СРЕДСТВА МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ: ОБЗОР МЕТОДОВ КАЛИБРОВКИ

INSTRUMENTS FOR METROLOGICAL ASSURANCE OF LASER RADIATION ENERGY CHARACTERISTICS MEASUREMENTS: A REVIEW OF DETECTOR TYPES AND CALIBRATION METHODS

Alexandrov Ilya Dmitrievich

Student, Department of Electronic Devices and Systems, Yuri Gagarin Saratov State Technical University,

Russia, Saratov

Shvachko Alexander Alekseevich

Scientific supervisor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Russia, Saratov

АННОТАЦИЯ

В статье представлен анализ современного состояния средств метрологического обеспечения измерений энергетических характеристик лазерного излучения. Рассмотрены основные типы детекторов лазерного излучения — фотодиодные, тепловые, калориметры, матричные и фотоэмульсионные — с акцентом на их преимущества, ограничения и области применения. Описаны ключевые методы калибровки, включая метод электрического замещения, а также принципы работы изопериболических калориметров, используемых в качестве первичных эталонов. Приведены практические рекомендации по выбору типа детектора в зависимости от параметров лазерного излучения.

ABSTRACT

The paper presents an analysis of the current state of metrological assurance instruments for measuring energy characteristics of laser radiation. The main types of laser radiation detectors — photodiode, thermal (bolometers and pyroelectric detectors), calorimeters, matrix and photoemulsion detectors — are reviewed, with emphasis on their advantages, limitations and applications. Key calibration methods, including the electrical substitution method, as well as the operating principles of isoperibol calorimeters used as primary standards, are described. Practical recommendations for selecting the detector type depending on the laser radiation parameters are provided.

Ключевые слова: метрологическое обеспечение, детектор лазерного излучения, калориметр, метод электрического замещения, изопериболический калориметр, фотодиод, пироэлектрик, болометр.

Keywords: metrological assurance, laser radiation detector, calorimeter, electrical substitution method, isoperibol calorimeter, photodiode, pyroelectric detector, bolometer.

Введение

Лазерные технологии в настоящее время занимают одно из ключевых мест в современной науке и технике. Они находят широкое применение в высокоточных измерительных системах, оптической связи, медицине, промышленной обработке материалов, оборонной и аэрокосмической промышленности. Стремительное развитие лазерной техники, появление новых типов лазеров и увеличение их выходных мощностей предъявляют повышенные требования к точности, достоверности и единству измерений их энергетических, пространственных и временных характеристик.

Качество, надёжность и предсказуемость операций с применением лазеров неразрывно связаны с возможностью чётко контролировать их параметры таких как энергия, мощность и особенности их изменения по времени и пространству.

Основная задача метрологического обеспечения в данной сфере является обеспечение достоверности получаемых результатов измерений путём их связи с общепринятыми стандартами. Это необходимо для подтверждения соответствия продукции требованиям, проверки эффективности производственных процессов и соблюдения международных норм.

В то время как лазерные технологии активно развиваются, средства их метрологического обеспечения остаются недостаточно доступными для широкого круга пользователей. Устройства, применяющиеся в промышленности чаще всего, являются зарубежного производства и имеют высокую стоимость, а их поверка и калибровка требуют обращения в аккредитованные центры. В связи с этим разработка доступных, универсальных и метрологически обеспеченных средств измерений энергетических характеристик лазерного излучения является актуальной задачей приборостроения и лазерной техники.

Цель статьи — систематизировать и проанализировать основные типы детекторов лазерного излучения, а также методы их калибровки, используемые для метрологического обеспечения измерений мощности и энергии лазерного излучения.

1 Обзор типов детекторов

Детекторы лазерного излучения можно поделить на две основные группы – квантовые и тепловые.

К квантовым относятся фотодиодные приёмники, которые работают на принципе внутреннего фотоэффекте. Под действием фотонов в полупроводнике возникают свободные носители заряда, и возникающий фототок пропорционален падающей мощности. Фотодиоды обеспечивают наносекундное быстродействие, что позволяет регистрировать форму импульсов в режимах синхронизации мод или модуляции добротности. Такие устройства компактные, дешевые и высокой степенью чувствительности, но их спектральная чувствительность ограничена, а при мощностях свыше единиц милливатт они требуют оптических ослабителей. Кроме того, они подвержены температурному дрейфу и нелинейности при больших уровнях сигнала.

