ГОСУДАРСТВЕННЫЙ   СТАНДАРТ СОЮЗА  ССР

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

 

 

ТИПЫ. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

 

 

ГОСТ 25811-83

 

 

Издание официальное

 

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО СТАНДАРТАМ

 

Москва

Means measuring laser cutout  average power. Types.   Basic parameters. Measuring   methods

 

Постановлением   Государственного   комитета   СССР   по   стандартам   от   27   мая 1983 г. № 2385 срок введения установлен

с 01.07.84

 

Настоящий стандарт распространяется на рабочие средства из­мерений средней мощности непрерывного и импульсно-модулированного лазерного излучения с частотой следования импульсов более 2 Гц и длительностью импульса от 10^-11 до 10^-1 с по ГОСТ 24469—80 (далее — средства измерений).

Стандарт устанавливает типы, основные параметры и методы измерений основных параметров в пределах значений этих пара­метров, установленных в настоящем стандарте.

 

1.   ТИПЫ

 

1.1. Устанавливаются типы средств измерений, указанные в табл. 1.

 

Таблица   1

 

Тип средства измерений	Пределы основной допускаемой относительной погрешности, не более	Измеряемая мощность, Вт	Минимальный интервал между двумя измерениями. мин	Спектральный диапазон измеряемого излучения. мкм
Калориметры     тер- моэлектрические        и средства      измерений на их основе	20×10-2	10-4-102	Не более 10	0,3—11,8
Фотодиоды  измерительные   и    средства измерений    на основе фотодиодов	30×10-2 20×10-2	10-8-10-5 10-5-102	—	0,3— 1,9

 

2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

 

2.1. Основные параметры и характеристики типов средств из­мерений, диапазоны их значений, на которые распространяются методы измерений, указанные в настоящем стандарте, приведены в табл. 2.

 

Таблица 2

 

Параметр (характеристика) средства измерений	Значение  для типа
	Калориметры термоэлектрические и средства измерений на их основе	Фотодиоды измери­тельные и средства измерений на основе фотодиодов
Темновой ток, мкА, не более	-	20 (для измери­тельных фотодио­дов)
Относительная   спектральная чувстви­тельность, не менее	-	0,1
Токовая (вольтовая)  чувствительность (далее — чувствительность) на фиксиро­ванной  длине  волны  в  области  линей­ной   зависимости   от   уровня   мощности, А×Вт-1 (В×Вт-1), не менее	-	0,03 (0,7×103)
Коэффициент преобразования на фик­сированной   длине   волны   мВ×Вт-1   при температуре  (293±2)К, мВ×Вт-1	10—300	-
Предельное   относительное   изменение коэффициента преобразования  (чувстви­тельности)   от уровня измеряемой мощ­ности во всем диапазоне измерений,  %, не более	2,0	(10)
Предельное   относительное   изменение коэффициента  преобразования  (чувстви­тельности)     в    диапазоне     температур 283—308 К, %×К-1, не более	0,3	(0,5)
Предельное   относительное   изменение коэффициента    преобразования    (чувст­вительности)   от координаты   приемного элемента, не более	0,5%×мм-1	6%
Предельное   относительное   изменение чувствительности во времени,   %×мин-1, не более	0,3	0,3
Постоянная времени, с	1 — 50 при значении коэффициента преобразования 10—300 мВ×Вт-1	Не менее 0,5×10-6 для импульсно-модулированного излучения и не ме­нее 1,0 с для не­прерывного  излу­чения при значе­нии чувствительно­сти не менее 0,01 А×Вт-1

 

3. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

 

3.1.         Общие   положения

 

3.1.1. Все измерения должны проводиться в нормальных усло­виях по ГОСТ 24469—80. Продолжительность измерения должна превышать наибольшую постоянную времени не менее, чем в пять раз.

