ЧПУ лазер является основным элементом всей конструкции станка, с помощью которого и происходит сам процесс обработки материала. На сегодняшний день лазерные станки с числовым программным управлением применяются для производства самых разных товаров, начиная от декоративной продукции и заканчивая крупногабаритными сложными изделиями.

Оптическая составляющая лазерных станков

Перед тем, как подойти к подробному описанию работы лазера, разберем его основные оптические компоненты:

• лазерная трубка (она же СО 2 лазер), которая отвечает за генерацию луча;
• зеркала-отражатели, которые отражают луч;
• головка излучателя, которая подает луч на поверхность обрабатываемой заготовки;
• линза фокусировки, название которой говорит само за себя: она отвечает за фокусирование лазерного луча на поверхность материала.

Мощность лазера

Если говорить о материалах, которые можно обрабатывать лазерными машинами, то их довольно большое количество. Мощность лазера должна меняться в зависимости от того, с каким материалом вы собираетесь работать. Давайте разберемся с основными материалами и необходимой мощностью лазера для их обработки:

1. Мощность 200 мВТ – данный параметр отлично подходит для резки не особо прочных материалов (таких, как тонкая полиэтиленовая пленка). Важно уточнить, что такие лазеры бывают только твердотельными.
2. Мощность от 300 до 500 мВт – средняя мощность лазера, отлично подходит для гравировки дерева, кожи и пластика. Это наиболее приемлемая мощность для ЧПУ выжигателя.
3. Мощность в 1000 мВт – подходит для резки тонкой бальзы (самая легкая древесина в мире!). С такой мощностью можно так же осуществлять резку синтетического шпона, но существует вероятность его подгорания.

Необходимо сделать важный вывод: чем мощнее лазер, тем более «плотный» материал можно обработать. То есть, выбирайте мощность лазера исходя из материала, который вы хотите обрабатывать.

Лазерный модуль малой мощности

Принцип работы лазера

Основной принцип работы лазера на станке заключается в том, что лазер не режет, а прожигает. Для того, чтобы получить лазерный луч, нужны следующие элементы:

• источник внешней энергии;
• активная среда;
• оптический резонатор.

Все вышеуказанные элементы работают следующим образом:

Источник внешней энергии несет в активную среду частицы, которые имеют некий заряд. В свою очередь эти частицы притягивают из активной среды подобных себе. С помощью усилителя они начинают двигаться более живо, сталкиваются с атомами среды и выбивают новые кристаллы. Благодаря полупрозрачному стеклу резонатора кристаллы выходят вовне в форме узкого луча.

Этот луч, который фокусируется в одну точку, имеет высокое содержание энергии. Такая энергия достаточна для вхождения в любой вид материала. То место, куда попал луч, плавится или горит.

Важно знать, что при небольшой толщине материала или мощном луче, вы можете совершить даже сквозную резку металла.

Причины исчезновения лазерного луча

При отсутствии излучения в момент запуска станка, первой причиной исчезновения лазера является лазерная трубка. Проблемы и пути их решения с ней мы обсудим подробней немного ниже.

Второй причиной исчезновения может стать повреждение блока розжига. Перед проверкой электронных частей лазерной машины просмотрите индикацию (нормальное состояние – это свет светодиода на блочке питания и пары светодиодов на материнской плате) . Для подтверждения проблемы с блоком розжига можно осуществить такие действия: даете ЧПУ легкую задачу, и если она выполняется, но при этом заготовка остается целой, то можно судить об отсутствии проблем с блоком розжига.

Изделие, изготовленное на настольном лазерном станке

Общие проблемы при работе лазерной трубки

1. 1. Слабая мощность лазерного излучения. Решением такой проблемы может стать следующее: убедитесь нет ли царапин, или грязи на линзах или лазерной трубке; посмотрите на выходной ток, напряжение, скорость и чистоту потока воды; проверьте ровность лазерного луча и др.
   2. Электрическое зажигание имеет высокое напряжение. Предлагаем следующее варианты действий: проверка помех возле электрического соединения; убедитесь, что лазерная трубка не находится на маленьком расстоянии возле металлических частей станка; проверьте влажность помещения (высокая влажность может вызвать электрические пробои и помехи); убедитесь в целости всех контактов и замкнутости цепи внутренних соединений.
   3. Поломка или растрескивание концов лазерной трубки. Возможно вам смогут помочь следующие действия: проверка температуры воды (норма – 15-25 градусов); убедитесь, что водопроводная трубка не сложена и не прижата чем-либо; убедитесь в отсутствии пузырей в трубке; обратите внимание на воду: на ее расход и циркуляцию (от низкого до высокого).

Начали продаваться в 2002 году. Самый распространенный тип твердотельных лазерных указок с диодной накачкой (DPSS). Мощность таких указок от 5 до 800 милливатт (mw). Диоды зелёного цвета не производятся, используется другая схема производства таких указок. Устройство намного сложнее чем у обычных красных или синих лазерных указок. Зелёный свет получают довольно сложным способом из за чего мощные зеленые лазерные указки, стоят очень дорого.

Сначала мощным (обычно >100 мВт инфракрасным лазерным диодом с λ=808 нм накачивается кристалл ортованадата иттрия с неодимовым легированием, где излучение преобразуется в 1064 нм. Потом, проходя через кристалл титанила-фосфата калия, частота излучения удваивается (1064 нм → 532нм) и получается видимый зелёный свет. Отметим высокую энергозатратность зелёных лазерных указок - в большинстве используются две AA/AAA/CR123/18650 батареи. Фокусируемая зеленая лазерная указка мощностью от 200мВт, способна зажигать спички, изоленту, тёмную пластмассу и т. д.).

Красные лазерные указки

Самые распространенные лазерные указки красного цвета . В таких указках используется красные лазерные диоды с длинной волны 650нм 660нм или более видимый 635нм. Мощность бывает приблизительно от 1 до 1000 милливатт (mw). Мощные красные указки 650нм - одни из самых дешевых по соотношению цена/мощность. Фокусируемая красная лазерная указка мощностью от 200мВт, способна зажигать спички, изоленту, тёмную пластмассу и т. д.).

Более редкие красные лазерные указки используют Твердотельный лазер c диодной накачкой (DPSS) и работают на длине волны 671 нм.

