Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор методов и средств измерений пространственно-энергетических характеристик импульсного лазерного излучения и его метрологического обеспечения 13
1.1. Методы измерений пространственно-энергетических характеристик импульсного лазерного излучения 13
1.2. Средства измерений пространственно-энергетических характеристик импульсного лазерного излучения 22
1.3. Выводы и постановка задачи 33
Глава 2. Теоретические исследования точностных параметров матричных средств измерений пространственно-энергетических характеристик 35
2.1. Анализ составляющих основной погрешности матричных средств измерений диаметра пучка импульсного лазерного излучения 35
2.2. Оценка погрешности матричных средств измерений диаметра пучка импульсного лазерного излучения с учетом наличия некоторого числа неинформативных элементов 40
2.3. Оценка погрешности матричных средств измерений диаметра пучка импульсного лазерного излучения с учетом взаимовлияния измерительных каналов 47
2.4. Выводы 53
Глава 3. Теоретические и экспериментальные исследования формирователей нормированного распределения интенсивности в поперечном сечении пучка лазерного излучения 54
3.1. Расчет фотометрических устройств для формирования нормированного распределения интенсивности лазерного излучения 54
3.2. Экспериментальные исследования степени равномерности поля излучения в выходном окне фотометрического устройства на основе светопроводящего конуса 85
Глава 4. Разработка и метрологические исследования эталона единицы распределения плотности энергии и средства измерений пространственно-энергетических характеристик импульсного лазерного излучения 91
4.1. Комплекс средств измерений распределения плотности энергии Государственного первичного специального эталона ГЭТ 187-2010 91
4.2. Средство измерений пространственно-энергетических характеристик импульсного лазерного излучения СИПХ-1... 103
4.3 Метод калибровки матричного средства измерений распределения энергии в поперечном сечении пучка импульсного лазерного излучения 122
4.4. Выводы 128
Заключение 128
Литература
- Средства измерений пространственно-энергетических характеристик импульсного лазерного излучения
- Оценка погрешности матричных средств измерений диаметра пучка импульсного лазерного излучения с учетом наличия некоторого числа неинформативных элементов
- Экспериментальные исследования степени равномерности поля излучения в выходном окне фотометрического устройства на основе светопроводящего конуса
- Метод калибровки матричного средства измерений распределения энергии в поперечном сечении пучка импульсного лазерного излучения
Введение к работе
Актуальность
Совершенствование импульсной лазерной техники, развитие и применение импульсных лазерных систем практически во всех сферах человеческой деятельности стимулировали разработку, наряду со средствами измерений энергии, современных средств измерений параметров качества пучка (СИГЖП), обеспечивающих повышение точности измерений пространственно-энергетических характеристик. Так, для повышения точности траекторных лазерных измерений в системе ГЛОНАСС в связи с необходимостью увеличения концентрации энергии в пучке на 2-3 порядка, требуются СИГЖП, обеспечивающие измерения угла расходимости в секундном диапазоне с погрешностью, не превышающей 3-5%, что является сложной метрологической задачей.
Измерения параметров качества лазерного излучения основываются на использовании данных о распределении плотности энергии в поперечном сечении пучка, как в ближней, так и в дальней зонах. Распределение плотности энергии Н(х,у) лазерного пучка характеризуется пространственным распределением плотности излучаемой энергии, получаемой экспериментально с применением двумерной матрицы с высоким пространственным разрешением. Распределение плотности энергии является основной интегральной характеристикой поля излучения импульсных лазеров, по которой вычисляются все частные величины, такие как: ширина пучка, угол расходимости, параметр М и другие. Необходимо отметить, что основным частным функционалом этого поля, имеющим большое практическое значение как для лазерных систем, так и для калибровки соответствующих СИ является ширина пучка лазерного излучения (ЛИ).
В настоящее время в России единство измерений энергии импульсного лазерного излучения регламентировано разработанной в ФГУП «ВНИИОФИ» государственной поверочной схемой. Данная поверочная схема гарантирует калибровку и поверку средств измерений пространственно-энергетических характеристик в диапазоне углов расходимости 1-10 мрад и ширины пучка 1-50 мм. Для обеспечения требований системы ГЛОНАСС необходимо осуществлять измерения углов расходимости в диапазоне 75-150 мкрад. Для лазеров, работающих в нано-, пико-, а также в фемтосекундном диапазонах длительностей она регламентирует процесс калибровки и поверки средств измерений, существенно отличающихся по энергетическим, пространственно-энергетическим, временным, спектральным и точностным характеристикам.
