Розробка калориметричного вимірювача потужності колимованого оптичного випромінювання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розробка калориметричного вимірювача потужності колимованого оптичного випромінювання

ЗМІСТ

Перелік скорочень

ВСТУП

1. АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

1.1 Сучасний стан проблеми вимірювання енергетичних характеристик лазерного випромінювання

1.1.1 Характеристики випромінювання сучасних лазерів

1.1.1.1 Основні типи сучасних лазерів і тенденції їх розвитку

1.1.1.2 Характеристики випромінювання потужних технологічних лазерів

1.1.2 Калориметричні методи вимірювання потужності лазерного випромінювання

1.1.2.1 Термопарний ПВП

1.1.2. 2 Болометричний ПВП

1.1.2. 3 Оптикоакустичний ПВП

1.1.2. 4 Ділатометричний ПВП

1.1.2. 5 Піроелектричний ПВП

1.1.3 Сучасний стан еталонної бази України в галузі вимірювань енергетичних характеристик лазерного випромiнювання

1.1.3.1 Державний первинний еталон одиниць СП і Е

1.2 Взаємодія лазерного випромінювання з речовиною

1.3 Висновки

2. ТЕХНIЧНЕ ЗАВДАННЯ НА РОЗРОБКУ КАЛОРИМЕТРИЧНОГО ВИМІРЮВАЧА ПОТУЖНОСТІ

2.1 Найменування і область застосування

2.2 Підстава для розробки

2.3 Мета і призначення розробки

2.4 Джерела розробки

2.5 Технічні вимоги

3. Розробка Та ДОСЛІДЖЕННЯ КАЛОРИМЕТРИЧНОГО ВИМІРЮВАЧА ПОТУЖНОСТІ

3.1 Обгрунтування конструкції калориметричного вимірювача

3.1.1 Вибір типа калориметричного вимірювача

3.1.2 Вибір типа приймального елементу

3.1.3 Розрахунок параметрів приймального елементу

3.2 Конструкція калориметричного вимірювача

3.3 Дослідження характеристик вимірювача потужності

3.4 Результати дослідження вимірювача

3.5 Висновки

4. ОХОРОНА ПРАЦІ

4.1 Задачі розділу

4.2 Аналіз умов праці у відділі проектування

4.3 Розробка організаційних і технічних заходів з охорони праці

4.3.1 Електробезпечність

4.3.2 Параметри мікроклімату

4.3.3 Освітлення лабораторії

4.3.4 Захист від шуму та вибрації

4.3.5 Захист від лазерного випромінювання

4.4 Пожежна безпека

4.5 Висновки

5. ЕКОНОМІЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТУ

5.1 Характеристика віробу

5.2 Розрахунок витрат на розробку виробу

5.3 Розрахунок собівартості виробництва приладу

5.4 Визначення договірної ціни товару

5.5 Визначення точки беззбиткового виробництва

5.6 Висновки

ЗАКІНЧЕННЯ

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ

ГДР гранично допустимий рівень;

ЗВ засоби вимірювання;

ЗЗВ зразковий засіб вимірювання;

ІЧ інфрачервоний;

ККД коефіцієнт корисної дії;

НАНУ Національна Академія Наук України;

НСП невиключена систематична похибка;

ПВП первинний вимірювальний перетворювач;

ПЕОМ персональна електроннообчислювальна машина;

СІ міжнародна система одиниць;

СКВ середньоквадратичне відхилення;

СП середня потужність;

ТЗ технічне завдання;

УФ ультрафіолетовий;

ВСТУП

Вимірювання оптичного випромінювання є одним з поширених і важливих видів вимірювань. Особливо важливий і актуальний цей вид вимірювань в цей час, коли в багатьох галузях людської діяльності широко застосовуються лазерні джерела оптичного випромінювання.

Сучасні лазери характеризуються енергією випромінювання в діапазоні від ~ 106 Дж до тисяч Джоулів, потужність випромінювання змінюється від одиниць наноВатів до сотень кілоВатів в безперервному режимі роботи, і до тисяч мегаВатів пікової потужності в імпульсному режимі. Тривалість імпульсів випромінювання лазерів міняється від одиниць фемтосекунд до безперервного випромінювання, спектральний діапазон тягнеться від крайнього ультрафіолету до області субміліметрових довжин хвиль, а розбіжність випромінювання варіює від одиниць кутових хвилин до майже 180 ?.

Вимірювання параметрів лазерного випромінювання в процесі виробництва і експлуатації лазерних джерел є складним завданням, оскільки широкі діапазони зміни енергетичних, спектральних, часових і просторових характеристик лазерного випромінювання, а також розмаїття завдань, що вирішуються апаратурою на основі лазерів, не дозволяють обмежитися якимнебудь одним методом вимірювання або єдиною конструкцією вимірювального приладу. Постійне вдосконалення характеристик лазерів, що існують, і розробка нових типів лазерів, а також освоєння нових областей їх використання вимагають безперервного удосконалення контрольновимірювальної апаратури. У зв'язку з цим поліпшення характеристик вимірювачів параметрів лазерного випромінювання завжди є актуальним завданням.

З метрологічної точки зору для забезпечення єдності і правильності вимірювань потужності лазерного випромінювання необхідно мати в своєму розпорядженні методи і зразкові засоби відтворення одиниці вимірювання потужності Вата через величини основних одиниць системи SI, що відтворені Державними еталонами одиниць. Необхідно також мати в своєму розпорядженні систему методів і парк вимірювальних приладів для практичних вимірювань у всьому динамічному, спектральному, часовому і просторовому діапазонах, характерних для сучасних лазерів.

Для лазерів промислового призначення найбільш важливими є енергетичні характеристики, контроль яких необхідний для дотримання технологічних режимів виробництва. Але великі потужності і висока густина енергії випромінювання сучасних технологічних лазерів суттєво утрудняють конструювання контрольновимірювальної апаратури. Вирішувати це завдання допомагає пошук нових матеріалів, стійких до впливу потоку потужного випромінювання, і розробка нових методів і засобив вимірювань.

Основою метрологічного забезпечення оптичних вимірювань є еталонна база країни, центральну ланку якої складають державні еталони. Державні еталони це унікальні фізичні установки, створені на основі новітніх технологій і науковотехнічних розробок, які відтворюють і зберігають розмір одиниці якоїнебудь фізичної величини.

Обов'язковою умовою зберігання і передачі розміру одиниці є систематичне дослідження стабільності та модернізація характеристик апаратури державного еталону в процесі його експлуатації. Такі роботи ведуться, зокрема, і для державного спецiального еталона одиниць середньої потужностi лазерного випромiнювання та енергiї iмпульсного лазерного випромiнювання (ДПЕ СП та Е). Головним напрямком модернізації цього еталону є подовження шкали одиниць, що вiдтворюються, в діапазон великих рівней.