Синие лазерные указки

445 нм (синий цвет)

У этих лазерных указок, свет излучается, мощным синим лазерным диодом. Такие лазерные указки относится к 4-му классу опасности и представляет серьёзную опасность для глаз и кожи. Мощность таких лазерных указок бывает 500mw, 1000mw и более дорогие 1500mw и 2000mw. Это самые мощные лазерные указки на сегодняшний день. Другие указки, достигать таких мощностей не могут. По соотношению цена/мощность, мощные синие лазерные указки, являются самыми выгодным приобретением на сегодняшний день. Такие указки прожигает все подряд вплоть до дерева.

473 нм - Аргоновый (бирюзовый цвет)

Такие лазерные указки появились лишь в 2007 году и имеют схожий с зелёными лазерными указками принцип работы (DPSS). Длину волны 473нм обычно получают, путем удвоения частоты 946нм излучения. Для получения 946нм используется кристалл алюмо-иттриевого граната с добавками неодима. Такие указки очень дорогие в производстве, из за их низкого КПД. Мощность таких указок бывает от 1 до 50 милливатт(mw). Но сегодня можно заказать даже такую редкую и эксклюзивную лазерную указку. Невероятно красивый луч бирюзового цвета, выглядит просто потрясающе!

Фиолетовые лазерные указки

Фиолетовые указки имеют лазерный диод 405нм. Длина волны 405нм находится на границе диапазона светового спектра, видимого человеческому зрению и поэтому, луч таких указок кажется тусклым. Однако, свет таких лазерных указок, вызывает флюоресценцию предметов, на которые направлен лазерный луч. Фиолетовые лазерные указки стали продаваться после появления Blu-ray приводов. Мощность таких указок бывает от 5 до 500 мВт. Фокусируемая фиолетовая лазерная указка мощностью от 200мВт, способна зажигать спички, изоленту, тёмную пластмассу и т. д.)

Жёлтые лазерные указки

Лазерные указки желтого цвета так же используется DPSS технологию и излучают одновременно два пучка света: 1064нм и 1342нм. Излучение попадает в нелинейный кристалл, который поглощает фотоны двух пучков и излучает фотоны 593,5нм (суммарная энергия 1064 и 1342 нм фотонов равна энергии фотона 593,5 нм). КПД таких указок не вероятно низок около 1 %. Тем самым делая их самыми дорогими и мало распространенными.

Способов немало:

1. Фотодиод (сюда же фотоэлементы и солнечные батареи)
   Подходит для:
   • измерения малых мощностей (от 1 мкВт до 100 мВт)
   • измерения в видимом спектре, ближнем ультрафиолете и ближнем инфракрасном (примерно 300-1200 нм) (бывает и шире, но обычному человеку такие не достать)
   плюсы:
   • можно измерить мощность дешевой китайской лазерной указки, дохлого светодиода и т. п.
   • высокое быстродействие - на практике покажет мощность сразу - можно не ждать
   • датчик легко делается из распространенных в продаже фотодиодов
   минусы:
   • показания (в милливольтах или миллиамперах) при одной и той же мощности сильно зависят от длины волны (цвета луча), температуры самого фотодиода, а для многих фотодиодов еще и от точки попадания луча и угла попадания, а значит - требует постоянной калибровки
   • для калибровки нужен эталонный источник света (лазер), а лучше набор лазеров всех цветов, которые собираетесь измерять.
   • капризен в калибровке - без четкого знания, что делаешь, легко откалиброваться так, что прибор будет врать на 1 - 2 порядка.
2. Фотосопротивление - если без экзотики то все сказанное про фотодиод относится и сюда, схема включения, правда, другая.
3. Термосопротивление (болометр)
   Подходит для:
   • измерения вразумительных мощностей (от 10 мВт до 1 Вт)
   плюсы: минусы:
   • показания сильно зависят от температуры самого термосопротивления
   • низкое быстродействие - надо ждать прогрева лучом
   • нелинейная характеристика затрудняет калибровку и пересчет результатов
   • встречающиеся в продаже термосопротивления обычно плохо подходят для изготовления датчика, самодельный (проволочный) болометр делать - геморрой.
4. Термоэлектрический (Термопарный или Пельтьешный) калориметр.
   Подходит для:
   • измерения вразумительных мощностей (от 50 мВт до 1 Вт)
   • измерения в почти любом спектре (главное, чтобы хорошо поглощалось поверхностью)
   плюсы:
   • показания слабо зависят от длины волны,
   • калибровка возможна по эталонному источнику тепла (например, по наклеенному резистору известного номинала, по которому пропускается известный ток)
   • практически линейная характеристика.
   • показания слабо зависят от температуры самого датчика, (зависят только от разности температур)
   минусы:
   • низкое быстродействие - надо ждать прогрева лучом.
   • измерена может быть только мощность дающая существенный нагрев (при некотором опыте и аккуратных измерениях
   • удается довольно точно измерить прогрев и от 1 мВт, но обычно надо 50 мВт и более)

Есть и другие способы, например пироэлектрический прибор, но обычно такие измерители надо просто покупать, если только не работаете где-нибудь на лазерной или полупроводниковой фирме.
Сам я дома пользуюсь самодельным Пельтьешным калориметром, который и опишу как делать.

Делаем термоэлектрический калориметр

Большинство измерителей мощности, которыми пользуются профессиональные лазерщики построены как раз по принципу термоэлектрического калориметра. Раньше такой прибор собрать дома было почти невозможно (с ума сойдешь пару сотен термопар сварить, установить, сделать электрическую разводку и обеспечить тепловой контакт при этом. Да и на выходе было - единицы милливольт на Ватт. Нужен был очень хороший усилитель. Сейчас в продаже в магазинах радиодеталей появились пельтье-модули, которые как раз и представляют собой такую сборку термопар, да еще и не металлических а полупроводниковых. Сделать термоэлектрический калориметр теперь проще простого.

