Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор методов и средств измерения геометрии деталей и поверхностей 9
1.1. Классификация и сравнительные характеристики лазерных датчиков для измерения геометрических размеров и контроля дефектов 9
1.2. Лазерные дефектоскопы 21
1.3. Теневые методы измерения геометрических размеров...
1.3.1. Измерение малых размеров дифракционным методом... 31
1.3.2. Анализ практических решений реализаций теневого метода измерений 34
1.3.3. Исследование влияния аппроксимации края изображения и параметров лазерного излучения на точность измерений 39
1.3.4. Проблемы теневого метода измерений 42
1.4. Триангуляционные методы измерения геометрических размеров 44
1.4.1. Конструктивные особенности приборов 44
1.4.2. Влияние на точность измерений формы и ориентации поверхности 49
1.4.3. Пути повышения точности измерений триангуляционным методом 53
1.5. Анализ причин, ограничивающих достижение высокой точности, и постановка задачи исследований диссертационной работы 58
Глава II. Исследование влияния факторов, ограничивающих достижение высокой точности измерений бесконтактными лазерными методами
2.1. Влияние нестабильности мощности лазерного излучения и времени экспозиции на точность измерений теневым методом в приборах с оптической разверткой 62
2.2. Флуктуации параметров лазерного излучения и их влияние на стабилизацию мощности излучения в газовых лазерах 69
2.3. Исследование флуктуации коэффициента отражения светоделителя в системе стабилизации мощности лазерного излучения 75
2.4. Экспериментальное исследование влияния флуктуации положения плоскости поляризации лазерного излучения на коэффициент деления светоделителя на кварцевой пластине 83
2.5. Пути повышения эффективности стабилизации мощности газовых лазеров 89
2.6. Флуктуации параметров и особенности использования полупроводниковых лазеров в триангуляционных измерителях 92
2.7. Влияние формы и ориентации поверхности на точность измерения триангуляционным методом при использовании поляризованного лазерного излучения 99
2.8. Влияние шероховатости измеряемой поверхности на точность измерения расстояния триангуляционным методом 108
2.9. Основные принципы повышения точности триангуляционныхизмерителей 119
Глава III. Разработка методов и узлов, позволяющих повысить точность измерений бесконтактными лазерными методами 125
3.1. Активные методы стабилизации мощности лазеров 125
3.2. Светоделители, неселективные к флуктуациям плоскости поляризации лазерного излучения 134
3.3. Фотоприемные устройства с компенсацией влияния температуры 142
3.4. Повышение долговечности и надежности работы полупроводникового лазера 148
3.5. Выбор оптимальных режимов работы лазерного триангуляционного измерителя при контроле геометрии поверхности 150
З.б.Электронная компенсация оптических искажений в лазерных измерителях на фотолинейке ПЗС 161
Глава IV. Описание разработанных приборов 172
4.1. Измерение параметров колесных пар подвижного состава во время движения 172
4.2 Устройства стабилизации мощности лазерного излучения 181
4.3 Измерение параметров пружин рессорной подвески вагонов 189
4.3.1. Технология процесса измерения 190
4.3.2. Конструкция и технические характеристики стендадля испытания пружин 195
4.3.3. Компьютерное управление и обработка информации 200
Основные результаты и выводы 202
Приложение 209
Список литературы 223
- Лазерные дефектоскопы
- Флуктуации параметров лазерного излучения и их влияние на стабилизацию мощности излучения в газовых лазерах
- Фотоприемные устройства с компенсацией влияния температуры
- Устройства стабилизации мощности лазерного излучения
Введение к работе
На машиностроительных заводах при контроле и ремонте транспортных средств, а также в других областях науки и техники создалось положение, когда, выпуская сложную, уникальную аппаратуру, осуществляя ремонт ответственных узлов, контроль геометрических параметров основных базовых деталей осуществляется в основном с помощью рулеток, шаблонов, штангенциркулей и других контактных ручных средств.
Применение таких контактных средств не только не обеспечивает необходимой точности и оперативности измерений, но и в некоторых (Щ) случаях делает их невозможными. Отсюда возникает невысокая точность изготовления, приводящая к снижению эксплутационных показателей. С другой стороны, появились высокотехнологичные оптоэлектронные приборы, позволяющие создавать высокоэффективные бесконтактные измерители, снижающие погрешности, характерные для традиционной измерительной техники. Особое место среди них занимают бесконтактные лазерные измерители.