3.1.2. В помещении, где проводят измерения, не должно быть  конвекционных потоков (в том числе активной вентиляции), источ­ников пыли, посторонних  тепловых возмущений,  внешних магнит­ных полей.

3.1.3. Все применяемые контрольные средства измерений долж­ны быть поверены в соответствии с  ГОСТ 8.002—71   или  пройти метрологическую аттестацию в соответствии с ГОСТ 8.326—78.

3.1.4. Правила безопасности — по ГОСТ 24469—80.

3.2.         Подготовка   к   измерениям

3.2.1. Все применяемые средства измерений перед началом ра­боты должны быть установлены в рабочее положение, заземлены, включены в сеть и прогреты в течение промежутка времени, ука­занного в технической документации.

3.2.2. Лазеры должны быть установлены на станине оптической скамьи, остальные части измерительной  схемы  на  юстировочных столиках, входящих в комплект оптической скамьи.

3.2.3. Оптическая система должна быть отъюстирована  таким образом, чтобы излучение попадало в центры чувствительных эле­ментов преобразователей исследуемого и контрольного средств из­мерений.

 

3.3.         Методы   измерений   параметров   термоэлек­трических   калориметров

Методы измерений параметров термоэлектрических калоримет­ров по ГОСТ 25312—82 в части преобразователей мощности.

 

3.4.         Методы  измерений   тем нового  тока

 

3.4.1.      Для    измерений    применяют    микроамперметр М-95 по ГОСТ 8711—78 с пределом измерения 0,1 —10 мкА, погрешностью не более 1,5%.

3.4.2.  Измеряют значение темнового тока I_Ti  при нормальном и граничном значениях температуры в условиях затемнения. Опе­рации повторяют пять раз с интервалом 40 с. Вычисляют среднее арифметическое значение результата измерений .

3.4.3.  Нестабильность темнового тока во времени для  каждой из температур  d_IT определяют по формуле

 (1)

 

3.4.4. Обработка результатов измерения — по ГОСТ 8.207—76. При использовании средств измерений и оборудования по п. 3.4.1 границы погрешности результата измерений не должны превышать 5×10^-2 при доверительной вероятности 0,95.

 

3.5. Метод измерения относительной спектраль­ной чувствительности

 

3.5.1.      Для измерений используют следующую    измерительную аппаратуру и оборудование:

светоизмерительная лампа накаливания с системой питания и контроля тока накаливания: стабилизированный источник постоян­ного тока (диапазон плавного регулирования 2—35 А, точность ре­гулирования 2×10^-3 А), потенциометр постоянного тока Р-348 (класс точности 0,02);

Монохроматор МДР-23, (спектральный диапазон 200—2000 нм, относительное отверстие 1: 6, точность отсчета при раскрытии щели от 0 до 0,2 мм 10^-3 мм, от 0,2 до 2 мм 10^-2 мм);

контрольные средства измерений на основе селективных или неселективных измерительных преобразователей с известной отно­сительной спектральной чувствительностью — диапазон измерений в интервале 10^-8—10² Вт, основная относительная погрешность не более 5×10^-2;

модулятор с частотой модуляции (800±20) Гц;

система регистрации: вольтамперметр М 1108 — диапазон из­мерений 0,3—30 А, погрешность измерения 0,2×10^-2 или вольтметр В7—16 с погрешностью измерения не более 0,5-10^-2;

селективный усилитель — коэффициент усиления 10³, полоса пропускания (800±20) Гц.

Для измерений могут применяться другие средства измерений и оборудование с аналогичными или лучшими характеристиками.

 

3.5.2.      Схема измерений приведена на черт. 1.

1 — светоизмерительная лампа с системой питания и контроля тока; 2 — модулятор; 3 — монохроматор; 4 — первичный измерительный преобразователь иссле­дуемого средства измерений; 5 — селективный усили­тель; 6 — система регистрации; 7 — контрольное сред­ство изменении

Черт.  1

 

Измерения проводят в условиях затемнения. За выходной щелью монохроматора устанавливают по очереди первичные изме­рительные преобразователи контрольного и исследуемого средств измерений.