I. Ресурсы

В качестве исходников нам потребуются:

Вот собственно и все что нужно:

II. Сборка

III. Калибровка

IV. Измерения

V. Комментарии

Примитивно. Зато доступно и эффективно.
Продвинутые в электронике могут заменить мультиметр на небольшую платку с АЦП-чипом и микроконтроллером (PIC или Atmel), организовать вывод данных и управление по USB, написать программку для автокалибровки и анализа ошибок и... и... продавать по 1000 USD как профессиональный прибор. Основной вклад в погрешность дает дрейф нуля. На фотографиях виден дрейф в 0.5мВ, что в пересчете на милливатты дает 3 мВт. То есть указку мощностью в 5 мВт обмерять с помощью такого датчика - слишком грубо. Дрейф нуля идет в основном за счет сквозняков. При измерениях "закройте все окна" и двери, старайтесь не слишком шевелить атмосферу. Если застабилизировать показания не удается - измерьте амплитуду дрейфа нуля (разность между максимальными и минимальными показаниями) и отнесите в погрешность измерения.

Еще имеет свойство "плыть" калибровка самого мультиметра. В особенности если он дешевый. Тут спасает повторение калибровки датчика (раздел III). Перекалибровываться надо при смене батарейки в мультиметре, смене погодных условий, ну и просто время от времени.

Если измерения проводятся не по "сокращенной версии" а по честному - с калибровкой, установлением нуля и с двойным тройным повтором для усреднения результата, то измеренная этим датчиком мощность лазера будет отличаться от измеренной профессиональным прибором не больше чем на 10%-15%. Кстати если есть профессиональный прибор, то можно измерить еще и поправку на не 100%-ный коэффициент поглощения черненой поверхностью. Хотя при хорошем чернении эта поправка невелика и ей можно пренебречь не напрягая себя попусту.

Если жаба не душит - можно на один подходящих размеров радиатор поставить два пельтье модуля (проще - одинаковых) и включить в балансную схему. Один элемент будет измерителем, другой - компенсатором. Сильно поможет в борьбе со сквозняками.

Показания прибора в первом приближении не зависят от точки попадания. Измеренное напряжение равно сумме термо-э.д.с. всех включнееых последовательно пельтье-столбиков в пельтье модуле. Термо-э.д.с. каждого из столбиков равна произведению его удельной термо-э.д.с. ei на разность температур на нем. А разность температур ("холодного" и "горячего" спаев)- произведению теплового сопротивления столбика Rti на тепловой поток через него Wi:

Столбики в Пельтье модуле делаются автоматом из одного и того же материала (пары n-кремний и p-кремний) значит они с высокой точностью одинаковы. После вынесения за скобки ei и Rti получается что измеряемое напряжение прямо пропорционально полному тепловому потоку, как бы он ни был распределен по столбикам.

Для чернения НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ пользОВАТЬСЯ фломастерами, маркерами, чернилами от авторучек и вообще любыми красками кроме туши и сажи. На самом деле краски часто только выглядят черными и запросто могут оказаться вовсе не такими черными именно для той линии спектра, где излучает Ваш лазер. Измерения рекомендуется проводить сидя или лежа, предварительно успокоившись и удалив на безопасное расстояние режущие и колющие предметы. Когда мощность любимого трехсотмилливаттного лазера из дивиди-драйва оказывается всего 120 мВт бывает трудно удержаться от неадекватных действий.

Многие считают, что резать можно только мощными СО2 и оптоволоконными лазерами. На самом деле это не так. Диодными лазерами мощностью от 2 Вт можно уже резать многие материалы. Итак, начнём с самого начала.

На что способен 2.1 Вт лазер?

2.1 Вт лазер - это относительно небольшая мощность для лазера. Её достаточно для эффективной резки бумаги, картона, фанеры, тёмного акрила толщиной до 1–1.5 мм. Хоть этот лазер скорее оптимален для гравировки, но всё же резка возможна на относительно хорошей скорости. Картон и бумага практически не обугливаются при скорости резки 200–300 в программе CNCC LaserAxe.

Конечно, играет немалое значение, цвет материала и сама структура. Когда мы говорим про эффективную резку, мы имеем ввиду чистый не обугленный срез. Опять же хочется напомнить, что многие китайские лазеры не имеют заявленной мощности и очень сильно не соответствуют заявленным параметрам.

Вот пример того, что можно вырезать 2.1 Вт лазером.

3.5 Вт лазер для резки

3.5 Вт лазер с резкой уже справляется лучше, чем 2.1 Вт. С его помощью можно резать акрил, фанеру, дерево толщиной 2–3 мм.

При резке фанеры нужно учесть некоторые нюансы. Существует многослойная клееная фанера и для её прорезания необходимо большее количество проходов. Для резки 2–3 мм фанеры 3.5 Вт лазером нужно 20–30 проходов и скорость в программе CNCC LaserAxe примерно 50–200.

Такую замечательную шкатулочку можно сделать 3.5 Вт лазером.

5.6 Вт лазер с короткофокусной линзой

5.6 Вт лазер уже существенно лучше подходит для резки, но здесь мы предлагаем установить короткофокусную линзу G-2.

Из школьного курса помним, что мощность лазера падает пропорционально квадрату расстояния. Чем хороша и удобна короткофокусная линза G-2, так это тем, что её можно поставить вместо обычной и не нужно делать никаких изменений. Короткофокусная линза G-2 имеет фокусное расстояние примерно 4 мм, фактически это почти вплотную к предмету.

5.6 Вт режет прекрасно фанеру толщиной 2, 3, 4, 5 мм.

Параметры лазерной резки 5.6 Вт лазером Endurance:

1. Фанера 2 мм - скорость 300, 2–3 прохода;
2. Фанера 3 мм - скорость 250, 3–4 прохода;
3. Фанера 4 мм - скорость 200, 8 проходов;
4. Фанера 5 мм - скорость 100, 8–10 проходов.

Если брать обычную линзу, то иногда получается, что даже при 100 проходах и скорости 300 4-миллиметровая фанера не прорезается. Поэтому для резки мы советуем использовать только короткофокусные линзы. Однако, можно осуществлять резку если установить лазер на 3D принтер.

Чтобы быть все время в фокусе, после каждого прохода необходимо смещать лазер вниз по оси Z.

8 Вт ультрамощный лазер для резки

8 Вт диодный лазер с короткофокусной линзой G-2 подходит для резки 4–5 мм фанеры и режет до 8 мм акрила с обычной длиннофокусной линзой.

В действительности мощность 8 Вт уже достаточна для того, чтобы прорезать с одного прохода 4 мм фанеры.