В настоящее время наиболее широко для измерения геометрии поверхностей применяются методы: лазерной дефектоскопии теневой и триангуляционный. Их совокупность дает возможность определить качество обработки поверхности, ее дефекты, контуры деталей, а также профиль поверхности изделия. Однако массовое применение их ограничено. Этому способствует ряд причин. Для лазерных дефектоскопов максимально достижимая точность измерений определяется флуктуациями мощности излучения лазера. При использовании теневого метода возникают ограничения, связанные с быстродействием, размерами рабочей зоны и синхронизацией результатов измерений нескольких измерителей. Лазерные триангуляционные измерители развиваются наиболее активно ( «РИФТЭК» ф Беларусь; КТИ НП СО РАН, Россия; "MTI Instruments Inc.", США; "MEL", Германия; "Кеуепсе", Великобритания ), однако их массовое применение ограничено. Причина этого в том, что производители рассчитывают работу своих приборов с поверхностями, имеющими равномерное рассеяние и расположенными ортогонально зондирующему лазерному пучку. Реальная поверхность всегда шероховата, может иметь царапины, ржавчину, следы обработки, отверстия. В результате прибор, рассчитанный на погрешность 10-50 мкм, дает погрешность миллиметры.
Таким образом, комплексное решение вопросов, способствующее повышению точности измерений лазерных дефектоскопов, теневых и триангуляционных измерителей, является актуальной научно - технической проблемой, имеющей важное практическое значение.
В работе дан сравнительный анализ различных лазерных методов измерения, описаны принципы создания и характеристики бесконтактных лазерных измерителей. В ней рассмотрены вопросы применения конкретных лазеров, фотоприемных устройств, телевизионных камер, оптических систем. Освещены условия эффективного использования лазеров. Рассмотрены бесконтактные лазерные измерители, используемые для контроля на железнодорожном транспорте, а также при ремонте машин и подвижного состава на железной дороге.
В работе поставлена цель разработать и исследовать методы и средства, позволяющие создать высокоточные лазерные измерители качества поверхности, измерители контурных размеров сложных крупногабаритных деталей, лазерные триангуляционные измерители, способные работать на поверхностях с различной шероховатостью, имеющих сложную форму и локальные дефекты.
В процессе измерения участвуют лазер, поверхность объекта и фотоприемное устройство с оптической системой. Каждый из них может вносить погрешность в процесс измерения.
Исследовано влияние параметров лазерного излучения, формы ф измеряемой поверхности и ее шероховатости, а также параметров фотоприемного устройства на точность измерений. Предложены методы и средства, способные снизить это влияние.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Закономерности влияния на точность и стабильность работы активных систем стабилизации мощности газоразрядных лазеров флуктуации поляризационного соотношения. Показано, что флуктуации поляризационного соотношения вызывают значительные изменения коэффициента отражения светоделителя, что существенно снижает эффективность работы систем стабилизации мощности.
2. Установленный факт влияния флуктуации мощности лазерного излучения на точность измерений в устройстве, использующем теневой лазерный метод с оптической разверткой. Предложен способ компенсации этого влияния, позволяющий при использовании стабильного светоделителя повысить точность измерения.
3. Математическая модель, описывающая влияние формы и ориентации поверхности на точность измерений триангуляционным методом. Модель позволяет вычислить смещение координаты центра пятна при деформации / индикатрисы рассеяния локальными изменениями формы поверхности.
4. Методы конструирования и использования лазерных триангуляционных измерителей, работающих с шероховатыми поверхностями, заключающиеся в :
- расположении плоскости триангуляции ортогонально к направлению штрихов обработки с целью повышения точности измерений деталей со следами обработки, имеющих упорядоченную деформацию поверхности;
- использовании зондирующего лазерного пучка с круговой поляризацией с целью повышения наибольшей равномерности распределения индикатрисы рассеяния, обеспечивающей наивысшую точность определения координат центра пятна зондирующего лазерного излучения при измерении поверхностей, имеющих анизотропную и изотропную шероховатость. 5. Метод определения параметров триангуляционного измерителя и границы его применимости при работе на поверхностях с различной шероховатостью на основе приведенной в работе математической модели.
6. Показано, что изменение тока лазерного диода, происходящее от изменения температуры, влияет на распределение интенсивности мощности по изображению пятна зондирующего лазерного излучения на многоэлементном фотоприемнике, приводящее к изменению координаты центра тяжести пятна и являющееся одним из физических ограничений достижения высокой точности измерений триангуляционным методом.