К тепловым детекторам относятся устройства, которые реагируют на нагрев чувствительного элемента излучением.  Их главное преимущество слабая зависимость отклика от длины волны в очень широком диапазоне, от ультрафиолета до дальнего инфракрасного. Среди тепловых приёмников выделяют болометры, которые измеряют изменение электрического сопротивления при нагреве, и пироэлектрические детекторы, регистрирующие изменение спонтанной поляризации кристалла при быстром изменении температуры. Болометры хорошо работают для непрерывного излучения, но обладают инерционностью в несколько секунд. Пироэлектрики, напротив, пригодны только для импульсных измерений, поскольку их сигнал пропорционален производной температуры, и на постоянном свете они отклика не дают.

Фотоэмульсионные детекторы, основанные на фотографическом действии излучения, в настоящее время используются ограниченно, главным образом в лабораторных условиях для грубой визуализации, так как они медлительны и малоточны.

2 Методы калибровки

Именно калибровка связывает показания любого детектора с национальными эталонами. Без корректной калибровки даже самый совершенный датчик даёт лишь относительные, а не абсолютные значения. Поэтому методам калибровки в метрологии лазерных измерений уделяется первостепенное внимание.

2.1 Тепловые детекторы

Данный метод является основным в большинстве метрологических институтах. Суть данного метода заключается в сравнении тепловых показателей лазерного излучения и калибровании электрической мощности, которая подводиться к встроенному нагревательному резистору.

Данная метод выполняется в два этапа. Сначала фиксируется температурный отклик поглотителя на воздействие лазерного излучения. После прекращения облучения в поглотитель подается электрическая мощность от встроенного нагревателя. Регулируя величину электрического тока, добиваются идентичного температурного режима. В состоянии теплового равновесия мощность лазерного пучка приравнивается к значению подведенной электрической мощности.

Главным достоинством данного метода заключается в том, что в данном методе прямой прослеживаются эталонные электрические величины. Погрешность измерений при использовании этого метода составляет десятые доли процента. Метод применим для мощностей от единиц милливатт до сотен киловатт, но для каждого диапазона используются разные конструктивные исполнения калориметров.

2.2 Относительные и абсолютные методы калибровки

Помимо электрического замещения, на практике применяются относительные методы. Например, калибруемый детектор помещают в тот же лазерный пучок, что и эталонный, с помощью делителя пучка, и сравнивают их показания. Также распространена спектральная калибровка фотодиодов по монохроматору с известной мощностью излучения.

Отдельно стоят абсолютные методы, не требующие сравнения с другим эталоном. К ним относятся криогенные радиометры и ловушечные фотодиоды с внутренней квантовой эффективностью.

3 Практическая методика выбора типа детектора

Для определения типа детектора необходимо следовать определенному алгоритму.

Первый шагом является определение длины волны излучения. Если лазер генерирует на одной фиксированной длине волны и спектральный диапазон заранее известен, то фотодиод является предпочтительным выбором, так как он обеспечивает высокую чувствительность и быстродействие. Однако если длина волны может меняться, если лазер перестраиваемый или если требуется измерять излучение с неизвестной длиной волны, следует сразу переходить к тепловым детекторам или калориметрам, поскольку их чувствительность практически не зависит от длины волны в широком интервале. Особое внимание требуется для ультрафиолетовой области и дальнего инфракрасного диапазона, так как здесь стандартные кремниевые фотодиоды неработоспособны, и единственным решением становятся тепловые приёмники либо специализированные фотодиоды.

Вторым шагом является определение режима работы лазера. Данный параметр наиболее важен. Для непрерывного (CW) излучения абсолютно непригодны пироэлектрические детекторы, так как они реагируют только на изменение температуры, а не на её абсолютное значение. Для CW‑лазеров используются болометры или калориметры. Для одиночных импульсов оптимальны пироэлектрики, измеряющие энергию импульса, либо быстрые фотодиоды, если требуется форма сигнала. Для серии повторяющихся импульсов с частотой выше 10 Гц допустимо использовать тепловые детекторы для измерения средней мощности, а также пироэлектрики с электронным усреднением. Для режимов синхронизации мод с длительностью импульсов в пико- или фемтосекундной области единственным выбором остаются лавинные фотодиоды с полосой пропускания в несколько гигагерц.

