RU2815712C1 - Laser radiation pulse parameters meter - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement.

SUBSTANCE: device relates to the field of optical radiation power measurement and is intended for measurement of laser radiation parameters. Laser radiation pulse parameters meter comprises an input photoelectronic device sensitive to the laser wavelength, a device which converts the input analogue signal into a digital signal, electric signal recording means and a personal computer, on the display of which information on the values of the measured parameters is displayed: power, duration and energy of the pulse, wherein electric signal recording means used is a pair of memory devices with different time constants, pulse-type tracking balance analogue-to-digital converter and high-pass filter are used as a device which converts an input analogue signal into a digital signal, with possibility of simulation of incoming voltage in pulse voltage of meander type, values of amplitude of which and modulated reference voltage are transmitted to computer.

EFFECT: high accuracy of measuring power, duration and energy of a single pulse of a laser emitter.

1 cl, 1 dwg

Description

Устройство относится к области измерения мощности оптического излучения и предназначено для измерения параметров лазерного излучения. Импульсные лазеры в настоящее время находят широкое применение в дальномерах и различных медицинских приборах. Поэтому точность измерений параметров импульса лазерного излучения является важнейшей проблемой при производстве лазерных дальномеров и других приборов.The device belongs to the field of measuring the power of optical radiation and is designed to measure the parameters of laser radiation. Pulsed lasers are currently widely used in rangefinders and various medical devices. Therefore, the accuracy of measurements of laser pulse parameters is the most important problem in the production of laser rangefinders and other devices.

Известен измеритель параметров импульса лазерного излучения, содержащий входное фотоэлектронное устройство, чувствительное к длине волны лазера, устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в цифровой сигнал, средство записи электрического сигнала и персональный компьютер, на экране дисплея которого отражаются сведения о значениях измеряемых параметров: мощности, длительности и энергии импульса.A known laser pulse parameter meter contains an input photoelectronic device sensitive to the laser wavelength, a device that converts the input analog signal into a digital signal, a means of recording an electrical signal and a personal computer, the display screen of which displays information about the values of the measured parameters: power, duration and pulse energy.

(Полезная модель по патенту РФ№187927, МПК G01J 1/42, 2018)(Utility model according to RF patent No. 187927, IPC G01J 1/42, 2018)

Электрический сигнал с чувствительного элемента подается на вход устройства, преобразующее входной аналоговый сигнал в цифровой сигнал. Средство записи электрического сигнала записывает в память значения измеряемой разности потенциалов. Для получения значения мощности требуется калибровка измерителя. При помощи компьютера производится пересчет значений измеряемой разности потенциалов фотоэлектрического отклика в значения мощности, длительности и энергии лазерного излучения, отображаемые на дисплее компьютера.The electrical signal from the sensing element is fed to the input of a device that converts the input analog signal into a digital signal. The electrical signal recording means stores the values of the measured potential difference into memory. To obtain the power value, calibration of the meter is required. Using a computer, the values of the measured potential difference of the photoelectric response are converted into values of power, duration and energy of laser radiation, displayed on the computer display.

Учитывая, что выходное напряжение фотоэлектронного устройства является напряжением малого уровня на его величину будет существенно влиять постоянное смещение электронных схем, а также его температурный и временной дрейф, что снижает точность и скорость измерений. Это является недостатком данного прибора.Considering that the output voltage of a photoelectronic device is a low-level voltage, its value will be significantly affected by the constant bias of the electronic circuits, as well as its temperature and time drift, which reduces the accuracy and speed of measurements. This is a disadvantage of this device.

Задачей разработки является повышение точности измерения мощности, длительности и энергии одиночного импульса лазерного излучателя.The goal of the development is to increase the accuracy of measuring the power, duration and energy of a single pulse of a laser emitter.