Лазерные дефектоскопы
Лазерные дефектоскопы используются для обнаружения дефектов на поверхности различных материалов: железа, алюминия, меди, пластмассы, кожи, фанеры, бумаги. Основной принцип, лежащий в основе их работы, основан на том, что дефекты поверхности отражают и рассеивают свет иначе, чем гладкие поверхности без дефектов. Основная проблема при этом -различить свет, рассеянный от дефекта, и свет, рассеянный в результате общей шероховатости поверхности. Один из простейших способов решения этой проблемы описан в [12]. Поверхность освещается наклонным пучком под углом падения 88 градусов. (Рис. 1.8 ). Этот угол соответствует максимальной интенсивности рассеянного излучения.и не попадает на фотоприемник. Рассеянное излучение мимо экрана попадаетна фотоприемник. Применение измерительной системы с такойпространственной фильтрацией позволяет различать сильно и слабоисцарапанные поверхности (Рис. 1.9).
Интенсивность рассеянного света не сильно зависит от ориентации царапин.Пространственную фильтрацию с помощью оптического волокна применила японская фирма Tanaka Electronix в дефектоскопе SDB. В нем используется неоновый лазер.
Развертка луча осуществляется вибратором с зеркальным отражателем, который обеспечивает перемещение светового пятна по параболическому зеркалу. Параллельный пучок лазерного излучения от параболического зеркала попадает на контролируемую поверхность и, отражаясь, попадает на светопроводящее волокно, соединенное с фотоэлектронным умножителем. Разделение дефектов по размерам осуществляется регулированием чувствительности. Использование пяти каналов позволяет получать ширину охвата 1400 мм. При этом максимальный размер обнаруживаемых дефектов типа пузырей, сыпи - 50 мкм, отверстий, пятен грязи - 100 мкм. В более простой модели SDB-300 фотоприемное устройство снабжено параболическим зеркалом, в фокусе которого расположен фоточувствительный элемент. (Рис. 1.10). Несмотря на простоту, устройство обеспечивает обнаружение дефектов типа пятен грязи диаметром 100 мкм и отверстия диаметром 100 мкм.
Шведская фирма "Avesta" в дефектоскопе ASC применила автоматический классификатор дефектов. Прибор имеет ряд фоточувствительных головок, расположенных над исследуемой поверхностью на расстоянии 10-150 мм. Каждая из головок исследует участок шириной 250 мм. Для концентрации отраженного света на фотоприемнике слабые, рассеянные от поверхности лучи собираются линзами и подвергаются пространственной фильтрации. Данные с фоточувствительных головок обрабатываются аналоговым устройством и далее поступают для обработки в микро ЭВМ. Обработка сигнала проводится в четыре этапа. На первом этапе сигнал от первой головки нормализуется. На втором этапе контролируемая поверхность разделяется на единичные участки площадью 10 на 10 мм по длине и ширине полосы. На третьем этапе дефекты разделяются на группы по размерам. На четвертом этапе обработки микро ЭВМ определяет сорт поверхности по количеству дефектов в пределах каждой группы. Применение в приборе мощного гелий-неонового лазера наряду с высокооборотным сканером позволяет получить высокое быстродействие. Сканер выполнен на восьмигранной призме из нержавеющей стали. Призма вращается с частотой 1200 об/мин. Лазерный пучок сканируется по поверхности со скоростью 1600 разверток/сек.
Лазерные дефектоскопы могут использоваться для определения дефектов поверхностей сложной формы, например, для контроля боеприпасов малого калибра [12]. Патронная гильза имеет несколько переходов по диаметру, невысокую степень частоты обработки поверхности и разницу в окраске отдельных ее участков. В числе дефектов могут быть зубцы, царапины, окалина, трещины в корпусе гильзы, складки металла, искривления формы дульца, гильзы и капсюльного гнезда. Все эти эффекты обнаруживаются по отклонению распределения рассеянного света от нормального. Развертка лазерного пучка по поверхности линзы осуществляется цилиндрической оптикой. Рассеянный от различных частей поверхности свет передается с помощью оптического волокна на фотоумножители. Характеристика распределения интенсивности рассеянного света в каждой точке сравнивается с нормированными характеристиками при рассеивании света на образцовых дефектах (зубцах, царапинах). Сравнение проводит микроконтроллер. Он же дает команду на разбраковку гильзы.
На аналогичном принципе основано действие датчика шероховатости RM400S фирмы Rodenstock [13]. Датчик способен определить качество обработанной поверхности. Использование в нем многоэлементной фотодиодной линейки позволило создать простую и эффективную оптическую схему ( Рис. 1.11)
Качество поверхности исследуемого объекта определяет рассеяние света. Характеристикой шероховатости служит дисперсия распределения светагде і -номер фотодиодной ячейки, pi - интенсивность, регистрируемая І-м фотодиодом, Ї - номер фотодиода, усредненного по интенсивности, g -нормирующий множитель.