При исследовании измерительного фотодиода нестабильность темнового тока за один час не должна превышать 10×10-².

Регистрируют показания контрольного и исследуемого средств измерений n₀(l) в Вт и n_х(l) в А(В) соответственно через каждые 10—20 нм в диапазоне 300—800 нм и через каждые 30 — 100 нм в диапазоне больших длин волн. В области максимума спектраль­ной характеристики чувствительности этот интервал сокращается до 5 нм и до 10 — 20 нм для указанных диапазонов соответственно. На каждой длине волны проводят два — пять наблюдений. Полу­ширина спектрального интервала, выделяемого монохроматором, не должна превышать интервал длин волн между двумя измере­ниями.

 

3.5.3. Относительную спектральную чувствительность S_xотн(l) для каждого измерения вычисляют по формуле

(2)

где S_0отн (l) — относительная спектральная чувствительность кон­трольного средства измерений (А·Вт^-1 или В·Вт^-1);

(l) и n₀ (l) — средние арифметические значения n_x(l) и n₀(l).

Результаты вычисления S_xотн (l) заносят в таблицу.

 

3.5.4. Обработка результатов измерений — по ГОСТ 8.207 — 76. При использовании аппаратуры и оборудования по п. 3.5.1 зна­чение границ основной погрешности результата измерений не должно превышать 6·10^-2 при доверительной вероятности 0,95.

 

3.6. Метод измерения чувствительности на фиксированной длине волны в области линей­ной зависимости от уровня мощности

 

3.6.1. Для измерений используют следующую измерительную аппаратуру и оборудование:

лазеры непрерывного режима работы — средняя мощность в интервале 10^-8 — 10²Вт, длина волны в диапазоне 0,3 — 1,9 мкм;

делительная пластина из стекла БС-3 по ГОСТ 9411 — 81, тол­щиной 2 мм;

ослабитель — показатель ослабления в интервале 0,2 — 30 дБ, погрешность измерения показателя ослабления не более 3·10^-2;

контрольное средство измерений средней мощности — диапа­зон измерений 10^-2 — 1 Вт, основная погрешность не более 5·10^-2;

модулятор (для исследования средств измерений средней мощ­ности импульсно-модулированного излучения), селективный усили­тель и система регистрации по п. 3.5.1.

Для измерений могут применяться другие средства измерений с аналогичными или лучшими характеристиками.

 

3.6.2. Схема измерений приведена на черт. 2. Угол между лу­чом, падающим на делительную пластину, и нормалью к ней не должен превышать 7°.

1 — лазер;   2 —  модулятор;   3 —  ослабитель;   4 —  делительная   пла­стина;   5  —   первичный   измерительный   преобразователь   исследуемого средства  измерений;   5  —  селективный  усилитель;   7  —  система   реги­страции; 8, 9 — контрольные средства измерений

Черт. 2

3.6.3.  Пучок излучения лазера после прохождения через моду­лятор, ослабитель и делительную пластину и после отражения отделительной пластины попадает на чувствительные элементы пер­вичных измерительных преобразователей контрольных средств из­мерений.

3.6.4.  Регистрируют      значения средней мощности   P'_кi и Р_кi.

Определяют коэффициент деления пластины k_i

 

(3)

Указанные операции повторяют пять раз.

3.6.5.  Контрольное средство измерений 8 заменяют на первич­ный измерительный преобразователь исследуемого средства изме­рений   (фотодиод)   с усилителем  и  системой регистрации.  После установки и юстировки фотодиода на него направляют пучок из­лучения лазера.

3.6.6.  Измеряют величину тока   (напряжения)  I_i(U_i).  Парал­лельно регистрируют показания Р_кi контрольного средства измере­ний 9.

Указанные операции повторяют пять раз.