А также с 3-х проходов прорезать 8 мм чёрный акрил:

Таким образом, диодными лазерами можно спокойно резать фанеру, акрил, дерево до 5 мм.

Конечно, можно резать и большую толщину материалов. Например, 8 Вт мы максимум прорезали 10 мм фанеры, но в этом случае уже довольно сильно падает скорость и качество. Края получаются не вполне чистыми и местами могут наблюдаться следы горения.

Фактически управлять можно 3 параметрами:

1. мощность лазера;
2. скорость;
3. количество проходов.

Чем больше скорость, тем более качественные края и более аккуратная резка. Может быть много проходов на большой скорости, однако иногда бывает, что из-за этого резка не происходит. Тогда приходится выбирать между качеством или скоростью. В большинстве случаев необходимо опытным путём подбирать оптимальные параметры.

Основные нюансы лазерной резки

Запомните, самое важное - это настроить фокус лазера.

Сделать это можно, когда вы выставляете слабое свечение в программе и глядя через очки на точку меняете фокусное расстояние с помощью линзы. Мы рекомендуем фокусировать на чёрную металлическую поверхность. В этом случае заметить, когда точка оказалась самой маленькой, довольно легко. Но обращаем внимание, что делать это нужно строго в защитных очках.

В целом, можно уверенно констатировать, что:

• лазеры мощностью 3.5 Вт подходят для резки 1–2 мм фанеры, акрила.
• лазеры мощностью 5.6 Вт подходят для резки 2–3 мм фанеры, акрила.
• лазеры мощностью 8 Вт подходят для резки 3–5 мм фанеры, акрила.

Если есть вопросы, задавайте:

[email protected] или по телефону: 89162254302

Так, например, из платиновых нитей диаметром 3…5 мкм можно изготовить решетки с поперечным размером более 10 см и периодом 1 мм. В этом случае общие потери но превышают 4 · 5 · 10 -3 =0.02, а коэффициент пропускания приемного измерительного преобразователя достигает 98%. Постоянная времени прибора не превышает 10 -3 с

Если в ПИП чувствительным элементом является термометр сопротивления, который непосредственно воспринимает оптическое излучение и в нем отсутствует конструктивно развитый приемный элемент, то такой ПИП традиционно называют болометром, а в качестве термометра сопротивления могут использоваться не только проволочные проводники, а и пленочные. Приемно-чувствительные элементы этих приборов часто помещают в вакуумированную оболочку И тогда их называют вакуумными. Глубокоохлаждаемые болометры, работающие при температурах жидкого азота и гелия, используют для измерения сверхмалых потоков излучения (эквивалентную мощность шума можно снизить до 10 -14 Вт · Гц -1/2) либо при стремлении достичь максимального быстродействия (субнаносекундный диапазон)

Калориметры, в которых тепловые процессы не приводят к изменению температуры калориметрического тела (т.е. Т K =T O =const ), ю называются изотермическими калориметрами, или калориметрами постоянной температуры. Принцип действия таких калориметров основан либо на использовании эффектов фазового перехода вещества и состоит в измерении количества калориметрического вещества (льда), перешедшего под действием поглощенной энергии лазерного излучения в другую фазу (воду) при температуре существования фазового перехода (0 °) (калориметры с фазовым переходом), либо на эффекте компенсации в самом калориметре выделенного излучением тепла за счет теплового эффекта с противоположным знаком (компенсационные калориметры и калориметры с предварительным подогревом). Следует отметить, что на практике такие приборы используются редко, за исключением калориметров с предварительным подогревом. В этих приборах калориметрическое тело предварительно (до поступления и ПИП измеряемого излучения) подогревается до некоторой стационарной температуры, превышающей температуру окружающей среды. При подаче лазерного излучения мощность подогрева вручную или автоматически уменьшают ты, чтобы температура калориметрического тела оставалась прежней. Поглощенная ч в калориметре мощность в этом случае равна изменению мощности подогрева. По такому принципу работает образцовый измеритель мощности лазерного излучения ОИМ-1-1, у которого мощность подогрева уменьшается вручную

Принцип работы пироэлектрических ПИП основан на использовании пироэлектрического эффекта, наблюдаемого у ряда нецентросимметричных кристаллов при их облучении и проявляющегося в возникновении разрядов на гранях кристалла, перпендикулярных особенной полярной оси. Если изготовить небольшой конденсатор и между его обкладками поместить пироэлектрик, то изменения температуры, обусловленные поглощением излучении, будут проявляться в виде изменения заряда этого конденсатора и могут быть зарегистрированы. Входное сопротивление пироэлектрического приемника является почти чисто емкостным. Поэтому сигнал на его выходе может появиться только при переменном входном сигнале, что вызывает необходимость модуляции излучения при измерении пироприемником излучения

Выходной сигнал пироэлектрических ПИП пропорционален скорости изменения среднего прироста температуры d(D T)/dt чувствительного элемента, а не величине D T , не на которую реагируют тепловой приемники. Следствием этого является высокое быстродействие приемников (до 10 -8), в также высокая их чувствительность(10 -7 …10 -8 Дж), большой динамический диапазон работы (10 -8 …10 Дж) и широкий спектральный диапазон (0.4…10.6 мкм). Конструктивно чувствительный элемент пироприемника не отличается от колориметрических ПИП(см. рис. 1.2), за исключением самого чувствительного элемента 2 , выполненного из пироэлектрика. Среди промышленных разработок измерения малых (до 10 -9 Вт/см 2) и сверхмалых (до 10 -12 Вт/см 2) потоков излучения наибольшее применение нашли пироэлектрические преемники на основе титаната бария, триглинсульфата и на основе керамики цирконат-титанат бария. Чувствительные элементы таких ПИП представляют собой плоскопараллельную пластину толщиной 20…100 мкм с нанесенными на обе стороны электродами. На облучаемую сторону пластины наносят поглощающее покрытие либо его роль выполняет полупрозрачный электрод. С помощью сравнительно несложной технологии чувствительные элементы можно изготавливать достаточно сложной формы с размерами приемной площадки от 10 -4 до 10 6

Обладая рядом преимуществ перед тепловыми преобразователями, пирозлектрические ПИП находят все более широкое применение для измерения энергетических и пространственно-энергетических параметров лазерного излучения

Фотоэлектрический метод.