Как следует из результатов исследований зарубежных и отечественных
авторов импульсных лазеров, задача формирования «эталонируемых»
импульсов излучения с нормированным распределением плотности энергии,
обладающих достаточной воспроизводимостью и энергетическим уровнем на
современном этапе развития лазерной техники является исключительно
сложной по целому ряду технологических причин, в связи с чем, очевидно,
что ни один из существующих типов импульсных лазеров не может с
достаточной степенью точности воспроизводить, хранить и передавать
единицу распределения плотности энергии. В связи с этим комплекс СИ для
воспроизведения единицы распределения плотности энергии импульсного
лазерного излучения может базироваться на эталонном первичном
измерительном преобразователе калориметрического типа с калиброванной
диафрагмой на входе. Для передачи единицы распределения плотности
энергии целесообразно применение специально отобранных и
исследованных пространственно-чувствительных приемников (ПЧП), обладающих высоким пространственным разрешением, малыми значениями взаимовлияния элементов (пикселов), высокой стабильностью чувствительности и линейностью. В качестве источников излучения
(компараторов) в системе передачи единицы распределения плотности энергии используются стабилизированные импульсные твердотельные лазеры, имеющие достаточный энергетический уровень и колоколообразный распределение профиля функции распределения.
В целом, следует отметить, что на сегодняшний момент актуальной является задача разработки, исследования и создания методов и средств измерений параметров качества импульсного лазерного излучения.
Цель и основные задачи диссертации
Цель настоящей работы: разработка методов и средств измерений параметров качества импульсных лазерных пучков, исследование СИ параметров качества ЛИ на основе двумерных матриц и их применение для решения указанной задачи.
Цель определила основные научно-технические задачи, решение которых легло в основу настоящей работы:
-
Определение важнейших пространственно-энергетических характеристик импульсного лазерного излучения.
-
Анализ составляющих основной погрешности многоканальных средств измерений пространственно-энергетических характеристик.
-
Разработка методов оценки погрешностей восстановления функции распределения и определения её ширины, как основной информативной ПЭХ ИЛИ, при использовании матричных приемников.
-
Разработка специального фотометрического устройства (ФМУ), обеспечивающего равномерное распределение плотности энергии для исследований неравномерности чувствительности СИ пространственно-энергетических характеристик.
-
Разработка и исследование метрологических характеристик комплекса средств измерений пространственно-энергетических характеристик ИЛИ для Государственного первичного специального эталона ГЭТ187-2010.
6. Разработка методики калибровки матричных средств измерений пространственно-энергетических характеристик ИЛИ.
Научная новизна работы
-
Разработана математическая модель, описывающая принцип работы специального фотометрического формирователя нормированного (равномерного) распределения плотности энергии.
-
Разработана математическая модель для оценки влияния неинформативных каналов на погрешность восстановления функции распределения и определения ее ширины.
-
Разработан метод для оценки взаимовлияния измерительных каналов многоэлементных МП на погрешность восстановления функции распределения и определения ее ширины на основе метода объединения микроэлементов с малыми размерами каждого элемента в макроэлементы.
Практическая ценность и использование результатов работы
Разработанный программно-аппаратный комплекс входит в состав Государственного первичного специального эталона единиц энергии, распределения плотности энергии, длины волны и длительности импульса лазерного излучения ГЭТ187-2010.
Разработанный программно-аппаратный комплекс может быть эффективно использован для измерений параметров качества лазерного излучения (ширина, угол расходимости, координаты центроида и т.д.) и для калибровки средств измерений указанных величин.
Вклад автора
Автор принимал непосредственное участие в разработке математического аппарата обработки измерительных данных, разработал математическую модель ФМУ, создающего нормированное РПЭ, рассчитал метрологические
характеристики программно-аппаратного комплекса, создал программное обеспечение для проведения измерений.
