eng
Выпуск #6/2008
С.Одиноков, М.Галкин.
Измеритель мощности непрерывного лазерного излучения расширенного нано-микро-милливаттного диапазона
Измеритель мощности непрерывного лазерного излучения расширенного нано-микро-милливаттного диапазона
Просмотры: 2640
Современное лазерное технологическое оборудование отличается большой разнотипностью используемых материалов, сложностью алгоритмов управления. Для контроля влияния мощности лазерного излучения на физико-технические параметры готовых изделий разработан новый измеритель в нано-микро-милливаттном диапазоне.
Лаборатории, занимающиеся голографией, метрологические лаборатории, деятельность которых связана с контролем допустимой мощности лазерного излучения, научно-производственные объединения, исследовательские центры – и это не полный перечень организаций, которым требуется прибор, позволяющий измерять мощность лазерного излучения в широком динамическом диапазоне с высокой точностью. В лаборатории оптико-голографических систем НИИ Радиоэлектроники и лаборатории лазерной техники МГТУ им. Н.Э.Баумана был разработан измеритель мощности лазерного излучения с расширенным динамическим диапазоном (рис.1).
В качестве фотоприемника измерителя мощности был выбран стандартный фотодиод (ФД-24к). Использование такого фотодиода в сочетании с разработанным специализированным усилителем позволило заметно расширить динамический диапазон регистрируемых мощностей, увеличить точность измерения на малых мощностях, уменьшить уровень шумов, улучшить линейность преобразования мощности в электрический сигнал.
В ходе разработки измерителя было проведено исследование по влиянию параметров операционного усилителя на качество работы трансимпедансного усилителя. Его результаты привели к выбору того операционного усилителя, который заметно улучшил точностные и шумовые характеристики измерительного прибора. В схеме измерителя мощности непрерывного лазерного излучения были использованы новые решения, позволившие снизить уровень шумов путем уменьшения полосы частот трансимпедансного усилителя и уменьшения влияния синфазной промышленной помехи. Использование этой схемы понизило чувствительность трансимпедансного усилителя к величине емкости фотодиода, что позволило применить фотодиоды с большими площадями регистрационных поверхностей (10×10 мм).
Структурная схема измерителя представлена на рис.2. Расширение динамического диапазона работы прибора было достигнуто благодаря возможности переключения схемы включения фотодиода. Фотодиод может работать как в фотодиодном режиме для измерения в верхнем микроваттном и милливаттном диапазонах, так и в фотовольтаическом режиме для измерения в нано-микроваттном диапазоне. Диапазон измерения мощности измерителя от 3 нВт до 30 мВт достигается без применения внешних оптических ослабителей. Погрешность измерения мощности лазерного излучения не превышает 5%. Но конструкция прибора для расширения динамического диапазона в сторону увеличения измеряемых мощностей предусматривает возможность установки внешних оптических ослабителей. По требованию заказчика для увеличения точности прибора стандартный фотодиод можно заменить на специализированные калиброванные фотодиоды, например фотодиоды Hamamatsu, Silicon Sensor, ThorLabs.
Приведем основные технические параметры измерителя мощности лазерного излучения: 1) диапазон измерения мощности излучения: 3 – 300 нВт, погрешность 3%; 300 нВт – 30 мкВт, погрешность 3%; 30 мкВт – 3 мВт, погрешность 4%; 3 – 30 мВт, погрешность 5%; 2) диапазон длин волн: 400 – 1100 нм; 3) интерфейс связи с компьютером: гальванически развязанный RS-232; 4) масса измерителя: 600 г.
В заключение отметим главное преимущество представленного измерителя мощности лазерного излучения – это возможность различной компоновки прибора в конструкции, используемой заказчиком. А именно, возможно уменьшение габаритных размеров измерителя по требованию заказчика, применение USB-интерфейса для связи с ПК, встраивание блока измерения мощности в различные системы, применение измерителя как устройства контроля мощности или элемента обратной связи системы управления и некоторые другие.
В качестве фотоприемника измерителя мощности был выбран стандартный фотодиод (ФД-24к). Использование такого фотодиода в сочетании с разработанным специализированным усилителем позволило заметно расширить динамический диапазон регистрируемых мощностей, увеличить точность измерения на малых мощностях, уменьшить уровень шумов, улучшить линейность преобразования мощности в электрический сигнал.
В ходе разработки измерителя было проведено исследование по влиянию параметров операционного усилителя на качество работы трансимпедансного усилителя. Его результаты привели к выбору того операционного усилителя, который заметно улучшил точностные и шумовые характеристики измерительного прибора. В схеме измерителя мощности непрерывного лазерного излучения были использованы новые решения, позволившие снизить уровень шумов путем уменьшения полосы частот трансимпедансного усилителя и уменьшения влияния синфазной промышленной помехи. Использование этой схемы понизило чувствительность трансимпедансного усилителя к величине емкости фотодиода, что позволило применить фотодиоды с большими площадями регистрационных поверхностей (10×10 мм).
Структурная схема измерителя представлена на рис.2. Расширение динамического диапазона работы прибора было достигнуто благодаря возможности переключения схемы включения фотодиода. Фотодиод может работать как в фотодиодном режиме для измерения в верхнем микроваттном и милливаттном диапазонах, так и в фотовольтаическом режиме для измерения в нано-микроваттном диапазоне. Диапазон измерения мощности измерителя от 3 нВт до 30 мВт достигается без применения внешних оптических ослабителей. Погрешность измерения мощности лазерного излучения не превышает 5%. Но конструкция прибора для расширения динамического диапазона в сторону увеличения измеряемых мощностей предусматривает возможность установки внешних оптических ослабителей. По требованию заказчика для увеличения точности прибора стандартный фотодиод можно заменить на специализированные калиброванные фотодиоды, например фотодиоды Hamamatsu, Silicon Sensor, ThorLabs.
Приведем основные технические параметры измерителя мощности лазерного излучения: 1) диапазон измерения мощности излучения: 3 – 300 нВт, погрешность 3%; 300 нВт – 30 мкВт, погрешность 3%; 30 мкВт – 3 мВт, погрешность 4%; 3 – 30 мВт, погрешность 5%; 2) диапазон длин волн: 400 – 1100 нм; 3) интерфейс связи с компьютером: гальванически развязанный RS-232; 4) масса измерителя: 600 г.
В заключение отметим главное преимущество представленного измерителя мощности лазерного излучения – это возможность различной компоновки прибора в конструкции, используемой заказчиком. А именно, возможно уменьшение габаритных размеров измерителя по требованию заказчика, применение USB-интерфейса для связи с ПК, встраивание блока измерения мощности в различные системы, применение измерителя как устройства контроля мощности или элемента обратной связи системы управления и некоторые другие.
Отзывы читателей
