Способ визуализированного тестирования инфракрасных болометрических систем

Авторы патента:

H01S3/09415 - Лазеры, т.е. устройства для генерирования, усиления, модуляции, демодуляции или преобразования частоты, использующие стимулированное излучение электромагнитных волн с длиной волны большей, чем длина волны в ультрафиолетовом диапазоне (полупроводниковые лазеры H01S 5/00)

H01S3/0941 - полупроводникового лазера, например инжекционного лазера

G01M11/0207 - Испытание оптической аппаратуры; испытание конструкций или устройств оптическими способами, не отнесенными к другим классам или подклассам

G01M11/02 - испытание оптических свойств

Владельцы патента RU 2755004:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВО ИрГУПС) (RU)

Способ может быть использован при дистанционной поверке ориентации оптической оси инфракрасного болометра и амплитудно-импульсных характеристик его электронного тракта в инфракрасной оптоэлектронике, системах поверки и настройки устройств быстродействующего теплового контроля скоростных объектов и визуального целиуказания инфракрасного луча. Способ включает облучение тестируемой болометрической системы инфракрасным и видимым излучением и анализ инфракрасного луча информационной системой. Для облучения тестируемой болометрической системы используется импульсное инфракрасное излучение кристаллического лазера с продольной накачкой полупроводниковым лазером, видимое излучение которого частично используется для визуализации инфракрасного луча. Технический результат - увеличение точности тестирования и временного разрешение инфракрасных болометрических систем. 1 ил.

Изобретение относится к области тестирования инфракрасных болометрических систем, контролирующих тепловое состояние силовых узлов и механизмов, а именно к дистанционной поверке ориентации оптической оси инфракрасного болометра и амплитудно-импульсных характеристик его электронного тракта и может быть использовано в инфракрасной оптоэлектронике, системах поверки и настройки устройств быстродействующего теплового контроля скоростных объектов и визуального целеуказания инфракрасного луча.

Известен способ [1] бесконтактного тестирования инфракрасных болометров, в котором два диффузных излучателя, выполненных в виде колец с разной температурой, нож Фуко, коллиматор и измеритель измерения разности радиационных температур. Нож Фуко выполнен в виде зеркальной призмы несимметричного профиля, рабочее ребро которой расположено в фокальной плоскости коллиматора. Одна грань призмы оптически связана с первым излучателем, а другая со вторым. Призма установлена с возможностью линейного и углового перемещений в плоскости, перпендикулярной оптической оси коллиматора и вдоль этой оси. Один из излучателей выполнен с возможностью регулирования его температуры Формируемое таким образом инфракрасное пятно на тестируемом приемнике теплового излучения, позволяет менять структуру и спектральную характеристику теплового пятна. Это определяется скоростью перемещения призмы. Вместе с тем, данный способ тоже не обладает достаточным быстродействием, поскольку механика призмы имеет ограничение по частоте возвратно-поступательного движения. Но главный принципиальный недостаток указанного метода - это невозможность визуализации инфракрасного пятна при тестировании приемников теплового излучения.

Известен способ [2], в котором инфракрасным излучением источника через конденсор, модулятор, фотометрический клин облучают тестируемый, например приемник теплового излучения (объектив с болометром). Коллиматорным объективом для визуализации проектируют изображение теплового луча на чувствительную мишень пировидиконной передающей трубки, в которой формируется сигнал для получения телевизионного изображения инфракрасного теплового пятна на входе болометрического объектива. Принципиальное преимущество данного метода по сравнению с [1] заключается в визуализации инфракрасного теплового инфракрасного луча. В данном способе тестирования оптических систем, работающих в инфракрасной области спектра, механический модулятор теплового излучения имеет ограничение по частоте прерывания инфракрасного излучения. Это связано с пределом скорости вращения двигателей модуляторных блоков. Так, к примеру, для тестирования болометрических систем температурного контроля буксовых узлов скоростного (300 км/ч) железнодорожного поезда или лопаток реактивных турбин двигатель модулятора должен иметь 10000 и 30000 об/мин. В реальности такой механический модулятор практически нереализуем. Таким образом, данный способ тестирования в инфракрасной области спектра оптических систем, имеющий визуализацию теплового луча на мишени пировидиконной передающей трубки для получения телевизионного изображения инфракрасного теплового пятна, имеет ограничение регистрации по быстродействию. Это является значительным недостатком данного метода.