Также автор принимал участие в разработке:
ГОСТ Р 8.780-2012 "Государственная поверочная схема для средств измерений энергии, распределения плотности энергии, длительности импульса и длины волны лазерного излучения в диапазоне длин волн от 0,3 до 2,0 мкм";
ГОСТ Р ИСО 11554-2008 «Оптика и фотоника. Лазеры и лазерные установки (системы). Методы измерений мощности, энергии и временных характеристик лазерного пучка»;
ГОСТ Р ИСО 11146-2009 «Лазеры и лазерные установки (системы). Методы измерений ширины, углов расходимости, и параметров качества пучка».
Апробация работы
Основные материалы диссертации были представлены на 6 научно-технических конференциях, в том числе: 18-я конференция «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», Москва, ВНИИОФИ, 2009; 1-я научная конференция, посвященная 100-летию Б.М.Степанова, Москва, ВНИИОФИ, 2010; 9-я Всероссийская научно-техническая конференция «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации», п. Поведники, 2012; 19-я научно-техническая конференция «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», Москва, ВНИИОФИ, 2013.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 11 научных работ: 5 статей, в том числе 4 статьи в рекомендуемых ВАК журналах, 6 тезисов докладов на научно-технических конференциях.
Структура и объем работы
Средства измерений пространственно-энергетических характеристик импульсного лазерного излучения
С учетом (13) можно записать (і,=(ііЛЩЇс,{\/ КІ-\) + і\ или da=d,[c,(M,-\) + \]/Ml где dj - диаметр или ширина (поперечный размер) пучка, найденный і-м способом. В заключение следует отметить, что альтернативные способы пригодны только при измерениях стабильных во времени и пространстве пучков, по крайней мере, за время смены диафрагм, либо перемещения острого края или щели. Очевидно, что эти способы можно рекомендовать для определения пространственно-энергетических параметров и характеристик непрерывных или работающих в режиме генерирования идентичных повторяющихся импульсов лазеров. Для лазеров, генерирующих однократные импульсы, следует руководствоваться методом моментов, подробно описанным выше.
Средства измерений распределения плотности энергии можно разделить на две основные группы [19]. Первая группа базируется на матричных ПИП, т.е. на ПИП с заранее конструктивно заданными геометрией приемной поверхности, числом элементов, их площадью и расстоянием между ними. К ПИП первой группы относятся: фотоэлектрические, термоэлектрические, пироэлектрические, акустооптические, болометрические решетки.
Исследуемое лазерное излучение поступает на ПИП, претерпевает геометрическую селекцию поперечного сечения в соответствии с конструкцией ПИП, а затем количество энергии, поступившей на каждый участок (элемент) матричного ПИП, преобразуется в электрический сигнал, измеряемый соответствующей аппаратурой. Преобразование энергии излучения в электрический сигнал происходит с помощью промежуточных преобразований, характерных для того или иного ПИП. Несмотря на ряд серьезных проработок в области создания измерителей распределения на болометрических решетках, аппаратура на этом принципе не выпускается. Акустооптические ПИП также не используются в аппаратуре вследствие ряда технических трудностей, обусловленных сложностью выполнения, влиянием на результаты неоднородностей материалов, температуры окружающей среды и т.п. Наиболее перспективными из ПИП первой группы являются фото-, термо-, пироэлектрические и ПЗС-матрицы.
Вторая группа средств измерений распределения плотности энергии основана на ПИП, представляющих различные непрерывные мишени, преобразующие распределение энергии в распределение других величин с последующим измерением преобразованного распределения соответствующей аппаратурой. К ПИП второй группы относятся: пирометрические, телевизионные на видиконах, ЭОПах и т.п., на фоточувствительных материалах, на термочувствительных магнитных пленках, жидких кристаллах, термооптических и терморегистрирующих средах, с запоминанием на пироэлектрических или полупроводниковых материалах, люминесцентные, интерферометрические, основанные на разрушении регистрирующей среды. Существует достаточно обоснованное мнение, что в настоящее время измерители распределения плотности энергии на основе термочувствительных магнитных пленок, жидких кристаллов, термооптических и терморегистрирующих сред, пироэлектрических и полупроводниковых материалов, люминесцентных и разрушающихся ПИП являются крайне редкими, т. к описанные в литературе эффекты позволяют создать не средства измерений, а скорее визуализаторы с небольшим динамическим диапазоном. Наиболее перспективными ПИП второй группы в настоящее время являются фоточувствительные на видиконах и ЭОПах.
