Высокоскоростное измерение лазерного излучения высокой мощности

Б. Ньюманн, С. Райт Artifex Engineering, Германия

* Статья опубликована в журнале Фотоника № 1 / 69 / 2018

ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ ОПРЕДЕЛЯЮТ ДАТЧИКИ

Измерение оптической мощности лазерного излучения основано на использовании датчиков, преобразующих оптическую мощность в измеряемое напряжение или силу тока. Физические принципы, заложенные в основу работы датчика, определяют функциональность всего измерительного устройства. Для измерения мощности лазерного излучения используют два типа стандартных датчиков:

СЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ ТЕРМОПАРЫ

Термоэлемент представляет собой датчик, состоящий из массива термопар. Отдельные термопары соединены термически параллельно, но в электрической цепи они представляют собой последовательное соединение. Такое соединение имеет важное практическое значение для повышения чувствительности измерительного устройства, так как чувствительность (V/°C) одной термопары крайне низкая.

Рис.1. Детекторы лазерной мощности: a) – термопары; b) – термоэлементы 

Поверхность детектора покрыта черным абсорбирующим материалом. Назначением такого покрытия является максимальное поглощение мощности падающего лазерного излучения, независимо от его длины волны.
С учетом этих фактов становится очевидным, что конструкция термопары имеет следующие характеристики:

• Термопары имеют низкую чувствительность к световому излучению.

• Термопары должны быть изолированы от внешних источников тепла, которые вносят ошибку в результаты измерений. Типичными внешними источниками тепла могут быть: циркулирующий воздух от приборов, охлаждаемых вентилятором, или даже рука оператора, положенная к головке датчика. Это ограничивает до нескольких милливатт нижний диапазон измеряемой мощности. С другой стороны, термопары являются идеальным инструментом для измерения высокой мощности, если поверхность датчика не повреждена, а тепло может быть отведено посредством воздушного или водяного охлаждения.
• Материал абсорбента является определяющим фактором для точности измерений оптической мощности. Однако следует помнить, что с течением времени покрытие стирается, что ведет к необходимости повторной калибровки.
• Термопары очень медленно реагируют на измерения, основанные на изменении теплового потока. Среднее время отклика варьируется от одной до нескольких секунд.

СЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ ФОТОДИОДОВ

Фотодиод представляет собой полупроводниковое устройство, конструкция которого подразумевает наличие двух электродов (анода и катода), между которыми возникает градиент электрического потенциала. Каждый электрод через тонкие провода соединен с двумя выходными контактами. Поскольку эта конструкция чувствительна к механическим воздействиям, то устройство заключено в металлический корпус с защитным прозрачным окном, через которое может проникать излучение.

  
Рис. 2. Принцип работы фотодиода [2]   Рис. 3. Схема фотодиода  [3]

Рассмотрим функциональные свойства фотодиода, связанные c особенностями его конструкции:

• Фотодиод обладает высокой чувствительностью к возбуждающему излучению, поскольку происходит прямое преобразование падающих фотонов в электроны. Обычно квантовая эффективность фотодиодов может быть близкой к 100%. Это позволяет измерять низкую мощность светового потока вплоть до фемтосекундного диапазона. Сверху диапазон измеряемых величин мощности ограничен несколькими милливаттами, выше которых фотодиод переходит в режим насыщения, и генерируемый ток уже перестает расти пропорционально энергетическому световому потоку.

• Приемная чувствительная площадка сенсора выполнена из полупроводникового материала. Кремний – материал, который чаще всего используется для регистрации излучения видимого диапазона, так как он имеет низкую себестоимость. Однако Ge и InGaAs, столь необходимые для создания фотодиодов для ближней ИК-области, в противоположность Si являются дорогостоящими. Также датчики сильно ограничены по своим размерам.

• Так как приемная поверхность датчика плоская, то устройство представляет собой в некоторой степени зеркало. Полупроводниковые материалы имеют высокий показатель преломления, что приводит к частичному отражению входящего светового потока. Это вносит затруднения в точность измерений.

Защитное окно действует как фильтр: в зависимости от угла и положения падающего луча относительно чувствительной площадки фотодиод может проявлять разную интегральную чувствительность [3].
Может показаться, что фотодиод не подходит для измерений высокомощных лазерных источников, так как площадь сечения высокомощного лазерного пучка превышает чувствительную площадку детектора, и  диапазон измерений детектора ограничен значением величины мощности в несколько милливатт. Поэтому многие пользователи идут на компромисс и просто используют термоэлектрические датчики.
Но как поступить, если для работы одновременно требуются высокое разрешение, широкий динамический диапазон и высокая скоростью вывода данных?

ИНТЕГРИРУЮЩИЕ СФЕРЫ

Интегрирующая сфера – это измерительное средство, лишенное недостатков фотодиодов и термоэлементов, о которых сказано выше. Это пассивное метрологическое средство измерений, содержащее полый шар с отверстиями ("порты"), которые позволяют лазерному излучению проникать внутрь него и легко его покидать.

Рис. 4. Принцип работы интегрирующей сферы

Внутренняя поверхность шара имеет покрытие, обладающее высоким коэффициентом отражения в измеряемом диапазоне длин волн. Внутри сферы происходит равномерное распределение падающего лазерного излучения по всей поверхности сферы с помощью многочисленных сильно рассеивающих отражателей.

