RU225695U1 - TOOL FOR MEASURING THE WIDTH AND DIVERGE ANGLE OF A LASER BEAM - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области оптических измерений, касается средства измерений ширины и угла расходимости лазерного пучка. Средство измерений содержит оптический делитель излучения и матричный преобразователь. Оптический делитель располагается на оси измеряемого лазерного пучка и выполнен в виде плоскопараллельной пластины с показателем преломления n и толщиной d. Пластина установлена с образованием угла падения α между ее нормалью и осью измеряемого лазерного пучка. Матричный преобразователь излучения имеет протяженность Т и центрирован вдоль оси отражения измеряемого лазерного пучка от передней грани указанной пластины. Оптический делитель выполнен толщинойThe utility model relates to the field of optical measurements and concerns a means for measuring the width and divergence angle of a laser beam. The measuring instrument contains an optical radiation divider and a matrix converter. The optical splitter is located on the axis of the measured laser beam and is made in the form of a plane-parallel plate with refractive index n and thickness d. The plate is installed to form an angle of incidence α between its normal and the axis of the measured laser beam. The matrix radiation converter has a length T and is centered along the axis of reflection of the measured laser beam from the front face of the specified plate. The optical divider is made thick

Технический результат заключается в повышении точности измерений. 4 ил. The technical result is to increase the accuracy of measurements. 4 ill.

Description

Полезная модель относится к области оптических измерений, а именно, к фотометрическим средствам измерений проходного типа и может быть использована для определения ширины лазерного пучка и его угла расходимости.The utility model relates to the field of optical measurements, namely, to transmission-type photometric measuring instruments and can be used to determine the width of a laser beam and its divergence angle.

Из уровня техники известны матричные камеры для определения ширины и расходимости лазерного пучка (см. сайт www.ophiropt.com Каталог. Измерение мощности, энергии и профиля лазерного пучка «OPHIR»). Как правило, представленные камеры - тупикового типа, непосредственно измеряющие пространственное распределение интенсивности лазерного пучка в его поперечном сечении и далее определяющие ширину и расходимость в соответствии с ГОСТ Р ИСО 11146-08. Однако, для решения современных практических задач лазерной техники требуются средства измерений упомянутых параметров проходного типа, с наименьшими искажениями выходного пространственного распределения интенсивности. Для решения такой задачи необходимо применение оптических делителей лазерного пучка, отбирающих от источника излучения незначительную часть интенсивности, поступающей на матричное средство измерений для определения ширины и угла расходимости, и при этом пропускающие основную долю излучения на выход для его практического применения.Matrix cameras are known from the prior art for determining the width and divergence of a laser beam (see website www.ophiropt.com Catalog. Measuring the power, energy and profile of a laser beam “OPHIR”). As a rule, the presented cameras are of a dead-end type, directly measuring the spatial distribution of the intensity of the laser beam in its cross section and then determining the width and divergence in accordance with GOST R ISO 11146-08. However, to solve modern practical problems of laser technology, transmission-type measuring instruments for the mentioned parameters are required, with the least distortion of the output spatial distribution of intensity. To solve this problem, it is necessary to use optical laser beam splitters that select from the radiation source an insignificant part of the intensity entering the matrix measuring instrument to determine the width and angle of divergence, and at the same time transmit the bulk of the radiation to the output for its practical application.