Анализаторы профиля пучка с механическими сканирующими устройствами на основе точечной диафрагмы (пинхола), щели или острого края имеют в качестве существенного достоинства возможность измерения распределения плотности интенсивности в сфокусированных пучках с минимальными поперечными размерами до 1 мкм. К их недостаткам следует отнести сканирование лишь вдоль одной линии в сечении пучка и минимальный объем численных данных. Более того, приборы этого типа ввиду ограниченной скорости механического сканирования могут анализировать пучки лишь непрерывных лазеров.
Оценка погрешности матричных средств измерений диаметра пучка импульсного лазерного излучения с учетом наличия некоторого числа неинформативных элементов
Под влиянием поля падающей волны частица поляризуется. На нее действует не только поле падающей волны, но и многочисленные поля элементов, составляющих частицу. Молекулы и атомы крупной частицы „упакованы" плотно, т. е. находятся близко друг от друга, и их нельзя считать независимыми излучателями рассеянного света, как это принималось при молекулярном рассеянии. Теперь необходимо учитывать интерференцию волн, рассеянных отдельными излучателями, имея в виду при этом, что свет, рассеянный каждой молекулой, отличается по фазе, состоянию поляризации и месту возникновения. Например, световая волна длиной 0,532 мкм падает на частицу радиусом 1 мкм. На диаметре такой частицы „уложится" около 4 длин волн зеленого света. Поэтому при рассеянии на крупной частице возбуждается бесконечно много вторичных волн рассеянного света. Амплитуды этих волн зависят от размера рассеивающих частиц.
В окончательной форме теории Ми рассеянный светпредставляется суммой бесконечного медленно сходящегося ряда. При формулировке задачи Ми используются следующие основные параметры: размер частиц х = кг в относительных единицах, где к = 27Г/д - волновое число в свободном пространстве, г - радиус сферической частицы. В общем случае комплексный показатель преломления т частицы по отношению к окружающей внешней среде (в данном случае за такую среду принимается свободное пространство) записывается в виде т — v — i%; угол рассеяния в определяется направлением падающих волн, точкой рассеяния и направлением наблюдателя. Обычно принимается, что длина волны Я в свободном пространстве, окружающем рассеивающую частицу, не меняется.
Примем [28], что падающее в виде плоской волны излучение является неполяризованным. Тогда величина электрического вектора может быть выражена через сумму двух взаимно перпендикулярных и независимых синусоидальных колебаний, имеющих единичную амплитуду в области ху и распространяющихся в направлении г. Каждое из этих колебаний обычно выражается в виде Emd=exp[-i(fc-a t)], (18) где (о = ск- круговая частота. Пусть это поле взаимодействует с какой-либо однородной изолированной сферической частицей (т.е. с частицей, состоящей из незаряженного или «невозбужденного» вещества, температура которого такова, что при данной частоте планковским излучением можно пренебречь). Тогда в результате взаимодействия появляется поле излучения, рассеянное в иных направлениях, чем поле падающего излучения. К полю рассеянного излучения необходимо добавить поле падающего излучения, поток которого ослабляется за счет рассеяния и поглощения излучения сферической частицей. Однако мы будем считать, что это излучение не переизлучается вновь сферической частицей в данной или какой-либо другой частоте. Рассматривая при этих допущениях поле рассеянного излучения, можно выразить его через две скалярные компоненты At и А2 амплитуды вектора электрического поля лрас, которая не имеет составляющей в направлении своего распространения. Компоненты At и А2 соответственно перпендикулярны и параллельны плоскости рассеяния, в которой измеряется угол рассеяния в. Решение Ми дает комплексные выражения для амплитуд At и Аг в виде сходящихся рядов, записанных следующим образом: „=i п(п + 1) кА, = S2(m,x,6) = f; " {Ьпжп + апт„), „=i n\n + 1) где s1 и 52- безразмерные комплексные амплитуды, a n - положительные целые числа. Другие коэффициенты будут определены ниже. Физический смысл амплитуд Ах и А2 становится ясным при рассмотрении потоков энергии рассеянного излучения. Если рассмотреть вектор Пойнтинга N для потоков падающего и рассеянного излучений, то их отношение определит дифференциальное поперечное сечение рассеяния da для частицы в единичном телесном угле на расстоянии R, т.