Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

4-й курс / ОЛТ / измерение энергетических параметров излучения

.doc
Скачиваний:
37
Добавлен:
19.02.2016
Размер:
142.85 Кб
Скачать

Лабораторная робота №

Тема: Измерение энергетических параметров излучения

В ОЭП используют непрерывное либо модулированное излучение. Непрерывное излучение характеризуется мощностью Ф. Импульсно модулированное излучение описывается энергией излучения одиночного импульса Wи мгновенной мощностью излучения Фи(t), максимальной мощностью Фи max и средней мощностью импульса изучения

Фи ср = Wи/,

где - длительность импульса.

Периодическое импульсное излучение характеризуется средней мощностью излучения:

Фср и.срFи

где Fи - частота повторения импульсов.

Отклонение мощности (энергии) излучения , отнесенное к сред­нему значению, характеризует нестабильность излучения во времени. Мощ­ность (энергия) излучения, приходящаяся на единицу площади сечения пучка, называется плотностью мощности (энергии). Для описания энерге­тических параметров излучения в зависимости от его спектра используют систему энергетических или световых единиц; в световой системе мощ­ность именуется потоком излучения,

Наибольшую сложность представляет измерение параметров импульсного излучения, поэтому рассмотрим данный вопрос.

Практически способы измерения энергетических параметров излуче­ния основаны на преобразовании излучения в электрический сигнал, кото­рый далее измеряется электроизмерительными приборами. Наиболее употребительны тепловое и фотоэлектрическое преобразование.

Основной элемент тепловых измерителей - поглотитель, в котором оптическая энергия преобразуется в тепловую, за счет чего температура поглотителя повышается. Повышение температуры регистрируется термоэлектрическим или иным способом. Поглотитель выполняют в виде кону­са с малым углом или сферы с входным отверстием. А иногда и плоской

поверхностью. Тепловой пре­образователь с поглотителем принято называть калоримет­ром. Конструктивная схема калориметра с конусным поглотителем приведена на рис. 1.

Измеряемое излуче­ние поглощается поверх­ностью конуса. Повышение температуры конуса измеряют с помощью батареи термопар 3, при этом их горячие спаи примыкают к конусу, а холодные - к массивной детали 4, имеющей зна­чительную теплоемкость. Вход конуса 2 закрыт слюдяным окном 1 для предотвращения потерь тепла во внешнее пространство. Отверстие вспомогательного конуса 7 калориметра закрыто непрозрачной пластиной 8, поэтому излучение в его полость не поступает. Температура конуса 7 измеряется термопарой 6, холодные спаи которой примыкают к детали 4. Обе термопары 3 и 6 включены в мостовую схему. Выходное напряжение моста подается на пиковый вольтметр ИП. Благодаря введению компен­сационного конуса 7 абсолютное приращение температуры основного ко­нуса 2 при поглощении им измеряемого излучения не зависит от изменений окружающей температуры.

Для градуировки калориметра предназначена подогревательная обмотка 5, расположенная около конуса 2. В обмотку подается электри­ческий импульс известной энергии при разряде конденсатора С который предварительно заряжается до напряжения Vпит от внешнего источника через резистор R.

В калориметрах, предназначенных для измерения параметров непрерывного излучения, а также средней мощности импульсно модулированных потоков, имеются устройства, отводящие тепло от рабочего конуса.

К преимуществам калориметрических измерителей следует отнести возможность измерения в широком диапазоне длин волн (их не селективность), возможность проведения абсолютных энергетических измерений, а также высокую линейность характеристик в широком диапазоне изме­нений энергии (мощности) излучения.

Основные недостатки таких измерителей заключаются в низкой чувствительности по сравнению с фотоэлектрическими измерителями и значительной инерционности, вследствие чего энергию импульсов можно измерять с частотой не выше 0,5-1,0 замеров в 1 мин.

Фотоэлектрический метод основан на фотоэффекте. То есть на непосредственном преобразования излучения в электрический сигнал. В качестве преобразователей используют фотоэлектрические приемники излучения: для импульсного излучения - широкополосные фотоэлементы с коаксиальным выходом типа ФЭК, быстродействующие фотоэлектронные умно­жители, а также полупроводниковые приемники - кремневые фотодиоды; для непрерывного излучения в видимой области спектра - селеновые фотоэлементы.