До спеціфікі калорiметрiчного вимірювача еталону належить вiднести необхiднiсть роботи при рiвнях потужностi ~ 1 Вт, тому для подовження шкали одиниць у бік великих рiвней необхiдна розробка нового вимірювача.

Завданням цього дипломного проекту є розробка та дослідження макету калорiметрiчного вимірювача потужности лазерного випромінювання з метою подальшого використання отриманих результатів для модернізації апаратури ДПЕ СП і Е.

1. АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

1.1 Сучасний стан проблеми вимірювання енергетичних характеристик лазерного випромінювання

1.1.1 Характеристики випромінювання сучасних лазерів

1.1.1.1 Основні типи сучасних лазерів і тенденції їх розвитку

Всі відомі лазери за природою їх активного середовища можна розділити

на три великі групи:

газові;

твердотільні;

напівпровідникові.

Кожна з груп має свої особливості, свої сильні і слабкі сторони. Порівняльні характеристики груп лазерів наведені в таблиці 1.1.

Таблиця 1.1

Порівняльні характеристики сучасних лазерів

Групи лазерів і їх характеристика	CO2	Напівпровідникові	YAG	Волоконні лазери
Потужність, Вт	140 000	0,0011000	1 5000	1100
Зразкове ККД %	10	50	Лампа менше 3 Діод більше 10	50
Вимоги до охолоджування	Високі	Низькі	Високі/середні	Дуже низькі
Довжина хвилі, нм	10600	81000	1060	1110
Якість променя	****	*	**	****
Роздрібна здатність	*	**	***	***
Глибина фокусування	*	*	**	****
Простота експлуатації	*	****	**	***

Газові лазери. Активним середовищем лазерів даного типу є газ або суміш газів. Газове активне середовище має високу оптичну однородність, що дозволяє використовувати резонатори великої довжини і отримувати високу спрямованість і монохроматичність випромінювання.

Типовими представниками газових лазерів є гелійнеоновий і аргоновий лазери, лазер на парах металів і лазер на вуглекислому газі [1].

Гелійнеоновий лазер має потужність до 100 мВт і відрізняється найвищою якістю пучка. Він генерує випромінювання в червоній області спектру (? = 0,63 мкм), а його ККД складає одиниці відсотків.

Аргоновий лазер генерує випромінювання потужністю до 10 Вт, а лазери на парах металів до 100 Вт. Вони можуть працювати на різних довжинах хвиль, проте більше 80 % подібних лазерів випромінюють в зеленоблакитній області (? = 0,48 .... 0,52 мкм). Їх ККД складає до 10 %. У сьогоденні аргонові лазери є наймогутнішими джерелами безперервного когерентного випромінювання в ультрафіолетовій області спектру.

Лазер на вуглекислому газі має найвищу вихідну потужність серед газових лазерів до 100 кВт в безперервному режимі. Завдяки своїй потужності і достатньо високій якості пучка він знайшов широке застосування в промисловості. Він має найвищий ККД серед газових лазерів до 30 % і генерує випромінювання в ІЧ області спектру з довжиною хвилі ? = 10,6 мкм.

Твердотільні лазери. Активним середовищем в твердотільних лазерах є діелектрична матриця (сапфір, скло, різні шпінели і гранати), легована іонами металів, хрому, титану, неодима і ін.

У першому твердотільному лазері використовувався кристал рубіна (тобто сапфір Al2O3 + хром Cr), проте в даний час твердотільні лазери створюються, в основному, на кристалах іттрійалюмініевого граната Y3Al5O12 з добавкою іонів неодима (Nd: YAG). Рубіновий лазер генерує в червоній області спектру (? = 0,69 мкм), а неодимовий в ближній ІЧобласті (? = 1,06 мкм) [2].

Nd: YAG лазери можуть працювати як в безперервному, так і в імпульсному режимі. Потужність, що генерується

у безперервному багатомодовому режимі до 500 Вт;

у імпульсному режимі з частотою повторення 50 Гц до 200 Вт;

у режимі модульованої добротності до 100 Мвт;

у режимі синхронізації мод до 1000 Мвт.

ККД твердотільних лазерів складає від 3 % (лампове накачування) до 10% (діодне накачування).

Оптоволоконні лазери. Ці лазери дуже умовно можна виділити в окремий тип, оскільки від твердотільних вони відрізняються тільки конструкцією активного середовища. Резонатором і активним середовищем цього лазера служить кварцеве оптичне волокно, леговане рідкоземельними металами. Серійно випускаються лазери потужністю від 1 до 100 Вт, з довжиною оптоволокна до 40 м і ККД близько 50 %, що генерують в ближній ІЧ області

(? = 0,91 .... 1,40 мкм) [3].

Напівпровідникові лазери. У лазерах цього типу активним середовищем служить напівпровідниковий кристал з рп переходом (тобто напівпровідниковий діод). При пропусканні через діод струму в області рп переходу генерується видиме або ІЧ випромінювання (? = 0,40 .... 1,60 мкм). Лазер з одиночним переходом має потужність декілька міліватів. Проте при об'єднанні в матрицю сумарна потужність системи діодних лазерів може досягати сотень ватів ККД до 50 % 70 % [4].

Головним недоліком напівпровідникових лазерів є погана якість пучка, низька монохроматичність і велика розбіжність випромінювання. Проте завдяки відносній дешевизні, високому ККД і малим габаритам, напівпровідникові лазери знаходять все більш широке застосування.

1.1.1.2 Характеристики випромінювання потужних технологічних лазерів

Технологія лазерної обробки матеріалів є однією з тих технологій, які визначають сучасний рівень виробництва в промисловорозвинених країнах. Відмінними рисами застосування лазерів у виробництві є висока якість отримуваних виробів і продуктів, висока продуктивність процесів, економія людських і матеріальних ресурсів і екологічна чистота. Розвиток лазерних технологій має і соціальний аспект: створюються робочі місця для висококваліфікованого персоналу, що веде до зростання освітнього рівня і культури виробництва [3, 4].

Застосування лазерних технологій в машинобудівному виробництві надзвичайно різноманітне: це зварка (в основному в автомобіле і суднобудуванні), поверхнева обробка, а саме термозміцнювання, легування і наплавлення, різка і розмірна обробка, розкрій матеріалів в заготовчому виробництві, маркіровка і гравіювання, прецизійна мікрозварка електронних компонентів. У ряді напрямів за допомогою лазерів досягнуті такі технічні і економічні результати, які не можна реалізувати іншими технічними засобами. У багатьох випадках променеві технології не мають конкурентів, наприклад при виробництві легких стільникових конструкцій [5].

