Laserové technologie v praxi II. Cvičení č.1 Měření ztrát na optických prvcích laseru KLS 246 - 102 Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR Olomouc, 2011
1) Měření výkonu a energie laseru Teoretická hodnota v manuálu: např. pro U = 250 V a t = 1 ms je E teoret. = 2,7 J Údaj na displeji ovládacího panelu laseru nebo monitoru PC, měřeno mezi výstupním zrcadlem rezonátoru a závěrkou : Erezonátor = 2,7 J, pokles energie upozorní na konec životnosti výbojky nebo rozladění rezonátoru Energie na povrchu materiálu: Emateriál = ? vliv ztrát na optických prvcích vedení laserového svazku z rezonátoru k povrchu materiálu ( expander svazku, 100 % odrazné rovinné zrcadlo, fokusační čočka a ochranné sklíčko) – pokles pod hodnotu garantovanou výrobcem upozorní na znečištěné povrchy optických prvků Měření výkonu a energie laseru: a)
Při výrobě přístroje pro optimalizaci
výkonu a kvality svazku b)
U laserů bez integrovaného
měřiče pro informaci a kontrolu funkce c)
U laserů s integrovaným měřičem pro kontrolu funkce, určení ztrát
Výrobce např.:
http://www.ophiropt.com/laser-measurement
2 ) Druhy senzorů a)
Termoelektrický senzor
Prstenec z termočlánků Obvodové chlazení (tepelná jímka) Dopadající svazek na absorpční disk Princip: TS = Inverzní Peltierův chladič (tepelný gradient mezi vnitřní a vnější plochou disku vyvolá potenciál, naměřený proud je úměrný tepelnému toku – Seebeckův jev)
Konstrukce detekčních hlav odpovídá výkonu laseru (pasivní až vodní chlazení) a průměru svazku (velikost apertury)
2 ) Druhy senzorů b) Pyroelektrický detektor Je tvořen ferroelektrickými krystaly FE (vykazují polarizaci elektrického pole v závislosti na teplotě) např. lithium tantalát LiTa Princip : absorpce záření způsobí růst teploty FE krystalu – změna magnitudy elektrické polarizace v krystalu – vznik a měření potenciálu – po odeznění pulsu vyrovnání napětí Vhodné pro pulsní lasery s délkou pulsu od 0,45 ms do 4 ms, frekvence až 1000 Hz
2 ) Druhy senzorů c) Čtecí konzola Analogové nebo digitální zobrazení hodnot. Jedna konzola lze použít pro více detekčních hlav. Samostatný box nebo PC. Sběr dat na USB disk, přenos dat sítí.
2 ) Druhy senzorů d) Specifikace měřiče výkonu -
Spektrální odezva – úzko až širokopásmové detektory
-
Průměr svazku - apertura detektoru o 30 % větší, eventuelně úprava optickými prvky, nikdy neměřit v ohnisku !
-
Výběr vhodného měřicího rozsahu výkonů u kontinuálních laserů
-
Požadované délce expoziční doby musí odpovídat chlazení detektoru !
-
Vhodný měřicí rozsah energií u pulsních laserů a průměrného výkonu podle maximální frekvence pulsu
-
Limity poškození závisí na délce pulsu (manuál LaserMate P)
Qe(J/cm2) = 10.t(ms) -1/2
3) Měření ztrát na optických prvcích laseru KLS 246 - 102 Použitý měřič výkonu: výrobní označení LaserMate P Coherent, pyroelektrický detektor + analogová čtecí konzola s digitálním displejem,, maximální přípustné hodnoty Energie pulsu E = 0,5 mJ – 10 J, frekvence fmax = 50 Hz, průměrný výkon Pav = 10 W
Tabulka přípustných kombinací limitních hodnot: E(J)
f(Hz)
P(W)
0,0005
50
0,025
0,005
50
0,25
0,05
50
2,5
0,1
20
2
0,5
20
10
1
10
10
5
2
10
10
1
10
3) Měření ztrát na optických prvcích laseru KLS 246 - 102 Katalogová specifikace měřiče LaserMate P
3) Měření ztrát na optických prvcích laseru KLS 246 - 102 Panel čtecí konzoly
300 mJ/10 W
1.0 J/10 W
3.0 J/10 W
10 J/10 W
3 mJ/ 0,3 W
10 mJ/ 1 W
30 mJ/ 3 W
100 mJ/10 W
ON – OFF – CLEAR –BAT CHECK – FREQ - AV POWER - PULSE RECEIVED
3) Měření ztrát na optických prvcích laseru KLS 246 - 102 Návod na použití měřiče výkonu LaserMate P
3) Měření ztrát na optických prvcích laseru KLS 246 - 102 Bezpečnostní limity pro délky pulsu laseru KLS, spadající do rozsahu měřiče výkonu LaserMate P
hustota energie [J/cm2]
12 10 8 6 4 2 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 delka pulsu [ms]
1
3) Měření ztrát na optických prvcích laseru KLS 246 - 102 Výpočet limitní hodnoty energie pro zvolenou délku pulsu a průměr defokusovaného svazku: (D = 11,6 mm, BPP = 22 mm.mrad, z = 100 mm) t [ms]
Qe[J/cm2]
D [mm]
S [cm2]
E (J)
0,3
5,477
11,6
1,056296
5,785571
1. úkol: zjistěte ztráty na optických prvcích laseru KLS 246- 102 pro 10 hodnot energií pulsu v bezpečném rozsahu od 100 mJ do 1000 mJ, délku pulsu t = 0,3 ms a frekvenci pulsu 5 Hz, za modelového použití znečištěného ochranného sklíčka
2. úkol: opakujte měření po výměně ochranného sklíčka, porovnejte získané výsledky monitor E (mJ)
f(Hz)
P(W)
konzola E1(mJ)
100
5
0,5
82
200
5
1
…..
…..
…..
1000
5
5
Ztráty 1
konzola E2(mJ)
Ztráty 1
18 %
87
13 %