 

3.6.7.      Чувствительность s вычисляют по формуле

 

(4)

 

где — средние арифметические значения.

Обработка результатов измерений — по ГОСТ 8.207 — 78 (см. справочное приложение 1).

3.6.8. Для распространения результатов измерения чувствитель­ности на фиксированных длинах волн на весь спектральный диапа­зон следует использовать относительную спектральную характери­стику чувствительности, измеренную по п. 3.5.

3.6.9. При использовании измерительной аппаратуры и оборудо­вания по п. 3.6.1 значение границ основной погрешности результа­та измерений  не должно  превышать   10·10^-2  при доверительной вероятности 0,95. Форма протокола измерений приведена в реко­мендуемом приложении 2.

3.7. Метод измерения предельного относитель­ного изменения токовой чувствительности от уровня мощности

3.7.1. Применяют измерительную  аппаратуру   и оборудование по п. 3.6.1. Схема измерений — по п. 3.6.2.

3.7.2. Операции по пп. 3.6.3. — 3.6.6 проводят для ряда значений мощности P₁, Р₂,...,Р_i, Р_i+1,..., Р_к, где К не менее 3. Изменение мощности осуществляют   с помощью ослабителя.   Значения   мощ­ности выбирают таким образом, чтобы выполнялись соотношения

где P_max и P_min границы диапазонов измерений;  P_max³P₁ >P_i >P_i+1>P_к³ P_min.

 

3.7.3.      Для каждого значения Р_i определяют значение S_Pi    аналогично s по п. 3.6.7.

 

3.7.4.      Предельное относительное изменение чувствительности от уровня мощности определяют по формуле

  (5)

 

где  - среднее арифметическое значение чувствительности s_Pi. Об­работка результатов измерений — по ГОСТ 8.207 — 76. Требова­ния к точности измерений — по п. 3.6.9.

                           

3.8. Метод измерения предельного относитель­ного изменения чувствительности в интервале температур 283—308 К.

3.8.1.  Применяют измерительную    аппаратуру и оборудование по п. 3.6.1 и систему термостатирования; нестабильность темпера­туры для диапазона 283—308 К   не должна превышать    2К·4^-1. Схема измерений — по п. 3.6.2.

3.8.2.  Устанавливают температуру исследуемого средства изме­рений Т₁, Т ₂,.., Т_i, Т_i+1 ..., Т_к последовательно, причем К не ме­нее 3. Для каждого значения температуры проводят операции по пп. 3.6.3—3.6.6 и определяют значение s_Ti,  s_Ti+1  аналогично s no п. 3.6.7.

Относительное изменение чувствительности в диапазоне темпе­ратур DT = |T_i—T_i+1| вычисляют по формуле

  (6)

 

где  и  —средние арифметические указанных значений, a  среднее арифметическое всех значений s_Ti.  При этом предпола­гают, что зависимость s(T) в этом диапазоне является линейной.

Максимальное из полученных значении    принимают за предельное относительное изменение токовой чувствительности в диапазоне температур Т₁—Т_к. Обработка результатов измерений — по ГОСТ 8.207—75. Требования к точности измерений — :по п. 3.6.9.

 

3.9. Метод измерения предельного относитель­ного изменения чувствительности от координа­ты приемного элемента

 

3.9.1. Для измерений используют: источник излучения, селек­тивный усилитель и систему регистрации — по п. 3.5.1; делитель­ную пластику и контрольное средство измерений средней мощно­сти по п. 3.6.1; световой зонд, представляющий собою отрезок кабе­ля оптического волокна с диаметром сечения не более 2 мм; диа­фрагму с диаметром отверстия, равным диаметру зонда; юстировочный столик с поперечной подвижкой из комплекта оптической скамьи ОСК-2, точность измерения перемещения 0,1 мм; светоза­щитную бленду.

 

3.9.2 Схема измерений приведена на черт. 3.