Таблиця 1.2

Параметри технологічних СO2лазерів

Тип лазера	Довжина хвилі, мкм	Енергія в імпульсі, Дж	Тривалість імпульсу, с	Частота повторення імпульсів, Гц	Потужність (безп.), Вт	Кутова расходимість, мрад	ККД %
СО2, імпульсний режим
СО2 з радіо частотним накачуванням	10,6	5•102	104	100 2500		4	< 10
СО2ТЕА	10,6	101 20	105 106	102 200		2,5 10	< 10 < 10
СО2, безперервний режим
СО2, з повільним подовжнім прокачуванням	10,6				100 1000	1	10
СО2, високої потужності	10,6				200
З повільною продольною прокачкою, дифузне охолодження, багатопроменевий	До 3 кВт/м
З швидкою продольною прокачкою, конвективне охолодження	До 5 кВт/м
З поперечною прокачкою, конвективне охолодження	До 100 кВт/м
Газо динамічний, конвективне охолодження	Більше 100 кВт/м

Спектр устаткування, що застосовують сьогодні для лазерної обробки матеріалів, надзвичайно широкий, але загальним на сьогодні є те, що більшість виробників поставляють на ринок не окремі лазерні технологічні установки (ЛТУ), а лазерні технологічні комплекси (ЛТК). Окрім лазерів ЛТК включають пристрої зовнішньої оптики, керовані столи, маніпулятори або роботи для переміщення виробу під час обробки, і програмне забезпечення, необхідне для реалізації конкретної технології [6, 7].

Серед лазерних джерел, що використовуються для обробки матеріалів, традиційно велика частка CO2 лазерів, особливо серед лазерів великої потужності [8, 9]. Такі лазери з потужностями до 20 кВт складають зараз абсолютну більшість серед машин, використовуваних для різання, зварки і термообробки, і серійно випускаються в Европі, в США і в Японії. Магістральним напрямом розвитку і вдосконалення CO2 лазерів є підвищення їх надійності і економічності. Найбільш вражаючі результати досягнуті в цьому напрямі німецькою компанією “ROFIN” при створенні хвилеводних лазерів з дифузійним охолоджуванням. Характерні параметри технологічних СO2лазеров наведені в таблиці 1.2.

Дуже високими темпами росте виробництво твердотільних лазерів [10, 11]. Наздоганяючи газові лазери по потужності випромінювання (у 2001 р. компанія Міцубіши представила твердотільний лазер потужністю 10 кВт), вони перевершують їх по технологічності, економічності і масогабаритним показникам. Конкурентоспроможність твердотільних лазерів особливо різко підвищилася після появи машин з діодним накачуванням, які, хоча і дорожче за твердотільні лазери з ламповим накачуванням, значно економічніше і надійніше за них, а також після появи лазерів на дискових активних елементах, що дозволило підвищити якість випромінювання. Характерні параметри твердотільних лазерів наведені в таблиці 1.3.

Таблиця 1.3

Параметри твердотільних лазерів

Тип лазера	Довжина хвилі, мкм	Енергія в імпульсі, Дж	Тривалість імпульсу, с	Частота повторення імпульсів, Гц	Потужність (безп.), Вт	Кутова расходимість, мрад	ККД, %
Nd YAG, безперервне випромінювання
Nd YAG, лампове накачування	1,06				10 2000	1 10	3
Nd YAG, діодне накачування	1,06				20 100	1 10	10
Nd YAG, волоконний діодне накачування	1,06				50 2000	1	10
Nd YAG, імпульсний режим
Nd YAG, вільна генерація	1,06	1	103	102		1 10	1 3
Nd YAG, акустооптична Qмодуляція	1,06	103	107	104		1	< 1
Nd YAG, электро оптична Qмодуляція	1,06	1 103 104	103 108	102 105		1	< 1
Nd YAG, діодне накачування	1,06	102 105	108	102 104		1 10	1 5
Nd YAG, волоконного типу	1,06	0,5•103	4 •108	2 •104		< 1	> 1
Інші твердотільні лазери
Рубіновий	0,69	0,1 1,0	10 3 107	10		1 10	> 1
Тi сапфір	0,6 1,1	108	1013 1014	108		0,5	< 1

Дуже перспективні для машинобудівних застосувань діодні лазери, що мають найбільший ККД зі всіх лазерів, що застосовують для обробки матеріалів [2, 12]. Зараз на їх основі вже створені ЛТК для зварки і термообробки, а роботи, що ведуться, по вдосконаленню таких лазерів дозволяють сподіватися на швидку появу і машин для різання металу. Характерні параметри діодних лазерів наведені в таблиці 1.4.

Таблиця 1.4

Параметри діодних лазерів

Тип лазера	Довжина хвилі, мкм	Енергія у импульсі, Дж	Тривалість імпульсу, с	Частота повторення імпульсів, Гц	Потужність (безп.), Вт	Кутова расходимість, мрад	ККД, %
Основні напівпровідникові лазери
GaAs	0,635 0,95	10мВт 20Вт	103	0,04	250 x 150	> 10
IпР	0,95 1,55	10 100 Вт
Напівпровідники	0,75 0,98	Середня потужність 100 Вт і більш	250 x 150	> 10

1.1.2 Калориметричні методи вимірювання потужності лазерного випромінювання

З принципової точки зору всі відомі методи вимірювання потужності лазерного випромінювання засновані на перетворенні електромагнітної енергії оптичного випромінювання в механічну, теплову або електричну енергію з подальшим вимірюванням величини фізичних ефектів, що виникли в результаті цього перетворення. Перетворення одного виду енергії в інший і реєстрація фізичних ефектів, що виникають при цьому, здійснюється за допомогою первинного вимірювального перетворювача (ПВП) відповідного типу. Найбільш поширені пондеромоторний, калориметричний і фотоелектричний методи вимірювання потужності лазерного випромінювання. Згідно з темою нашого проекту розглянемо лише калориметричні методи вимірювання.

Калориметричні методи вимірювання потужності оптичного випромінювання використовують перетворення електромагнітної енергії випромінювання на теплову, що викликає або підвищення температури приймального елементу ПВП унаслідок термічного ефекту, або певну зміну фазового стану матеріалу приймального елементу.

Калориметричні ПВП, що використовують фазові переходи в матеріалі приймального елементу (ізотермічні калориметри), у вимірювальній практиці використовуються надзвичайно рідко унаслідок їх малої розробленості, громіздкості і складності експлуатації, тому в даному огляді обмежимося розглядом калориметрів змінної температури.

Зміна температури приймального елементу калориметричного ПВП при рівномірному розподілі джерел тепла описується рівнянням теплопровідності

(1.3)

де С теплоємність матеріалу приймального елементу; ? коефіцієнт теплообміну з навколишнім середовищем; ? коефіцієнт поглинання приймального елементу; ?Т різниця температур навантаження і зовнішнього середовища; Р падаюча оптична потужність.

Перший доданок в лівій частині рівняння (1.3) визначає нагрів приймального елементу, друге відхід тепла в зовнішнє середовище.

Вирішення рівняння (1.3) для постійної падаючої потужності оптичного випромінювання Р0 з початковою умовою Т(0)= 0 має вигляд

(1.4)

де постійна часу приймального елементу.