е. d j{m,x,6) R2da. где N =-Re{E х Н]- усредненный по времени поток энергии падающего или рассеянного излучения, Н- вектор напряженности магнитного поля, &а-элемент телесного угла. Используя теорию Максвелла и принимая во внимание зависимость амплитуды рассеянной сферической волны от расстояния (R 1), можно показать, что дифференциальное поперечное сечение в случае единичного падающего потока имеет вид da(m,х,в) = -АрасА рас(їй,х,6)йю (19) Рассматривая неполяризованное падающее излучение, выраженное в виде суммы двух независимых и линейно поляризованных компонент равной энергии, можно получить окончательное выражение для коэффициента рассеяния V(». )= \da{m,x,в)=- \(ДА + А2А\)dco (20) Q 2-а Интегрирование в формуле (20) производиться по всему телесному углу П = 4тг, т.е. по всему пространству, окружающему частицу. Коэффициент рассеяния о-рас имеет размерность площади. Следовательно, амплитуды Аг и Л2 относятся к случаю единичного падающего потока. Они не зависят от системы используемых электромагнитных единиц, поскольку размерности сокращаются, когда берется отношение рассеянного и падающего излучений. Коэффициент рассеяния, отнесенный к геометрическому поперечному сечению рассеивающей частицы, определяет безразмерный параметр фактор эффективности рассеяния а Хт.х) КраЛт,х)= Р"Л2 (21) яг Производя интегрирование амплитуд, входящих в формулу (20), получаем Kpac{m,x) = jTT.(2n + \)-(\a„f +\b„f) (22)
Подобным же образом определяется коэффициент ослабления и соответствующий фактор эффективности Касл, который учитывает вклад -поглощения падающего излучения. Для фактора эффективности ослабления кася можно записать выражение, используя оптическую теорему квантовой механики: Koai(m,x) = Re{S(m,x,0)} = \Z(2n + l)Re(an +Ь„) (23) х х Формулы (22) и (23) определяют основные параметры теории рассеяния Ми. Из них можно вывести все остальные величины, необходимые для описания интенсивности и поляризации излучения, рассеянного достаточно малым объемом полидисперсной среды.
Значение основных функций рассеяния полностью определяются точностью вычисления коэффициентов Ми аи и Ъп. Эти коэффициенты зависят только от величин т VLX, а также угловых коэффициентов ип и тк (которые являются функциями только от ц = cosd ). Расчет коэффициентов п„ и т„ не представляет трудностей, поскольку они могут быть выражены через полиномы Лежандра и их производные:
Экспериментальные исследования степени равномерности поля излучения в выходном окне фотометрического устройства на основе светопроводящего конуса
Следовательно, результаты теоретического и экспериментального исследования показали, что фактические характеристики погрешности воспроизведения единицы распределения плотности энергии импульсного лазерного излучения не превышают значений 6„( }= 0,4 и SH(xy)= 0,3 %.
Погрешность передачи единицы Погрешность S передачи единицы распределения плотности энергии равна: So. =А/СТп.срт+ ,лоу2+А(02,% и обусловлена случайными изменениями за время передачи единицы РПЭ, основными из которых являются: 1) случайные изменения параметров оптической системы (делительной пластины и формирующей оптики); 2) случайные изменения выходного сигнала приемника ДОУ, некоррелированные с изменениями распределения плотности энергии на его входе; 3) нестабильность плотности энергии лазерного излучения от импульса к импульсу. Оценка Sc осуществляется в результате суммирования следующих составляющих: - стпопт, характеризующей влияние на погрешность S изменений параметров оптической системы из-за флуктуации окружающей температуры и флуктуации положения оси диаграммы направленности излучения; - о , характеризующей влияние на Sc u нестабильности выходного сигнала приемника ДОУ при постоянной энергии на его входе, происходящих из-за собственных случайных изменений сигнала ДОУ и из-за флуктуации оси диаграммы направленности излучения; 101 - A(/), характеризующей влияние на 5S нестабильность плотности энергии излучения от импульса к импульсу. При расчете (7п использовались следующие оценки составляющих: апопт 0,4 %; апдоу 0,3 %; Д(/) 0,15 %. Таким образом, с учетом приведенных значений составляющих погрешности: S . 