Повышение быстродействия измерений мощности лазерного излучения калориметрическими преобразователями: применение алгоритмов экстраполяции сигналов

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.

1. Иванов В. С., Золотаревский Ю. М., Котюк А. Ф. и др. Основы оптической радиометрии. Физматлит, Москва (2003).

2. 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/mrmzvv

3. Tikhomirov 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/10.1088/0026-1394/37/4/14

4. Гвоздев 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/muzjgh

5. Bhandavat 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/am302755x

6. Глазов 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/sjuzhz

7. Бычков 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).

8. Гольцман Б. М., Дашевский З. М., Кайданов В. И., Коломоец Н. В. Плёночные термоэлементы: физика и применение. Наука, Москва (1985).

9. 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.pdf

10. Шупенев 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/kvgptb