Данные с фотодиодной линейки поступают в микроконтроллер, производящий около 20 измерений за 1 сек. Кривые распределения интенсивности рассеянного света для различных поверхностей показаны на рис.1.12.
Наиболее высокой точностью отличаются устройства, принципы действия которых основаны на измерении интерференционной картины, образующейся в отраженном от поверхности излучении. Описанный в работе [14] прибор позволяет измерять среднеквадратические высоты шероховатости от 1 до 25 нм с погрешностью не хуже 10%. В другом приборе [15] по измерению индикатрисы рассеяния лазерного излучения обнаруживаются дефекты более 10 нм. Такая высокая точность позволяет по индикатрисе рассеяния идентифицировать дефекты [16, 17]. Теоретически для металлической диффузно отражающей поверхности эти результаты подтверждаются численным моделированием [18].
Пучок излучения мощного лазера инфракрасного оптического диапазона при помощи зеркальной системы сканируется по объекту в двух взаимно перпендикулярных направлениях. При поглощении излучения повышается температура объекта. Поверхность без дефектов имеет одинаковое приращение температуры и одинаковое излучение энергии. Энергия, излучаемая различными участками объекта, принимается инфракрасным датчиком, снабженным фильтром, не пропускающим лазерное излучение [ 10 ].
При обнаружении дефектов прозрачных деталей и объектов наиболее целесообразно измерение на просвет. При этом кроме дефектов можно определить оптические характеристики деталей. Функциональная схема
Оптическая деталь перемещается перпендикулярностабилизированному по мощности излучения лазерному пучку. Фотоприемное устройство регистрирует изменение интенсивности излучения лазера, прошедшее через прозрачную деталь. По изменению интенсивности определяется качество поверхности и качество прозрачного материала детали. Кроме этого, такой метод дает возможность определить коэффициент отражения, пропускания и поглощения оптической детали. Точность метода зависит от стабильности мощности излучения лазерного пучка и повторяемости характеристик фотоприемного устройства. При использовании высокостабильного лазера при измерении коэффициента отражения зеркал [20] получена погрешность не более 0,02%.Этот же метод позволяет определить оптические неоднородности в материале, прозрачном для определенного диапазона длин волн. Изменение интенсивности сканирующего лазерного пучка, прошедшего через
Флуктуации параметров лазерного излучения и их влияние на стабилизацию мощности излучения в газовых лазерах
В измерительных приборах и системах наиболее широко используются газоразрядные и полупроводниковые лазеры. Это обусловлено их ценой, компактностью, а также тем, что они перекрывают весь спектр длин волн от ультрафиолетового до инфракрасного диапазонов.
В связи с этим будет рассмотрено влияние флуктуации параметров излучения газоразрядных и полупроводниковых лазеров на работу измерителей геометрических параметров.
Как было показано в 2.1., нестабильность мощности является причиной, ограничивающей точность измерения в лазерных дефектоскопах и в измерителях, использующих теневой метод с оптической разверткой. Для повышения стабильности используются пассивные и активные методы. Пассивные включают в себя оптимизацию режимов работы лазера. Активные методы предполагают непосредственное измерение мощности излучения и влияние на нее с целью стабилизации. При помощи пассивных методов удавалось достичь уровня 1-3% [86]. Дальнейшее снижение нестабильности мощности возможно при использовании активных методов стабилизации, базирующихся на создании различных систем стабилизации мощности (ССМ). Различные ССМ рассматривались и ранее, но, несмотря на схожесть средств и методов, результаты различных авторов получались не одинаковые [87]. Недостаточно исследовано влияние флуктуации параметров лазерного излучения на точность ССМ.
Рассмотрим влияние этих факторов на работу ССМ с целью выяснения требований к отдельным узлам, позволяющим создать более высокостабильные источники лазерного излучения.
Спектр флуктуации мощности излучения непрерывных газоразрядных лазеров довольно широк и перекрывает диапазон от нуля до сотен килогерц. Наибольшая относительная нестабильность наблюдается в диапазоне 0 - 0,5 Гц [88].
При построении системы стабилизации мощности необходимо знать влияние на работу ССМ величины нестабильности, частотного диапазона флуктуации, зависимости от прогрева, зависимости от типа прибора, величины и частотного диапазона высокочастотных флуктуацией. В зависимости от этих параметров ставятся требования к системе стабилизации в целом и отдельным ее частям.