Из уровня техники известно средство измерений энергии или мощности лазерного пучка проходного типа на основе оптического делителя (Максак А.Г., Козак И.В., Плотников А.В., Ильин А.С., Улановский М.В. Обеспечение единства и точности измерений энергии пикосекундных импульсов лазерного излучения, Измерительная техника, №5, 2015, с. 37-40)). При использовании оптического делителя в виде плоскопараллельной пластины толщиной d два образованных исходным пучком луча на выходе передней грани ослабителя будут смещены на расстояние Δ. Когда оба эти луча поступают на соответствующие средства измерений, их интенсивности суммируются. При измерении пространственного распределения лазерного пучка такое суммирование приводит к интерференции и суммарное пространственное распределение отличается от выходящего из лазерного источника, что увеличивает погрешность измерений ширины и угла расходимости лазерного пучка.A means of measuring the energy or power of a pass-through type laser beam based on an optical divider is known from the prior art (Maksak A.G., Kozak I.V., Plotnikov A.V., Ilyin A.S., Ulanovsky M.V. Ensuring unity and accuracy of measurements of the energy of picosecond pulses of laser radiation, Measuring technology, No. 5, 2015, pp. 37-40)). When using an optical splitter in the form of a plane-parallel plate of thickness d, the two beams formed by the initial beam at the output of the front face of the attenuator will be shifted by a distance Δ. When both of these beams arrive at the corresponding measuring instruments, their intensities are summed up. When measuring the spatial distribution of a laser beam, such summation leads to interference and the total spatial distribution differs from that emerging from the laser source, which increases the error in measuring the width and divergence angle of the laser beam.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является средство измерений ширины и угла расходимости лазерного пучка, содержащее оптический делитель излучения, располагаемый на оси измеряемого лазерного пучка и выполненный в виде плоскопараллельной пластины, которая установлена с образованием угла падения между ее нормалью и осью измеряемого лазерного пучка, и соединенный с компьютером матричный преобразователь излучения, центрированный вдоль оси отражения измеряемого лазерного пучка от передней грани указанной пластины (А.С. RU 2659183 С1, 2018, Абдрахманов К.Ш., Райцин A.M., Улановский М.В. Установка для калибровки/поверки и способ калибровки средств измерений ширины лазерного пучка). В известном техническом решении не предусмотрено разведение лучей, выходящих через переднюю грань делителя и поступающих на матричный преобразователь излучения, в результате чего оба упомянутых выше луча также интерферируют друг с другом, что приводит к увеличению погрешности измерений ширины пучка и угла расходимости.The closest in technical essence to the claimed invention is a means for measuring the width and divergence angle of a laser beam, containing an optical radiation splitter located on the axis of the measured laser beam and made in the form of a plane-parallel plate, which is installed to form an angle of incidence between its normal and the axis of the measured laser beam , and a matrix radiation converter connected to a computer, centered along the axis of reflection of the measured laser beam from the front face of the specified plate (A.S. RU 2659183 C1, 2018, Abdrakhmanov K.Sh., Raitsin A.M., Ulanovsky M.V. Installation for calibration / verification and method of calibration of laser beam width measuring instruments). The known technical solution does not provide for the dilution of the beams exiting through the front face of the splitter and entering the matrix radiation converter, as a result of which both of the above-mentioned beams also interfere with each other, which leads to an increase in the measurement error of the beam width and divergence angle.

Таким образом, технической проблемой является устранение вышеуказанных недостатков и обеспечение возможности измерения средством измерения ширины пучка и его расходимости проходного типа с матричным преобразователем излучения неискаженного интерференцией пространственного распределения интенсивности лазерного пучка.Thus, the technical problem is to eliminate the above disadvantages and ensure the ability to measure the beam width and divergence of a transmission type with a matrix radiation converter by means of measuring the spatial distribution of laser beam intensity undistorted by interference.

Технический результат заключается в повышении точности проводимых измерений. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что средство измерений ширины и угла расходимости лазерного пучка, содержит оптический делитель излучения, располагаемый на оси измеряемого лазерного пучка и выполненный в виде плоскопараллельной пластины с показателем преломления n и толщиной d, которая установлена с образованием угла падения α между ее нормалью и осью измеряемого лазерного пучка, и соединенный с компьютером матричный преобразователь излучения протяженностью T, центрированный вдоль оси отражения измеряемого лазерного пучка от передней грани указанной пластины, причем оптический делитель выполнен толщинойThe technical result is to increase the accuracy of the measurements. The problem posed is solved, and the technical result is achieved by the fact that the means for measuring the width and divergence angle of the laser beam contains an optical radiation splitter located on the axis of the measured laser beam and made in the form of a plane-parallel plate with a refractive index n and thickness d, which is installed to form an angle fall α between its normal and the axis of the measured laser beam, and a matrix radiation converter of length T connected to the computer, centered along the axis of reflection of the measured laser beam from the front edge of the specified plate, and the optical divider is made of thickness