Наиболее близким техническим решением к предложенному, принятым за прототип, является способ [3] тестирования, исследования и юстировки любых оптических систем, работающих в инфракрасной области спектра. Сущность метода заключается в том, что тестируемую инфракрасную болометрическую систему облучают тепловыми импульсами инфракрасного фотолюминесцентного кристаллического излучателя с сопутствующим видимым свечением. Инфракрасная и сопутствующая видимая люминесценция кристаллического излучателя (кристалл Er:BaY₂F₈) возбуждается импульсным излучением полупроводникового лазера через отверстие вогнутого и плоского зеркал конденсора. В сформированном зеркальным конденсором едином импульсном тепловом и сопутствующем видимом луче визуально наблюдается распределение пространственной интенсивности, соответствующей распределению пространственной интенсивности теплового пятна на тестируемой болометрической системе. Импульсный лазер, возбуждающий кристаллический излучатель, управляется микропроцессорным программируемым устройством, которое задает частоту следования, длительность и амплитуду инфракрасных и сопутствующих видимых импульсов. Электрические импульсные сигналы с тестируемой инфракрасной болометрической системы поступают на цифровой осциллограф и информационную систему для анализа и представления результатов тестирования.

Целью данного изобретения является создание способа позволяющего, увеличить точность тестирования и временное разрешение инфракрасных болометрических систем.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «новизна».

Заявителю неизвестно из уровня техники о наличии следующих признаков:

1. Длительность импульса теплового и видимого излучения кристаллического лазера значительно меньше времени импульсного свечения фотолюминесцентного кристаллического излучателя для тестируемых инфракрасных болометрических систем.

2. На окне болометра площадь сечения визуализированного теплового лазерного луча значительно меньше площади луча фотолюминесцентного кристаллического излучателя.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень». Кроме того, при взаимодействии признаков получается новый технический результат - существенно увеличивается дистанция тестирования инфракрасных болометрических систем.

На фигуре 1 представлена структурная схема устройства для реализации данного способа.

Способ осуществляется следующим образом.

Тестируемую инфракрасную болометрическую систему (0), облучают импульсным лазером, генерирующим единый луч теплового и видимого излучения. Инфракрасное лазерное излучение генерируется активной кристаллической (Er:BaY₂F₈) средой (1) в резонаторе, сформированном плоскими диэлектрическими зеркалами (4-4'). Продольная накачка кристалла Er:BaY₂F₈ (1) производится импульсным видимым излучением полупроводникового лазера (2) через зеркало (4'), которое практически полностью пропускает излучение накачки, но практически полностью отражает инфракрасное вынужденное излучение кристалла. Полупрозрачное зеркало (4) является выходным для инфракрасного и видимого лазерного излучения накачки. В сформированном импульсном лазерном тепловом и видимом едином луче визуально наблюдается распределение пространственной интенсивности, соответствующей распределению пространственной интенсивности теплового пятна на тестируемой болометрической системе. Импульсный лазер накачки (2) кристалла Er:BaY₂F₈ (1) управляется микропроцессорным программируемым устройством (5), которое задает частоту следования, длительность и амплитуду лазерных инфракрасных и сопутствующих видимых импульсов. Электрические импульсные сигналы с тестируемой инфракрасной болометрической системы (0) поступают на цифровой осциллограф (6) и информационную систему (7) для анализа и представления результатов тестирования.

