Одним из основных требований к любому измерительному оборудованию является наименьшая неопределенность измерений (иными словами, наивысшая точность). Для лазерных измерений в таких требовательных приложениях как производство медицинского оборудования или аэрокосмических деталей минимизация уровня шума является необходимым и обязательным условием для исключения ошибок.
Неопределенность калибровки измерителей мощности или энергии лазерного излучения является важной, но не единственной характеристикой, которую необходимо знать для проведения точных измерений. На величину нежелательного сигнала также сильно влияют повторяемость, линейность и эквивалентная мощность или энергия шума. В этой статье мы постараемся подробно разобраться с природой шума и методами борьбы с ним.
ИЗБАВЛЯЕМСЯ ОТ НЕЖЕЛАТЕЛЬНОГО СИГНАЛА
Первое, что нужно знать при выборе детектора мощности - это характеристики измеряемого лазера: длина волны, минимальный и максимальный уровень мощности, диаметр луча и тип профиля. В случае работы с импульсными лазерами не лишним будет знать о минимальной и максимальной ожидаемой энергии, частоте следования импульсов и их ширине. Знание среды, в которой будут проводиться измерения, важно, чтобы убедиться, что подобранный детектор обеспечивает наилучшую производительность в долгосрочной перспективе. Среди общих параметров следует также принять ко вниманию температуру воздуха окружающего пространства, уровень вакуума, доступ к хладагенту и т.д.
Мощность минимального регистрируемого излучения, должна не менее чем в 30 раз превышать эквивалентную мощность шума детектора. Давайте разберемся на примере одного из детекторов мощности производства Gentec-EO. Если вы пытаетесь измерить мощность 5 мВт-ной лазерной указки детектором UP19K-15S-H5, то ваше измерение будет довольно шумным. Эквивалентная мощность шума данного детектора - 1 мВт, то есть собственный электрический шум устройства недостаточно низок по сравнению с сигналом, генерируемым лазерной указкой. Но если для проведения измерений вы воспользуетесь фотодетектором PH100-Si-HA с эквивалентной мощностью шума в 10 пВт, то итоговое соотношение будет намного выше 30, а результат измерения - превосходным. Для максимальной точности также необходимо правильно вычесть фон, который создают внешние источники света. К счастью, функция вычитания фона является общей и обязательной для всех измерительных консолей производства Gentec-EO, используемых совместно с детекторами мощности.
НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ КАЛИБРОВКИ
Типичная погрешность калибровки детекторов мощности серии UP составляет +/- 2.5 %. Данное значение соответствует стандартам NIST (Национального института стандартов и технологий) и PTB (Федерального физико-технического ведомства) в качестве эталона для калибровки лазерного измерительного оборудования. На следующем рисунке представлены источники неопределенности в процессе калибровки детекторов мощности лазерного излучения Gentec-EO. Тем не менее, для относительных измерений может быть достаточно и устаревшей калибровки или типовой коррекции, зависящей от длины волны, применяемой к конкретному измерению.
ПОВТОРЯЕМОСТЬ
Для наглядности давайте рассмотрим пример с использованием пироэлектрического детектора энергии, которые отличаются высокой надежность и точностью измерения. Допустим, вам необходимо измерить энергию одиночного импульса лазера (например, частота повторения меньше 1 Гц) на длине волны 1070 нм с мощностью 15 Дж, диаметром луча 3 мм и шириной импульса 1 мс. Представим, что вам нужна максимальная точность измерения для дальнейшей работы с этим лазером.
Ранее мы упоминали, что для точного измерения подходящим будет соотношение сигнал/шум не менее 30. Таким образом, наиболее подходящим решением для измерения энергии будет детектор серии QE12. Эквивалентная энергия шума данного детектора составляет 10 мкДЖ и при мощности лазера в 15 Дж, соотношение сигнал/шум будет гораздо больше 30, а измерение максимально точным.
Идем далее: соотношение сигнал/шум больше 30, погрешность калибровки известна и не превышает +/- 3 %. Теперь ключевые характеристикой, на которую следует обратить внимание, становится повторяемость. Повторяемость расскажет об ожидаемой изменчивости от одного измерения к другому при одинаковых условиях.
Предположим, что ваш лазер находится в тепловом равновесии. При 15 Дж, 1070 нм, диаметре луча 10 мм и ширине импульса 1 мс, измеряя одиночные импульсы детекторов с помощью пироэлектрического детектора QE25ELP-S-MB c аттенюатором, разница между измерениями составит не более 0.5% (общий показатель повторяемости для всех детекторов серии QE). Расхождения результатов измерений более 0.5% скорее всего будут связаны с работой лазера, а не с детектором.
Для детекторов, основанных на принципе калориметрии для измерения высокомощных лазеров, существуют другие параметры, которые необходимо учитывать, чтобы предсказать результаты измерений. Среди этих параметров: линейность в зависимости от: мощности, диаметра и положения луча лазера. Подробнее со значениями этих параметров вы можете ознакомиться в технических характеристиках детекторов серии HP, предназначенных для работы с высокими мощностями.
ВЫВОДЫ
При измерении мощности или энергии лазера невозможно не столкнуться с флуктуациями, возникающими из-за шума. Но величину нежелательного сигнала можно уменьшить, используя детекторы с низкими показателями эквивалентной мощности (или энергии) шума. Старайтесь поддерживать соотношение сигнал/шум не менее 30. Для уменьшения влияния погрешности калибровки используйте детекторы надежных производителей. Наконец, всегда обращайте внимание на воспроизводимость результатов измерений при оценке дрейфа мощности или энергии лазера с течением времени. В данной статье мы этого не упоминали, но помните, что измерительные консоли также могут искажать сигнал (например, погрешность измерительной консоли MAESTRO лежит в пределах +/- 1% по шкале показаний). Своевременная калибровка также поможет минимизировать искажения в измерениях: Gentec-EO рекомендует проверять и калибровать свои устройства раз в 12-18 месяцев.
Также важно стараться избегать работы вблизи порогов повреждения детектора (по мощности, энергии, плотности мощности и энергии). Помните, что порог повреждения зависит от профиля лазерного луча, уровня мощности, энергии и длины волны излучения. Таким образом, можно обеспечить максимально долгий срок службы детектора.
