Способ измерения мощности и распределения интенсивности лазерного излучения

(51)4 С 01 .) 1 5 ОСУДАРСПО ДЕЛ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ го Я ков стьаэрозоля при воздействии лазерноизлучения, о т л и ч а ю щ и й стем, что, с целью измерения потолазерного излучения с интенсивноболее 10 Вт/см, лазерный луч псекают однородным по концентрациипотоком аэрозольных частиц иэ тплавкого материала, производят ирение распределения концентрацииобщего количества этих частиц итем рассчитывают мощность и распделение интенсивности излученияих общему количеству и распредел РАСПРЕДГО ИЗЛУЧлении в Ч ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТЫМИ(56) Хирд Г. Измерение лазерных параметров. М., Мир, 1970, с, 539.Авторское свидетельство СССР У 554719, кл,.С 01 ) 1/58, 1977. (54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ. МОЩНОСТИ ИЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ЛАЗЕРНОЕНИЯ, основанный на опредеторичного свечения частиц уго- змеиза- репоению.Изобретение относится к способам измерения параметров лазерного излучения.Известны способы измерения мощности и распределения интенсивности лазерного излучения, в основе которых лежит преобразование лазерного излучения во вторичное свечение, Эти способы предполагают либо преобразование всей мощности лазерного излуче- , 10 ния, что препятствует использованию данного пучка в процессе измерения его характеристик, либо расщепление лазерного пучка на несколько, причем измеряют характеристики одного из 15 этих пучков. Применение расщепителей в ряде случаев представляет большие трудности, например вследствие разрушения или изменения их характеристик в мощном лазерном излучении, Кро О ме того, указанные приемники имеют низкую разрешающую способность, что препятствует использованию их для измерения характеристик быстропеременных потоков лазерного излучения. 25 Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому способу является способ измерения мощности ираспределения интенсивности лазерного излученйя, основанный на определении вторичного свечения частицаэрозоля при воздействии лазерного.излучения,Недостатком этого способа являет.ся невозможность измерять потоки лаЙерного излучения с интенсивностьюболее 10 Вт/см .Цель изобретения - измерение потоков лазерного излучения с интенсивностью более 10 Вт/см.. Цель достигается тем, что лазерныйлуч пересекают однородным по концентрации потоком аэрозольных частиц изтугоплавкого материала, производятизмерение распределения концентрации .и общего количества этих частиц изатем расчитывют мощность и распределение интенсивности излучения по ихобщему количеству и распределению.С увеличением интенсивности излучения, облучающего аэрозольные частицы,появляется наблюдаемое видимое свечение наиболее крупных частиц, Дальнейшему росту интенсивности излучения соответствует увеличение концентрации светящихся аэрозольных частиц.Временное разрешение измеренийпредлагаемым способом определяетсяконцентрация аэрозораспределения аэрочастиц по размеру1 счетнаягде я(а) сна временемрелаксации температурычастиц н лазерном излучении и постоянной времени регистрирующей аппаратуры, Для аэрозольных частиц время ре.Хлаксации энергии очень мало, с 10 сдля частиц с радиусом 10 4 см,На фиг. 1 приведена функция распределения частиц аэрозоля по размерам (фиг, 1 а), зависимость от размера частиц а пороговой интенсивностилазерного излучения Т, , при которойвозникает свечение частиц с радиусом,большим о.(фиг. 16), зависимостьконцентрации светящихся частицот интенсивности лазерного излучения(фиг; 1 в).Некоторую область лазерного пучкапересекают потоком аэрозоля, частицыкоторого состоят из тугоплавкого материала, например, из окиси алюминия,Концентрацию и функцию распределенияаэрозольных частиц по размеру поддерживают одинаковыми в области лазерного пучка в течение всего времени измерений,Как правило, эксперименты проводятся в присутствии постороннего,аэрозоля, например, концентрация ес-тественного аэрозоля в лабораторномвоздухе составляет10 см . Концентрацию аэрозоля в слое, пересекающем лазерный луч выбирают в диапазоне10"-10 см-. При более высоких концентрациях измерительного аэрозоляувеличивается возмущение измеряемоголазерного излучения (тепловая дефокусировка И аэроэольное рассеяние).Увеличение точности измерений иоблегчение процесса нахождения мощности и интенсивности лазерного излучения по общему количеству и распределению концентрации частиц можетбыть достигнуто при применении аэрозоля со специальной функцией распределения по размеру, для которого линейному росту интенсивности излучения соответствует линейный рост концентрации светящихся частиц. Концентрация светящихся частиц ,ь определяется соотношением:пути лазерного пучка. Картину рас-, пределения интенсивности лазерного излучения в дальней зоне характеризуют расходимостью лазерного излучения 6 ; Величина 0 определяется соотношением 9 = 1 д , где- фокусное расстояние линзы, д - размер лазерного пятна в фокальной плоскости линзы, Величина д определяется из 1 О картины распределения интенсивности лазерного излучения.Для облегчения определения мощности и .распределения интенсивности лазерного излучения можно использо вать мощность и распределение интенсивности излучения аэрозольных частиц. При этом мощность и.распределение интенсивности в лазерном пучке находят иэ калибровочных данных. 20Увеличение динамического диапазона достигают при использовании пониженных давлений газов, окружающих частицы. Изменению теплопровбдности газа, окружающего частицы, соответ ствует изменение зависимости порога свечения частицы от ее размера (см. формулу 2).