У стаціонарному стані, коли t > ? встановлюється динамічна рівновага між потужністю, що поступає, і тією, що відводиться в зовнішнє середовище. З рівняння (1.4) виходить, що в цьому випадку температура нагріву Т0 приймального елементу пропорційна потужності, що поглинається, і обернено пропорційна теплообміну із зовнішнім середовищем

 (1.5)

Підвищення температури приймального елементу ПВП реєструють або безпосередньо, або по зміні опору, об'єму, тиску або інших характеристик ПВП. Залежно від принципу реєстрації підвищення температури всі калориметричні ПВП можна розділити на наступні типи:

термопарний ПВП;

болометричний ПВП;

оптикоакустичний ПВП;

ділатометричний ПВП;

піроелектричний ПВП.

1.2.2.1 Термопарний ПВП

Термопарний метод вимірювання підвищення температури приймального елементу ПВП заснований на термоелектричному ефекті Зєєбека [13]. У 1821 році німецький фізик Томас Іоганн Зєєбек виявив, що в замкненому електричному ланцюзі, складеному з двох спаяних провідників з різнорідних матеріалів, виникає електрорушійна сила, якщо температура спаїв неоднакова. Поява термоелектрорушійної сили (термоЕРС) пояснюється наявністю неоднакових контактних різниць потенціалів у неоднаково нагрітих спаїв, причому це явище характерне як для металів, так і для напівпровідників. Величина термоЕРС при малій різниці температур спаїв пропорційна їх різниці. Коефіцієнт пропорційності залежить від матеріалу контактуючих провідників і від робочої температури. Асортимент металів, використовуваних для виготовлення термопар достатньо широкий, мідь, нікель, вісмут, платина, кобальт, алюміній, тантал, цинк, срібло, залізо, сплави міді і нікелю [14]. З напівпровідникових матеріалів найчастіше застосовують сурму, кремній, теллур, селен [15].

Простий термопарний ПВП складається з приймального елементу і термопари. Приймальний елемент, що поглинає оптичне випромінювання, знаходиться в тепловому контакті з гарячим спаєм термопари. Холодний спай, ізольований від приймального елементу, контактує з масивним тепломістким корпусом, що має температуру навколишнього середовища. Величина термоЕДС, що генерується, вимірюється відповідним вимірювальним приладом і по її значенню судять про потужність оптичного випромінювання.

Необхідно відзначити, що величина термоЕДС, що розвивається термопарою, дуже мала. Для металевих термопар, що мають різницю температур спаїв близько 1 °С величина термоЕДС складає одиниці мікровольт. Для напівпровідникових термопар величина термоЕДС приблизно на порядок більше. Тому при конструюванні термопарного калориметра приймають ряд мір для підвищення його чутливості.

Перш за все, масу приймального елементу ПВП прагнуть звести до міні

муму і виконати приймальний елемент з матеріалу з мінімальною теплоємністю. Далі, приймальний елемент калориметричного ПВП з метою підвищення коефіцієнта поглинання виконують у вигляді моделі абсолютно чорного тіла [16]. Найчастіше це круговий конус з малим кутом при вершині або сфера з отвором. Сфера забезпечує повніше поглинання оптичного випромінювання, але зазвичай віддають перевагу конусному приймальному елементу, оскільки його технологічно простіше виготовити, легко зміряти температуру нагріву уздовж всієї його бокової поверхні і зручніше розміщувати нагрівальні елементи для калібрування калориметра. Нарешті, замість однієї термопари використовують секцію послідовно сполучених термопар, що розміщуються на всій вільній боковій поверхні конусного приймального елементу.

Для компенсації зміни температури навколишнього середовища і фонових засвічень, що приводять до підвищення похибки вимірювання потужності оптичного випромінювання, калориметричний ПВП, окрім робочого приймального елементу, містить компенсаційний приймальний елемент, повністю ідентичний робочому.

Термопарний ПВП, в принципі, є абсолютним засобом вимірювання, відградуювати яке можна згідно рівнянню (1.5), розрахувавши коефіцієнт поглинання приймального елементу, коефіцієнт теплообміну з навколишнім середовищем і температуру нагріву під впливом оптичного випромінювання. Проте таке градуювання виконується з великою похибкою, оскільки отримати теоретичну величину коефіцієнта теплообміну з достатньою точністю практично неможливо.

На практиці термопарний ПВП калібрується методом заміщення. Для цього на приймальному елементі ПВП вмонтовується обмотка підігріву, по якій в процесі калібрування пропускається електричний струм. Потужність оптичного випромінювання, при поглинанні якої приймальний елемент ПВП нагрівся до деякої температури, заміщається відомою потужністю електричного струму, при поглинанні якої приймальний елемент ПВП нагрівається до тієї ж температури. Єдиною умовою, яку необхідно дотримувати при калібруванні заміщенням, є забезпечення однакових умов розсіювання енергії оптичного випромінювання і енергії електричного струму. Похибка калібрування термопарних ПВП, забезпечувана методом заміщення, складає близько 1 % для зразкових ПВП і до 2 % для ПВП широкого застосування.

Типова конструкція термопарного ПВП приведена на рис. 1.1 [17].



Рис. 1.1. Схема ПВП колориметра КОД10

1 робочий приймальний елемент; 2 термопарна секція; 3 масивний тепловідвід; 4 обмотка підігріву; 5 компенсаційний приймальний елемент; 6 термопарна секція; 7 обмотка підігріву.

Зазвичай термопарний ПВП містить робочий і компенсаційний робочий елементи, розміщені в одному корпусі, і дві сполучені послідовно термопарні секції, кожна з яких контактує з одним з приймальних елементів і корпусом. Для зменшення дрейфу нуля термопарна секція компенсаційного приймального елементу електрично включена назустріч термопарній секції робочого приймального елементу.

Верхня межа динамічного діапазону вимірюваних потужностей для термопарного ПВП визначається, як і для інших типів ПВП, порогом руйнування поверхні приймального елементу. При руйнуванні приймального елементу частина перетвореної в тепло енергії оптичного випромінювання витрачається не на підвищення температури приймального елементу, а на утворення пари матеріалу, з якого зроблений приймальний елемент, що приводить до збільшення похибки вимірювань. Причому це збільшення похибки розпочинається, як і для пондеромоторного ПВП, задовго до плавлення матеріалу приймального елементу або візуального спостереження необоротних змін його поверхні. Оскільки для термопарного ПВП повне поглинання оптичного випромінювання є, на відміну від пондеромоторного ПВП, необхідною умовою роботи, то допустимі рівні щільності потужності для термопарного ПВП менші, ніж для пондеромоторного ПВП, і складають одиниці Ватів на квадратний сантиметр, тобто обмежені областю середніх рівнів потужності лазерного випромінювання. Це обмеження характерне для всіх калориметричних ПВП.

