DOI: 10.22184/1992-7296.FRos.2019.13.7.670.675

Прецизионная обработка материалов, техника лазерной дальнометрии и медицины используют пикосекундные импульсные лазерные системы. Это требует создания средств измерений временных характеристик импульсного лазерного излучения. В статье представлены результаты деятельности ВНИИОФИ в области метрологического обеспечения измерений временных характеристик импульсного лазерного излучения в пикосекундном диапазоне.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по фотонике
Урик Винсент Дж.-мл., МакКинни Джейсон Д., Вилльямс Кейт Дж.
Другие серии книг:
Мир фотоники
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир материалов и технологий
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #7/2019
М. В. Канзюба
Метрологическое обеспечение измерений временных характеристик импульсного лазерного излучения в пикосекундном диапазоне
Просмотры: 3386
DOI: 10.22184/1992-7296.FRos.2019.13.7.670.675

Прецизионная обработка материалов, техника лазерной дальнометрии и медицины используют пикосекундные импульсные лазерные системы. Это требует создания средств измерений временных характеристик импульсного лазерного излучения. В статье представлены результаты деятельности ВНИИОФИ в области метрологического обеспечения измерений временных характеристик импульсного лазерного излучения в пикосекундном диапазоне.
Введение 
В настоящее время в таких областях, как прецизионная обработка материалов, лазерная дальнометрия, медицина, научные исследования, оборонная техника, получают все более широкое распространение пикосекундные импульсные лазерные системы. Свой­ства таких систем существенным образом зависят от временных характеристик генерируемого импульсного излучения. В связи с этим возрастает потребность в средствах измерений (СИ) временных характеристик импульсного лазерного излучения (в частности, длительности импульсов, интервалов между ними) в пикосекундном диапазоне (10–12–10–9 с). Для нормирования метрологических характеристик СИ необходимо наличие метрологического обеспечения – ​эталонной базы, поверочной схемы, методик поверки и испытаний в целях утверждения типа СИ.

Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) на Всероссийский научно-­исследовательский институт оптико-­физических измерений (ВНИИОФИ) возложены функции головной организации в области оптико-­физических измерений и метрологии быстропротекающих процессов. Измерения временных характеристик пикосекундных оптических импульсов относятся к обеим указанным категориям.

Обычно для прямых измерений длительности оптических импульсов в наносекундном диапазоне используется высокоскоростной фотодетектор, подключенный к широкополосному осциллографу. Чтобы иметь возможность измерять пикосекундные импульсы, такая система должна иметь очень малое время нарастания переходной характеристики (ПХ). Существуют осциллографы, которые имеют время нарастания ПХ не более 4 пс [1], но в этом случае ограничивающим фактором является время нарастания ПХ фотодетектора, которое пока не превосходит 7 пс для лучших образцов [2]. Использование стробоскопических осциллографов возможно только для повторяющихся сигналов с хорошо воспроизводящейся формой.

Таким образом, задача измерения временных характеристик лазерных импульсов в пикосекундном диапазоне предъявляет высокие требования к быстродействию аппаратуры (полоса пропускания, время нарастания ПХ). Кроме того, необходимо учитывать высокую стоимость и ограниченную доступность такой аппаратуры. В то же время существует альтернатива – ​фотохронографические электронно-­оптические камеры (ЭОК), также известные как стрик-­камеры (англ. streak camera). ЭОК пригодны для исследования однократных сигналов и обладают временным разрешением вплоть до 0,1 пс [3]. Принцип действия ЭОК основан на преобразовании потока оптического излучения, прошедшего через входную щель на фотокатод электронно-­оптического преобразователя (ЭОП), в поток фотоэлектронов, который отклоняется (развертывается) импульсным электрическим полем в направлении, перпендикулярном щели, и снова преобразуется в световой поток в люминофоре, нанесенном на волоконно-­оптическую пластину (ВОП).
Развернутое по люминесцентному экрану ЭОП изображение входной щели, яркость которого пропорциональна мгновенной мощности излучения, регистрируется с помощью ПЗС‑матрицы. По этому изображению можно определять форму оптических импульсов и измерять их временные характеристики.

ВНИИОФИ занимается разработкой и производством ЭОК на протяжении всей своей истории. Так, первая в мире промышленная ЭОК ФЭР‑2 была разработана во ВНИИОФИ в 1966 году. [4]. Поэтому во ВНИИОФИ при разработке аппаратуры для измерений временных характеристик импульсного лазерного излучения в пикосекундном диапазоне ставка сделана на использование ЭОК собственного производства.
Далее представлены результаты деятельности ВНИИОФИ в области метрологического обеспечения измерений временных характеристик импульсного лазерного излучения в пикосекундном диапазоне.