На фиг.1 представлена упрощенная функциональная схема предлагаемого устройства;Figure 1 shows a simplified functional diagram of the proposed device;

на фиг.2 - ход лучей в пластине оптического делителя;figure 2 - beam path in the optical divider plate;

на фиг.3 - 4 представлены результаты экспериментальных исследований предлагаемого устройства.Figures 3 - 4 present the results of experimental studies of the proposed device.

Предлагаемое средство измерений ширины угла расходимости лазерного пучка от источника 1 излучения состоит из оптического делителя 2 излучения, матричного преобразователя 3 и компьютера 4. Оптический делитель 2 выполнен в виде плоскопараллельной пластины с показателем преломления n (например, из стекла марки К-8) и толщиной d. Матричный преобразователь 3 имеет протяженность Т, центрирован вдоль оси отражения измеряемого лазерного пучка от передней грани пластины оптического делителя 2 и представляет собой, например, CMOS-матрицу MARS 4100 или ПЗС-матрицу Hamamatsu S7170-0909-01.The proposed means for measuring the width of the divergence angle of a laser beam from a radiation source 1 consists of an optical radiation divider 2, a matrix converter 3 and a computer 4. The optical divider 2 is made in the form of a plane-parallel plate with a refractive index n (for example, from K-8 glass) and thickness d. The matrix converter 3 has a length T, is centered along the axis of reflection of the measured laser beam from the front face of the optical splitter plate 2 and is, for example, a MARS 4100 CMOS matrix or a Hamamatsu S7170-0909-01 CCD matrix.

В ходе измерений оптический делитель 2 располагают на оси прямого лазерного пучка так, чтобы его пластина образовывала угол падения α между ее нормалью и осью измеряемого лазерного пучка.During measurements, the optical splitter 2 is placed on the axis of the direct laser beam so that its plate forms an angle of incidence α between its normal and the axis of the measured laser beam.

В соответствии с геометрическими параметрами установки определяется требуемая толщина оптического делителя 2 таким образом, чтобы смещенный луч, обусловленный преломлением излучения в делителе 2 и отражением от его задней грани, который выходит через его переднюю грань, не поступал на матричный преобразователь 3. Из расчетов, основанных на ходе лучей по фиг.2, известно, что толщина оптического делителя d связана с остальными параметрами по формулеIn accordance with the geometric parameters of the installation, the required thickness of the optical divider 2 is determined so that the displaced beam caused by the refraction of radiation in the divider 2 and reflection from its rear face, which exits through its front face, does not enter the matrix converter 3. From calculations based on on the path of the rays according to Fig. 2, it is known that the thickness of the optical divider d is related to other parameters according to the formula

где Δ - величина итогового смещения луча.where Δ is the value of the final beam displacement.

Для того, чтобы избежать паразитной интерференции, необходимо, чтобы излучение, отраженное от задней грани пластины, не попадало в матричный преобразователь 4. Для этого оптический делитель 2 должен быть выполнен толщинойIn order to avoid parasitic interference, it is necessary that the radiation reflected from the back edge of the plate does not enter the matrix converter 4. For this, the optical divider 2 must be made thick

Если заведомо известно, что сам исходный пучок измеряемого излучения обладает значимым геометрическим размером, то выбирают , где r - паспортное значение наибольшего радиуса лазерного пучка согласно документации на источник 1 излучения.If it is known that the original beam of measured radiation itself has a significant geometric size, then choose , where r is the passport value of the largest radius of the laser beam according to the documentation for radiation source 1.