Нижня межа динамічного діапазону вимірюваних потужностей для термопарного ПВП визначається тепловим шумом активного опору батареї термопар і температурним шумом приймального елементу, обумовленим статистичною природою теплообміну між приймальним елементом і навколишнім середовищем.

1.2.2.2 Болометричний ПВП

Принцип дії болометра заснований на зміні комплексного електричного опору його чутливого шару, що нагрівається падаючим оптичним випромінюванням, фактично, болометр це терморезистор [18]. Відомі металеві і напівпровідникові болометри. Залежно від вибору робочої температури розрізняють неохолоджувані і охолоджувані (криогенні) болометри.

Чутливий шар болометра є тонкою металічною або напівпровідниковою плівкою, яка знаходиться у вільному стані, або напилена на підкладку, теплоємність якої, як правило, менша теплоємності напиленої плівки. Відомі також дротяні болометри.

Металеві болометри низькоомні, тому завдання узгодження їх з вимірювальною схемою має самостійний інтерес. Зазвичай в конструкції болометра використовуються два ідентичні терморезистори, що включаються, найчастіше, по мостовій схемі. Один з терморезисторів служить робочим приймальним елементом, на який подається оптичне випромінювання, а другий, неосвітлюваний, компенсує вплив зміни температури зовнішнього середовища.

Зміна опору чутливого шару болометра при його нагріванні залежить від величини температурного коефіцієнта опору

де R опір чутливого шару болометра при температурі Т.

Для більшості металів температурний коефіцієнт опору виражається залежністю

отже для кімнатних температур, при яких зазвичай працюють болометри, температурний коефіцієнт опору складає близько 3,3•103. У напівпровідникових болометрів температурний коефіцієнт опору приблизно на порядок вищий.

Верхня межа динамічного діапазону вимірюваних потужностей для неохолоджуваних плівкових болометрів декілька нижче, ніж для термопарних ПВП. Але дротяні болометри з тугоплавких матеріалів, особливо виконані у вигляді рідких дифракційних решіток [19], відрізняються високою променевою міцністю і можуть використовуватися для вимірювання оптичних потужностей великого рівня.

Нижня межа динамічного діапазону вимірюваних потужностей для неохолоджуваних металевих і напівпровідникових болометрів також поступається нижній межі термопарних ПВП. Це пов'язано з вищим, ніж у термопар, рівнем шумів болометрів, основними з яких є теплові, струмові і радіаційні шуми. Необхідно відзначити, що у металевих болометрів основним видом шумів є теплові, а у напівпровідникових струмові.

Охолоджувані болометри відрізняються від неохолоджуваних істотно кращими характеристиками. Охолоджування приймальних елементів болометричних ПВП призводить до зниження теплових і радіаційних шумів, а також до сильного зменшення теплоємності, величина якої пропорційна третьому ступеню абсолютної температури [20]. Поліпшення характеристик можна оцінити, враховуючи, що для охолоджування болометрів використовують тверду вуглекислоту (195? К), рідкий азот (77? К), рідкий водень (20? К) і рідкий гелій (4,2? К).

У лабораторії фірми Bell Telephone для досліджень в дальньому ІЧдіапазоні був розроблений вугільний болометр, що має при гелієвих температурах температурним коефіцієнтом опору ? = 2, який приблизно в 600 разів більше, ніж температурний коефіцієнт опору металевих болометрів при кімнатних температурах. Висока чутливість дозволила провести ряд унікальних наукових досліджень в дальній інфрачервоній області спектру, проте властиві вугільному болометру значні струмові шуми не дозволили досягти його граничної теоретичної чутливості [21].

Найбільш чутливим зі всіх відомих в даний час криогенних болометричних ПВП є болометр Лоу, виконаний у вигляді тонкошарового монокристала германію, легованого галієм [22]. При гелієвих температурах його поріг чутливості складав приблизно 1014 Вт/гц1/2, що на два порядки вище, ніж у напівпровідникового болометра. Спектральна характеристика болометра Лоу тягнеться далі 1000 мкм, так що він дозволяє реєструвати випромінювання від оптичного до субміліметрового діапазону довжин хвиль включно.

Перспективним типом криогенних болометричних ПВП є надпровідні болометри на тонких плівках олова, нітриду ніобію і титану, що охолоджуються до гелієвих температур. Перехід приймального елементу ПВП від звичайного стану до надпровідного відбувається в інтервалі температур порядку сотих доль градуса, тому температурний коефіцієнт опору досягає 5000 %/?С. Болометричні ПВП на основі плівок олова, нітриду ніобію і титану мають порогову чутливість в діапазоні 1010....1012 Вт.

Основним недоліком криогенних ПВП є громіздкість, відносна складність і стаціонарність криогенної апаратури, тому охолоджувані болометри застосовують переважно в лабораторних умовах.

1.2.2.3 Оптикоакустичний ПВП

Ефект збудження коливань в газі під дією модульованого потоку оптичного випромінювання, відкритий Беллом, Тіндалем і Ренгеном в 1880 р. був використаний М. Л. Вейнгеровим для створення оптикоакустичних ПВП (газових термометрів), що володіють високою чутливістю і точністю вимірювань [23]. За кордоном оптикоакустичний ПВП прийнято називати осередком Голея [24].

Принципова схема акустооптичного ПВП приведена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Схема акустооптичного ПВП

1 вхідне вікно; 2 приймальна порожнина; 3 поглинаюча мембрана; 4 передавальний канал; 5 індикаторна камера; 6 дзеркальна мембрана; 7 модулюючий растр; 8 приймальний растр; 9 конденсор; 10 джерело світла; 11 реєструючий фотоелемент.

Принцип роботи акустооптичного ПВП полягає в наступному. Модульований потік оптичного випромінювання, потужність якого необхідно виміряти, прямує через вхідне вікно 1 в приймальну порожнину 2 об'ємом близько 3 мм2 і поглинається мембраною 3, яка передає поглинену енергію газу, що заповнює порожнину. Унаслідок ефекту Бела Тіндаля Рентгена в приймальній камері виникають пульсації тиску газу, які через канал 4 з малим гідравлічним опором поступають в індикаторну камеру 5 і викликають прогин дзеркальної індикаторної мембрани 6. Система оптикоелектронного посилення відюстована так, що за відсутності пульсацій тиску в приймальній камері 2 (тобто при нульовому прогині індикаторної мембрани 6) світло від допоміжного джерела 10, що проходить через верхню половину конденсора 9 і проникні смуги лінійного рівномірного горизонтального растру 7, відбивається індикаторною мембраною 6 якраз на поглинаючі смуги лінійного рівномірного горизонтального растру 8, ідентичного модулюючому растру 7, і не потрапляє на реєструючий фотоелемент 11. Якщо мембрана 6 прогинається, то зображення растру 7 зміщується по відношенню до растру 8 і частина світла джерела 10 потрапляє на фотоелемент 11. Така оптикоелектронна система працює вельми ефективно і дозволяє зареєструвати прогин мембрани близько 104 мкм. Чутливість акустооптичного ПВП, згідно з літературними даними, може бути доведена до 105 ? С [25]. При проектуванні ПВП на тривалі експозиції близько 100 с, така чутливість дає можливість зареєструвати гранично малі потоки оптичного випромінювання близько 109.... 1010 Вт.