Пример 1. Тестируемую инфракрасную болометрическую систему - болометр БП-2 (диапазон чувствительности 1.9-10 мкм) с германиевой собирающей линзой диаметром 1,5 см, облучают на расстоянии 3,5 м тепловыми импульсами инфракрасного кристаллического лазера с длиной волны 2,9 мкм с сопутствующим синим излучением накачки на длине волны 457 нм. Синий визуализатор инфракрасного пятна диаметром 0,3 см направляют в центр германиевой линзы. Микропроцессорной системой задают частоту следования тепловых импульсов 50 Гц, длительностью (5 мс) меньше временного разрешения (10 мс) тестируемой болометрической системы с амплитудой соответствующей половине от уровня насыщения усилительной системы данного болометра. На выходе тестируемой болометрической системы с помощью цифрового осциллографа фиксируется последовательность электрических импульсов с частотой следования 50 Гц с длительностью 10 мс и амплитудой в половину динамического диапазона. В прямом эксперименте тестирование подтвердило быстродействие (10 мс) инфракрасной болометрической системы на основе болометра БП-2. Проверочная юстировка болометра четко показывает, что центр настройки инфракрасного пятна совпадет с изображением видимой визуализации. Несмотря на значительное расстояние между излучателем и болометрической системой, этот результат подтверждает, что в едином луче сопутствующий импульсный видимый свет имеет практически такое же, как у теплового пучка, распределение пространственной интенсивности.

В отличие от прототипа, в данном примере тепловой луч кристаллического лазера направляется в центр германиевой линзы инфракрасной болометрической системы по центру синего пятна визуализации. Тем самым, достигается более высокая точность настройки и тестирования, поскольку диаметр лазерного пятна (0,3 см) в 5 раз меньше, чем диаметр пятна излучения (1,5 см) у прототипа. Таким образом, по сравнению с прототипом, существенно увеличивается точность тестирования инфракрасных болометрических систем.

Пример 2. Тестируемую инфракрасную болометрическую систему - быстродействующий (0,5 мс) болометр на основе сульфида свинца ФСВ-16А (диапазон чувствительности 1.0-3.2 мкм) с германиевой собирающей линзой диаметром 3 см облучают на расстоянии 10 м тепловыми импульсами инфракрасного кристаллического лазера с длиной волны 2,9 мкм с сопутствующим синим излучением накачки на длине волны 457 нм. Синий визуализатор инфракрасного пятна диаметром 0,4 см направляют в центр германиевой линзы. Микропроцессорной системой задают частоту следования тепловых импульсов 1 кГц, длительностью (0,5 мс) равной временному разрешению тестируемой болометрической системы и амплитудой соответствующей половине от уровня насыщения усилительной системы данного болометра. На выходе тестируемой болометрической системы с помощью цифрового осциллографа фиксируется последовательность электрических импульсов с частотой следования 1 кГц длительностью 0,5 мс по амплитуде в половину динамического диапазона. В прямом эксперименте тестирование подтвердило быстродействие (0,5 мс) инфракрасной болометрической системы на основе сульфида свинца ФСВ-16А.

В прототипе дистанция тестирования достигает 2,5 м. Таким образом, по сравнению с прототипом без снижения временного разрешения дистанция тестирования инфракрасных болометрических систем увеличена в 4 раза.

Пример 3. Тестируемую инфракрасную болометрическую систему - быстродействующий (1 мкс) инфракрасный болометр на основе арсенида индия Hamamatsu Р8079-01 (диапазон чувствительности 1.0-3.6 мкм) с диаметром окна 0,5 см облучают на расстоянии 3,5 м тепловыми импульсами инфракрасного лазера с длиной волны 2,9 мкм с сопутствующим синим излучением накачки на длине волны 457 нм. Синий визуализатор инфракрасного пятна диаметром 0,3 см направляют в центр окна инфракрасного болометра Hamamatsu Р8079-01. Микропроцессорной системой задают частоту следования тепловых импульсов 1 кГц, длительностью (1 мкс) равной временному разрешению тестируемой болометрической системы. На выходе тестируемой болометрической системы с помощью цифрового осциллографа фиксируется последовательность электрических импульсов с частотой следования 1 кГц длительностью 1,0 мкс и синхронно путем обработки амплитудных значений последовательности импульсов информационной компьютерной системой подтверждается с погрешностью 5% паспортный динамический диапазон инфракрасной болометрической системы на основе арсенида индия Hamamatsu Р8079-01. Проведенное тестирование подтвердило временное разрешение (1,0 мкс) и паспортный динамический диапазон инфракрасной болометрической системы на основе на основе арсенида индия Hamamatsu Р8079-01. В прототипе временное разрешение составляет 0,5 мс. Таким образом, по сравнению с прототипом быстродействие тестирования инфракрасных болометрических систем увеличено в 500 раз.