Фотоэлектрический метод измерения энергетических параметров лазерного излучения основан на переходе носителей заряда под действием фотонов измеряемого излучения на более высокие энергетические уровни. В качестве фотоэлектрических ПИП используют фотоприемники (ФП), которые делятся на две группы: с внешним и внутренним фотоэффектом. Внешний заключается в испускании электронов под действием фотонов в вакуум, внутренний - в переходе электронов из связанного состояния под действием фотонов в свободное, т.е. в возбужденное состояние внутри материала. В обоих случаях переход происходит при поглощении веществом отдельных квантов излучения, поэтому ФП являются квантовыми приборами. Энергия электромагнитного излучения в них непосредственно превращается в электрическую, которую затем измеряют. Выходной электрический сигнал ФП зависит не от мощности падающего излучения, а от количества квантов излучения и энергии каждого кванта

Общее выражение преобразования входного оптического сигнала в выходной электрический сигнал, осуществляемого фотоэлектрическим ПИП, можно записать в следующем виде:

I=I ФП +I Т =S l x P+I T (1.5)
где I - полный ток, протекающий через ФП, А ; I ФП - ток через ФП, вызванный падающим потоком излучения, А ; I Т - темновой ток, А ; S l - спектральный коэффициент преобразования, или абсолютная спектральная чувствительность ФП, А/Вт; P - мощность падающего на ФП излучения, Вт

Ниже кратко рассмотрены основные фотоэлектрические преобразователи, применяемые в средствах измерения мощности и энергии лазерного излучения

Фотопреобразователи с внешним фотоэффектом. Энергия фотоэлектронов, испущенных с поверхности катода под действием электромагнитного излучения, определяется выражением:

W=h n - w (1.6)
где n - частота излучения, Гц ; h - постоянная Планка, (h =6.63 x 10 -34 Дж x с); w - постоянная зависящая от природы материала фотокатода. Испускание электронов имеет место лишь в том случае, когда h n > w = h n О, где n О - пороговая частота, ниже которой фотоэффект невозможен. Длину волны l О =с/ n О называют длинноволновой (красной) границей фотоэффекта. Обычно коротковолновая граница фотопреобразователя ограничивается пропусканием входного окна ПИП

К фотоприемникам на основе внешнего фотоэффекта относятся вакуумные приборы: фотоэлементы (ФЭ) и фотоэлектронные умножители,

Спектральный диапазон вакуумных ФП зависит от материала фотокатода. В настоящее время выпускаемые промышленностью ФЭ и ФЭУ перекрывают диапазон от УФ (0.16 мкм) до ближнего ИК излучения (1,2 мкм - для серебряно-кислородно-цезиевого катода). Абсолютная спектральная чувствительность ФЭ определяется следующим образом:

S l =Q ЭФ x l /1.24 (1.7)
где Q ЭФ - эффективный квантовый выход, l - длина волны излучения, мкм, S l меняется в зависимости от типа и конструкции прибора (10 -3 …10 -1 мА/Вт)

Динамический диапазон, в котором сохраняется линейность преобразования оптического сигнала в электрический, для ФЭ сравнительно большой. Нижний предел ограничен шумами и темновым током ФЭ, верхний - влиянием пространственного заряда и продольным сопротивлением фотокатода, В режиме непрерывного облучения нижний

предел может достигать 10 -14 А, верхний не превышает 10 -4 А. В импульсном режиме верхний предел может быть увеличен до десятков ампер

Шумы и темновые токи ФЭ сравнительно невелики, однако из-за низкой чувствительности ФЭ нецелесообразно применять их для измерения малых уровней оптических сигналов

Современные сильноточные временные ФЭ позволяют получать время нарастания переходной характеристики (между уровнями 0.1 и 0.9 от максимального значения) порядка 10 -10 с

ФЭУ обладают высокой чувствительностью благодаря наличию умножительной (диодной) системы. Если коэффициент вторичной эмиссии i-го диода s i , коэффициент сбора электронов g i , а m - число каскадов усиления, то коэффициент усиления ФЭУ:

(1.8)
абсолютная спектральная чувствительность ФЭУ:

где абсолютная спектральная чувствительность фотокатода ФЭУ, определяемая аналогично по формуле (1.7)

Чувствительность ФЭУ может достигать ~ 10 5 А/Вт в максимуме спектральной характеристики. В обычных ФЭУ линейность сохраняется до десятков миллиампер, у современных сильноточных - до единиц ампер

При измерениях оптических сигналов большой мощности можно увеличить диапазон линейности ФЭУ для больших потоков частично используя динодную систему и снимая сигнал с промежуточных динодов. Нижний предел динамического диапазона ограничен шумами и темновыми токами ФЭУ, которые обычно составляют 10 -11 …10 -5 А. Быстродействие современных ФЭУ лежит в пределах 30...1 нс (1н=10 -9 с)

К ФП на основе внутреннего фотоэффекта относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, МДП-фотоприемники и другие полупроводниковые ФП. Для измерения энергетических параметров излучения наиболее широкое распространение получили фотодиоды (ФД) и фоторезисторы (ФР)

Действие ФР основано на явлении фотопроводимости, заключающемся в возникновении свободных носителей заряда в некоторых полупроводниках и диэлектриках при падении на них оптического излучения. Фотопроводимость приводит к уменьшению электрического сопротивления и соответственно к увеличению тока, протекающего через фоторезистор

Общее выражение для абсолютной спектральной чувствительности ФР может быть представлено в виде:

(1.10)
где e - заряд электрона; V - объем освещенности части полупроводника; Q - квантовый выход внутреннего фотоэффекта; m - подвижность фотоносителей; t - время жизни фотоносителей; l - расстояние между контактами; u - напряжение, приложенное к ФР

ФР различных типов перекрывают широкий спектральный диапазон(0.4…25 мкм); большинство из них требует охлаждения до температуры жидкого азота или жидкого гелия, что вызывает дополнительные трудности при их использовании в измерительной аппаратуре в качестве ПИП. Кроме того, они обладают большей инерционностью и невысокой чувствительностью, что также ограничивает их применение для измерений энергетических параметров лазерного излучения

