewek w filtrach przestrzennych lasera duzej mocy. 20.09.1991

[46] J.Owsik, Pat. Nr 152913 - Przyrzqd do precyzyjnego ustawiania elementu optycznego zwlaszcza soczewek w filtrach przestrzennych lasera duzej mocy. 20.09.1991

[47] J.Owsik, Pat. Nr P-273079 - Przyrzqd do precyzyjnego ustawiania elementu optycznego zwlaszcza pinhola w filtrach przestrzennych lasera duzej mocy.26.09.1991.

[48] J.Bialczak, T.Cesarz, S.Denus, J.Famy, A.Felski, ZJankiewicz, S.Kaliski, K.Kulicki, Z.Krzyzanowski, S.Nagraba, J.Owsik, P.Parys, L.Pokora, E.Woryna, J.Wolowski, Anomalous effects found when studing plasma in laser-solid experiment. VIII International Conference on Laser plasma fusion. Warszawa-Rynia, 19-12.05.1975.

[49] J.Bialczak, T.Cesarz, S.Denus, J.Faray, A.Felski, ZJankiewicz, S.Kaliski, K.Kulicki, Z.Krzyzanowski, S.Nagraba, J.Owsik, P.Parys, L.Pokora, E.Woryna, J.Wolowski, Badanie efektöw anomalnych wystqpujqcych w plazmie wytwarzanej intensywnq wiqzkq promieniowania laserowego. VII Konferencja EKON, Poznan 26-29.04.1976.

[50] W.Bobak, L.Borowicz, KJach, ZJankiewicz, A.Dubik, J.Owsik, J.Chlodzinski, Aparatura diagnostyczna do optycznej detekcji fal uderzeniowych i plazmy laserowej. VII Konferencja EKON, Poznan 2629.04.1976

[51] J.Chlodzinski, S.Denus, A.Dubik, A.Galkowski, KJach, J.Marczak, J.Owsik, Shock waves generated by a profiled laser pulse in plexiglass. XIII European Conference on Laser International with Matter. Leipzig, GDR, 1014.12.1979.

[52] J.Chlodzinski, S.Denus, A.Dubik, AGalkowski, KJach, J.Marczak, J.Owsik, A.Sarzyhski, Influence of temporal and energetic laser-pulse characteristics upon the parameters of shock waves generated in plexiglass. J.Techn.Phys., Vol. 21, No 4, 1980.

[53] ADubik, L.O.Zworykin, J.Owsik, W.M.Falczeniko, A.W.Fitalow, Osobiennosti maspierienosa zelieza i nikiela w materialach pri prochozdeni udarnych woln, generirowanych impulsnym izluczeniem. Mietalofizika, T.14,No 1, 1992.

[54] Z. Jankiewicz, J.Marczak, J.Owsik, Tasks and problems of optoelectronics metrology in the army. Metrology and measurements workshop proceedings. Brno-Czecho-Slovakia, 24-26.11.1992.

[55] J.Marczak, J.Owsik, A.Sarzynski, M.Szustakowski, Laserowy dalmier: lotniczy i wskaznik celu. I PETW (Problemy Eksploatacji i Techniki Wojskowej), Kiekrz, 15-18.04.1991.

[56] J.Owsik, Lasery stosowane w technice wojskowej. Odprawa kierowniczej kadry shizby metrologii wojskowej. Gdynia-Sopot, 18-20.05.1993.

[57] J.Marczak, J.Owsik, Parametry dalmierzy laserowych i ich pomiar. Odprawa metrologôw WP, Kiekrz, 27-30.04.1992.

[58] J.Owsik, The essential aspect of metrological protection of laser technology, Laser technology IV: Research trends, instrumentation and applications in metrology and materials processing, 26-30 September 1993, Szczcin-Swinoujscie, Poland, Proceedings SPIE, vol.2202, pp.330-332, 1995.

[59] J.Owsik, The tasks and problems of organization of optoelectronic laboratory for metrology, Laser technology IV: Research trends, instrumentation and applications in metrology and materials processing, 2630 September 1993, Szczcin-Swinoujâcie, Poland, Proceedings SPIE, vol.2202, pp.333-335, 1995.

[60] J.Owsik, Wzôr uzytkowy Nr 42838. Izolator Faradaya.25.08.1987.

[61] J.Owsik, Wzôr uiytkowy Nr 48146.Stojan do regulacji elementu optycznego, zwlaszcza filtru przestrzennego lasera duzej mocy. 26.04.1991.

[62] J.Owsik, The tasks and problems of organization of optoelectronic laboratory for metrology, Laser technology IV: Research trends, instrumentation and applications in metrology and materials processing, 26-30 September 1993, Szczcin-Swinoujscie, Poland, Proceedings SPIE, vol.2202, pp.333-335, 1995.

[63] J.Owsik, Analiza rozwoju bazy systemu zabezpieczenia metrologicznego techniki laserowej wPolsce. Metrology and measuring systems. T.1I, zeszyt 1, 73-80, PWN, Warszawa, 1995.

[64] Z.Jankiewicz, J.Owsik, Wzorce mocy i energii promieniowania laserowego. Odprawa rozliczeniowo-szkoleniowa kierowniczej kadry sluzby metrologii wojskowej. Rogowo, 11-13.05.1994.

[65] J.Owsik, Podstawy zabezpieczenia metrologicznego laserometrii energetycznej w Polscc. Metrology and measuring systems. T.II, zeszyt 1, 80-92, PWN, Warszawa, 1995.

[66] J.Owsik, Absorption coefficient of calorimetric receiver of average power laser radiation standard. J.Tech.Phys. in publication.

[67] J.Owsik, Wspôlczynnik absorpcji odbiornika kalorymetrycznego wzorca jednostki mocy sredniej promieniowania laserowego. Metrology and measuring systems. TII, zeszyt 3,236-239, PWN, Warszawa, 1995.

[68] J.Ovvsik, Blqd wspôlczynnika dzielenia dyfrakcyjnego przetwornika promieniowania laserowcgo. Metrology and measuring systems. T II, zeszyt 3, 227-234, PWN, Warszawa, 1995.

[69] J.Owsik, Metrological applications of calibrated diffraction gratings as splitters of laser radiation. 7th International Metrology Congress, Congress Materials Nimes - France, 17-19 October, 1995.

[70] Z.Jankiewicz, J.Owsik, A.F.Kotiuk, A.A.Liberman, M.V.Ulanovsky, Application of diffraction gratings as splitters of laser radiation. J.Tech.Phys. vol 36, No 3, pp 351-357, 1995.

[71] J.Owsik, Diffraction splitter of laser radiation with high splitting coefficient. J.Tech.Phys. vol.36, No 2, pp. 149-152,1995.

[72] Z.Jankiewicz, J.Owsik, A.F.Kotiuk, A.A.Liberman, M.V.Ulanovsky, Energy measurement of laser with Q-modulation. Proceedings Poland Chapter SPIE, vol.1, pp 8-17, 1994; Optoelectronic metrology; Laserometry, 19-21 September 1994, Laricut Poland.

[73] J.Owsik, Metrological instruments for energy measurements of laser working with Q-modulation. Laser 95, Munich Germany, Congress proceedings 19-23 June, 1995.

[74] Z.Jankiewicz, J.Owsik, AF.Kotiuk, A.A.Liberman, M.V.Ulanovsky, Metrological instruments for energy measurements of pulse laser radiation. J.Tech.Phys. in publication.