Таким образом, достижение цели изобретения подтверждено экспериментально. Использование предлагаемого изобретения по сравнению с известным изобретением дает следующее преимущества:

- увеличение точности тестирования

- увеличение дистанции тестирования

- увеличение временного разрешения тестирования

Источники информации

1. Патент Российской Федерации №2042124. Устройство для измерения оптических параметров оптико-электронных приборов. От 20.08.1995 г. Кл. G01M 11/02. Чугунов А.В.; Федюнина С.А.; Новоселов В.А.

2. Патент Российской Федерации №2024000. Устройство для контроля качества оптической системы. От 12.05.1991 г. Кл. G01M 11/02. Зарицкий А.А., Колобродов В.Г., Кучеренко О.К., Коваленко Л.А.

3. Патент Российской Федерации №2428671. Способ тестирования инфракрасных болометрических систем. От 10.09.2011 г. Кл. G01M 11/02. Барышников В.И., Криворотова В.В.

Способ визуализированного тестирования болометрических систем, включающий облучение тестируемой болометрической системы инфракрасным и видимым излучением и анализ инфракрасного луча информационной системой, отличающийся тем, что для облучения тестируемой болометрической системы используется импульсное инфракрасное излучение кристаллического лазера с продольной накачкой полупроводниковым лазером, видимое излучение которого частично используется для визуализации инфракрасного луча.

Изобретение относится к квантовой электронике. Способ генерации непрерывного когерентного излучения терагерцового диапазона заключается в том, что осуществляют взаимодействие направленного возбуждающего излучения с активной средой образца; при этом в качестве упомянутой активной среды используют низкотемпературную плазму в газовой смеси ксенона с гелием, в которой нарабатываются метастабильные атомы ксенона в состоянии Xe(ls5); помещают упомянутую активную среду в терагерцовый резонатор; в качестве упомянутого направленного возбуждающего излучения используют излучение с длиной волны 980 нм или 904,5 нм, благодаря чему осуществляют оптическую накачку перехода в атомах ксенона, соответственно ls5 → 2р10 либо ls5 → 2р9 с последующей столкновительной релаксацией в состояние 2р10; получают упомянутое непрерывное когерентное излучение с частотой 2,52 ТГц, генерируемое на переходе 2р10 → ls2, вследствие инверсной заселенности состояний Хе(2р10) и Xe(ls2), возникающей в результате упомянутой оптической накачки.

Способ легирования кристаллов селенида цинка хромом // 2751059

Изобретение относится к области выращивания кристаллов. Способ легирования кристаллов селенида цинка хромом включает смешивание порошков селенида цинка и легирующей добавки и последующее выращивание кристалла из расплава под давлением аргона, при этом хром вводится в исходную загрузку в виде моноселенида хрома CrSe, а выращивание кристалла осуществляют вертикальной зонной плавкой.

Генератор импульсов ионизации // 2750851

Изобретение относится к области лазерной техники. Генератор импульсов ионизации содержит генератор частоты ионизации, источник ионизации лазера, приемник излучения, шесть резисторов, ограничитель мощности излучения, ограничитель сигнала управления, пороговую схему, генератор низкой частоты, четыре повторителя, усилитель, тумблер, измеритель мощности излучения, два формирователя, компаратор, ключ и преобразователь напряжение-частота.

Лазер с устройствами юстировки // 2749046

Изобретение относится к области квантовой электроники и лазерной техники, в частности к твердотельным ВКР-лазерам, и может быть применено в нелинейной оптике, аналитической спектроскопии, оптическом приборостроении, медицине, экологии, фотодинамической терапии. Лазер с источником накачки, устройствами юстировки, резонатором с активным элементом, обладающим ВКР эффектом и установленным посредством узла крепления с возможностью обеспечения его вращения относительно оптической оси лазерного источника, между оптически сопряженными первым и вторым резонаторными зеркалами, размещенными посредством соответствующих держателей с юстировочными устройствами первого и второго резонаторных зеркал на торцевых фланцах резонатора, платформой с третьим юстировочным устройством для перемещения резонатора по высоте и нормально к оптической оси лазерного источника и устройством сведения и преобразования излучения лазерного источника, размещенным между лазерным источником и резонатором с возможностью перемещения устройства сведения и преобразования вдоль оптической оси лазера посредством четвертого юстировочного устройства и оптически сопряженным с активным элементом.

