close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

ВСЕРОССИЙСКИЕ СОРЕВНОВАНИЯ Кубок А. Богалий;pdf

код для вставкиСкачать
УДК 535.231.11
Ерхов А.А., к.т.н., доцент
К ОПРЕДЕЛЕНИЮ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРОВ
Рассматривается способ оценки оптической мощности лазерных указок.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ЛАЗЕРНАЯ УКАЗКА, МОЩНОСТЬ, ДЛИНА
ВОЛНЫ, ПОТОК ИЗЛУЧЕНИЯ, ОСВЕЩЕННОСТЬ, ЛЮКСМЕТР.
В практике преподавания удобным и эффективным средством при демонстрации наглядных учебных пособий является лазерная указка. При изучении студентами крупных натурных объектов, например, рассмотрении конструкций и элементов действующих сооружений, лазерная указка должна
быть повышенной мощности, поскольку ею (мощностью) определяется длина
луча и его видимость в солнечный день или, напротив, в дождь или туман. То
есть, яркость (цвет) луча также имеет значение: зеленые в десять раз ярче
красных, поэтому красная указка-брелок может использоваться только для
работы в помещениях с малой освещенностью: 50-300 лк.
Излучение лазерных указок (в них, естественно, используются, твѐрдотельные лазерные излучатели) основано на работе полупроводников с диодной накачкой (DPSS): происходит инжекция избыточных электронов, при
этом квантовые переходы происходят между разрешѐнными энергетическими
зонами. В результате создаѐтся луч красного цвета. Процесс получения других более ярких цветов сложнее: помимо диода используются дополнительно
облучаемые диэлектрические кристаллы и стѐкла, где в качестве активаторов
работают ионы редкоземельных элементов или железа. Накачка от полупроводниковых лазеров осуществляется по трѐх- или чертырѐхуровневой схеме.
Лазеры работают в импульсном, непрерывном и квазинепрерывном режимах.
Размеры модуля и питающей схемы незначительны, поэтому указки
спокойно помещаются в карман.
Основной проблемой покупки лазерных указок (laser pointer) через торговую розничную сеть является невозможность с некоторой точностью оценить реально излучаемую ими мощность, то есть отличить от заявляемой.
Мощность, заявляемая продавцом, как правило, отличается в меньшую сторону чуть ли не в разы, что связано с недобросовестностью продавца; для чего на приборе переклеиваются ярлыки и изменяется описание технических
характеристик (это общее правило).
Если и предлагается оценить мощность, то довольно-таки дилетантски:
по длине луча, по тому, на каком расстоянии он прожигает лист бумаги или
зажигает спички. В редких случаях, впрочем, проверяют измерителем лазерной мощности.
На практике измерение мощности производится при помощи сферических фотометров или фотометрических гониометров – измерителей оптической мощности или оптических тестеров. Трудность измерения состоит в том,
что свет испускается во всех направлениях.
Сферический фотометр – прибор в виде сферы с внутренним покрытием, имеющим коэффициент отражения близкий к единице. Исследуемый источник размещается в центре этой сферы, и фотоэлемент на стенке измеряет
сигнал (рассеянный свет, поскольку закрыт от прямого излучения экраном).
Сравнивая полученный сигнал с эталонным, получают абсолютный световой
поток источника.
Фотометрический гониометр измеряет освещѐнность от исследуемого
источника на воображаемой сферической поверхности. Для этого датчик
люксметра проходит последовательно все позиции на сфере. Интегрируя измеренные освещѐнности, получают абсолютный световой поток.
Сферический фотометр и фотометрический гониометр измеряют освещенность от источника, излучающего во все направления. Направленный луч
измерить проще. Существуют специальные измерители мощности лазеров.
Сейчас они стали обычной вещью (могут быть как настольными, так и портативными (рис. 1)).
Учитывая, что лазерные указки большой мощности (от 300 мВт –
для указок такая мощность значительна) весьма дорогостоящи (находятся в несоответствии с их практическим значением и необходимостью применения в быту), требование оценки в процессе покупки тем
более очевидно.
Помимо того, что лазерные
указки отличаются по выходной
Рис. 1. Портативный измеритель мощности. мощности (для некоторых имеется
возможность регулировать, причем
в большом диапазоне), другой важнейшей отличительной характеристикой
является длина волны, то есть цвет луча, точки излучения или развертки луча
в крест (cross). Длина волны может быть самой разной (используют не только
весь спектр видимого света, но и инфракрасный диапазон излучения), и в
таблице для света приведены основные данные.
Тип волны
Спектр
Диапазон
длин волн,
нм
Таблица
Диапазоны вол электромагнитного излучения
Инфракрасное
Видимый свет
Далѐкое Близкое Красный Оранжевый Жѐлтый Зелѐный Синий Фиолетовый
1000100000
750-1000 650-750
590-650 590-530 530-490 490-420
420-400
Длина волны, как известно, также определяет яркость излучения: чем она
больше, тем ближе к ультрафиолетовой части спектра. Поэтому, например,
красные указки с целью большей яркости излучения чаще делают с длиной
волны 650 нм.