Поставленная задача решается с использованием измерителя параметров импульса лазерного излучения, содержащего входное фотоэлектронное устройство, чувствительное к длине волны лазера, устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в цифровой сигнал, средство записи электрического сигнала и персональный компьютер, на дисплее которого отображаются сведения о значениях измеряемых параметров: мощности, длительности и энергии импульса, отличающийся тем, что в качестве средства записи электрического сигнала используют пару запоминающих устройств с разными постоянными времени, в качестве устройства, преобразующего входной аналоговый сигнал в цифровой сигнал используют аналого-цифровой преобразователь следящего уравновешивания импульсного типа и фильтр верхних частот, с возможностью моделирования поступающего напряжения в импульсное напряжением типа меандр, значения амплитуды которого и модулированного опорного напряжения передаются в компьютер.The problem is solved using a laser pulse parameter meter containing an input photoelectronic device sensitive to the laser wavelength, a device that converts the input analog signal into a digital signal, an electrical signal recording device and a personal computer, the display of which displays information about the values of the measured parameters: power, duration and energy of the pulse, characterized in that a pair of storage devices with different time constants is used as a means of recording the electrical signal; an analog-to-digital converter of pulse-type tracking balancing and a high-pass filter are used as a device that converts the input analog signal into a digital signal , with the ability to simulate the incoming voltage into a square wave pulse voltage, the amplitude values of which and the modulated reference voltage are transmitted to the computer.

Повышение точности измерений параметров одиночного лазерного импульса предложенного измерителя на 15-20% по сравнению с известным достигается в результате использования пары запоминающих устройства с разными постоянными времени и аналого-цифрового преобразователя в комбинации с фильтром верхних частот для преобразования лазерного излучения в эквивалентный электрический сигнал типа меандр, что позволяет устранить погрешность температурного и временного дрейфа.An increase in the accuracy of measurements of the parameters of a single laser pulse of the proposed meter by 15-20% compared to the known one is achieved as a result of using a pair of memory devices with different time constants and an analog-to-digital converter in combination with a high-pass filter to convert laser radiation into an equivalent electrical signal of the square wave type , which eliminates the error of temperature and time drift.

Устройство иллюстрируют примером выполнения.The device is illustrated with an example implementation.

На фиг. 1. приведена структурная схема измерителя параметров импульса лазерного излучения.In fig. 1. shows a block diagram of a laser pulse parameter meter.

В схеме предусмотрен волоконно-оптический гибкий жгут, на конце которого расположено входное фотоэлектронное устройство 1 в составе ослабителя лазерного импульса и кремниевого фотодиода, запоминающие устройства 2, 3, с разными постоянными времени, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4, фильтр верхних частот 5, персональный компьютер 6.The circuit includes a flexible fiber optic bundle, at the end of which there is an input photoelectronic device 1 consisting of a laser pulse attenuator and a silicon photodiode, storage devices 2, 3, with different time constants, an analog-to-digital converter (ADC) 4, a high-pass filter 5 , personal computer 6.

Измерение проводится косвенным методом с учетом поправочных коэффициентов в соответствии с ГОСТ 25213-82 «Лазеры. Методы измерения длительности и частоты повторения импульсов излучения», согласно которому измерение длительности лазерного излучения основано на преобразовании лазерного излучения в электрический сигнал и измерении длительности импульса электрического сигнала, следующим образом. Входное фотоэлектронное устройство 1 преобразует одномодовое лазерное излучение в электрический импульс с коэффициентом преобразования α. При этом U_вых=α⋅I_имп. Далее электрический сигнал U_вых поступает на запоминающие устройства 2 и 3 с разными постоянными времени, соответственно τ₃(1) и τ₃(2). Происходит преобразование импульсного электрического сигнала U_вых в постоянное напряжение двух уровней U₁ и U₂, где U_вых - амплитуда электрического сигнала, U₁ - постоянное выходное напряжение запоминающего устройства 2; U₂ - постоянное выходное напряжение запоминающего устройства 3. Напряжения U₁ и U₂ поочередно подаются на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4 и далее на фильтр верхних частот 5 для моделирования поступающего напряжения в импульсное напряжение типа меандр (скважность 2). Из модулированного напряжения выделяется первая гармоника. При этом амплитуда первой гармоники А₁ равна:The measurement is carried out by the indirect method, taking into account correction factors in accordance with GOST 25213-82 “Lasers. Methods for measuring the duration and repetition rate of radiation pulses,” according to which measurement of the duration of laser radiation is based on converting laser radiation into an electrical signal and measuring the pulse duration of the electrical signal, as follows. The input photoelectronic device 1 converts single-mode laser radiation into an electrical pulse with a conversion coefficient α. In this case, U _out =α⋅I _imp . Next, the electrical signal U _out is supplied to storage devices 2 and 3 with different time constants, τ ₃ (1) and τ ₃ (2), respectively. The pulsed electrical signal U _out is converted into a constant voltage of two levels U ₁ and U ₂ , where U _out is the amplitude of the electrical signal, U ₁ is the constant output voltage of memory device 2; U ₂ is the constant output voltage of the memory device 3. The voltages U ₁ and U ₂ are alternately supplied to the analog-to-digital converter (ADC) 4 and then to the high-pass filter 5 to simulate the incoming voltage into a square wave pulse voltage (duty factor 2). The first harmonic is isolated from the modulated voltage. In this case, the amplitude of the first harmonic A ₁ is equal to:

где: Т и τ - период и длительность модулирующего напряжения.Where: Т and τ - period and duration of the modulating voltage.

, т.е. К=0,637. , i.e. K=0.637.

В дальнейшем амплитуда первой гармоники подается на компаратор аналого-цифрового преобразователя для сравнения с амплитудой опорного напряжения, которое предварительно также модулируется импульсным напряжением со скважностью 2. Затем цифровые коды, соответствующие напряжениям U₁ и U₂ с учетом коэффициента К=0,637, подаются на компьютер 6, который используя итерационное исчисление решает систему уравнений с двумя неизвестными U_вых и t - длительность электрического сигнала;Subsequently, the amplitude of the first harmonic is fed to the comparator of the analog-to-digital converter for comparison with the amplitude of the reference voltage, which is also pre-modulated by a pulse voltage with a duty cycle of 2. Then the digital codes corresponding to the voltages U ₁ and U ₂ , taking into account the coefficient K = 0.637, are fed to the computer 6, which, using iterative calculus, solves a system of equations with two unknowns U _out and t - the duration of the electrical signal;

Система решается до получения максимального значения U_выx. Для этого необходимо от 2-х до 5-ти шагов (переходы иллюстрируются на схеме стрелкой R) итерационного исчисления, до того момента, когда U_вых получается с допустимой погрешностью ±5%. Таким образом находят все три параметра одиночного импульса лазерного излучения наносекундной длительности: мощность импульса Р_имп-=U_выx/α; длительность импульса t; энергия импульса W_имп=Р_имп⋅t.The system is solved until the maximum value of _Uex is obtained. This requires from 2 to 5 steps (transitions are illustrated in the diagram by arrow R) of iterative calculation, until the moment when _Uout is obtained with a permissible error of ±5%. In this way, all three parameters of a single laser pulse of nanosecond duration are found: pulse power P _imp -=U _outx /α; pulse duration t; pulse energy W _imp =P _imp ⋅t.

Предлагаемый измеритель обеспечивает измерение указанных параметров одиночного импульса наносекундной длительности. Измеритель может быть использован в производстве дальномеров в различных приборах и устройствах, в том числе медицинских.The proposed meter provides measurement of the specified parameters of a single pulse of nanosecond duration. The meter can be used in the production of rangefinders in various instruments and devices, including medical ones.

Claims (1)

Измеритель параметров импульса лазерного излучения, содержащий входное фотоэлектронное устройство, чувствительное к длине волны лазера, устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в цифровой сигнал, средство записи электрического сигнала и персональный компьютер, на дисплее которого отображаются сведения о значениях измеряемых параметров: мощности, длительности и энергии импульса, отличающийся тем, что в качестве средства записи электрического сигнала используют пару запоминающих устройств с разными постоянными времени, в качестве устройства, преобразующего входной аналоговый сигнал в цифровой сигнал, используют аналого-цифровой преобразователь следящего уравновешивания импульсного типа и фильтр верхних частот, с возможностью моделирования поступающего напряжения в импульсное напряжением типа меандр, значения амплитуды которого и модулированного опорного напряжения передаются в компьютер.A laser pulse parameter meter containing an input photoelectronic device sensitive to the laser wavelength, a device that converts the input analog signal into a digital signal, a means for recording an electrical signal and a personal computer, the display of which displays information about the values of the measured parameters: power, duration and energy pulse, characterized in that a pair of storage devices with different time constants is used as a means of recording the electrical signal; as a device that converts the input analog signal into a digital signal, an analog-to-digital converter of pulse-type tracking balancing and a high-pass filter, with the possibility of modeling, are used incoming voltage into a square wave pulse voltage, the amplitude values of which and the modulated reference voltage are transmitted to the computer.

Images