Наиболее широкое использование для этих целей имеют германиевые и кремниевые фотодиоды. Возникающие под действием излучения неосновные носители диффундируют через p-n- переход и ослабляют электрическое поле последнего, что приводит к изменению электрического тока в цепи. Фототок в широких пределах линейно зависит от интенсивности падающего излучения и практически не зависит от напряжения смещения. Для измерения энергетических параметров излучения обычно используют фотодиодный режим (с питанием), так как при этом диапазон линейности и быстродействие гораздо больше, чем в фотовольтаическом режиме (без питания). Важное значение для работы всех ФП имеет согласование с электронной схемой

Абсолютная спектральная чувствительность ФД:

S l = t x g x Q x l (1- r)/1.24 (1.11)
где t - коэффициент пропускания окна прибора; g - коэффициент

собирания носителей; Q - квантовый выход; l - длина волны излучения; r - коэффициент отражения

В рабочем спектральном диапазоне абсолютная спектральная чувствительность составляет десятые доли А/Вт . Область спектральной чувствительности кремниевых фотодиодов составляет 0.4…1.2 мкм (максимум около 0,85 мкм), германиевых - 0.3…1.8 мкм (максимум в области 1,5 мкм). Такие ПИП не требуют охлаждения. Темновые токи у кремниевых ФД примерно на порядок ниже, чем у германиевых и достигают 10 -5 …10 -7 А, а при специальной технологии изготовления - 10 -9 …10 -12 А. ФД обладают сравнительно низким уровнем шумов, что в сочетании с высокой чувствительностью делает, их ФП с низким порогом чувствительности. Это позволяет использовать ФД для измерений весьма слабых потоков излучения (до 10 -6 Вт)

Инерционность обычных полупроводниковых ФД составляет 10 -6 …10 -8 с, а временное разрешение Ge и Si лавинных ФД достигает 1…10 нс. ФД изготавливают с размерами фоточувствительной площадки примерно от долей мм до 10 мм, а лавинные ФД - до 1 мм

Для измерения относительно больших уровней мощности и энергии целесообразно применять ПИП с невысокой чувствительностью, т.е. ФЭ. Для измерения средних уровней энергетических параметров лазерного излучения можно применять как вакуумные приборы (ФЭУ), так и полупроводниковые (ФР, ФД) . Для измерения малых потоков требуются приемники с высокой чувствительностью и низким уровнем шума. Фотодиоды уступают по чувствительности ФЭУ. Однако ФД обладают низким уровнем шума. Это позволяет применять ФД для измерения малых потоков не непосредственно, а с помощью усилителя. В этом случае ФД вполне могут конкурировать с ФЭУ, а в ряде случаев и превосходить их по характеристикам

Основные преимущества ФД по сравнению с ФЭУ: небольшие габариты, низковольтное питание, высокая надежность и механическая прочность, более высокая стабильность чувствительности, низкий уровень шумов, лучшая помехозащищенность от электрических и магнитных полей

Недостатки ФД по сравнению с ФЭУ: меньшее быстродействие для большинства ФД, более сильное влияние температуры на параметры и характеристики прибора

Для измерения временных параметров лазерного излучения следует применять наиболее быстродействующие фотоэлектрические приемники - ФЭ, для измерения малых потоков - ФЭУ и лавинные ФД

Для измерения мощности лазерного излучения в непрерывном режиме могут быть использованы как вакуумные, так и полупроводниковые ФП, поскольку здесь не требуется их высокого быстродействия

Пондеромоторный метод

В пондемоторных измерителях энергии и мощности лазерного излучения используется эффект П. Н. Лебедева. Лазерное излучение падает на тонкую приемную металлическую или диэлектрическую пластину и давит на нее. Давление (сила) измеряется чувствительным преобразователем

Для измерения давления излучения используют различные преобразователи: емкостные, пьезоэлектрические, крутильные весы на механическом и магнитном подвесе, механотроны. Первые два типа большого распространения не получили из-за малого значения коэффициента преобразования, малой помехоустойчивости и сложности системы отсчета и регистрации. Наиболее широко применяются крутильные весы - классический прибор для измерения малых сил. Схема устройства приведена на рис.1.. На растяжках или подвесе 1 укреплено коромысло 2 с приемным крылом 3, противовесом 4 и зеркалом 5, расположенным в вакуумированной камере. При попадании оптического излучения на приемное крыло подвижная система отклоняется от положения равновесия на некоторый угол, по величине которого можно судить о значении оптической мощности или энергии. Крючок 6 предназначен для крепления груза при калибровке весов (определения их момента инерции и жесткости подвеса)

Из решения уравнения движения крутильного маятника можно получить значение угла поворота a приемной пластины 3 при воздействии на нее непрерывного излучения мощностью P

(1.12)
где r - коэффициент отражения пластины; t - коэффициент пропускания входного окна камеры; l - расстояние от оси пучка излучения до оси вращения; j - угол падения излучения на пластину; c - скорость света; K - жесткость подвеса. Аналогичное выражение можно получитъ для максимального угла разворота пластины a max - под действием импульса излучения энергией W u:

(1.13)
где J - момент инерции вращающейся системы. Углы поворота отсчитываются на шкале 8 по отклонению светового пятна от лампочки 7 (рис. 1.4). При известных параметрах системы формулы (1.12) и (1.13) позволяют определить энергию и мощность излучения в абсолютных единицах

В настоящее время в конструкцию пондеромоторных измерителей введено много усовершенствований, которые позволили улучшить их эксплуатационные и метрологические параметры. Прежде всего оказалось возможным отказаться от вакуумирования и использовать атмосферное давление воздуха в камере. Применение в качестве приемных элементов прозрачных диэлектрических пластин вместо отражающих металлических позволило увеличить верхний предел изменения энергии излучения (до 10 4 Дж). Такие устройства позволяют измерять мощность лазерного излучения, начиная с единиц миливатт, и энергию импульсов в десятые доли джоуля

Для отсчета угла поворота крутильных весов часто используют емкостный преобразователь. В этом случае пластина противовеса является одной из пластин конденсатора, включаемого в резонансный контур генератора. При повороте подвижной системы емкость конденсатора, а значит, и частота генератора меняются, изменение частоты измеряется частотным детектором. Чувствительность такой системы очень высока, но сама система громоздка и сложна в настройке и управлении