Рассмотрим эти факторы с целью выяснения их влияния на работу ССМ и уточнения требований к отдельным узлам [89].
Измерения нестабильности мощности излучения (рис.2.6) проводились в соответствии с ГОСТ 25786-83 компенсационным методом, регистрировались самописцем и проводились при наличии ССМ и при ее отсутствии, т.е. излучение лазера I поступало непосредственно на контрольный фотоприемник 7, минуя элементы 2 и 3. Ток разряда активных
элементов стабилизировался с относительной погрешностью 10", изменения параметров окружающей среды были минимальными, например, изменения температуры в помещении составляли не более 2 - 3С. Измерения многократно повторялись. Причиной нестабильности мощности излучения являлось изменение параметров лазера в процессе разогрева током разряда. Основу активной ССМ излучения лазера составил акустооптический модулятор (АОМ). Измерения нестабильности мощности излучения осуществлялись с промышленными приборами различных типов ЛГ-79, ЛГН-203, ГН118, ГН-25, ГН-15, ГЛ-106, ГКЛ-40, ЛГН-207А, ЛГН-203, ЛГН . Использовалось несколько приборов каждого типа.Нестабильность мощности излучения всех перечисленных выше приборов типа ЛГ характеризуется флуктуациями и дрейфом, при этом встречаются резкие выбросы. Некоторые зависимости приведены на рис. 2.7. Значения нестабильности мощности излучения для ряда приборов приведены в таблице 2.1. Включение ССМ, приведенной на рис. 2.6, в случае приборов ЛГН-203 практически не снижает нестабильность мощности излучения. В случае приборов ЛГ-106, ГН118, имеющих примерно такую же величину и такой же характер нестабильности мощности излучения, включение данной ССМ позволяет в 5 -10 раз снизить флуктуации и дрейф мощности лазерного излучения.
Приборы типа ЛГН и ГЛ, приведенные в таблице, характеризуются отсутствием резких скачков мощности, незначительный дрейф обнаруживается только у непрогретых приборов, после выхода на режим присутствуют только периодические колебания мощности амплитудой околоим не присущи недостатки устаревших приборов типа a
Зеркала крепятся без клея, поэтому натяжения отсутствуют и характеристики поляризации излучения определяются анизотропией зеркал, которая мало меняется в процессе работы.
Давно устаревший прибор ЛГН-203 тоже имеет внутренние зеркала, но они крепятся с помощью клея К-400, поэтому анизотропия зеркал может изменяться по мере разогревания прибора и могут изменяться поляризационные характеристики излучения. Измерения подтвердили, что поляризация излучения лазера ЛГН-203 произвольно меняется в процессе работы. С этим, по - видимому, следует связывать неэффективность работы с прибором данного типа.
Для проверки данного предположения более детально изучалось влияние поляризации излучения на работу ССМ. Мощность излучения лазера изменялась двумя разными способами. В первом случае между лазером и АОМ размещали стеклянную пластину под углом, близким к нормальному. Меняя угол наклона пластины, изменяли мощность излучения, поступающего на АОМ. Во втором случае мощность излучения изменялась током разряда. Коэффициент стабилизации ССМ составлял примерно 100. Естественно, при наклоне пластины характеристики поляризации излучения, поступающего в ССМ, изменялись, а при изменении тока разряда поляризация излучения остается постоянной. Этим можно объяснить результаты, полученные с ЛГН-203 (табл. 2.1).Элементом, благодаря которому ССМ чувствительна к поляризации излучения, является светоделительная пластина 3 (рис. 2.6). При изменении поляризации падающего излучения меняется интенсивность излучения, отраженного от пластины 3. В результате в ССМ возникает сигнал рассогласования, не связанный с мощностью излучения, и ССМ начинает отрабатывать его при неизменной мощности излучения лазера.Измерения показали, что коэффициент стабилизации ССМ максимален
Фотоприемные устройства с компенсацией влияния температуры
Высокая стабильность мощности излучения нужна при применении как газоразрядных, так и полупроводниковых лазеров. И в том, и другом случае необходимо применение активных средств стабилизации мощности излучения. Любая активная система стабилизации предусматривает использование фотоприемных устройств. Стабильность характеристик этих устройств во многом определяет точность поддерживания заданной мощности. Фотоприемные устройства (ФГТУ) для газоразрядных и полупроводниковых лазеров имеют отличие в том, что первые работают с проходящим лазерным излучением, а вторые преимущественно используют встроенный фотодиод. Несмотря на это отличие, главное требование для всех ФПУ - стабильность передаточной характеристики. Основной дестабилизирующий фактор - изменение температуры. Для стабилизации мощности в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах в качестве фотоприемников используются фотодиоды. Их характеристики зависят от температуры.