Предлагаемое средство измерений работает следующим образом.The proposed measuring instrument works as follows.

Лазерное излучение от источника 1, отраженное от передней грани оптического делителя 2, поступает на матричный преобразователь излучения 3, соединенный с компьютером 4, производящим обработку измеренного пространственного распределения интенсивности для определения ширины пучка и угла его расходимости. При этом излучение, отраженное от задней грани оптического делителя 2 и далее выходящее через его переднюю грань, смещается на величину или даже и находится за пределами матричного преобразователя 3.Laser radiation from source 1, reflected from the front face of the optical splitter 2, is supplied to a matrix radiation converter 3 connected to a computer 4, which processes the measured spatial intensity distribution to determine the beam width and its divergence angle. In this case, the radiation reflected from the rear face of the optical splitter 2 and then emerging through its front face is shifted by the amount or even and is located outside the matrix converter 3.

Измерения ширины и угла расходимости лазерного пучка производится в соответствии с существующим стандартом ГОСТ Р ИСО 11146-08, который основан на измерении пространственного распределения интенсивности в поперечном сечении пучка. Поэтому погрешность измерения упомянутых параметров зависит от погрешности измерения пространственного распределения интенсивности. В связи с этим наличие паразитной интерференции распределений ухудшает характеристики точности устройства по основным измеряемым параметрам и может привести к значениям погрешности, составляющей десятки процентов, что недопустимо для высокоточных средств измерений. На фиг.3 и фиг.4 представлены результаты экспериментальных исследований устройства при наличии делительной пластины, допускающей интерференцию пучков и пластины, где интерференция - отсутствует соответственно, из которых наглядно видно различие измеряемых пространственных распределений.Measurements of the width and divergence angle of the laser beam are carried out in accordance with the existing standard GOST R ISO 11146-08, which is based on measuring the spatial distribution of intensity in the cross section of the beam. Therefore, the measurement error of the mentioned parameters depends on the measurement error of the spatial intensity distribution. In this regard, the presence of parasitic interference of distributions worsens the accuracy of the device in terms of the main measured parameters and can lead to error values of tens of percent, which is unacceptable for high-precision measuring instruments. Figures 3 and 4 present the results of experimental studies of the device in the presence of a dividing plate that allows interference of the beams and a plate where there is no interference, respectively, from which the difference in the measured spatial distributions is clearly visible.

Пример.Example.

При α=45°, n=1,52 (оптическое стекло К-8), T=11 мм (матрица MARS 4100), r=6 мм, толщина пластины оптического делителя 2 должна составлять не менее d ≈ 10,94 мм.At α=45°, n=1.52 (K-8 optical glass), T=11 mm (MARS 4100 matrix), r=6 mm, the thickness of the optical divider plate 2 should be at least d ≈ 10.94 mm.

Claims (2)

Средство измерений ширины и угла расходимости лазерного пучка, содержащее оптический делитель излучения, располагаемый на оси измеряемого лазерного пучка и выполненный в виде плоскопараллельной пластины с показателем преломления n и толщиной d, которая установлена с образованием угла падения α между ее нормалью и осью измеряемого лазерного пучка, и соединенный с компьютером матричный преобразователь излучения протяженностью Т, центрированный вдоль оси отражения измеряемого лазерного пучка от передней грани указанной пластины, отличающееся тем, что оптический делитель выполнен толщинойA means for measuring the width and divergence angle of a laser beam, containing an optical radiation splitter located on the axis of the measured laser beam and made in the form of a plane-parallel plate with a refractive index n and a thickness d, which is installed to form an angle of incidence α between its normal and the axis of the measured laser beam, and a matrix radiation converter of length T connected to the computer, centered along the axis of reflection of the measured laser beam from the front edge of the specified plate, characterized in that the optical divider is made of thickness