0,5 % Неопределенности воспроизведения единицы 1) Стандартная неопределенность иА\Н(х,у)\ измерений по типу А вычислялась по формуле: иА (Н(х,у) = u](VmT-V0) + uA(V -V0) + u,(AAJ + uA(ir;-V0) + u](Us) + ul(U,). Подстановка в формулу полученных при исследовании эталона значений привела к результату: uA(Qg) «0,65%. 2) Стандартная неопределенность ив Н(х,у)\ по типу В вычислялась по формуле: uH\H(x,y)\=jg,Jul(V0J + ul(KJ + ul(AJ + Ul(Vnoy) + ul(S) + ul(Q,) 0,82% 3) Суммарная стандартная неопределенность ис \ Н(х,у) вычислялась по формуле: ис Н(х,у) = 4и\ Н{х,у) +и Я(х,у) 1,1 % 4) Эффективное число степеней свободы v0 № при количестве измерений п = 10 определялось по формуле: V,A =(«-!) 20. 102 5) Расширенная неопределенность йр-крис, причем коэффициент Kp=tP(v to) гДе (уэфф) - квантиль распределения Стьюдента для доверительной вероятности Р и числа степеней свободы У,,фф. При v =20; о,95=2,094; %9=2,898 00ш91 = 2,094-1,1 = 2,30 %;С/0,99 = 2,898-1,1 = 3,18 %. Неопределенности передачи единицы 1) Стандартная неопределенность иА \Н(х,у)\ измерений по типу А вычислялась по формуле: uA\H(x,y)\ = u2A(Vwy) + u2A(Vmyl) + u2A(y3 ) + и2А\АН(х,у)\ 0,5% 2) Стандартная неопределенность ив\Н(х,у)\ измерений по типу В вычислялась по формуле: щ Щх,у)\=- и2в(х,у)+и2вф)+и2в(П) 0,6 % 1,1-л/3 3) Суммарная стандартная неопределенность ис \ Н(х,у)\ вычислялась по формуле: ис 1 Н(х,у)= Ju2A\H(x,y)\+u2B\H(x,y) S0,78 % 4) Эффективное число степеней свободы при количестве измерений п = 10 определялось по формуле: = 9 ии2в\Щх,у)\ ил\Щх,у)\ = 17,4. Отсюда: t0 95 = 2,086; %9 = 2,845.
Разработке и созданию СИПХ-1 предшествовали теоретические исследования методологии измерений пространственно-энергетических параметров и характеристик лазерного излучения и изучение совершенствующих этот процесс алгоритмов. Их результаты описаны в главе 2. Кроме того, существенный опыт разработки и эксплуатации подобного средства измерений был накоплен при создании образцового СИ и поверочной установки на его основе, подробно описанных в кандидатской диссертации научного руководителя автора и нескольких публикациях [18,43].
Таким образом, описываемый прибор представляет собой усовершенствованный портативный прибор для измерений профиля распределения в поперечном сечении лазерного импульса, координаты энергетического центра и диаметра пучка в перетяжке и угла расходимости. Применение специального матричного световолоконного коллектора обеспечивает высокую точность измерений. Компактный, с воздушным охлаждением, простой в использовании СИПХ-1 хорошо подходит для экспрессных и точных измерений основных пространственно-энергетических характеристик при производстве и эксплуатации импульсных твердотельных лазеров.
Метод калибровки матричного средства измерений распределения энергии в поперечном сечении пучка импульсного лазерного излучения
Информация, зарегистрированная двумерной матрицей и представленная с помощью ПО, исчерпывающим образом описывает распределение интенсивности излучения в исследуемой плоскости или угловое распределение в дальней зоне, т.е. индикатрису пучка излучения. Однако, часто для проведения сопоставительного анализа желательно располагать обобщенным осесимметричным (усредненным по окружности вокруг центра пучка) распределением интенсивности в пучке.
Осесимметричное распределение w(r) определяется дифференцированием интегрального распределения Е(г) с учетом возрастания длины окружности, на которой происходит усреднение интенсивности, т.е. с помощью следующего выражения: Данная характеристика позволяет визуально оценивать размеры пучка и скорость спада интенсивности по мере удаления от центра пучка (в дальней зоне - от оси диаграммы направленности).
Определение максимальной и осевой интенсивности.
Используя координаты точек с максимальной интенсивностью Хтах и У max и координат центра пучка Х0 и F0. и учитывая пространственный масштаб распределения, программа позволяет сделать количественную оценку как максимальной интенсивности в распределении, так и интенсивности в центре пучка (на оси диаграммы направленности). Для этого оператор должен ввести в программе в перечень параметров значение полной энергии Е (мощности Р) пучка, измеренное соответствующим средством измерений.
