izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/10.32446/0368-1025it.2025-3-40-48izmertech-2323Research ArticleОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯOPTICOPHYSICAL MEASUREMENTSПовышение быстродействия измерений мощности лазерного излучения калориметрическими преобразователями: применение алгоритмов экстраполяции сигналовFast measurements of laser power meters by thermal sensors using algorithms for extrapolating signalsБычковС. Б.BychkovS. B.

Степан Борисович Бычков

Москва

Stepan B. Bychkov

Moscow

bychkov@vniiofi.ruЗаяцК. В.ZayatsK. V.

Кирилл Владимирович Заяц

Москва

Kirill V. Zayats

Moscow

zaiats@vniiofi.ruТихомировС. В.TihomirovS. V.

Сергей Владимирович Тихомиров

Москва

Sergey V. Tihomirov

Moscow

tsv@vniiofi.ruВсероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измеренийРоссияAll-Russian Research Institute of Optical and Physical MeasurementsRussian Federation2025140720257434048Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20252025ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/2323

Для метрологического обеспечения измерений средней мощности лазерного излучения широко используются эталонные и рабочие средства измерений на основе калориметрических преобразователей (калориметров) оптического излучения в электрический сигнал. Такие преобразователи позволяют с высокой точностью в широком спектральном диапазоне воспроизводить единицу мощности оптического излучения, а также проводить рутинные измерения этого параметра. Однако характерная для калориметров высокая инерционность переходных процессов сильно увеличивает общее время измерений и критична, например, при измерении параметров высокоинтенсивного излучения. На примере калориметрического преобразователя ПМТ-25-50 (разработка Всероссийского научно-исследовательского института оптико-физических измерений) рассмотрены факторы, влияющие на быстродействие калориметров. Описан способ уменьшения постоянной времени калориметра путём оптимизации конструкции термоэлемента, входящего в состав калориметра. Однако не всегда целесообразно повышать быстродействие за счёт оптимизации конструкции преобразователя. Для получения быстрой асимптотической оценки измеряемой мощности использованы математические методы обработки сигнала калориметра. Данные методы опробованы на калориметрических преобразователях мощности лазерного излучения ПМТ-25-50 и ПМТ-45-10К (разработка Всероссийского научно-исследовательского института оптикофизических измерений). Представлены результаты исследования метрологических характеристик преобразователя ПМТ-25-50 и его временны́ е характеристики до и после применения упомянутых методов обработки сигнала. Использование предложенных методов обработки сигнала позволило в 3–4 раза сократить время измерений. Полученные результаты актуальны в метрологии высокоинтенсивного лазерного излучения, например, для контроля параметров излучения промышленных лазеров и лазерного медицинского оборудования.

For metrological support of the unit of average power of laser radiation, standard and working measuring instruments based on thermal sensors (calorimeters) are often used. Such instruments allow to reproduce the unit with high accuracy in a wide spectral range, as well as to carry out routine measurements of the laser power. But exist problem of application for measurements is thermal sensors is high inertia of thermal processes, which greatly increases the total time of measurements and is critical in many of applications, such as measuring the parameters of high-intensity radiation. In the paper, using the example of the thermal sensor PMT-25-50, the factors influencing the speed of sensors are considered. A method for reducing the thermal sensor time constant by optimizing the design of the thermolelemetn. However, it is not always advisable to increase the response time by optimizing the thermal sensor design. Mathematical methods for processing the thermal sensor signal are proposed to obtain a fast asymptotic estimate of the measured power. The proposed methods were tested on the PMT-25-50 and PMT-45-10K thermal sensors, which are an integral part of the laser power measurement device (developed by the All-Russian Research Institute of Optical and Physical Measurements). The paper presents the results of the study of the metrological characteristics of the PMT-25-50 sensor and its time characteristics before and after the application of the above-mentioned signal processing methods. The use of the proposed signal processing methods made it possible to reduce the time of measurements by 3-4 times. The proposed solutions are relevant in the metrology of highintensity laser radiation, which is used to control the radiation parameters of industrial lasers and laser medical equipment.

калориметртермоэлементэкстраполяция сигналабыстродействиемощность лазерного излученияcalorimeterthermal sensorsignal processingfast measurementslaser power meterReferencesИванов В. С., Золотаревский Ю. М., Котюк А. Ф. и др. Основы оптической радиометрии. Физматлит, Москва (2003).Ivanov V. S., Zolotarevsky Yu. M., Kotyuk A. F. et al. Fundamentals of optical radiometry. Fizmatlit, Moscow (2003). (In Russ.)Бормашов В. С., Бычков С. Б., Заяц К. В., Колпаков А. И., Королев И. С., Крутиков В. Н., Микрюков А. С., Тарелкин С. А., Улановский М. В., Москалюк С. А. Метрологическое обеспечение высокоинтенсивного непрерывного лазерного излучения. Измерительная техника, (12), 18–25 (2023). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2023-12-18-25 ; https://elibrary.ru/mrmzvvBormashov V. S., Bychkov S. B., Zayats K. V., Kolpakov A. A., Korolev I. S., Krutikov V. N., Mikrukov A. S., Tarelkin S. A., Ulanovsky M. V., Moskalyuk S. A. Metrological ensures for high-power laser radiation. Izmeritel`naya Tekhnika, (12), 18–25 (2023). (In Russ.) https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2023-12-18-25 ; https://elibrary.ru/mrmzvvTikhomirov S. V., Glazov A. I., Kozatchenco M. L., Kravtsov V. E., Svetlichny A. B., Vayshenker I., Scott T. R., Franzen D. L. Comparison of reference standards for measurements of optical-fibre power. Metrologia, (37), 347 (2000). https://doi.org/10.1088/0026-1394/37/4/14Tikhomirov S. V., Glazov A. I., Kozatchenco M. L., Kravtsov V. E., Svetlichny A. B., Vayshenker I., Scott T. R., Franzen D. L. Comparison of reference standards for measurements of optical-fibre power. Metrologia, (37), 347 (2000). https://doi.org/10.1088/0026-1394/37/4/14Гвоздев А. Н., Козаченко М. Л. Аппаратура и методики измерений оптических характеристик материалов и покрытий под воздействием интенсивного лазерного излучения. Измерительная техника, (12), 19–24 (2006). https://www.elibrary.ru/muzjghGvozdev A. N., Kozachenko M. L. Equipment and technique for measurements of the optical characteristics of materials and coatings under the action of intensive laser radiation. Measurement Techniques, 49(12), 1198–1205 (2006). https://doi.org/10.1007/s11018-006-0261-yBhandavat R., Feldman A., Cromer C., Lehman J., Singh G. Very high laser-damage threshold of polymer-derived Si(B)CNCarbon nanotube composite coatings. ACS Applied Materials & Interfaces, 5(7), 2354-9 (2013). https://doi.org/10.1021/am302755xBhandavat R., Feldman A., Cromer C., Lehman J., Singh G. Very high laser-damage threshold of polymer-derived Si(B)CNCarbon nanotube composite coatings. ACS Applied Materials & Interfaces, 5(7), 2354-9 (2013). https://doi.org/10.1021/am302755xГлазов А. И., Зотов А. В., Козаченко М. Л., Светличный А. Б., Тихомиров С. В. Повышение точности воспроизведения единицы средней мощности оптического излучения в волоконно-оптических системах передачи путём совершенствования алгоритмов и автоматизации измерительных процессов. Измерительная техника, (7), 19–23 (2014). https://elibrary.ru/sjuzhzGlazov A. I., Zotov A. V., Kozachenko M. L., Svetlichnyi A. B., Tikhomirov S. V. Increasing the precision of reproduction of the unit of average power of optical radiation in fiber-optic transmission systems by improving the algorithms and automating measurement processes. Measurement Techniques, 57(7), 759–764 (2014). https://doi.org/10.1007/s11018-014-0532-yБычков С. Б., Глазов А. И., Заяц К. В., Тихомиров С. В. Калориметрическое средство измерений средней мощности излучения волоконных лазеров. Фотон-Экспресс, (5), 8–13 (2024).Bychkov S. B., Glazov A. I., Zayats K. V., Tikhomirov S. V. Calorimetric means for measuring the average radiation power of fiber lasers. Foton-Express, (5), 8–13 (2024). (In Russ.)Гольцман Б. М., Дашевский З. М., Кайданов В. И., Коломоец Н. В. Плёночные термоэлементы: физика и применение. Наука, Москва (1985).Goltsman B. M., Dashevsky Z. M., Kaidanov V. I., Kolomoets N. V. Film thermoelements: physics and application. Nauka, Moscow (1985). (In Russ.).Dröscher S., Zahner M., Schwyter E., Helbling T., Hierold C. Reinventing thermal laser power measurements. Lasers in Manufacturing Conference 2015, IWLT, Munich, Germany, June 22–25, 2015. https://www.wlt.de/lim/Proceedings/Stick/PDF/Contribution333_final.pdfDröscher S., Zahner M., Schwyter E., Helbling T., Hierold C. Reinventing thermal laser power measurements. Lasers in Manufacturing Conference 2015, IWLT, Munich, Germany, June 22–25, 2015. https://www.wlt.de/lim/Proceedings/Stick/PDF/Contribution333_final.pdfШупенев А. Е., Коршунов И. С., Ильин А. С., Осипков А. С., Григорьянц А. Г. Радиационные термоэлементы на основе теллурида висмута, получаемые методом импульсного лазерного осаждения. Физика и техника полупроводников, 53(6), 756–760 (2019). http://dx.doi.org/10.21883/FTP.2019.06.47722.31 ; https://elibrary.ru/kvgptbShupenev A. E., Korshunov I. S., Iliin A. S., Osipkov A. S., Grigoryants A. G. Bismuth-Telluride-Based radiation thermopiles prepared by pulsed laser deposition. Semiconductors, 53, 747–751 (2019). https://doi.org/10.1134/S1063782619060204

The authors declare that there are no conflicts of interest present.