 

3.9.3. Излучение светоизмерительной лампы после отражения от делительной пластины и прохождения через нее направляют на контрольное средство измерений и через световой зонд на первич­ный измерительный преобразователь исследуемого средства изме­рений (фотодиод). Операции по пп. 3.6.3—3.6.7 проводят по пять раз при четырех положениях светового зонда относительно фото­диода. Сканирование осуществляют посредством перемещения котировочного столика с фотодиодом.

 

1 — светоизмерительная лампа с блоками питания и контроля тока питания; 2 — делительная пластина; 3 — светозащитная бленда; 4 — диафрагма со световым зондом; 5 — первичный измерительный преобразователь исследуемого средства измерений на юстировочном столике; 6 — селективный усилитель; 7 — система регистрации; 8 — контрольное средство измерений

Черт. 3

3.9.4.  Для каждого из четырех  положений зонда определяют значение чувствительности S_j аналогично определению s по п. 3.6.7.

3.9.5.  Относительное изменение чувствительности от координаты приемного элемента    рассчитывают по формуле

  (7)

 

где — среднее арифметическое значение S_j, определенных для одного положения пучка;  — среднее арифметическое всех значений s_j.

Максимальное из полученных значении    принимают за предельное относительное изменение чувствительности от коорди­наты приемного элемента. Обработка результатов изменений — по ГОСТ 8.207—71.

 

3.9.6.      При использовании измерительной аппаратуры и обору­дования по п. 3.9.1 значение границ основной погрешности резуль­тата измерений не должно превышать 12·10^-2 при доверительной вероятности 0,95.

 

3.10. Метод измерений предельного относитель­ного изменения токовой чувствительности во времени

 

3.10.1.    Применяют   измерительную   аппаратуру   и   оборудова­ние по п. 3.6.1. Схема измерений — по п. 3.6.2.

3.10.2.Операции по пп. 3.6.3—3.6.6 проводят в течение 1—5 мин и повторяют серию операций каждые 15—20 мин j раз (j = 5). Для каждой из операций определяют s_ij аналогично определению по п. 3.6.7.

3.10.3.Предельное относительное изменение чувствительности за промежуток времени Ds(i) определяют по формуле

 

  (8)

где    (9)

Обработка результатов измерений — по ГОСТ 8.207—76. Требования к точности измерений — по п. 3.6.9.

 

3.11. Метод измерений постоянной времени средств измерений средней мощности импульсно-модулированного излучения

 

3.11.1.    Для измерений используют:
источники излучения по п. 3.6.1;

модулятор, формирующий трапециедальные импульсы (пара­метры импульсов: t_н(t_сп)=0,2 t, t_имп³5, где t_н(t_сп)—время нара­стания (спада) фронта, t_имп — длительность импульса; t—постоян­ная времени фотодиода;

широкополосный усилитель — ширина полосы пропускания не менее 20 МГц, коэффициент усиления 10²;

система регистрации — осциллограф с постоянной времени t_ос, удовлетворяющей условию

  (10)

 

где Df_эфф — эффективная шумовая полоса пропускания.

Для измерений могут применяться другие средства измерений с аналогичными или лучшими характеристиками.

 

3.11.2.    Схема измерений приведена на черт. 4.

1 — лазер;  2 — модулятор;  3 —  ослабитель;  4 —  первичный  измерительный

преобразователь    исследуемого    средства    измерений;    5   —   широкополосный

усилитель;  6 — система  регистрации

Черт. 4

 

3.11.3.    Устанавливают сопротивление нагрузки  фотодиода R_н, удовлетворяющее условию   Rн£0,05t_н/С, где С — емкость входа фотодиода.

 

3.11.4.    На фотодиод направляют пучок импульсно-модулированного излучения.

Регулируя усиление осциллографа по осям х и у добиваются, чтобы кривые нарастания и спада сигнала вписывались в прямо­угольник ABB₁A₁ (черт. 5).

