Измерение мощности

При описании работы лазера в непрерывном или импульсно-периодическом режимах средняя мощность излучения является, как правило, первым указываемым параметром, характеризующим масштаб изделия. Наши специалисты имеют опыт создания средств измерений, перекрывающих диапазон по средней мощности в 13 порядков (от 1 мкВт до 10МВт). Выбор первичных преобразователей на основе имеющихся технических решений или разработка новых осуществляется на этапе эскизного проекта создаваемого контрольно-измерительного комплекса. Регистрация выходных сигналов преобразователей обычно осуществляется с помощью Регистратора РИЦ822, что позволяет параллельно контролировать изменение мощности или плотности мощности в нескольких точках схемы эксперимента.

Характерным свойством мощности лазерного излучения является ее неотрицательность. В связи с этим у приемника, адекватно преобразующего падающую мощность в электрический сигнал, этот сигнал является однополярным. Временное разрешение канала измерения мощности определяется в основном быстродействием приемника и периодом оцифровки его выходного сигнала. Быстродействие приемника, как правило, может быть оценено с помощью его импульсной характеристики (реакции приемника на дельта – функцию), которая для большинства приемников имеет вид, приведенный на рисунке справа вверху. Она может быть достаточно хорошо аналитически записана в виде разности двух экспонент:

Соотношение между постоянными времени определяет основные параметры импульсной характеристики- время выхода сигнала на максимальное значение и время релаксации, т.е. время возвращения к исходному состоянию. Эти времена сильно различаются в зависимости от типа приемника, составляя, например, единицы нс для лавинных фотодиодов и десятки секунд для массивных тепловых преобразователей.
Измерение постоянной или медленно меняющейся мощности излучения не составляет проблемы – для этого выпускается большое количество прямо показывающих приборов (ваттметров, включающих как приемник, так и индикатор). В случае же быстрого (по сравнению со временем человеческой реакции) изменения сигнала приемника, необходима полная его регистрация в течение пуска лазерной установки, с последующим отображением временной зависимости мощности (формы импульса).
На рисунке приведены зависимости, используемые в стандарте ISO11554 при определении основных параметров формы импульса. К этим параметрам (физический смысл их ясен из рисунка) относятся:
- пиковая мощность импульса ;
- длительность импульса ;
- 10%-я длительность импульса ;
- время нарастания;
Текущее значение мощности Р(t) (в том числе и пиковое) согласно стандарту ISO11554 возможно определять по зарегистрированному выходному сигналу приемника U(t). даже в том случае, если он не калиброван (но линеен!). При этом следует использовать полученное в данном эксперименте значение энергии импульса излучения Q и формулу:

Измерение мощности с использованием Регистратора РИЦ822

Измерение  мощности с использованием Регистратора РИЦ822

Измерение мощности излучения и контроль ее изменений в ходе эксперимента наиболее целесообразно осуществлять с помощью Регистратора сигналов РИЦ822. В отличие от осциллографа регистрация и отображение показаний производится в натуральных единицах (Вт, кВт и т.д.). На рисунке слева представлены результаты регистрации импульса твердотельного лазера в режиме свободной генерации. В течение импульса сделано 150 тысяч отсчетов мощности. Импульс имеет характерную пичковую структуру. Растяжение изображения (средний график) позволяет отобразить структуру импульса, в частности оценить интервал между отдельными пичками. Еще большее растяжение изображения (нижний график) позволяет оценить длительность отдельных пичков (в приведенном примере длительность пичка с максимальной мощностью 10 МВт составляет 234 нс).

Сглаживание формы импульса

Сглаживание формы импульса

Регистратор РИЦ822 при отображении информации дает возможность сглаживания формы импульса за счет скользящего усреднения отдельных отсчетов мощности (т.е. применения свертки с прямоугольной функцией). На рисунке слева представлены графики исходного импульса и сглаженного с параметром усреднения 1200 (в каждой точке отложено среднее значение 1200 отсчетов мощности, сделанных в окружающей данную точку области: 600 отсчетов до и 600 отсчетов после этой точки). Фактически сглаженный график представляет собой временное изменение средней мощности и позволяет оценить длительность импульса излучения по уровню 0,5 максимального значения (в данном случае длительность равна 785 мкс). Обращает внимание изменение вертикального масштаба в этих графиках. Если в исходном импульсе максимальная мощность отдельных пичков достигает 20 МВт, то в сглаженном импульсе средняя мощность в максимуме составляет порядка 1,5 МВт.

Возможности параллельной регистрации

временные зависимости мощности лазерного излучения, зарегистрированные в 7-ми участках оптического спектра

Регистратор РИЦ822 предоставляет уникальные возможности при проведении параллельной регистрации мощности излучения в различных точках схемы эксперимента. На верхнем рисунке слева приведены временные зависимости мощности лазерного излучения, зарегистрированные в 7-ми участках оптического спектра в ходе восьмисекундного пуска. На нижнем рисунке в двух временных масштабах изображены показания приемников, регистрирующих временной ход излучения 5-ти одновременно работающих импульсных каналов сложной лазерной установки.

Преобразователи, измеряющие мощность лазерного излучения

Преобразователи, измеряющие мощность лазерного излучения

В состав СИЭПХ-2 входят на опциональной основе 9 преобразователей излучения, которые, при работе совместно с регистратором РИЦ822, могут использоваться для измерения мощности лазерного излучения. Для них характерны большая входная апертура и сравнительно высокое временное разрешение, необходимое при анализе изменения мощности в ходе коротких пусков генерации. Подробная информация о каждом преобразователе приведена в его паспорте.