Другие менее важные характеристики: рабочая температура излучения
(для указок обычно t = 15-40° C), диаметр луча (обычно до 2 мм), расходимость луча (1-2,5 мрад); а прочие характеристики излучения (энергетическая
экспозиция, продольная, поперечная мода, ширина спектра, поляризация и ее
коэффициент, качество луча, длительность и частота импульса, а также длительность воздействия) обычно даже не упоминаются.
Мощность можно определить и без измерителя, расчѐтом через освещенность.
Энергетическая мощность – поток излучения – измеряется, как и механическая мощность в Вт (W)
,
(1)
где W – плотность оптического излучения – это интегральная энергия, переносимая в потоке излучения на всех длинах волн (энергия, как известно, выражается в единицах теплоты, то есть [W] = Дж); t – время излучения. То
есть [e] = Дж/c = Вт.
Освещѐнность (1 люмен на м2, связанный с силой света в канделах), измеряемая в люксах, соответствующих чувствительности человеческого глаза,
,,
(2)
где v – световой поток; S – площадь поперечного сечения луча (нижний индекс e при величинах означает их энергетический характер, индекс v – фотометрический). Световой поток v, как известно, соответствует энергетическому потоку излучения e, и если энергетический поток охватывает всю
часть оптического диапазона (измерением занимается радиометрия), световой
– часть (фотометрия).
Из формулы (2) световой поток –
.
(3)
v и e связаны через относительную спектральную эффективность V
(рис. 2) формулой
,
(4)
где  – длина волны; Km – максимальное значение спектральной световой эффективности, равное 683 лм/вт (то есть, длине волны 550 нм).
Например, возьмѐм слабую лазерную указку со следующими заявляемыми характеристиками: ΔW = 5 mW, длина волны 650 нм, класс опасности
(см. ниже) IIIA.
Освещенность будем измерять переносным фотоэлектрическим люксметром промышленного назначения Ю117, предназначенным для измерения
освещенности, создаваемой лампами накаливания и естественным светом, источники которого расположены произвольно относительно светоприемника
люксметра.
Площадь фотоэлемента люксметра 0,0026, площадь поперечного сечения луча 0,000000314 м2.
Луч, направленный на фотоэлемент, создаѐт освещенность, равную 12
лк. В пересчете на весь фотоэлемент – 10000 лк.
Относительная спектральная эффективность V при длине волны  =
650 нм равна 0,107.
Подставив все значения в формулу (4), получим мощность указки – 1
мВт, что в пять раз меньше заявленной. Это первый и единственный вывод.
Итак, какую указку выбрать для преподавания? Это зависит от того, где
и для чего она будет использоваться: в помещении или на открытом пространстве, далеко ли или близко изучаемый объект.
Как было сказано, лазерная
указка содержит диод или модуль. Модуль имеет маркировку,
согласно прилагаемой схеме
(рис. 3).
Можно встретить и такую
коммерческую классификацию
для мощных указок: Power I –
мощность от 100 до 200 мВт,
Power II – мощность от 250 до
300 мВт, Power III – мощность от
Рис. 2. Спектральная эффективность.
400 до 700 mw.
L
C
532
40
4,5
Символ, обозначающий
форму луча
Символ, указывающий на
угол расхождения лучà
(мрад)
Длина волны
(нм)
Выходная мощность
(мВт)
Рабочее напряжение
постоянное
(В)
D - Dot (точка)
A - 0,1-0,2
532
2,5
3
L - Line (линия)
B - 0,3
635
5
4,5
C - Cross (крест)
C - 0,4
650
10
5
M - Modulated
(модулированный)
D - 0,5
670
20
ML - Modulated Line
(модулированная линия)
E - 0,6
780
30
F - 0,7
.
808
40
G - 0,8
.
850
50
H - 1,0
.
980
100
I - 1,5
.
1064
250
1342
1000
J - >=2,0
.
Рис. 3. Диаграмма маркировки лазерных диодов и модулей.
То есть, в действительности указка может быть отмаркирована как
угодно, например, LP-IR1-300 – LP (line pointer) обозначает тип луча – линия,
IR (infrared) инфракрасная, 300 мощность в мВт; LP-G-50 – G (green) – зеленая; PGL-III-A 532 означает, что луч зеленый (Pointer Green Line) длиной
волны 532 нм, III-A – класс опасности.
Об опасности лазерного излучения даже малой мощности для здоровья
глаз и, вообще, для возможности видеть, говорится даже в технических паспортах.
Для оценки опасности применяется классификация. Класс 2-3А – это
указки мощностью 1-5 мВт (можно серьезно повредить сетчатку глаза, если
смотреть продолжительное время). Класс 3B – это указки мощностью 50-300
мВт (можно ослепнуть при прямом попадании, зеркально или диффузно отражѐнном луче; в последнем случае, например, для белой масляной краски
коэффициент диффузионного отражения равен 0,8).
Поэтому луч от любой указки нельзя направлять в глаза и на движущиеся объекты: автомобили, поезда (из-за отражения и возможного ослепления); указывание на самолѐты способно ослепить пилотов и привести к катастрофе воздушного судна, поэтому использование лазерных указок большой
мощности запрещено во многих странах мира (в Англии применение указок
не по назначению карается 14-ю годами тюремного заключения).
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа