Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время выпуск высококачественной лазерной техники возможен только при полном технологическом контроле всех характеристик оптических элементов лазе-зов в процессе их производства, таких как: коэффициенты зеркального и диффузного отражения, пропускания, поглощения. Современные серийно вьшускаемые и опытные триборы, позволяющие измерять отражение и пропускание штических деталей или элементов лазеров с точностью ю десятых долей процента, не позволяют измерять коэф-Евдиенты поглощения оптических элементов лазеров, составляющие сотые и даже тысячные доли процента. Серий-іая аппаратура для непосредственного измерения коэффициентов поглощения оптических элементов лазеров в ши-юком спектральном диапазоне с большим быстродействием ггсутствует. Задачу создания такой аппаратуры пытаются іешить, используя различные методы измерения оптичес-юго поглощения, такие как: фотометрические, калори-іетрические, термооптические, интерференционные, опти-;о-акустические, радиометрические.
Вопросам, разработки средств измерения поглощения лтических деталей фотометрическими методами посвящены «боты Житарюка В.Г., Гуменецкого С.Г., Гуревича м.М., расилова Ю. И., Эллерта Г. В., ФельдаС.Я., Бухтиаровой . В., Дяченко А.А., Милявского Ю.С., Лисицина В.С., адежкина Ю.М.; Валитова Р.А.
термооптическими методами-Зуева М. Г., Николаева В.К.
интерферометрическими методами - Карлова Н.В., Кириенко М. А., Кузьмина Г.П., Сисакяна Е.В., Радченко .В., КаскМ.Е.;
калориметрическими методами - Ильина М.А., Барчукова .И,, Плотниченко В.Г., Брюшковой Т.И., Дианова Е.М., ртюшенко В.Г., Дарвойда Т.И.;
оптико-акустическими методами - Бетина А.А., Новико-а В.П., Новикова М.А., Митропольского О.В., Винокуро-а С.А., Петрова М. Ю., Плотниченко В. Г.;
- 5 -- радиометрическими методами - Скворцова Л. А., Фомичева В. П.. Зверева Т.М., Бурыкина СЕ.. Сидорюка О.Е., Лопаткина В. М.
Однако, только калориметрические, оптико-акустические и радиометрические методы позволяют создать аппаратуру, способную измерять коэффициенты поглощения оптических элементов лазеров в широком спектральном диапазоне с достаточной степенью точности, а также разделять вклад объемного и поверхностного поглощения. Общим недостатком этих методов является необходимость использования зондирующего излучения болыцой мощности (более 10 Вт), а для калориметрического метода - необходимость непосредственного контакта термодатчика с исследуемым образцом, большая длительность измерения и необходимость термостагирования образца. В связи с этим проведенный анализ чувствительности этих методов, их преимуществ и недостатков приводит к выводу о необходимости разработки нового метода, учитывающего их недостатки и использующего их преимущества.
Проведенный обзор литературы показал, что до начала диссертационной работы не были решены следующие вопросы:
-
классификация и сравнительный анализ существующих методов измерения поглощения оптических деталей.
-
измерение малых коэффициентов поглащения оптических элементов лазеров порядка 10~z % с помощью зондируемого излучения мощностью менее 10 Вт;
-
измерение малых коэффициентов поглощения оптических элементов лазеров в широком спектральном диапазоне;
-
измерение малых коэффициентов поглощения опта ческих элементов лазеров в процессе их производства;
Диссертация посвящена разработке радиокалориметри ческого метода и устройства для измерения малых коэф фициентов поглощения оптических элементов лазеров широком спектральном диапазоне с помощью зондирующег излучения мощностью менее 10 Вт, обеспечивающих выско быстродействие и возможность разделения объемного поверхностного поглощения, характеризующих: первое качество материала, второе - качество обработки по RfinYHrir.TH оптической детали.
Цель работы.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование метода и устройства, позволяющих измерять малые коэффициенты поглощения в диапазоне 0,01 - О, 5 % оптических элементов лазеров диаметром 8-40 мм с диа-четром рабочей зоны 2-10 мм в процессе их производства э погрешностью не более ±15 % на длинах волн 0, 51 и 10,6 мкм, характеризующих ширину рабочего спектрального диапазона.
Для достижения этой цели в работе было проделано следующее:
сделан обзор существующих методов измерения поглощения света в оптических деталях, проведено их сравнительное аналитическое исследование и классификация;
разработан радиокалориметрический метод измерения в эптических элементах лазеров, предполагающий калориметрический нагрев зондируемого участка оптических элементов лазеров до состояния термодинамического равновесия и регистрацию его интегрального потока теплового излучения;'
разработано устройство, позволяющее реализовать ра-шокалориметрический метод измерения поглощения и сос-:оящее из оптико-механического и измерительного бло-сов;
исследовано влияние теплофизических параметров мате-шала исследуемого оптического элемента, таких как: -еплоемкость, плотность, теплопроводность, коэффициент ізлучения и предложены способы их учета;
исследовано влияние нестабильности зондирующего ла-іерного излучения и предложен способ ее автокомпенса-
Ж.