1.2.2.4 Ділатометричний ПВП

Ділатометричний метод вимірювання температури приймального елементу використовує теплове розширення твердих тіл, рідин або газів, викликане поглинанням енергії оптичного випромінювання [26]. Типовим прикладом рідинного ділатометричного ПВП є широковідомий ртутний термометр, за допомогою якого німецький фізик В. Гершель в 1800 р. відкрив інфрачервону область спектру оптичного випромінювання. До цього ж типу ПВП відноситься ізотермічний крижаний калориметр Лавуазье Лапласа, відомий більше 150 років, і практично всі неізотермічні рідинні калориметри [27]. Відомі також твердотільні ділатометричні ПВП з біметалічним [28] і з монометалічним [29] приймальним елементом.

Відзначимо, що громіздкість конструкції і складність експлуатації рідинних ПВП, а також крихкість конструції твердотільних ПВП істотно утрудняють експлуатацію ділатометричних ПВП у виробничих умовах, тому їх характеристики не розглядаємо.

1.2.2.5 Піроелектричний ПВП

Піроелектричний ефект, спостережуваний у кристалів 10ти кристалографічних класів з 32х існуючих, полягає в появі електричних зарядів на гранях кристала, поміщеного в температурне поле, що змінюється [30]. Відомо більше 150 піроелектриків, з яких в піроелектричних ПВП найчастіше застосовують монокристали триглицинсульфата, титанату барію, ніобату і сульфату літію, кераміки титанатуцирконату свинцю.

Приймальний елемент піроелектричного ПВП є тонкий диск піроелектрика площею 1 .... 20 мм2. Напиленням у вакуумі на приймальний елемент наносяться металеві електроди завтовшки не більш 0,1 мкм. На опромінюваний електрод напилюється шар покриття, що поглинає в заданому спектральному інтервалі, наприклад, золотої черні. Приймальний елемент кріпиться в утримувачі за допомогою розтяжок з фосфористої бронзи товщиною 20 30 мкм. Утримувач з приймальним елементом розташовується в температурній кюветі, як показано на рис. 1.3.

Температурна кювета піроелектричного ПВП підключається до стандартного водяного термостата ТС15, за допомогою якого в кюветі встановлюється бажана температура, контрольована мідьконстантановою термопарою. Щоб поліпшити умови посилення сигналу від високоомного джерела і звести до мінімуму паразитну ємкість монтажу, передпідсилювач встановлюється в безпосередній близькості від приймального елементу.



Рис. 1.3. Загальний вид піроелектричного ПВП

1 вхідне вікно; 2 кювета; 3 приймальний елемент; 4 вхід води; 5 кожух; 6 передпідсилювач.

У літературі указується, що такий ПВП здатен витримати потік випромінювання інтенсивністю близько 100 Вт/см2 [31]. Похибка вимірювань оцінюється в 5 %.

З викладеного виходить, що калориметричні ПВП в сукупності перекривають динамічний діапазон від гранично малих до дуже великих рівнів потужності лазерного випромінювання і мають досить хороші точнісні характеристики.

Термопарний ПВП має порівняно невисоку чутливість і придатний для вимірювання малих і середніх оптичних потужностей.

Металевий плівковий болометричний ПВП має високу чутливість і придатний для вимірювання малих оптичних потужностей.

Металевий дротяний болометричний ПВП має порівняно невисоку чутливість, але стійкий до дії великих рівнів оптичного випромінювання.

Акустопневматичний ПВП зі всіх калориметричних ПВП має найвищу чутливість і точність вимірювання. Проте його конструкція дуже крихка і вимоглива до умов експлуатації. У зв'язку з цим він непридатний для використання у виробничих умовах, а найбільш застосовний при розробці еталонних і зразкових засобів вимірювань, що експлуатуються в строго контрольованих умовах.

Піроелектричний ПВП має високу чутливість, малу нелінійність світлової характеристики і витримує щільність випромінювання до 10 Вт/мм2. Проте цей ПВП чутливий тільки до модульованого випромінювання і його параметри залежать від параметрів модуляції, тому цей ПВП не завжди може бути застосований.

1.1.3 Сучасний стан еталонної бази України в галузі вимірювань енергетичних характеристик лазерного випромiнювання

Україна ще з часiв Радянського Союзу активно розвивала такий напрям науки i технiки, як лазерна технiка i технологiя. Вiдомi такi науковi центри, як Iнститут фiзики Нацiональної академiї наук України (НАНУ), Iнститут фiзики напiвпровiдникiв НАНУ, Iнститут електрозварювання НАНУ, Харкiвський, Одеський та Київський держунiверситети, якi зробили вагомий внесок у розвиток квантової електронiки та теорiї лазерiв. Одночасно ряд промислових та проектних органiзацiй успiшно працювали над впровадженням здобуткiв науки в рiзнi галузi економiки. Серед таких органiзацiй можна вiдзначити ЦКБ "Арсенал", НДI "Квант", СКБ "Полярон", НДIТС (технологiї суднобудування) та багато iнших. Було налагоджено i серiйне виробництво лазерiв та пристроїв з їх використанням на ВО "Полярон", ВО "Газотрон", ВО "Ротор". Значний внесок у використання лазерiв для метрологiчних цiлей та в розробцi методiв i засобiв для вимiровання їх параметрiв та характеристик було зроблено ДНВО "Метрологiя".

Розвиток цiєї галузi науки i технiки не припинявся i пiсля прийняття незалежностi України. Розумiючи важливiсть лазерної технiки для економiки держави, Уряд у перших же комплексних державних науковотехнiчних програмах "Приладобудування України" та "Машлазер96" передбачив виконання значного обсягу робiт у цьому напрямку. Далеко не всi завдання було виконано, але, незважаючи на це, лазернi технологiї продовжують активно впроваджуватись в рiзнi галузi економiки. Особливо слiд вiдзначити такi напрямки, як медицина, оптичноволоконний зв'язок, вимiровальна технiка, технологiя машинобудування. Бiльшiсть з цих використань пов'язано з певною небезпекою для здоров'я людини, або з розрахунками, що, згiдно з Декретом про забезпечення єдностi вимiрювань, є пiдконтрольним державi. У зв'язку з цим особливо актуальною проблемою у теперiшнiй час є вимiрювання параметрiв лазерного випромiнювання, контроль за його допустимим рiвнем i вiдповiдне метрологiчне забезпечення цих вимiрювань.