Ток короткого замыкания имеет относительное изменение от температуры порядка (1,5 3)-1 О 3 [135]. Снижение зависимости от температуры возможно путем термостатирования фотодиода. Рабочая температура внутри термостата 45 - 50С. Такой нагрев вызывает значительный рост теплового тока, а спектральная характеристика смещается в длинноволновую область. Это, а также то, что применение термостата не всегда возможно, заставляет искать пути компенсации температурных изменений. В измерителях используются лазеры довольно малой мощности, порядка 1 - 5 тВт. Из них светоделительной пластиной на фотодиод отводится около 10% т.е. 0,1 - 0,5 тВт. Если необходимо снизить флуктуации мощности излучения лазера с 10% до 0,1%, значениекоэффициента усиления должен быть приблизительно равно 1000. Фотодиод при этом должен чувствовать изменения 0,1 - - 0,5 мкВт. Такая чувствительность требует детального знания комплексных зависимостей параметров фотодиода от температуры. Исследовался широко распространенный фотодиод ФД-24К. Были получены зависимости тока и напряжения на фотодиоде от температуры при различных нагрузках и различных мощностях светового потока на фотодиод (рис. 3.7) [136].
Из последних зависимостей следует: для тока фотодиода и напряжения на нем существуют нагрузки, дающие минимальный температурный дрейф. Зависимости тока короткого замыкания и напряжения холостого хода от температуры имеют противоположный наклон. Ток короткого замыкания растет при увеличении температуры, а напряжение холостого хода снижается. Отсюда можно предположить, что при определенной крутизне можно получить минимальную зависимость изменения тока фотодиода от температуры. Найти такую нагрузку можно эмпирически, построив зависимости тока фотодиода от нагрузки при различных температурах и постоянной мощности (рис. 3.8).фототока от нагрузки при различных температурах и воздействии Точка пересечения зависимостей тока фотодиода от нагрузки при различных температурах и одной и той же мощности падающего на фотодиод излучения определяет такую нагрузку. Полученное значение нагрузки (около 100 Ом) при мощности 1 мВт позволило получить дрейф порядка 0,007% С 1 (рис. 3.9). падающей на фотодиод, на температурный дрейф показано на рис. 3.10. При работе фотодиода в режиме короткого замыкания мощность падающего излучения не влияет на температурный дрейф фототока, но в то же время наблюдается увеличение спектральной чувствительности при Рис. 3.10. Зависимость фототока и температурного дрейфа от сопротивления нагрузки при различных температурах и мощностях лазерного излучения
Из анализа приведенных характеристик видно, что рабочая точка, соответствующая режиму с наименьшим температурным дрейфом, находится в самом начале спада зависимости тока короткого замыкания от нагрузки. В том случае, если величина нагрузки фотодиода отлична от нуля, температурный дрейф зависит от мощности излучения падающего на фотодиод (рис. ЗЛО). Чем больше мощность излучения, падающая на светодиод, тем при меньших нагрузках начнется увеличение температурного дрейфа. В связи с этим при работе с изменяющейся мощностью падающего на фотодиод излучения необходимо учитывать появляющуюся зависимость оптимальной нагрузки от мощности падающего излучения. Это! ц обстоятельство накладывает ограничения на применение данного метода. Еговысокая эффективность будет при незначительных изменениях мощности падающего светового потока (в пределах ±10%). Он может использоваться в системах стабилизации мощности, где на фотодиоде поддерживается одно и то же значение мощности оптического излучения. Целесообразно его применение при стабилизации мощности полупроводниковых лазеров. Несмотря на то, что приведенные зависимости характерны для фотодиодов ФД7К, ФД24К, они справедливы и для других кремниевых фотодиодов. Диапазоны величин сопротивлений нагрузки, соответствующихЩ минимальному дрейфу, определяются разбросом токовой интегральнойчувствительности фотодиодов.Поскольку полупроводниковые лазерные диоды имеют сильную зависимость мощности излучения от температуры, они снабжаются встроенным фотодиодом, используемым для стабилизации выходной мощности излучения. Стабилизация мощности при этом достигается введением отрицательной обратной связи по току.
Некоторые производители снабжают фотодиоды термокомпенсацией. Однако лазерные диоды, включающие такие фотодиоды, достаточно дороги и используются редко. Широко распространенные лазерные диоды, включенные по стандартным схемам, имеют зависимость тока от температуры, аналогичную приведенной в 2.6. Используя описанный выше метод компенсации температурного дрейфа, можно построить схему стабилизации мощности полупроводникового лазера с минимальным температурным дрейфом (рис. 3.11).