разработана методика калибровки;
разработана конструкция установки;
проведен расчет основных составляющих погрешности, ценена общая погрешность измерения коэффициента пог-ощения;
созданы и исследованы экспериментальные образцы;
намечены пути дальнейшего совершенствования данного етода и средства измерения.
- 7 -В качестве научного консультанта в диссертационной работе принял участие к.т.н. Надежкин Ю.М.
Научная новизна.
В диссертационной работе решен круг задач, связанных с разработкой и исследованием радиокалориметрического метода и средства измерения малых коэффициентов поглощения оптических элементов лазеров, новизна которых состоит в следующем:
впервые в отечественной литературе составлен обзор существующих методов измерения светопоглощения в оптических деталях, позволивший обобщить их преимущества и недостатки, сделать вывод о необходимости разработки нового радиокалориметрического метода;
разработан новый радиокалориметрический метод измерения поглощения зондирующего лазерного излучения оптическими деталями и элементами лазеров, обобщивший основные преимущества радиометрических и калориметрических методов;
разработана радиокалориметрическая установка для измерения малых коэффициентов поглощения оптических элементов лазеров, работающая при небольших уровнях мощности зондирующего лазерного излучения (менее 10 Вт);
- предложена оптическая схема радиокалориметрической
установки, позволяющая измерять малые коэффициенты
поглощения оптических элементов лазеров как в видимом,
так и в ИК диапазоне;
получена формула, связывающая показатель поглощения оптического элемента с теплофизическими параметрами его материала: теплоемкостью, плотностью, теплопроводностью, излучательной способностью;
обнаружена пропорциональная связь времени прямолинейного роста температуры облучаемого участка исследуемого образца с его- теплофизическими константами и, та ким образом, получена возможность исключить зависимость результатов измерений поглощения образца от его теплофизических констант;
предложен способ исключения зависимости.результатов измерений поглощения исследуемого образца от его излу-
- 8 -чательной способности;
-предложен способ и конструкция устройства, позволяющие исключить влияние диффузного отражения в Ж диапазоне на результаты измерения;
предложены способ и устройство регистрации результата измерений в момент окончания прямолинейного роста температуры облучаемого участка исследуемого образца, позволяющие также исключить влияние на результаты измерений изменения температуры окружающей среды и избе-кать. тем самым, необходимости термостатирования исследуемого образца;
сделано топологическое описание радиокалориметрической установки для измерения поглощения оптических элементов лазеров;
исследованы основные составляющие погрешности изме-эения поглощения радиокалориметрической установкой;
предложены способ и устройство, позволяющие исключить влияние нестабильности мощности зондирующего лазерного излучения;
получено экспериментальное подтверждение правильности теоретических расчетов.
Практическое значение работы.
- впервые составлен обзор существующих методов измере-
шя светопоглощения оптических деталей и элементов ла-
іеров;
разработан радиокалориметрический метод измерения коэффициентов поглощения оптических элементов лазеров;
разработано устройство, реализующее этот метод;
создано средство измерения малых, от О,5 до 0,01%, юэффициентов поглощения оптических элементов лазеров яаметром 10 - 40 мм, с диаметром рабочей зоны 2-10 м с погрешностью, не более ±15%, на длинах волн 0,51 и 0,6 мкм с помощью зондирующего лазерного излучения ощностю порядка 1 Вт;.
разработана конструкторская, технологическая, техни-еская и эксплуатационная документация измерительного стройства;
-.9 -
Основные научные положения, выносимые на защиту.
аналитическое исследование существующих методов измерения светопоглощения оптических деталей позволило сделать вывод, о том, что только радиокалориметрический метод, вобравший в себя преимущества радиометрических и калориметрических методов, обеспечивает возможность измерения малых коэффициентов поглощения оптических элементов лазеров при небольших уровнях мощности зондирующего лазерного излучения с достаточным быстродействием и точностью как в видимом так и в ПК диапазоне;
построенная математическая модель процесса калориметрического нагрева зондируемого участка исследуемого образца позволила сделать вывод о том, что при зондировании этого участка в течении постоянной времени, определяемой теплофизическими константами материала образца и характеризующейся прямолинейным ростом его температуры, полученные результаты измерения поглощения не зависят от этих констант;
разработанная конструкция радиокалориметрической установки позволила измерять коэффициенты поглощения оптических элементов лазеров в широком спектральном диапазоне и исключить влияние диффузного отражения в ИК области спектра, где приемники теплового излучения обладают наибольшей чувствительностью.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы внедрены при выполнении научно-исследовательской работы "Край-Ф" ЦНИИИА, 1985 г. Содержание основных положений диссертации обсуждалось на 4-й, 6-й и 8-й всесоюзных- н.-т. конференциях "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", 11-м, 12-м и 13-м Всесоюзных семинарах "Импульсная фотометрия", 7-й Всесоюзной н.-т. конференции "Метрология в радиоэлектронике".
Публикация
По матриалам диссертации опубликовано 12 Ц2, 93-95. 105-107, 114. 119. 141, 142. 146]) работ, получены два авторских свидетельства [95, 106].
Объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав основной части и заключения общим объемом ... листов машинописного текста, в том числе ... рисунков, ... фотографий, списка литературы из 151 наименований.