1. Создание и включение в состав усовершенствованного Государственного первичного специального эталона ГЭТ 187-2016 комплекса технических средств для воспроизведения, хранения и передачи единицы длительности импульса лазерного излучения в диапазоне от 5 · 10–11 до 1 · 10–9 с
С 2010 года во ВНИИОФИ эксплуатируется Государственный первичный специальный эталон единиц энергии, распределения плотности энергии, длительности импульса и длины волны лазерного излучения ГЭТ 187-2010 [5], в состав которого входит комплекс средств измерений для воспроизведения и передачи единицы длительности импульса лазерного излучения. Данный комплекс воспроизводит единицу длительности импульса в диапазоне от 1 · 10–9 до 1 · 10–6 с.

В результате выполнения работы по совершенствованию эталона создан и включен в его состав новый комплекс технических средств для воспроизведения, хранения и передачи единицы длительности импульса лазерного излучения в диапазоне от 5 · 10–11 до 1 · 10–9 с. Принцип действия комплекса основан на измерении длительности импульса, генерируемого лазерной системой, с помощью ЭОК, временная шкала которой калибруется с использованием интерферометра Фабри–Перо. Подробное описание устройства и работы комплекса дано в публикации [6]. Основные характеристики комплекса представлены в табл. 1, внешний вид комплекса показан на рис. 1.
Усовершенствованный Государственный первичный специальный эталон ГЭТ 187-2016 утвержден приказом Росстандарта № 2089 от 30.12.2016.

2. Создание и аттестация Государственного вторичного эталона единицы длительности импульса лазерного излучения в диапазоне от 3 · 10–12 до 1 · 10–9 с
По принципу действия вторичный эталон аналогичен рассмотренному выше комплексу в составе первичного эталона. Отличия заключаются в изменении рабочей длины волны в область максимальной чувствительности распространенных типов фотокатодов ЭОК и расширению диапазона измерений длительности импульса в сторону малых значений за счет использования ЭОК с улучшенным временным разрешением. Разработке и исследованию метрологических характеристик эталона посвящена отдельная публикация [7]. Основные характеристики эталона представлены в табл. 2, внешний вид эталона показан на рис. 2.
Эталон, получивший регистрационный № 2.1.ZZА.0101.2017, прошел первичную аттестацию в 2017 году и утвержден приказом Росстандарта № 406 от 05.03.2018.

3. Включение в Государственную поверочную схему (ГПС) для СИ энергии, распределения плотности энергии, длительности импульса и длины волны лазерного излучения в диапазоне длин волн от 0,3 до 2,0 мкм ветви для СИ длительности импульса лазерного излучения в диапазоне от 10–11 до 10–9 с
Действовавшая с 01.07.2013 ГПС для СИ энергии, распределения плотности энергии, длительности импульса и длины волны лазерного излучения в диапазоне длин волн от 0,3 до 2,0 мкм (ГОСТ Р 8.780-2012), возглавляемая Государственным первичным специальным эталоном ГЭТ 187-2010, после введения в эксплуатацию нового комплекса технических средств для воспроизведения, хранения и передачи единицы длительности импульса лазерного излучения в диапазоне от 5 · 10–11 до 1 · 10–9 с в составе усовершенствованного эталона ГЭТ 187–2016 нуждалась в обновлении.
В результате в ГПС была включена новая ветвь для СИ длительности импульса лазерного излучения в диапазоне от 10–11 до 10–9 с (рис. 3), возглавляемая вновь созданным комплексом технических средств для воспроизведения, хранения и передачи единицы длительности импульса лазерного излучения в диапазоне от 5 · 10–11 до 1 · 10–9 с в составе эталона ГЭТ 187-2016.
Обновленная ГПС утверждена приказом Росстандарта № 2088 от 28.09.2018, действует с 01.01.2019.

4. Утверждение типа СИ для фотохронографических электронно-­оптических камер К016 как СИ временных параметров импульсного оптического излучения с диапазоном измерений от 1 · 10–11 до 1,8 · 10–8 с
Во ВНИИОФИ разработаны и производятся фотохронографические электронно-­оптические камеры К016, предназначенные для измерения временных характеристик оптических импульсов. Внешний вид камеры К016 показан на рис. 4.

