Польская система метрологического обеспечения лазерной техники : Концепция создания, разработка, исследования, внедрение Овсик Ян

Введение к работе

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 h к длине волны падающего излучения Я, равном h/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 ЫХ< 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,й 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 К_т = 0.99674
с неисключенной систематической погрешностью 8.3-Ю-⁴ % и
средним квадратическим отклонением случайной погреш
ности 7.0-Ю-⁵ % , а также вычислены функции влияния на К_т
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.

1. 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'.

2. 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 І0² 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.

З.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 10-⁸ 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.Щешш, 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.