Другим способом реализации высокочувствительной системы отсчета является схема с двумя фоторезисторами, которые включены вместе с двумя постоянными резисторами в мостовую схему. В положении равновесия мост сбалансирован. При отклонении системы освещенность фоторезисторов меняется, мост разбалансируется и в его измерительной диагонали появляется ток, пропорциональный углу поворота, который регистрирует микроамперметр. Подобные системы индикации используются в гальванометрических фотоусилителях Ф117, Ф120, имеющих чувствительность около 0.1 А/рад, что позволяет измерять минимальный угол отклонения порядка нескольких угловых секунд

Увеличение чувствительности в пондеромоторных измерителях и улучшение развязки подвижной системы от толчков и вибраций достигнуты при помощи бесконтактного подвеса в магнитном поле (рис. 1.5). Подвижная система 1 с приемной пластиной 2, противовесом 3 и ферромагнитным якорем 4 подвешена в магнитном поле соленоида 5 внутри камеры. Ток соленоида регулируется специальной автоматической системой, состоящей из датчика 6, линейного 7 и дифференциального устройства 9. При изменении вертикального положения системы в ответ на сигнал датчика вырабатывается сигнал обратной связи, усиливающий или ослабляющий ток через соленоид и стабилизирующий положение системы. Поперечная устойчивость обеспечивается радиальным градиентом напряженности поля соленоида

Помимо крутильных весов для измерения используются механотроны, которые представляют собой электровакуумный прибор с механически управляемыми электродами. При воздействии внешнего механического сигнала в механотроне происходит перемещение одного или нескольких подвижных электродов, что вызывает соответствующее изменение анодного тока

Рисунок 1 . 6 Схема устройства диодного механотрона

Отечественная промышленность выпускает ряд механотронных преобразователей, оформленных в виде обычных электронных ламп с октальным цоколем (6MXIБ, 6MXЗС и др.) и в миниатюрном оформлении с гибкими выводами (6MXIБ и т.п.). Конструкция этих механотронов показана на рис. 1.6. Сам механотрон представляет собой диод с плоскопараллельными электродами. В стеклянном баллоне 1 находятся неподвижный катод 2 с подогревателем 3 и подвижный анод 4, жестко соединенный со стержнем 5, который впаян в гибкую мембрану 6. Входной механический сигнал (сила F) подается на внешний конец стержня. При этом подвижный анод перемещается относительно неподвижного катода, что приводит к изменению анодного тока и выходного сигнала преобразователя, который для измерения включают в мостовые схемы

Чувствительность механотронов не превышает 10 мА/г (или по мощности 10 -9 А/Вт). Такое значение чувствительности при величине флуктуаций тока 0.1 мкА, вызываемых температурным дрейфом, толчками и вибрациями, дает возможность уверенно измерять давление непрерывного излучения более 1кВт. Если излучение промодули ровать так, чтобы подвижная система механотрона вошла в резонанс, нижний предел измерения может достичь 100 Вт. Поэтому механотронный преобразователь обычно применяют для измерения больших уровней мощности и энергии импульсов лазерного излучения, например непрерывного излучения мощных СО 2 -лазеров и импульсного на стекле с неодимом

Опыт, накопленный при разработке и эксплуатации различных типов измерителей энергии и мощности лазерного излучения, позволяет сделать заключение об областях применения, достоинствах и недостатках различных методов

К достоинствам теплового метода измерения энергетических параметров лазерного излучения относятся широкие спектральный и динамический диапазоны измерения, простота и надежность измерительных средств. В настоящее время в некоторых калориметрических измерителях достигнута наиболее высокая точность измерения, а при использовании пироэлектрических приемников излучения и быстродействующих термоэлементов и болометров удалось получить быстродействие до единиц наносекунд

К недостаткам теплового метода можно отнести малое быстродействие и чувствительность как раз тех тепловых приборов, которые обеспечивают наиболее высокую точность измерения

В приборах, основанных на фотоэлектрическом действии излучения, достигаются максимальная чувствительность и быстродействие; это позволяет использовать их в качестве измерителей формы импульсов и импульсной мощности вплоть до субнаносекундного диапазона. Недостатками таких приборов является сравнительно узкий спектральный диапазон и обычно невысокий верхний предел измерения мощности (энергии), а также большая погрешность измерений (5…30%) по сравнению с тепловыми приборами

Преимущество пондеромоторного метода - высокий верхний предел измерения энергии и мощности излучения при достаточно высокой точности абсолютных измерений. Основной недостаток - жесткие требования к условиям эксплуатации (особенно к вибрации) и, вследствие этого, ограничения к применению в полевых условиях

Измерение основных параметров импульса лазерного излучения

Как известно ряд активных сред в силу принципиальных или технических ограничений обычно работают в импульсном режиме генерации, Сюда в первую очередь относятся лазеры на самоограниченных переходах - азотный лазер, генерирующий в УФ диапазоне (l =337,1 нм), и лазер на парах меди, дающий мощные импульсы зеленого излучения (l =510,5 нм), Еще более широко распространены рубиновые лазеры и лазеры на неодимовом стекле, импульсный характер генерации которых обусловлен прежде всего особенностями системы накачки и охлаждения активной среды. И наконец, в некоторых наиболее ответственных случаях для повышения пиковой мощности излучения некоторые лазеры переводятся в режим управляемой генерации; при этом наиболее часто используются методы управления добротностью резонатора для получения так называемого гигантского импульса и синхронизации продольных мод с целью получения пикосекундных (правильнее - сверхкоротких) импульсов

В результате возникает задача измерения основных параметров генерируемого лазером импульса излучения. Очевидно, что наиболее простым было бы построение измерений по схеме получения абсолютной зависимости мощности излучения от времени P(t) с последующим извлечением из нее всех интересующих величин - обычно это пиковая мощность P u,max =P(t *) , энергия импульса

и его длительность D t. Однако точность таких измерений обычно невелика. Поэтому, как правило, разделяют измерение временных (Р max и t u ) и энергетических (W ) параметров, что кроме повышения точности получаемых результатов позволяет упростить сами измерения. При этом измерение энергии импульса проводится обычно с помощью калориметрического измерителя (см.1.1), обеспечивающего наибольшую точность, или фотодиода с последующим интегрированием фототока, а измерение зависимости Р(t) - с помощью фотоэлектронного приемника с высоким временным разрешением. Именно по такой схеме построены серийные приборы марок ФН и ФУ, рассчитанные на работу в диапазоне 0.4…1.1 мкм при энергии в импульсе 10 -3 …10 Дж и пиковой мощности 10 4 …10 8 Вт; при длительности импульса t u =2.5…5 x 10 -9 с и частотой повторения F < 1 кГц погрешность измерения энергии d E » 20%, а мощность около 25%

Анализ параметров импульса с помощью осциллографа.