Камера К016 представляет собой миниатюрную моноблочную конструкцию, в корпусе которой расположены фотохронографический ЭОП с фотокатодом, отклоняющей системой и люминесцентным экраном на ВОП, электронно-­оптический усилитель яркости, блоки питания и управления, считывающее устройство на базе ПЗС‑камеры. Регистрируемое камерой изображение по интерфейсу USB вводится в компьютер с установленным специальным программным обеспечением (ПО). Основными функциями данного ПО являются обработка и вывод на дисплей изображений, регистрируемых камерой, а также измерение временных характеристик оптических импульсов в соответствии с ГОСТ Р ИСО 11554-2008. ПО осуществляет коррекцию геометрических и фотометрических искажений изображения, возникающих в электронно-­оптическом тракте камеры. Поддерживается съемка с накоплением и усреднением, при этом возможна программная коррекция джиттера. Можно выполнять арифметические операции над изображениями, определять различные числовые характеристики изображения, строить профили яркости вдоль пространственной и временной оси, измерять временные характеристики одного или нескольких импульсов. Изображения на дисплее компьютера могут быть представлены в нескольких вариантах псевдоокрашивания, чем достигается увеличение числа визуально различимых уровней яркости. Функция экспорта изображения в графический формат TIFF позволяет при необходимости воспользоваться сторонними средствами обработки изображений. Метрологические и основные технические характеристики камер К016 приведены в табл. 3.

Камеры К016 в 2017 году успешно прошли испытания с целью утверждения типа СИ. Тип СИ утвержден приказом Росстандарта № 1306 от 28.06.2018, сведения внесены в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений (регистрационный № 71686-18). Таким образом, камеры К016 могут применяться в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений.
Выводы

Таким образом, в настоящее время у ВНИИОФИ имеется все необходимое для выполнения работ по поверке, калибровке и испытаниям в целях утверждения типа СИ в области измерений временных характеристик импульсного лазерного излучения в пикосекундном диапазоне. Кроме того, ВНИИОФИ может предложить потребителям СИ утвержденного типа для измерения временных характеристик оптических импульсов в пикосекундном диапазоне.

Дальнейшие перспективы совершенствования метрологического обеспечения измерений временных характеристик импульсного лазерного излучения в пикосекундном диапазоне связаны с созданием переносных рабочих эталонов, которые позволят осуществлять метрологическую аттестацию СИ в местах их применения. Пока что передача единицы рабочим СИ производится непосредственно от вторичного эталона, находящегося во ВНИИОФИ. Категория рабочих эталонов, с помощью которых осуществляется передача единицы от вышестоящих эталонов рабочим СИ, уже предусмотрена в действующей с 01.01.2019 ГПС.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
https://www.keysight.com/ru/pcx‑2935671/uxr-series-real-time-infiniium-­oscilloscopes.
https://www.macom.com/products/product-­detail/11000-03.
https://www.hamamatsu.com/eu/en/product/type/C11853-01/index.html.
Бутслов М. М., Дрожбин Ю. А., Горбенко Б. З., Толмачев А. М., Коринфский Д. Ф., Яковлев В. А., Нефедьев В. А., Ляпин И. В. Измерительная техника. 1972; 11: 21–23.
Абдрахманов К. Ш., Либерман А. А., Москалюк С. А., Улановский М. В. Измерительная техника. 2013; 12: 3–7.
Канзюба М. В., Берлизов А. Б., Крутиков В. Н., Фельдман Г. Г. Измерительная техника. 2018;11: 11–14;
Kanzyuba M. V., Berlizov A. B., Krutikov V. N., Lebedev V. B., Feldman G. G. Proc. SPIE 10328. 2017;103280G.
REFERENCE
https://www.keysight.com/ru/pcx‑2935671/uxr-series-real-time-infiniium-­oscilloscopes.
https://www.macom.com/products/product-­detail/11000–03.
https://www.hamamatsu.com/eu/en/product/type/C11853–01/index.html.
Butslov M. M., Drozhbin Yu.A., Gorbenko B. Z., Tolmachev A. M., Korinfskii D. F., Yakovlev V. A., Nefed’ev V.A., Lyapin I. V. Measurement Techniques. 1972; 15(11):1626–1629.
Abdrakhmanov K. S., Liberman A. A., Moskalyuk S. A., Ulanovskii M. V. Measurement Techniques. 2014; 56(12):1311–1317.
Kanzyuba M. V., Berlizov A. B., Krutikov V. N., Feldman G. G. Measurement Techniques. 2019; 61(11):1052–1056.
Kanzyuba M. V., Berlizov A. B., Krutikov V. N., Lebedev V. B., Feldman G. G. Proc. SPIE 10328. 2017;103280G.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art