Полые сферы, изготовленные из специального полимера, подходят для измерений в диапазоне длин волн от 250 нм до 2,5 мкм. Алюминиевые сферы, покрытые сульфатом бария (BaSO4), несколько дешевле аналогов, но со временем покрытие приобретает желтую окраску, и следовательно, сферы становятся непригодными для высокоточных измерений мощности лазера. Для измерения мощности излучения в диапазоне длин волн 700 нм – 20 мкм используют сферы с шероховатой металлической поверхностью, покрытой золотом. В этот спектральный диапазон попадает излучение, генерируемое многими типами лазе-ров высокой мощности. Поэтому твердая медь или алюминий подходят в  качестве хорошего материала теплопроводящей подложки интегрирующих сфер.

Рис.5. Комбинация сферы с фотодиодом и оптоволоконным портом

В боковую стенку интегрирующей сферы встроен фотодиод. Он регистрирует только часть лазерной мощности, попадающей в сферу. При этом характеристики падающего на датчик света отличаются от характеристик того излучения, которое падает на сферу:

• Плотность мощности излучения получается полностью однородной.

• Излучение не поляризовано, даже если входное излучение поляризовано.

• Входная мощность сильно ослабляется.

Мы видим, что комбинация интегрирующей сферы и фотодиода позволяет спроектировать лазерный датчик мощности, обладающий преимуществами и фотодиода, и интегрирующей сферы. Подобный датчик может реагировать так же быстро, как фотодиод, и проводить измерения в широком диапазоне значений мощности, как интегрирующая сфера. Меняя размер интегрирующей сферы, можно изменять общую чувствительность системы. Кроме того, чувствительность детектора теперь не зависит от неоднородности плотности мощности и от поляризации излучения, генерируемого лазером. Детектор также не зависит от взаимного расположения падающего луча и поверхности приемной чувствительной площадки детектора, а также от угла падения на нее лазерного излучения.

Интегрирующую сферу можно использовать для измерений пучков с сечениями относительно больших диаметров, поскольку размер приемной площадки фотодиода в этом случае не будет проявлять себя как ограничивающий фактор. Плотность мощности излучения, попадающего на внутреннюю стенку сферы, также значительно меньше той, что попадает на поглощающий термоэлемент. Причина в том, что общая площадь внутренней поверхности сферы, по меньшей мере, в 20 раз больше площади входной апертуры. Таким образом, материал стенки может выдерживать более высокую плотность мощности, и со временем это качество существенно не изменяется.
В боковой части сферы дополнительно могут быть расположены иные измерительные порты, что дает преимущества иного рода. Например, волоконно-оптический порт может использоваться для одновременного измерения спектрального состава излучения лазера.

ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

В качестве примера использования интегрирующей сферы для измерений рассмотрим практику измерений флуктуаций мощности дискового лазера мощностью 5 кВт. Данный твердотельный лазер используется для обработки материалов. Измерительное устройство представляет собой интегрирующую сферу – медный шар диаметром 200  мм с  золотым покрытием и  с  водяным охлаждением. Поскольку при таких высоких уровнях мощности происходит нагрев интегрирующей сферы, фотодиод требуется установить вне сферы – изменение температуры самого фотодиода может привести к  снижению точности измерений мощности. Сфера была оснащена оптоволоконным портом SMA типа, который подключается к  соответствующему порту измерителя мощности. Полная система (сфера-волокно-фотодиод) была предварительно откалибрована как единая измерительная установка измерения мощности. Счетчик мощности питается от USB и контролируется. Этим ограничивается число кабелей, используемых в измерениях (один USB-кабель и  две линии подачи воды).

                                                  

Рис.6-7. Установка интегрирующей сферы и измерителя мощности внутри кабины обработки                                                
Рис. 8. Рабочая измерительная установка (вид через смотровое окно).                                                                                               
Обратите внимание на пирографическую камеру, показывающую температуру поверхности сферы (42 °C)                          

При использовании измерительной установки было обнаружено, что мощность лазера обладает высокой стабильностью, вплоть до величин 2500Вт. Однако когда мощность излучения возрастает до 5000Вт, наблюдалась долговременная флуктуация около 1,5%.

Рис.9. Результаты измерений мощности при Р = 2,5 кВт и Р = 5 кВт

Кроме того, в выходной мощности присутствуют колебания амплитуды, они составляют около 0,7%. Обращаем внимание, что эти более быстрые флуктуации зависят от временного масштаба, который не может быть измерен с помощью термоэлемента.

Рис.10. Расширенное представление результатов (см. рис. 9) измерения мощности при 5 кВт

ВЫВОДЫ
Интегрирующая сфера в сочетании с фотодиодом представляет собой практически идеальный датчик для измерения лазерной мощности. При работе с  высокомощными лазерами эта комбинация позволяет обнаружить колебания рабочих параметров, которые для термоэлектриче-ского детектора незаметны вследствие слишком длительного временного отклика. С  помощью подобной системы можно обнаружить колебания во время работы непрерывных лазерных источни-ков, переходные процессы и  флуктуации мощности при запуске лазера, а также кратковременные падения мощности во время работы.
Кроме того, поскольку измерение практически не зависит от величины расходимости пучка, интегрирующие сферы могут использоваться для таких лазерных измерений, как пропускание и  отражение на преломляющих и  рассеивающих объектах. Например, интегрирующую сферу можно использовать для измерения передачи лазерно-свариваемых пластиковых материалов для определения оптимальных рабочих параметров сварочного лазера.


Литература
1. https://bildungsserver.hamburg.de/physik/unterricht/experimente/2584640/00522-thermosaeule/.
2. "Pin-Photodiode" from Kirnehkrib – own work. Licenced under CC BY-SA 3.0 by Wikimedia Commons – https://commons.wikimedia.org/wiki/File: Pin-Photodiode.png#/media/File: Pin-Photodiode.png.
3. Boivin L. P. – Appl. Opt., 1982, v.21(5), p.918–923.