Третий шагом будет оценка уровня средней мощности или энергии импульса. Здесь необходимо строго придерживаться пороговых значений, поскольку превышение допустимой мощности приводит к разрушению или нелинейным искажениям. При уровнях менее одного микроватта используются только лавинные фотодиоды с низким тёмным током. В диапазоне от одного микроватта до одного милливатта хорошо работают обычные p–i–n‑фотодиоды. От одного милливатта до одного ватта можно применять как фотодиоды с оптическими ослабителями, так и малые калориметры или термобатареи.

Выбор оборудования для измерения мощности зависит от диапазона значений. Для диапазонов от 1 до 100 Вт подходят калориметры серии C или болометры с воздушным охлаждением. В интервале от 100 Вт до 1 кВт требуются модели серии K с принудительным отводом тепла. Для мощностей в пределах 1–100 кВт используются исключительно калориметры серии BB, оснащенные системой водяного охлаждения. При измерении импульсной мощности, если энергия одного импульса составляет более 10 Дж, необходимо применять жидкостные калориметры, предотвращающие локальный перегрев и повреждение поглощающей поверхности. Ключевое правило эксплуатации: номинальная максимальная мощность детектора должна превышать фактическую измеряемую мощность как минимум в три раза, что учитывает возможные неравномерности распределения интенсивности пучка и наличие локальных пиков.

Четвертый шагом является определение требуемого быстродействия. Выбор оборудования для измерения мощности зависит от диапазона значений. Для диапазонов от 1 до 100 Вт подходят калориметры серии C или болометры с воздушным охлаждением. В интервале от 100 Вт до 1 кВт требуются модели серии K с принудительным отводом тепла. Для мощностей в пределах 1–100 кВт используются исключительно калориметры серии BB, оснащенные системой водяного охлаждения. При измерении импульсной мощности, если энергия одного импульса составляет более 10 Дж, необходимо применять жидкостные калориметры, предотвращающие локальный перегрев и повреждение поглощающей поверхности. Ключевое правило эксплуатации: номинальная максимальная мощность детектора должна превышать фактическую измеряемую мощность как минимум в три раза, что учитывает возможные неравномерности распределения интенсивности пучка и наличие локальных пиков.

Пятым шагом будет учет условий эксплуатации. В лабораторных условиях при стабильной температуре допустимо использование любых типов детекторов. Однако при повышенной температуре окружающей среды фотодиоды начинают давать значительный температурный дрейф тёмнового тока и чувствительности, поэтому их применение требует либо термостабилизации, либо введения температурных поправок. При наличии вибраций предпочтение отдаётся твёрдотельным калориметрам, не имеющим подвижных механических элементов. Если в помещении присутствует рассеянное излучение от других установок, необходимо использовать пространственные диафрагмы и применять метод синхронного детектирования с модуляцией пучка, что сужает выбор в пользу фотодиодов с возможностью модуляции.

Шестым шагом будет проверка на наличие специфических требований. Для фиксации пространственного профиля луча точечные сенсоры неприменимы, поэтому требуется матрица на базе ПЗС или КМОП. В случае отсутствия такой камеры для качественной визуализации интенсивности в лаборатории допустимо использование фотоэмульсии, однако этот метод не обеспечивает количественной точности.

При планировании измерений критически важно формировать бюджет погрешностей, учитывая вклад калибровки эталонного детектора, флуктуации мощности лазера, температурных сдвигов, неравномерности чувствительности матрицы и ошибок, возникающих из-за различий между лазерным и электрическим нагревом в методе замещения. Согласно методологии GUM, все эти компоненты суммируются для определения итоговой расширенной неопределенности, которая обязательно должна быть отражена в финальном отчете.

4 Ошибки и неопределённости измерений

При использовании любого типа детектора необходимо учитывать возможные источники погрешностей.