Пiсля розпаду СРСР система метрологiчного забезпечення вимiрювань енергетичних параметрiв лазерного випромiнювання також розпалась, оскiльки первинний державний еталон одиницi потужностi залишився в Росiї. Там же залишився i ряд iнших еталонiв, якi забезпечували єднiсть вимiрювань в цiєї галузi. Залишились в Українi два робочих еталона (Днiпропетровськ i Бiла Церква), а також певна кiлькiсть зразкових засобiв типiв ОСИМ та ОСИЭ. Зважаючи на актуальнiсть проблеми, при формуваннi "Програми створення еталонної бази України" нарадою фахiвцiв до останньої було внесено i створення вiдповiдних еталонiв (завдання 11.7, 11.8 та 11.16).

Створений згідно з цією Программою державний первинний еталон одиниць середньої потужностi лазерного випромiнювання та енергiї iмпульсного лазерного випромiнювання (ДПЕ СП та Е) призначено для вiдтворення, зберiгання та передавання розмiру одиницi фiзичної величини пiдлеглим засобам вимiрювання з метою забезпечення єдностi вимiровань у галузях наукових дослiджень, медичної технiки, промислових технологiй, лазерної дозиметрiї i т. iн. [32,33].

Державний первинний еталон одиниць середньої потужностi лазерного випромiнювання та енергiї iмпульсного лазерного випромiнювання також вiдтворює фiзичнi величини середньої потужностi та енергiї лазерного випромiнювання малих рiвней в умовах, коли безпосереднє передавання з необхiдною точнiстю технiчно не може бути здiйснено.

1.1.3.1 Державний первинний еталон середньої потужностi лазерного випромінювання та енергiї iмпульсного лазерного випромiнювання

Аналiз напрямкiв та перспектив розробки високоточних вимiрювачiв середньої потужностi та енергiї когерентного лазерного випромiнювання показав, що найбiльш реальним є створення еталона середньої потужностi та енергiї, що базується на еталонному первинному вимiрювальному перетворювачi (ЕПВП) випромiновання. Незважаючи на рiзноманiтнiсть принципiв дiї еталонних приймачiв вiдомих еталонiв, iснує лише один принцип вимiрювання потужностi та енергiї лазерного випромiновання, що забезпечує найвищу точнiсть калорiметрiчний. Застосування метода електричного замiщення при калiбруваннi дозволяє "прив'язати" державний первинний еталон середньої потужностi та енергiї випромiнювання малих рiвней (ДПЕ СП i Е) до iснуючих еталонiв Вольта i Ома.

Передавання розмiру одиниць вiд ДПЕ СП i Е до робочих еталонiв та вiд них до зразкових засобiв вимiровання (ЗЗВ) здiйснюється методом прямих вимiрювань величин, що вiдтворюються ДПЕ СП i Е або робочим еталоном, вiдповiдно.

В ДПЕ СП i Е поєднано функцiї зберiгання, вiдтворювання та передачi одиниць двох фiзичних величин: середньої потужностi та енергiї.

Фактично комплекс ДПЕ СП i Е при цьому поєднує у собi два еталона:

еталон середньої потужностi безперервного випромiновання;

еталон енергiї iмпульсного лазерного випромiновання.

Такий вибiр побудови еталона (комбiнований еталон) є найбiльш доцiльним, тому що вiдтворювання одиницi СП випромiнювання, джерелом якого є стабiлiзований лазер, засновано на вимiрюваннi СП випромiнювання за допомогою ЕПВП. Вiдтворення одиницi енергiї також засновано на вимiрюваннi СП безперервного випромiнювання за допомогою ЕПВП та формуваннi iз безперервного випромiнювання iмпульсу калiброваної тривалостi. Для послаблення або повного виключення впливу нестабiльностi лазера, що використовується у комбiнованому еталонi, доцiльно передбачити можливiсть вимiрювання СП випромiнювання за допомогою ЕПВП безпосередньо у час передавання розмiру одиницi СП або Е. У нашому випадку до спеціфікі ЕПВП, якiй побудовано за калорiметрiчним принципом, належить вiднести необхiднiсть роботи при рiвнях потужностi ~ 1 Вт, тому при створеннi еталона малих рiвней необхiдно введення калiброваних прецизiйних послаблювачiв випромiнювання.

Державний первинний еталон складається з комплексу таких засобiв вимiрювань:

стабiлiзоване по потужностi джерело безперервного лазерного випромiнювання при довжинi хвилi 0,5 мкм;

послаблювач лазерного випромiнювання;

система вимiрювання середньої потужностi випромiнювання на базi еталонного первинного вимiрювального перетворювача ЕПВП;

система електричного калiбруваня вимiрювача середньої потужностi за методом замiщення;

система вимiрювання вiдносного рiвня середньої потужностi випромiнювання;

система формування оптичних iмпульсiв тривалiстю 1 с;

система термостатування;

система реєстрацiї та обробки iнформацiї.

На рис. 1.4 наведено структурнофункцiональну схему комплекса еталона.



Рис. 1.4. Структурнофункцiональна схема комплекса еталона.

1 лазер з довжиною хвилi 10,6 мкм; 2,3 оптичнi елементи; 4 приймач свiдок, 10,6 мкм; 5 лазер з довжиною хвилi 0,63 мкм; 6 лазер з довжиною хвилi 0,5 мкм; 7 електрооптичний модулятор; 8 об'єктив; 9 послаблювач лазерного випромiнювання; 10 оптико механiчний затвор; 11 фотометрична сфера; 12 ПВП, що звiряється; 13 вимiрювач ПВДЦ2; 14 система стабiлiзацiї потужностi лазера; 15 приймач свiдок, 0,5 мкм; 16 еталонний первинний вимiрювальний перетворювач ЕПВП; 17 вимiрювач вихiдного сигналу ЕПВП; 18 фотоприймач каналу вимiрювання тривалостi iмпульсiв; 19 вимiрювач напруги каналу вимiрювання тривалостi iмпульсiв; 20 вимiрювач напруги електричного калiбрування ПВП; 21 вимiрювач вихiдного сигналу ПВП; 22 терморегулятор; 23 блок управлiння затвором; 24 вимiрювачi напруги i струму калiбрування ЕПВП; 25 вимiрювач тривалостi iмпульсiв; 26 вимiрювач струму калiбрування ПВП; 27 зразкова котушка опору; 28 блок калiбрування ПВП; 29 блок калiбрування ЕПВП; 30 прилад сполучення з ПЕОМ; 31 ПЕОМ; 32 система електричного живлення; 33 система охолодження; 34 система контролю параметрiв навколишнього середовища; 35 система кондицiонування; 36 термокамери.

Основнi метрологiчнi характеристики еталона:

дiапазони значень середньої потужностi та енергiї лазерного випромiнювання, в яких вiдтворюються одиницi фiзичних величин, становлять, вiдповiдно, вiд 104 Вт до 1,0 Вт та вiд 104 Дж до 1,0 Дж.