При этом программа, используя значения максимальной интенсивности wraax и интенсивности в центре пучка (на оси диаграммы направленности) w0 , выраженные в единицах младшего разряда (ЕМР) декодера видеосигнала автоматически вычисляет значения этих же величин в абсолютных единицах (Дж/см2 или Вт/см2) согласно выражениям: W -Р max jjw(x,y)dxdy у юах jjw(x,y)dxdy w0-P / wn = $jw(x,y)dxdy I jjw(x,y)dxdy В данных преобразованиях единиц интенсивности ключевую роль играет отношение полной энергии (мощности) пучка к «объему под поверхностью» распределения w(x,y).
В случае, если измерения сечения пучка производятся в фокальной плоскости собирающей оптической системы и в параметрах программы задано ее фокусное расстояние F, значения интенсивности автоматически выражаются в единицах угловой плотности - Дж/ср или Вт/ср.
Алгоритм подавления влияния пространственного шума. Как указывалось выше, шумы в периферической области распределения и, особенно, наличие аддитивной составляющей (например, из-за недостаточно точного вычитания фона) могут приводить к увеличению погрешности измерения пространственных характеристик излучения, особенно величин, связанных с определением вторых моментов. В случае, если периферические области очевидно неинформативны, оператор может минимизировать их влияние, применив операцию подавления шумов.
Подавление шумов осуществляется следующим образом. Центральная часть пучка в пределах круга диаметром по уровню 0,1 от максимальной интенсивности - Dojwmax, остается без каких-либо изменений. За пределами этого круга отсчеты интенсивности, зарегистрированные для каждого пиксела, по мере возрастания расстояния от центра пучка постепенно уменьшаются до нуля в соответствии со следующим преобразованием: Как правило, при правильном выборе схемы и параметров регистрации можно обойтись без применения подавления шумов или использовать вариант слабого подавления.
В Российской Федерации и за рубежом создан соответствующий парк рабочих и первичных эталонов, рабочих средств измерений в области лазерной радиометрии, а также разработаны и введены в обращение международные стандарты на терминологию и методы выполнения измерений параметров лазерных пучков. Так, в соответствии с 122 международным стандартом ISO 11252-2004 «Лазеры и относящиеся к лазерам оборудование. Лазерные устройства. Требования к документации», изготовитель лазерной техники должен указать в документации на лазерную систему 15 характеристик ЛИ, из которых 7 являются пространственными. Следует отметить, что в составе СИ параметров качества пучка все чаще присутствуют ПЗС системы, от метрологических характеристик которых зависит точность определения основных параметров ЛИ. Поэтому во ФГУП «ВНИИОФИ» был разработан метод калибровки средств измерений пространственно-энергетических характеристик импульсного лазерного излучения (СИПЭХ).
Данный метод может использоваться для калибровки средств измерений пространственно-энергетических характеристик импульсного лазерного излучения, работающих в диапазоне длин волн 0,30...2,0 мкм. Определение метрологических характеристик средств измерений пространственно-энергетических характеристик импульсного лазерного излучения проводиться на Государственном первичном эталоне единиц энергии, распределения плотности энергии, длительности импульса и длины волны лазерного излучения с применением данного метода.
Подготовка к калибровке начинается с юстировки оптического тракта эталона. Для юстировки используют вспомогательные лазеры (чаще всего гелий-неоновые с длиной волны 0,63 мкм). Апертура оптической системы должна вмещать (охватывать) сечение пучка так, чтобы его непопадание - отсекаемая часть - по мощности (энергии) не превышала 1 % суммарного измеряемого значения. Ослабители и формирующие оптические элементы монтируют таким образом, чтобы оптическая ось проходила через их центры. Во избежание появления систематических погрешностей необходимо предельно минимизировать влияние отражений, интерференционных эффектов, внешних засветок, тепловых и конвективных воздушных потоков.
Калибровку СИПЭХ производят с помощью эталонного первичного измерительного преобразователя (ЭПИП) калориметрического типа с калиброванной диафрагмой на входе путем подачи на вход двумерной матрицы лазерного излучения, имеющего в поперечном сечении равномерное РПЭ.
