Laserové technologie v praxi II. Cvičeníč.1 Měření ztrát na optických prvcích laseru KLS 246-2 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 : E rezonátor = 2,7 J, pokles energie upozorní na konec životnosti výbojky nebo rozladění rezonátoru Energie na povrchu materiálu: E materiál =? vliv ztrát na optických prvcích vedení laserového svazku z rezonátoru k povrchu materiálu ( expander svazku, 0 % odrazné rovinné zrcadlo, fokusačníčočka 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
a) Termoelektrický senzor 2 ) Druhy senzorů 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)
b) Pyroelektrický detektor 2 ) Druhy senzorů 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 00 Hz
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 2 ) Druhy senzorů - 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) Q e (J/cm 2 ) =.t(ms) -1/2
3) Měření ztrát na optických prvcích laseru KLS 246-2 Použitý měřič výkonu: výrobní označení LaserMate P Coherent, pyroelektrický detektor + analogováčtecí konzola s digitálním displejem,, maximální přípustné hodnoty Energie pulsu E = 0,5 mj J, frekvence f max = 50 Hz, průměrný výkon P av = W Tabulka přípustných kombinací limitních hodnot: E(J) 0,0005 0,005 0,05 0,1 0,5 1 5 f(hz) 50 50 50 20 20 2 1 P(W) 0,025 0,25 2,5 2
3) Měření ztrát na optických prvcích laseru KLS 246-2 Katalogová specifikace měřiče LaserMate P
3) Měření ztrát na optických prvcích laseru KLS 246-2 Panel čtecí konzoly 300 mj/ W 1.0 J/ W 3.0 J/ W J/ W 3 mj/ 0,3 W mj/ 1 W 30 mj/ 3 W 0 mj/ W ON OFF CLEAR BAT CHECK FREQ - AV POWER - PULSE RECEIVED
3) Měření ztrát na optických prvcích laseru KLS 246-2 Návod na použití měřiče výkonu LaserMate P
3) Měření ztrát na optických prvcích laseru KLS 246-2 Bezpečnostní limity pro délky pulsu laseru KLS, spadající do rozsahu měřiče výkonu LaserMate P 12 hustota energie [J/cm2] 8 6 4 2 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 delka pulsu [ms]
3) Měření ztrát na optických prvcích laseru KLS 246-2 Výpočet limitní hodnoty energie pro zvolenou délku pulsu a průměr defokusovaného svazku: (D = 11,6 mm, BPP = 22 mm.mrad, z = 0 mm) t [ms] Q e [J/cm 2 ] D [mm] S [cm 2 ] E (J) 0,3 5,477 11,6 1,056296 5,785571 1. úkol: zjistěte ztráty na optických prvcích laseru KLS 246-2 pro hodnot energií pulsu v bezpečném rozsahu od 0 mj do 00 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) Ztráty 1 konzola E2(mJ) Ztráty 1 0 5 0,5 82 18 % 87 13 % 200 5 1...... 00 5 5