CC BY
32
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ПРОХОДНОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ПОТОКА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Г.В. Польщиков, Е.И. Шевнина
В лазерных системах различного назначения важным параметром является значение энергии или мощности на входе в рабочую зону. Часто требуется осуществлять регулировку этой мощности или энергии, однако не всегда регулировкой мощности накачки лазера можно достичь соответствующей регулировки мощности излучения, попадающего в рабочую зону. В связи с этим в лазерных системах целесообразно применять измерители энергии или мощности лазерного излучения проходного типа.
Кроме постоянного измерения энергии или мощности лазерного излучения, такие измерители можно использовать в качестве системы оперативного контроля физических изменений, происходящих в лазерной системе в процессе длительной эксплуатации лазерной установки. В частности, для измерения энергии импульсного или квазинепрерывного лазерного излучения целесообразно использовать проходные измерители с френелевским ответвителем потока, выполненным в виде оптического клина.
Ответвитель лазерного излучения должен обеспечивать точное и стабильное выделение малой доли исходного потока. Важнейшей характеристикой ответвителя является его коэффициент прозрачности и чувствительность к поляризационным и спектральным искажениям, а также чувствительность к погрешностям юстировки. Использование просветляющих покрытий приводит к появлению новых и трудно учитываемых систематических погрешностей. С учетом сказанного, для увеличения коэффициента прозрачности прибора представляет интерес использование отражения от разделителя потока излучения под углом, близким к углу Брюстера. Область эффективного использования проходных измерителей с такого рода ответвителем ограничена лазерами с плоско поляризованным излучением, но они проще технологически, имеют лучшую долговременную стабильность и большую лучевую прочность.
Одним из наиболее интересных типов френелевских ответвителей является оптический клин. Использование в качестве ответвителя оптического клина позволяет решить ряд конструктивных и геометрических проблем, которым в данной статье внимание не уделяется. Мы рассмотрим оптический клин как элемент проходного измерителя лазерного излучения, позволяющий решить ряд проблем, связанных с компенсацией погрешностей лазерной системы, вызванных разъюстировкой лазера, старением оптических покрытий, запыленностью, водяной пленкой, осаждаемой на оптические поверхности и т. д., возникающих в процессе долговременной эксплуатации лазерной установки.
Практически всегда при использовании ответвителей потока излучения имеется несколько дополнительных пучков излучения (рис.1), энергетические соотношения между которыми связаны как с параметрами измеряемого потока излучения, так и с параметрами измерительной системы.
Рис.1. Распределение излучения в ответвителе
Для обеспечения максимальной прозрачности проходного измерителя излучение должно падать на переднюю грань ответвителя под углом Брюстера. Предположим, что излучение лазера идеально линейно поляризовано и имеет идеальную расходимость. В противном случае нужно говорить об эффективных значениях коэффициента отражения для данного потока излучения и данной ориентации оптической оси этого потока. В процессе эксплуатации установки угол падения осевого луча может изменяться по разным причинам. Исходя из этого, можно построить измерительную систему с каналом автоматического контроля действующего значения коэффициента отражения от оптической поверхности разделительного элемента.
Контроль действующего значения коэффициента отражения можно осуществлять через известные значения отношений отраженных потоков. Анализ проводился на примере CO2 лазера, мощность падающего потока которого составляла от 5 Вт до 5 кВт. Измерители проходного типа должны обеспечивать коэффициент прозрачности на уровне 97 %.
Поток, отраженный от передней поверхности клина, можно записать как
ф1 =ф0 • г
где: Фо - поток, падающий на переднюю поверхность клина, Ф1 - поток, отраженный от передней поверхности клина, г - коэффициент отражения.
Поток, прошедший внутрь и отразившийся от второй поверхности клина, без учета потерь на поглощение материалом клина, выражается в виде
ф 2 =Ф о • (1 - г )2 • г .
Выражение для потока, дважды отразившегося от внутренней поверхности клина, следующее:
ф3 =ф0 • (1 - г)2 • г3.
В частном случае, при использовании клина из 2пБе, значение коэффициента отражения в процессе долговременной эксплуатации и ухода юстировки всей установки может меняться в зависимости от угла и плоскости поляризации в диапазоне от 1% до 10%. Используя формулы для Ф1, Ф2, Ф3, можно найти все возможные их значения при заданном значении коэффициента отражения. На основании этих расчетов можно составить градуировочную таблицу, используя отношения потоков Ф1/Ф2, Ф1/Ф3, Ф2/Ф3 для разных значений коэффициента отражения г. Таким образом, вне зависимости от величины падающего потока, используя отношения измеренных разделенных потоков, по полученной градуировочной таблице можно контролировать коэффициент единичного отражения для потока Ф1.
На основании произведенных расчетов было выявлено, что при изменении коэффициента отражения наиболее сильно изменяются значения отношений потоков Ф2/Ф3 и Ф1/Ф3. Наименьшая же погрешность возникает при использовании в измерениях значения первого отраженного потока Ф1. Поэтому из этих двух отношений для анализа и компенсации погрешности, вызванной изменением коэффициента отражения, следует ориентироваться на отношение Ф1/Ф3. На рис. 2 приведена графическая зависимость отношения потоков Ф1/Ф3 от коэффициента отражения г.
Полученные результаты расчетов в дальнейшем могут использоваться на этапе обработки информации для контроля действующего значения коэффициента отражения. Отслеживая изменения соотношений потоков и действующего коэффициента отражения, можно производить автоматическую корректировку значения мощности лазера в рабочей зоне, регулируя мощность накачки. Кроме того, эти данные могут использоваться в качестве тестирующего сигнала к сервисному обслуживанию лазерной установки. Например, при нарушении юстировки резонатора лазера из-за возможного за-клона плоскости поляризации, излучение лазера может превратиться из плоско поляри-
зованного в эллиптически поляризованное, что приведет к сильному изменению потока Ф1, а это, в свою очередь, будет являться сигналом к необходимости юстировки лазера.
Рис. 2. Зависимость отношения потоков Ф^Фз от коэффициента отражения г.
Таким образом, примененеие проходных измерителей мощности излучения в лазерных установках не только осуществляет оперативный контроль мощности лазерного излучения в рабочей зоне, но и, при использовании веера переотраженных пучков, позволяет обеспечить автоматический контроль технического состояния лазерной установки.
Литература
1. Гуревич М.М. Фотометрия. Л.: Энергоатомиздат, 1983.