еталон забезпечує вiдтворення одиницi середньої потужностi лазерного випромiнювання iз середнiм квадратичним вiдхиленням результатiв вимiрювань Sв , яке не перевищує 0,1•102 для рiвня потужностi 1 Вт та 0,3•102 для рiвня потужностi 1•104 Вт, для n = 30 незалежних вимiрювань, а також при невилученiй систематичнiй похибцi ?в , що не перевищує 0,08•102 для рiвня потужностi 1 Вт та 0,4•102 для рiвня потужностi 1•104 Вт.

еталон забезпечує також вiдтворення одиницi енергiї iмпульсного лазерного випромiновання iз середнiм квадратичним вiдхиленням результатiв вимiрювань Sв , яке не перевищує 0,2•102 для рiвня енергiї 1 Дж та 0,3•102 для рiвня енергiї 1•104 Дж, для n = 30 незалежних вимiрювань, а також при невилученiй систематичнiй похибцi ?в , що не перевищує 0,1•102 для рiвня енергiї 1 Дж i 0,4•102 для рiвня енергiї 1•104 Дж.

спектральний дiапазон 0,5 11 мкм.

Розроблений Державний первинний еталон середньої потужностi лазерного випромiнювання та енергiї iмпульсного лазерного випромiнювання очолює державну повірочну схему для відповідних засобів вимірювань згідно ДСТУ 353997 "Державна повiрочна схема для засобiв вимiрювань середньої потужностi лазерного випромiнювання та енергiї iмпульсного лазерного випромiнювання в дiапазонi довжин хвиль вiд 0,3 до 12,0 мкм" [34].

Стандарт ДСТУ 353997 розроблено в Українi вперше. Джерелом для його створення є нормативнi документи та опис еталонiв, створених у Радянському Союзi та Польщi [35 45].

Обов'язковою умовою зберігання і передачі розміру одиниці є систематичне дослідження стабільності та модернізація характеристик апаратури державного еталону в процесі його експлуатації. Такі роботи ведуться, зокрема, і для ДПЕ СП i Е. Головним напрямком модернізації цього еталону є

подовження шкали одиниць, що вiдтворюються, в діапазон великих рівней.

Для подовження шкали існує два принципові шляхі:

розробка прецизійного послаблювача потужного випромінювання;

розширення робочого діапазону ЕПВП.

1.2 Взаємодія лазерного випромінювання з речовиною

До числа найбільш цікавих явищ, зв'язаних з дією лазерного випромінювання на речовину, відносяться ефекти, що відбуваються при поглинанні могутнього лазерного пучка на поверхні непрозорого матеріалу. Під непрозорим матеріалом ми будемо розуміти, головним чином, метали, як основні конструкційні матеріали для калориметричних вимірювальних перетворювачів випромінювання. Проте, розглянуті ефекти легко переносяться і на інші матеріали.

Лазерне випромінювання поглинається в металах за рахунок внутрішнього фотоефекта, перекидаючи електрони провідності на більш високі енергетичні рівні. Середній час пробігу між зіткненнями для електронів у металі має порядок 1013 … 1014 секунди, тому навіть для наносекундних лазерних імпульсів збуджені електрони будуть багаторазово зіштовхуватися один з одним і з фононами кристалічних ґрат, віддаючи їй свою енергію. Термодинамічна рівновага між електронами і фононами встановлюється дуже швидко, тому модель миттєвого перетворення лазерного випромінювання в тепло в області поглинання світла цілком коректна. Унаслідок цього також коректно використання поняття температури й опис переносу тепла класичними рівняннями теорії теплопередачі.

Ця модель взаємодії випромінювання з металами може бути некоректної тільки для пикосекундних і більш коротких імпульсів, коли термодинамічна рівновага за час дії імпульсу випромінювання не встигає установитися.

При описі переносу тепла класичними рівняннями теплопередачі звичайно користаються і класичними допущеннями, що теплофізичні характеристики металів не залежать від температури;

густина потужності випромінювання постійна по поперечному перерізі лазерного пучка.

Хоча ці допущення і не зовсім коректні, однак вони сильно спрощують математичне рішення задач переносу тепла, тому цілком прийнятні для інженерного розрахунку конструкції вимірювальних перетворювачів.

Теплові розрахунки при взаємодії безперервного лазерного випромінювання з напівнескінченним твердим тілом варто вести, говорячи взагалі, з урахуванням втрат на перевипромінювання і конвекцію. Якщо поглинається короткий лазерний імпульс, то тепло виділяється на невеликій площадці, тепловтрати з який звичайно малі в порівнянні з потоком падаючого лазерного випромінювання. Однак якщо процес поглинання випромінювання продовжується тривалий час, то внесок у втрати тепла вносить значно велика нагріта площа. За таких умов тепловтрати з поверхні на конвекцію і перевипромінювання за порядком величини наближаються до потоку випромінювання, що падає на поверхню.

Строге рішення такої задачі дуже складно. Урахування втрат на випромінювання вимагає додавання доданка, пропорційного четвертого ступеня температури. Така нелінійна задача представляє значних труднощів навіть для рішення чисельними методами.

Для урахуванні конвективних утрат теплопередачу від поверхні з гарною точністю апроксимують, уводячи лінійний по температурі доданок у граничну умову для теплового потоку на поверхні. Аналітичний розрахунок температури в центрі плями, що опромінюється, дає таке вираження [46]:

°C ;

де q0 густина потоку лазерного випромінювання на осі пучка,

d радіус пучка випромінювання,

? питома теплоємність металу.

Дослідження показали, що розрахунки по цій формулі задовільно погодяться з експериментом [47].

Ця формула особливо важлива для розрахунку калориметричних вимірювальних перетворювачів, у яких температура нагрівання прийомного елемента повинна бути невеликою.

1.3 Висновки

Проведений аналітичний огляд дозволяє зробити наступні висновки:

у високотехнологічному виробництві все більш широко застосовуються

сучасні потужні лазери, а тому проблема контролю енергетичних характеристик лазерного випромінювання високих рівнів стає усе більш актуальною;

одним з найбільш перспективних перетворювачів випромінювання для використання в апаратурі державних еталонів є калориметричний вимірювач, який забезпечує абсолютне вимірювання потужності лазерного випромінювання;

одним з принциповіх шляхів подовження шкали одиниць у бік великих рівнів випромінювання є розробка вимірювача, який має розширений робочий діапазон потужностей, що вимірюються.

2. ТЕХНIЧНЕ ЗАВДАННЯ НА РОЗРОБКУ КАЛОРИМЕТРИЧНОГО ВИМІРЮВАЧА ПОТУЖНОСТИ

2.1 Найменування і область застосування

Вимірювач потужності безперервного колимованого, зокрема лазерного, випромінювання