Такая схема позволяет получить зависимость выходной мощности от температуры не более чем 0,05% С"1, тогда как применение стандартных схем (раздел 2.6) дает 0,3% С"1.
В случае стабилизации мощности газоразрядных и полупроводниковых лазеров мощностью 100 мВт и более целесообразно использовать ФПУ с включением фотодиода в режиме короткого замыкания, что при использовании высокостабильной микросхемы позволит получить температурный дрейф напряжения ФПУ не более 0,1% С"1.
Если необходимо получить от ФПУ высокое быстродействие, фотодиод обычно включают с обратным смещением. При этом хорошо зарекомендовала себя схема ФПУ с температурной компенсацией на терморезисторе.
Применение этой схемы при минимальных затратах дает снижение температурной зависимости выходного напряжения ФПУ более чем на порядок.
ЗАПовышение долговечности и надежности работыполупроводникового лазера.Стабилизация мощности полупроводникового лазера освещалась в 3.1. Нормальная работа любой ССМ для полупроводникового лазера возможна при соблюдении определенных требований к источнику питания. Основные требования заключаются в том, чтобы источник питания не создавал импульсных помех и не пропускал импульсные помехи, создаваемые другими приборами. Когда питание п/п лазера с ССМ происходит от сети переменного тока напряжением 220 В, неизбежно возникновение помехи, часто приводящей к выходу из строя лазерного диода. Даже если рядом с п/п лазером выключали достаточно мощный прибор (50-100 Вт), подключенный к той же сети, возникала опасность повреждения лазерного диода. Это обусловлено тем, что в индуктивности трансформатора, отключаемого от сети, наводится ЭДС, способная проникать на другие приборы. Величина этой ЭДС зависит от момента выключения и достигает максимума, когда момент выключения совпадает с максимумом амплитуды в сети.Существуют два способа решения этой проблемы. Первый -использование программируемого источника питания, аналогично описанному в 3.1. Он обеспечивает подключение лазерного диода после подачи напряжения и отключает его до отключения сети. Такие источники
Устройства стабилизации мощности лазерного излучения
В результате исследований, описанных во второй и третьей главах, создано устройство стабилизации мощности лазерного излучения. Устройство стабилизации мощности УСМ лазерного излучения предназначено для стабилизации выходной мощности непрерывных газовых лазеров видимого диапазона [140]. Оно позволяет снизить нестабильность мощности лазерного излучения до уровня 0,1 - 0,5% за час работы, которая на входе устройства может достигать 10%. УСМ работает с серийно выпускаемыми лазерами мощности от 1,5 мВт до 1,5 Вт, имеющими линейную поляризацию лазерного пучка. Ограничение по мощности входного лазерного излучения «сверху» не принципиально, мощность может достигать нескольких ватт. Принципиальными являются требования: нестабильность лазерного излучения должна быть не более 10 - 20%, нестабильность оси диаграммы направленности лазерного излучения — не более 10"4рад [ 174].
УСМ используется для создания высокостабильных источников лазерного излучения. На их основе разрабатывается контрольно-измерительная аппаратура, позволяющая с высокой точностью определить качество поверхности, параметры оптических элементов, вводить контроль на сложных технологических операциях. Применение УСМ в измерительной технике, научных исследованиях позволит повысить точность измерений и откроет возможность создания принципиально новых приборов. Для расширения возможностей УСМ в нем предусмотрена модуляция лазерного излучения внешним сигналом [ 184 ].
Разработанное устройство стабилизации мощности обладает следующими характеристиками:которого используется акустооптический модулятор. Стабилизация осуществляется по принципу отрицательной обратной связи. Лазерный пучок проходит через акустооптический модулятор, светоделительное зеркало, диафрагму. Часть лазерного пучка, проходящего через светоделительное зеркало, попадает на фотодиод и преобразуется в электрический сигнал. Этот сигнал усиливается фотоприемным устройством и сравнивается с опорным. Разностный сигнал, преобразованный схемой управления, формирующей закон регулирования, управляет работой генератора высокой частоты. С генератора высокочастотная мощность поступает на акустооптический модулятор. Ее величина определяет эффективность дифракции.
В устройстве используется режим дифракции Брэгга. Установкой диафрагмы выделяется основной луч, свободно проходящий на выход устройства, а дифрагированный луч в большей степени поглощается стенками диафрагмы. Фаза управляющего сигнала подобрана таким образом, что при уменьшении мощности лазерного излучения происходит «перекачка» мощности из дифрагированного пучка в основной и наоборот, при увеличении мощности увеличивается интенсивность дифракции.