Способ устойчивой автогенерации ультракоротких лазерных импульсов в поддерживающем состояние поляризации волоконном кольцевом резонаторе и лазер на его основе // 2747724

Изобретение относится к области лазерной техники и предназначено для обеспечения устойчивой генерации ультракоротких лазерных импульсов фемто-пикосекундного диапазона. Способ и устройство реализуются в однонаправленном поляризующем резонаторе, при заданном уровне оптического усиления на участке активного волокна усилителя с оптической диодной накачкой порядка 2 Вт.

Способ получения прозрачной иаг-керамики // 2746912

Изобретение относится к способу получения прозрачной керамики иттрий-алюминиевого граната (ИАГ), в том числе легированного ионами неодима, для использования в качестве активной среды в области фотоники и лазерной техники. Способ получения прозрачной ИАГ-керамики, включающий совместный высокоэнергетический помол в этаноле исходных порошков оксидов Y2O3, Nd2O3 и Al2O3 для формирования слабоагрегированной порошковой системы стехиометрии ИАГ с размером частиц в диапазоне 50-500 нм, сушку при температуре 70°С в течение 24 ч с последующей грануляцией порошка через сито с эффективным размером ячеек 200 меш и отжигом в атмосфере воздуха при температуре 600°С в течение 4 ч, искровое плазменное спекание полученного материала на первом этапе путем нагрева со скоростью 100°С/мин до 1000°С, выдержку, отжиг полученного образца в воздушной атмосфере, отличается тем, что высокоэнергетический помол в этаноле порошков исходных оксидов Y2O3, Nd2O3 и Al2O3 осуществляют с использованием LiF в качестве спекающей добавки в количестве 0,2 вес.% при 300 об/мин в течение 12 ч, искровое плазменное спекание проводят при внешнем давлении 50-70 МПа, причем на втором этапе со скоростью 25°С/мин до 1475°С с выдержкой материала при этих давлении и температуре в течение 45-60 мин, а отжиг полученного образца ведут в течение 10 ч при температуре 900-1000°С с последующим естественным охлаждением.

Устройство регулировки периметра четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа // 2744420

Изобретение относится к гироскопам и измерительной технике и может быть использовано для регулировки периметра зеемановского четырехчастотного лазерного гироскопа. Технический результат заключается в повышении точности настройки периметра четырехчастотного зеемановского лазерного гироскопа.

Оптоволоконное лазерное устройство // 2740005

Изобретение относится к лазерной волоконной технике. Оптоволоконное лазерное устройство содержит первое волокно, содержащее первую волоконную брэгговскую решетку, второе волокно, содержащее вторую волоконную брэгговскую решетку, отражательная способность которой ниже, чем у первой волоконной брэгговской решетки, и третье волокно, легированное редкоземельным элементом, первый конец которого соединен с первым волокном, а второй конец соединен со вторым волокном.

Квантовый дискриминатор частоты // 2738464

Изобретение относится к квантовым стандартам времени и частоты. Технический результат заключается в обеспечении стабильных параметров среды квантового дискриминатора и упрощении его изготовления.

Компактный твердотельный лазер красного диапазона спектра // 2738096

Изобретение относится к лазерной технике. Компактный твердотельный лазер красного диапазона спектра включает фокусирующую линзу, резонатор с активной средой и источник оптической накачки, в качестве которой используют полупроводниковый GaN лазерный диод, а резонатор сформирован из двух зеркал.

Композиция алюмофосфатного стекла // 2732464

Изобретение относится к фосфатным стеклам, легированных Еr3+ и сенсибилизированных Yb, в качестве материала твердотельного лазера для использования в "глазобезопасных" приложениях. Изобретение касается улучшения физических свойств композиций таких фосфатных лазерных стекол, особенно в отношении прочности структуры стекла и улучшенной стойкости к тепловому удару.