Схема фотоэлектричес­кого измерителя импульсно модулированного излучения - импульсного фотометра показана на рис.2.

Рис. 2 Фотоэлектрический измеритель

Входным элементом измерителя служит светорассеивающая пластина 1-молочночное или матовое стекло, выполняющее роль пространственного интегратора и обеспечивающее независимость показаний от пространственной структу­ры (неоднородности) измеряемого излучения. Одновременно стекло устраняет влияние неравномерности чувствительности фотокатода по его поверхности и, наконец, деполяризует падающее излучение, что также спо­собствует повышению точности. Как правило, излучающее устройство ОЭП характеризуется излучением большой мощности и если подать его непосредственно на фотоприемник 3, он выйдет за пределы линейной части своей характеристики, либо его катод может быть даже разрушен. В связи с этим обязательным элементом измерителя является ослабитель 2, кото­рый делают регулируемым.

Электрический сигнал, снимаемый с нагрузочного резистора RH , сво­ей огибающей полностью повторяет изменения мощности излучения на входе. В импульсных измерителях сигнал поступает на вход широкополос­ного импульсного усилителя 4, а затем - на регистрирующий прибор 5, в качестве которого используют пиковый вольтметр с запоминанием, позволяющий определять максимальную мощность излучения, либо элект­ронный осциллограф, определяющий мгновенные значения мощности, а также временные параметры импульса излучения.

Для измерения энергии импульсного излучения в схему вводят интегрирующую емкость С. За время оптического импульса емкость заряжает­ся до напряжения, пропорционального энергии импульса излучения. Нап­ряжение измеряется далее прибором 5.

При использовании фотоэлектрических измерителей необходимо учи­тывать то, что они обладают ограниченным спектральным диапазоном. Как правило, их градуировка производится по эталонным излучателям для конкретных длин волн. Кроме того, фотоэлектрические измерители обладают ограниченным динамическим диапазоном работы по уровню мощности входного излучения.

В настоящее время помимо рассмотренных видов измерителей про­мышленность осваивает измерители, основанные на других видах преоб­разования, в том числе измерители, в которых используют эффект свето­вого давления.

Энергетические параметры излучения измеряют по двум схемам. В первой (рис. 3а) излучение, создаваемое излучающим устройством 1 поступает на вход измерителя 2 и полностью им поглощается.

Рис. 3 Схемы измерения энергетических параметров излучения

Отсюда и ее название - схема измерения поглощенной мощности. Во второй схеме измеряется проходящая мощность: измеритель поглощает малую часть излучения (не более 1-3 %), а основная часть проходит через измеритель и может использоваться, например, для измерения пространственных либо спектральных характеристик излучения. В одном из вариантов такой схемы (рис. 3б) в ходе пучка излучающего устройства 1 установлен светоделительная пластина 3, которая ответвляет малую часть излучения на измеритель 4. Если обозначить мощность отраженного излучения Фотр (определяется с помощью измерителя 4), а коэффициент отражения пластины , то излучение, проходящее через пластину 3 на прибор 5, например спектральный прибор, будет иметь мощность

Фвх = Фотр(1-)/

при этом пренебрегаем потерями излучения в пластине. Совокупность светоделительной пластины 3 и измерителя 4 образует измеритель проходного типа, иначе - измеритель проходящей мощности 2.

Другой вариант проходного измерителя показан на рис. 3в. Здесь в измерителе 2 преобразователь излучения в электрический сигнал выполнен в виде плоской зеркально-отражающей пластины, на обратной стороне которой расположен термоэлемент. Зеркало калибруется по значению коэффициента поглощения.

Промышленность выпускает измерители большой номенклатуры. Ниже рассмотрены основные типы не только серийно выпускаемых измерителей, но и такие, выпуск которых хотя и прекращен, но значительное количество их находится в эксплуатации.

Параметры тепловых измерителей приведены в табл. 1.

ИКТ-1М — измеритель энергии одиночных импульсов излучения лазеров, работающих в режиме модулированной добротности и в режиме свободного генерирования.

МКЗ-18А - калориметрический ваттметр поглощаемой мощности предназначен для измерения средней мощности излучения лазеров, работающих в непрерывном режиме, и энергии излучения одиночных и импульсов. Может также измерять среднюю мощность амплитудно- модулированного лазерного излучения при частоте модуляции свыше 10 Гц и произвольной форме модуляции, а также суммарную энергию последовательности импульсов.

Табл. 1 Тепловые измерители

Марка

Спектральный диапазон, мкм

Диапазон измерения

Мощности, Вт

Энергии, Дж

ИКТ-1М

0,4-4

-

5*10-2 - 150

МК3-18А

0.4-3,5

10-4 – 10-2

10-3 – 0,3

М3-24

0,4-3,5

10-2 - 1

1,5*10-2 - 10

М3-49

0,4-11

10-3 – 0,1

10-3 - 1

ЭП-50-01

0,4-10,6

-

0,1 – 1000

ИЭИ-1К-1М

0,5-2*10,6

-

0,5 - 30

МЗ-24 - измеритель средней мощности и энергии импульсов излуче­ния лазеров и МЗ-49 - ваттметр поглощаемой мощности (имеет цифровой отсчет) - по назначению аналогичны измерителю МКЗ-18А.

ЭП-50-01 - первичный преобразователь энергии одиночных импульсов излучения лазеров в электрический сигнал - предназначен для работы со стандартными регистрирующими измерительными приборами с входным сопротивлением не менее 10 кОм: Щ15 13, И-37и др. Коэффициент преобразования 1,5 мВ/Дж. Наибольшее допустимое значение энергии на входе определяется из условия: Wmax 1000, где - длительность импульса излучения. Встроенное запоминающее устройство с переключающим реле обеспечивает дистанционный опрос преобразователя.

ИЭИ-1К-1М — измеритель энергии одиночных импульсов лазерного излучения. Параметры фотоэлектрических измерителей лазерного излучения при­ведены в табл. 2.

ФН — фотометр наносекундный — предназначен для одновременного измерения энергии и максимальной мощности одиночных импульсов излучения лазеров в диапазоне наносекундных длительностей. Возможно под­ключение электронного осциллографа для наблюдения формы импульсов.

ФЧ - фотометр частотный - предназначен для измерения следующих параметров одиночных и повторяющихся импульсов лазерного излучения в диапазоне наносекундных длительностей: энергии или максимальной мощности одиночных импульсов, среднего значения энергии импульсов в серии, среднего и максимального отклонений энергии импульсов в серии от среднего значения. С помощью подключаемых внешних устройств мо­гут быть зарегистрированы число импульсов в серии, частота их повторе­ния и форма.

ЛФО — лабораторный фотометр общего назначения - выполняет те же функции, что и фотометр ФЧ, но имеет улучшенные технические характеристики.

ИЛД-2 - универсальный лазерный дозиметр - предназначен для измерения энергетических и временных параметров лазерного излучения в заданной точке пространства. В диапазоне 0,49-1,15 мкм используется фотоэлектрический приемник излучения, а в диапазоне 2-11 мкм - теп­ловой.

Табл.

Максимальный диаметр пучка, мм

Основная погрешность, %

Длительность импульса

излучения, м

Интервал между измерениями мин, не менее

15

10

>10-8

8

10

10

-

0,5

20

12,5-15

-

0,3

20

4-10

-

0,5

49*49

15

<1

2

45

15

10-6 -1

10

Табл. 2 Фотоэлектрические измерители

Марка

Рабочие длины волн, мкм

Диапазон измерения

Максимальный диаметр пучка, мм

Длительность импульса, с

Максимальная частота повторения, Гц

Погрешность измерения, %

Мощности, Вт

Энергии, Дж

Мощности

Энергии

ФИ

0,53; 0,69; 1.06

103 – 2*105

10-4 -2*102

50

2,5-50*10-8

Однократные импульсы, с

25

25

ФЧ

0,53; 0,69; 1,06

103 – 2*105

10-4 – 2*102

50

2,5-50*10-8

1000

25

25

ЛФО

0,53; 0,69;

1,06

-

10-4 - 10

150

5*10-10 – 106

1000

-

13-23

ФУР

0,53; 0,69; 0,9; 1,06

-

10-9 – 10-4

Дж/см2

30

(1-15)*10-8

2000

-

25

ФМП

0,91; 1,06

10-6 – 10-3

10-3 – 10-9

14

(5-10)*10-8

1000

25

20

ФПМ-01

0,488; 0,63; 0,69; 1,06

10-7 -10-1

(10-6

2*10-3 Вт/м2)

10-5 – 5*10-2 х

х(10-4 – 10-2 Дж/м2)

14

10-4 – 10-2

1

15

20

ФПМ-02

0,53; 0,69; 0,87-0,91;

1,06

-

5*10-9 – 10-5

(10-5 – 10-3 Дж/м2)

14

10-9 – 10-7

1

-

20

ИЛД-2

0,53; 0,63; 0,69; 1,06 10,6

10-6 – 10

10-4 10-1

10-5 – 1

10-6 – 10-7

30

12

10-8 – 10-2

10-6 – 10-4

1000

25

18-30

20-30

Примечание. Спектральный диапазон измерителя ИЛД-2 0,49-1,15 и 2-11 мкм соответственно; для остальных измерителей 0,4-1,1 мкм.

Табл. 3 Фотоэлектрические измерители излучения импульсных ламп и других источников

Марка измерителя

Измеряемая величина

Диапазон измерений

Максимальный диаметр пучка, мм

Длительность импульса, с

Погрешность, %

СМИ

Освечивание

10-5*105 Кд*с

200

10-5 - 1

15

ФИМ

Сила света

Освечивание

Яркость

5*102 - 107 Кд

1-107 Кд*с

2*105-1013 Кд/м3

80

80

0,2

10-7 – 10-2

20

ФИС

Сила света Яркость

5*104-10 Кд

107-1012 Кд/м2

80

0,2

СИФ-1М

Световой поток

Мощность изле­чения

3*10-6 – 2*107 Лм

3*10-10 – 2*10 Вт

30

5*10-9 – 3*10-6

(осциллограф И2-7)

3*10-6 10-2 (осциллограф С-1-29)

18-25

Примечание. Диапазон спектральной чувствительности 0,4 - 0,7 мкм. Максимальная частота повторения импульсов для изме­рителя ФИС – 3*103 Гц; все другие предназначены для режима однократных импульсов.

ФУР - фотометр удаленного расположения - измеряет плотность, энергии (энергетическую экспозицию), создаваемой направленным лазерным излучением на значительном удалении от источника (до 3-5 км). Устройство автоматического выбора диапазона измерения, обеспечивает быстродействие фотометра.

ФПМ - фотометр переносный малогабаритный для фотометрирования

на фиксированных длинах волн. Модификации ФПМ-01 - для измерения энергетических параметров импульсных и непрерывных лазеров; ФПМ-О2 для измерения энергии импульсов излучения полупроводниковых и твердотельных лазеров в наносекундном диапазоне.

ФМП - фотометр малых потоков для измерения низких уровней энергии и мощности импульсного излучения.

В табл. 3 приведены параметры фотоэлектрических измерителей излучения импульсных ламп и других источников.

СМИ - импульсный свечемер - измеряет отсвечивание импульсных ламп; индикация результатов измерения производится стрелочным прибором.

ФИМ - фотометр одиночных импульсов - снабжен свечемерной яркомерной насадками. Повышенная временная разрешающая способность позволяет использовать его и для измерения лазерного излучения.

ФИС - фотометр повторяющихся импульсов с частотой до 3000 Гц определяется общее число оптических импульсов, поступающих на входе фотометров, число пропусков, сделанных импульсной лампой, а также распределяет входные оптические импульсы по силе света относительные

задаваемых пределов разброса.

СИФ-1М - фотометр для измерения светового потока и мощности излучения импульсных источников света, например импульсных лам светодиодов; пригоден дня измерения лазерного излучения. В комплект следует, входит электронный осциллограф для наблюдения форм светового импульса, а также контрольный генератор световых импульсов. Измерители освещенности в видимой области спектра - люксметры бывают типов: Ю-116 с пределами измерения 5-100 лк - основной и 100 тыс., лк - с поглотителем; Ю-117 составным пределом измерения 0,1 до 100 лк;

с поглотителем - до 100 тыс. лк (снабжен встроенным усилителем с питанием от малогабаритных элементов).

В обоих люксметрах в качестве приемника излучения используют селеновый фотоэлемент диаметром 55 мм; ток измеряется микроамперметром.

Соседние файлы в папке ОЛТ