Для измерения формы импульса и его временных параметров (в частности, длительность импульса t u , времен нарастания и спада и т.п.) используют быстродействующие фотоприемники с высокой линейностью световой характеристики. К ним, в первую очередь, относятся специально разработанные во ВНИИОФИ коаксиальные фотоэлементы серии ФЭК, рассчитанные на нагрузку 75 Ом и напряжение питания 1000 В; их временное разрешение (собственная постоянная времени) колеблется в пределах от 10 -9 до 10 -10 с, и максимальный фототок от 1 до 7 А у разных марок, отличающихся конструкцией и типом фотокатода

Таким образом, вопрос об эффективном преобразовании светового импульса в электрический в первом приближении (по крайней мере для лазеров с "гигантским" импульсом) можно считать решенным. Для исследования формы полученного электрического импульса используются как обычные универсальные осциллографы с полосой пропускания до 10 7 Гц, так и специальные скоростные осциллографы с полосой пропускания 1...5 ГГц и чувствительностью ~ 1 мм/В. Последние обычно не имеют усилителя (вертикального входа), и сигнал в них подается непосредственно на верительные отклоняющие пластины, что и обеспечивает широкую полосу пропускания, но при низкой чувствительности к входному сигналу. Дальнейший анализ осциллограммы проводится по ее фотоснимку, а также при использовании ЭЛТ с длительным свечением люминофора или с накоплением заряда и последующим его многократным считывании

Ввиду плохой воспроизводимости параметров лазерных импульсов использование стробоскопических методов исследования не обеспечивает необходимой точности измерений и потому обычно не практикуется

Изучение формы сверхкоротких лазерных импульсов

Как указывалось в 1.1.2, наиболее быстродействующие фотоэлектрические приемники излучения имеют постоянную времени 10 -10 …10 -9 с, т.е. с их помощью можно надежно исследовать только "гигантские" импульсы, типичная длительность которых составляет 10 -8 с, а времена нарастания и спада могут быть значительно короче. Поэтому при исследовании временных зависимостей в случае наиболее коротких гигантских импульсов и, особенно, пикосекундных импульсов используют косвенные методы, основанные на применении временной развертки, используемой в электронных и оптических осциллографах. В настоящее время принцип сверхскоростной временной развертки реализован как на базе оптико-механической развертки с растрами (кинокамера типа "лупа времени"), Что позволяет зарегистрировать Набор малоинформативных двумерных изображений с частотой съемки 10 5 …10 8 кадр/с, так и на базе непрерывной одномерной (щелевой) оптико-механической развертки (щелевые фоторегистраторы) с временным разрешением от 10 -7 до 3 x 10 -9 с. Таким образом, использование оптико-механической развертки не позволяет сколько-нибудь существенно улучшить временное разрешение, обеспечиваемое малоинерционными фотоприемниками, но позволяет получить набор двумерных (например, распределение по поперечному сечению пучка) или одномерных (одномерное сечение пучка, спектр и т.п.) изображений, правда, только для излучения лазеров УФ, видимого и ближнего ИК диапазонов, что определяется ограниченным спектральным диапазоном используемых фотопленок

Поэтому в некоторых случаях применяют электронную развертку одно- или двумерных электронных "изображений", поступающих с фотокатода (сурьмяно-цезиевого, многощелочного или кислородно-цезиевого, что оговаривается при заказе конкретного прибора) ЭОПа. В случае использования кислородно-цезиевого фотокатода "красная" граница достигает 1.3 мкм. Однако более существенным преимуществом используемых для высокоскоростной регистрации ОЭПов является значительное усиление яркости регистрируемого изображения - до (10 3 …10 8) х в многокаскадных (2…6) приборах; это важно при регистрации маломощных пикосекундных импульсов. В зависимости от электронной системы развертки можно получить 9…12 отдельных кадров (двумерных изображений) с временем экспонирования до 10 -9 …5 x 10 -13 с, что обеспечивается отдельным электронным затвором, расположенным обычно у фотокатода. Частота смены кадров, обеспечиваемая за счет синхронной работы двух взаимно перпендикулярных систем электростатического отклонения (всего пучка фотоэлектронов), гораздо ниже, что затрудняет исследование динамики процесса генерации

По этой причине ЭОПы с разверткой обычно используют для исследования только временных зависимостей интенсивности сфокусированного (монохроматическим объективом) пучка излучения пикосекундного лазера. Применяемая при этом одномерная (обычно линейная) развертка может иметь скорость до 10 10 см/с, что обеспечивает получение на выходном люминесцентном экране (Æ 40 мм) с разрешением от 5…10 лин/мм (в 5-6-каскадных ЭОПах) до 50 лин/мм (в однокаскадных) временной разрешающей способности 10 -11 с. Рекордная скорость одномерной (спиральной) развертки (6 x 10 10 см/с) достигнута в ЭОПе "Пикохрон-1" за счет использования на отклоняющих пластинах СВЧ-напряжения (l = 3 см);

соответственно при разрешающей способности (не экране) 5 лин/мм временное разрешение моют достигать 5 x 10 -13 с, что соответствует временным разбросам пролета электронов в пучке, и поэтому не может быть улучшено повышением скорости развертки. Характерно, что для обеспечения удовлетворительных яркости характеристик выходного сигнала (спирали на люминесцентных экранах) "Пикохрон-1" имеет шестикаскадную систему усиления, в результате чего яркость возрастает в 10 7 …10 8 раз по сравнению с исходной (но существенно падает разрешающая способность выходного "изображения")

Таким образом, вопрос исследования временных зависимостей генерации пико- и даже фемтосекундных импульсов лазерного излучения можно считать в первом приближении решенным. Однако сложность, высокая стоимость, громоздкость и необходимость высококвалифицированного обслуживания затрудняет в некоторых случаях практическое использование камер с оптико-механической и электронной развертками