 

3.11.5.    С помощью меток времени или масштаба развертки на экране осциллографа определяют время нарастания и время спа­да выходного сигнала t_н  и t_сп на участках АН₁ и BC₁ соответственно, причем АН = ВС=0,632АВ. t_н., и t_сп принимают за постоянную времени по нарастанию и спаду соответственно. Операции повто­ряют пять раз.

 

Черт. 5 3.11.6. Границы погрешности результата измерений вычисляют  по ГОСТ 8.207—76 с учетом того, что Q₀/S₀< 0,8.   При использовании аппаратуры и оборудования по п. 3.11.1 значение границ основ­ной погрешности результата измерений не должно превышать 15·10^-2 при доверительной вероятности 0,95.

 

3.12. Метод измерения постоянной времени средств измерений средней мощности непрерыв­ного излучения

3.12.1.Для измерений применяют источники излучения и селек­тивный усилитель по п. 3.5.1; ослабитель (при необходимости)  по п. 3.6.1; систему регистрации (самопишущий миллиамперметр Н-37) по ГОСТ 8711—78, класс точности  1,5; экран из асбестоцемента.

3.12.2.Схема измерения приведена на черт. 6.

1 — лазер;  2 — экран;  3 — ослабитель;  4 —  первичный  измерительный  пре­образователь  исследуемого  средства   измерений;   5  —   селективный   усилитель; 6 — система регистрации

 

Черт. 6

 

3.12.3. Устанавливают скорость движения ленты самопишущего миллиамперметра  v, равную  1800 мм/ч.  Излучение лазера  пода­ют на  преобразователь в течение промежутка  времени не  менее 15 мин. Затем поток излучения перекрывают с помощью экрана.
На кривой остывания измеряют длину отрезка x_i по оси абсцисс от точки, соответствующей значению э.д.с. в момент начала спа­да E_mах до точки, соответствующей значению 0,368Emах

3.12.4. Операции по п. 3.12.2 повторяют пять раз. Среднее зна­чение длины отрезка определяют  как среднее  арифметическое этих значений.

Постоянную времени t вычисляют по формуле

  (11)

 

 

3.12.5. Границы погрешности результата измерений, вычислен­ные по п. 3.11.6, не должны превышать 20·10^-2 при доверительной вероятности 0,95.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Справочное

 

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

 

1.   Вычисляют средние арифметические значения Р_к (из десяти измерений) Р, ,  (из пяти измерений).

2.   Суммарное среднее квадратическое отклонение    результата измерения чувствительности S_S  определяют по формуле

или 

где Q₁ и Q₂ неисключенные систематические погрешности, числен­но равные основным относительным погрешностям контрольных средств измерений 7 и 8 соответственно:

 

 

3.  Границы погрешности  результата  измерений D  вычисляют по формуле

D=2S_S

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Рекомендуемое

 

ПРОТОКОЛ №___________

 

ИЗМЕРЕНИЙ ТОКОВОЙ (ВОЛЬТОВОЙ) ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ,

ПРЕДЕЛЬНОГО ОТНОСИТЕЛЬНОГО ИЗМЕНЕНИЯ ТОКОВОЙ {ВОЛЬТОВОЙ)

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ  ОТ УРОВНЯ МОЩНОСТИ  В ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР, ОТ КООРДИНАТЫ ПРИЕМНОГО ЭЛЕМЕНТА, ВО ВРЕМЕНИ

 

P(T, L, t)	Изме-рение	Р’кi	Ркi	ki		Ji (Ui)	sTi(sPi) sTi, sLi, sti		Ds(P)/s,  Ds(T)/s,  Ds(L)/s, Ds(t)/s
Р1 (Т1, L1, t1)	1
	2
	к
Р2 (Т2, L2, t2)	1
	2
	к
Рn (Тn, Ln, tn)	1
	2
	к