В ряде случаев, например, при пониженных давлениях возникают труднос- Зо ти в транспортировке частиц. Транспортировка частиц может быть облегчена применением электрического поля, вынуждающего перемещаться заряженные аэрозольные частицы в заданном направлении.П р и м е р. Испытания данного способа применены для измерения мощности и распределения интенсивности излучения в фокусированном пучке ла О зера ГОС, (длительность импульса 810" с, длины волны излучения1,06 мкм,. мощность И = 4" 1 О" Вт), непрерывного СО,-лазера (= 10,6 мкм, И = 20 Вт), импульсного СО-лазера 45 (10,6 мкм, И =,10 Вт, инп- 1,5 10 6 с и импульсного 1 имического лазера (1 = 2,7-3 мкм,= 1 О Вт,м. = 510 с).Аэрозольный поток создают полевымгенератором. Скорость пэтока устанавливают в диапазоне 1-100 м/с.Пороги возникновения свечениячастиц аэрозоля в излучении непрерывного СО,-лазера составляют: 1) длякорундовых частиц радиусом 1,5 -2,5 мкм - 5 10 ф Вт/смф, 2) для час 1тиц окиси магния радиусом 0,5-1,0 мкм 3 10 Вт/см, 3) для частиц алюминияразмером 10 мкм - 10 Вт/см. Порогивозникновения свечения частиц в из-лучении импупьсного СО -лазера сос 6атавляют: 8 10 Вт/см для частиц корунда радиусом 2 мкм, и 3,5"10 Вт/смфдля алюминиевых частиц-пластинокразмером 10 мкм. В случае импульсногохимического лазера возникновение свечения корундовых частиц наблюдалосьпри интенсивностях 1,8"10 Вт/см,2,6. 10 Вт/см, 5,810 Вт/см соответственно для частиц размером 2 мкм,7 мкм, О, 14 мкм. Свечение алюминиевых частиц - пластинок возникает приинтенсивности излучения 2"1 О Вт/смф.6. На фиг. 2 приведено распределениеинтенсивности по сечению фокусированного луча лазера ГОС,Сравнительные испытания показали,что данный способ обеспечивает возможность проведения измерения.мощности и распределения. интенсивности лазерного.излучения при интенсивностях,больших 10 З Вт/смф, при которых измерения другими способами затруднительны.Временное разрешение способа эайи.сит от времени нагрева и времени релаксации температуры частицыЭкспериментально определено, чтовременное разрешение по крайней мерене хуже, чем 2,5 10с,(3) ц(1)- минимальный размер аэрозоль -ных частиц, светящихся вполе лазерного излучения синтенсивностью 1 Вт/смВыбор функции распределения аэрозоля по размеру частиц следует провести так, чтобы удовлетворялосьсоотношение: Если длина волны лазерного излучения значительно превосходит максимальный размер частиц аэрозоля (что обеспечивает однородность интенсивности излучения внутри частиц) и если размер минимальных частиц аэрозоля значительно превосходит длину свободного пробега молекул газа 5 10 4 см, то зависимость минимальной интенсивности от размера частиц - 1, (а), при которой появляется свечение частиц размером а, выглядит .Следующим образом: где С= - ф-( т - Т, ),3- коэффициент теплопроводностигаза, Вт/см сек град./Ы - коэффициент поглощения материла частиц аэрозоля, смТ - температура, при которойнаблюдается свечение частиц,град.Т, - температура окружающего газа, град.Такая зависимость приведена на фиг.1 а,Из выражения (1) и (2) можно найтивид(а) для случая, когда линейному росту интенсивности соответствует линейный рост концентрации светящихся частиц У.Применение смеси монодисперсных аэрозолей позволяет проводить быструю визуальную оценку мощности и распределения интенсивности лазерного излучения. В этом случае, при увеличении интенсивности до определенного значения 1 , свечение частиц отсутствует. Йебольшое увеличение интенсивности приводит к высвечиванию всех частиц одного из монодисперсных аэрозолей. Дальнейшее увеличение интенсивности вплоть до 1 не сопрохвождается увеличением концентрации сетщися частиц. Прн 1ются частицы другой монодисперсной,фракции и т,д. Динамический диапазонможно существенно увеличить применением аэрозоля, частицы которого состоят из различных материалов.Для увеличения точности измеренийлазерных характеристик следует применить высокоскоростной поток аэрозо 10 ля, С увеличением скорости аэрозольного потока уменьшается время, в течение которого частицы находятся влазерном луче и, следовательно, уменьшается зависимость среднего размерааэрозольных частиц от характеристиклазерного излучения.Кроме того, высокоскоростной потокаэрозоля используют для уменьшениявлияния аэрозоля на лазерное излучение. Во время пересечения частицамиаэрозоля лазерного луча происходитразогрев газа - носителя аэрозольныхчастиц. Разогреву газа сопутствуетискажение. лазерного пучка (например,тепловая дефокусировка и т,п,), Дляуменьшения влияния указанных эффектовследует применять аэрозольныи потокс высокой скоростью, частицы которого быстро пересекают лазерный пучок, так чтобы газ в области пучка .существенно не разогревался.Точность измерений лазерных характеристик предлагаемым способом определяется точностью измерения концентрации светящихся частиц, которые мо 35гут быть измерены с большой точностью, если поток аэрозоля сформированв виде плоского слоя,Создание широкого однородного высокоскоростного аэрозольного слоя40является достаточно сложной технической задачей. Возможно значительноеснижение затрат, если лазерный лучпересечь узкими аэрозольными струями.При этом расстояние между струями45следует выбирать исходя из требуемойточности определения размеров неоднородностей лазерного пучка,Для повышения динамического диапазона используют в качестве носителя50аэрозольных частиц газы с различнойтеплопроводностью. При этом порогисвечения частиц смещаются в соответствии с Формулой (2).Для измерения интенсивности ла 55 зерного пучка в дальней зоне измеряют распределение концентрации светящихся аэрозольных частиц в фокальной области линзы, расположенной на