Основные из них включают в себя нелинейность отклика детектора при изменении уровня мощности, пространственную неоднородность чувствительности по площади приёмника, спектральную зависимость калибровочного коэффициента, температурный дрейф нуля и чувствительности; погрешности, связанные с рассеянным излучением и засветкой от посторонних источников, а также погрешности из-за неэквивалентности лазерного и электрического нагрева при использовании метода электрического замещения.

Рекомендуется при описании измерительной системы явно указывать бюджет неопределённостей в соответствии с руководством по выражению неопределённости измерений и оценивать вклад каждого источника в суммарную неопределённость.

Заключение

Проведённый анализ позволяет сделать следующие выводы. Все многообразие детекторов лазерного излучения может быть разделено на две большие группы в зависимости от физического принципа действия. К первой группе относятся квантовые детекторы, основанные на внутреннем фотоэффекте. Они характеризуются высоким быстродействием, достигающим единиц наносекунд, что позволяет регистрировать такие режимы генерации, как синхронизация мод и модуляция добротности. Однако их спектральная чувствительность ограничена, а работа при высоких уровнях мощности требует применения ослабителей. Ко второй группе относятся тепловые детекторы, которые реагируют на нагрев чувствительного элемента. Их главное преимущество заключается в слабой зависимости чувствительности от длины волны в широком спектральном диапазоне. Недостатком тепловых детекторов является их инерционность, которая может достигать нескольких секунд для болометров.

Наиболее точными средствами измерений для метрологического обеспечения являются тепловые калориметры, особенно изопериболического типа, в которых метод электрического замещения обеспечивает прослеживаемость к эталонам СИ с погрешностью до десятых долей процента. Выбор конкретного типа детектора определяется режимом работы лазера, уровнем мощности и измеряемым параметром. Современные тенденции связаны с созданием детекторов на новых материалах и развитием абсолютных методов измерений.

Совершенствование методологии компьютерного моделирования и отработка технологических процессов производства позволят в будущем существенно повысить точность, надёжность и доступность средств метрологического обеспечения лазерных измерений. Это, в свою очередь, обеспечит широкое и эффективное внедрение лазерных технологий в передовые информационно-коммуникационные системы, оборонные технологии, медицинскую диагностику и космическую аппаратуру.

Список литературы:

1. Климков, Ю.М. Лазерная техника / Ю.М. Климков, М.В. Хорошев // Лазерная техника. – 2014. – 141 с.
2. Климков, Ю.М. Прикладная лазерная оптика / Ю.М. Климков // Прикладная лазерная оптика. – 1985. – 120 с.
3. Климков, Ю.М. Лазеры / Ю.М. Климков, М.В. Хорошев // Лазеры. – 1991. – 130 с.
4. Панченко, В.Я. Современные лазерно-информационные и лазерные технологии / В.Я. Панченко, В.С. Голубева // Современные лазерно-информационные и лазерные технологии. – 2005. – 101 с.
5. Лукьянова, Д.П. Лазерные измерительные системы / Д.П. Лукьянова // Лазерные измерительные системы. – 1981. – 124 с.
6. Государственный первичный эталон единицы средней мощности лазерного излучения ГЭТ 28-2022 / ФГБУ ВНИИОФИ. – URL: https://www.vniiofi.ru/depart/f2/get28-2022.html (дата обращения: 03.06.2026).
7. Приказ Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии № 354 от 15.02.2022 «Об утверждении Государственного первичного эталона единицы средней мощности лазерного излучения» / Росстандарт. – М., 2022.
8. National Institute of Standards and Technology (NIST). Laser Power and Energy Meter Calibrations. – 2025. – URL: https://www.nist.gov/programs-projects/laser-power-and-energy-meter-calibrations (дата обращения: 03.06.2026).
9. The Primary Standards Laboratory Metrology Program: Optical Standards / OSTI.gov. – URL: https://www.osti.gov/servlets/purl/1706412 (дата обращения: 03.06.2026).
10. NIST. A first-ever comparison between National Metrology Institutes in the kW-power regime / NIST News. – 2025. – URL: https://www.nist.gov/news-events/news/2025/03/first-ever-comparison-between-national-metrology-institutes-kw-power-regime (дата обращения: 03.06.2026).