Применение светоделителя с многослойным диэлектрическим напылением (табл.3.2.) дает возможность выбрать оптимальный коэффициент деления в широком диапазоне. Для стабилизации мощности излучения на длине волны 3,39 мкм целесообразно использовать светоделитель на основе тонкой алюминиевой пленки, который, как показано в 3.2, обладает наименьшей селективностью при отражении s и р компонент лазерного излучения. Однако ввиду плохой воспроизводимости оптических свойств алюминиевой пленки необходима проверка каждого образца светоделителя по методике, описанной в 3.2. Наиболее простым светоделителем, хорошо работающим в диапазоне мощностей 1-Ю3 мВт, является пластина из плавленого кварца, ориентированная таким образом, что плоскость падения ортогональна плоскости поляризации. Для установки такой пластины в оптической головке предусмотрен поворотный механизм, позволяющий выставить светоделительную пластину под углом а, соответствующим ортогональному положению плоскостей падения и поляризации.
На основе комплексного исследования зависимостей температурного дрейфа фотодиода от интенсивности светового потока и нагрузки разработан метод компенсации температурного дрейфа [136]. Получены зависимости тока и напряжения на фотодиоде от температуры при различных нагрузках и различных мощностях светового потока на фотодиод, а также тока короткого замыкания и напряжения холостого хода от температуры при различных мощностях светового потока. Анализ зависимостей позволил разработать ФПУ с термокомпенсацией. Его применение позволило получить при минимальных затратах снижение температурной нестабильности в 10 - 15 раз. Он выполнен на двух малошумящих быстродействующих операционных усилителях типа (рис.4.5). Темокомпенсация достигается введением в обратную связь терморезистора типа СТ4-16.
В схеме управления сравниваются сигналы с ФПУ и опорное напряжение, а также формируется пропорционально - интегральный закон регулирования. Схема реализована на двух микросхемах типа LM358M, в которых предусмотрена регулировка усиления.
Генератор высокочастотной мощности выполнен на двух полевых транзисторах типа КП901А, один из которых включен по схеме Колпица, а второй модулирует передачу рабочего тока на первый транзистор. Генератор расположен в БУ и соединен ВЧ кабелем с акустооптическим модулятором.
Все устройство питается от источника питания, выполненного на отдельной печатной плате. Он вырабатывает стабильные напряжения для питания интегральных микросхем ±15 В, генератора высокой частоты 28 В, источника опорного напряжения 56 В.
В работе проведена оценка допустимой долговременной нестабильности мощности лазерного излучения [192]. Для этого на основании анализа выводов, полученных в 2.2, выбран лазер с наибольшей стабильностью поляризационного соотношения [154] и высокой стабильностью оси диаграммы направленности - ЛГН-207А. В качестве светоделителя использовалась пластина со специальным диэлектрическим напылением. Запись нестабильности проводилась в течение восьми часов. Прогрев лазера в УСМ составляет всего 15 минут. Регистограмма записи нестабильности мощности приведена на рис. 4.6.
Пластина напылена по данным исследований, приведенным 3.2. Из полученных регистограмм можно сделать следующие выводы:1 .Максимально достижимое значение нестабильности (максимальное отклонение от среднего значения) за восемь часов работы составит 0,1% (среднее квадратическое отклонение - 0.028%). 2.Использование светоделительной пластины со специальным диэлектрическим напылением дает хороший результат (0,15%) при специальном отборе пластин, что объясняется несовершенством технологии напыления.
Опытные образцы устройства внедрены в составе установки для определения качества поверхности керамических деталей на предприятии МНПО «Спектр». Они обеспечивают стабильность мощности излучения лазерного пучка при измерении оптических свойств объекта измерения. В результате расширилась возможность контрольно-измерительной аппаратуры, повысилась ее обнаружительная способность. Устройство позволило повысить скорость и точность контроля качества поверхностей, а также увеличить процент выхода годных изделий за счет повышения точности и достоверности измерений.Сдерживающим фактором применения такого устройства стабилизации мощности является его высокая стоимость, определяемая ценой акустооптического модулятора. Для расширения возможностей применения был разработан новый регулирующий элемент на основе пластины со специальным напылением, установленной на шаговом двигателе. Пластина имеет зависимость коэффициента пропускания от угла падения, близкую к линейной (рис.4.7).
Похожие диссертации на Лазерные методы и средства измерения геометрии поверхностей сложной формы
