Приложение В (справочное). Примеры расчетов

Приложение В
(справочное)

Примеры расчетов

В.1 Обозначения, используемые в примерах в данном приложении

Обозначение	Единица измерения	Определение
а	м	Диаметр излучаемого лазерного пучка
ПДИ	Вт, Дж, Вт·м -2 или Дж·м -2	Предел допустимого излучения
	рад	Угол, стягиваемый видимым источником (или рассеянное отражение) при наблюдении в точке пространства
min	рад	Минимальный угол, стягиваемый источником, к которому применяется критерий протяженного источника (1,5 мрад)
max	рад	Минимальный угол, стягиваемый источником, для которого критерий протяженного источника варьируется линейно с размером источника (варьируется от 5 до 100 мрад)
С 1, С 2, ..., С 7	1	Поправочные коэффициенты (см. таблицу 9)
ЧПИ, F	Гц	Частота повторения импульса
Н	Дж·м -2	Энергетическая экспозиция
Е	Вт·м -2	Облученность на заданном расстоянии r от видимого источника
Н 0	Дж·м -2	Энергетическая экспозиция излучаемого пучка
Е 0	Вт·м -2	Облученность на нулевом расстоянии от видимого источника
	нм	Длина волны лазерного излучения
N	1	Количество импульсов в течение времени облучения
Р 0	Вт	Общая мощность излучения (общий поток излучения) лазера непрерывного излучения либо средняя мощность излучения импульсно-периодического лазера
Р р	Вт	Облученность в пределах импульса импульсного лазера
	рад	Угол расходимости излучаемого лазерного пучка
	1	Численная постоянная 3,142 (число "пи")
Q	Дж	Общая энергия излучения импульсного лазера
t	с	Длительность одиночного лазерного импульса
Т	с	Общая длительность излучения серии импульсов
Т 1, Т 2	с	Контрольные длительности (см. таблицу 9)

В.2 Классификация лазерного изделия. Введение

Примеры, представленные в данном приложении, демонстрируют методики расчетов для классификации лазерного изделия по параметрам измерений, полученным при нижеуказанных условиях измерения, установленных настоящим стандартом. Блок-схемы, представленные в данном приложении, демонстрируют основные меры, которые могут потребоваться для выполнения классификационного расчета лазерного изделия. Однако данными блок-схемами охвачены не все лазерные изделия.

В соответствии с 4.2 и 4.3:

- в обязанности производителя или его представителя входит установление надлежащей классификации лазерного изделия. Изделие классифицируется на основании совокупности выходной мощности и длины волны допустимого лазерного излучения во всем диапазоне его возможностей при работе в любой момент времени после изготовления, что приводит к возможности отнести его к наиболее высокому классу. Пределы допустимого излучения (ПДИ) для классов 1, 1С и 1М, 2 и 2М, 3R и 3В (перечислены в порядке возрастания опасности) приведены в таблицах 3-8;

- значения используемых поправочных коэффициентов приведены в таблице 9 в качестве функций длины волны, длительности излучения, количества импульсов и углового размера.

Если пользователь модифицирует лазерное изделие с изменением допустимых пределов излучения, в его обязанности входит обеспечение надлежащей классификации изделия.

Надлежащая классификация лазерного изделия может требовать расчета ПДИ более чем для одного из классов, перечисленных в 5.3, в целях установления правильного класса, как показано на рисунках В.1 и В.2. Примеры ПДИ для класса 1 приведены на рисунках В.3-В.5.

Примечания

1 ПДИ _одиноч определяется по длительности одиночного импульса. ПДИ _о.и.Т рассчитывается из ПДИ _Т, определенного по выбранному базовому промежутку времени, где:

- если ПДИ _Т выражено в Дж или Дж·м ^-2, то ПДИ _о.и.Т = ПДИ _Т/N _T (в единицах Дж или Дж·м ^-2);

- если ПДИ _Т выражено в Вт или Вт·м ^-2, то ПДИ _о.и.Т = ПДИ _Т/ЧПИ (в единицах Дж или Дж·м ^-2).

Т - выбранный базовый промежуток времени в секундах:

N _Т - количество импульсов за время Т.

2 Если множественные импульсы возникают в период T _i, длительность одиночного импульса меняется на Т _i и рассчитывается новое значение ПДИ _одиноч. ЧПИ меняется соответственно для определения максимально допустимого значения N [перечисление е) 4.3]. Новое значение ПДИ _одиноч разделяют на количество исходных импульсов, содержащихся в периоде T _i, до замены окончательного значения ПДИ _одиноч в формуле для ПДИ _{серии о.и.}.

Рисунок В.1 - Блок-схема классификации лазерных изделий по предоставленным выходным параметрам

Рисунок В.2 - Инструкция в виде блок-схемы по классификации лазерных изделий классов 1М и 2М

Рисунок В.3 - ПДИ для ультрафиолетовых лазерных изделий класса 1 с длительностью излучения от 10 ^-9 до 10 ³ с

Рисунок В.4 - ПДИ для ультрафиолетовых лазерных изделий класса 1 с длительностью излучения от 10 ^-9 до 10 ³ с при выбранных длинах волн

Рисунок В.5 - ПДИ для видимых и указанных инфракрасных лазерных изделий класса 1 (когда С ₆ = 1)

В.3 Примеры

Пример В.3.1

Классифицировать работающий в непрерывном режиме гелий-неоновый лазер ( = 633 нм) с выходной мощностью 50 мВт, диаметром пучка 3 мм и углом расходимости пучка 1 мрад.

Решение:

По характеристикам пучка можно сделать вывод, что это хорошо коллимированный точечный источник, где  _min = 1,5 мрад. В связи с малым диаметром пучка и углом расходимости полная мощность пучка будет проходить сквозь апертуру 7 мм, а следовательно, условия измерения 1 и 3 обеспечат аналогичный предел допустимого излучения. Выбрать класс и соответствующий базовый промежуток времени [см. перечисление е) 4.3].

Выбрать класс 3В и базовый промежуток времени 100 с. Несмотря на то что выходное излучение лазера находится в пределах видимого диапазона длины волны от 400 до 700 нм, базовый промежуток времени 0,25 с не разрешен для класса 3В и преднамеренное наблюдение в пучке является маловероятным. Для класса 3В в таблице 8 дано:

ПДИ = 0,5 Вт.

Поскольку лазер излучает только 50 мВт, он не превышает ПДИ для класса 3В и может быть классифицирован согласно классу 3В. В перечислении а) 4.3 указано, что ПДИ для всех меньших классов должен быть превышен, однако не всегда бывает очевидно, что изделие не сможет удовлетворять требованиям более низкого класса, поэтому в случае сомнений необходимо проверить условия отнесения к этому классу.

Для класса 3R базовый промежуток времени 0,25 с должен быть использован для излучения в пределах диапазона длины волны от 400 до 700 нм, то есть согласно таблице 6:

.

Согласно таблице 9 С ₆ = 1 для наблюдения в хорошо коллимированном пучке, то есть 1,5 мрад, следовательно:

ПДИ = 5 мВт.

Так как выходная мощность лазера составляет 50 мВт, она превосходит ПДИ для класса 3R, но меньше ПДИ для класса 3В, а поскольку условия 1 и 3 аналогичны, она не может относиться к классу 1М или 2М. Следовательно, лазер будет систематизирован как относящийся к классу 3В.

Пример В.3.2

Непрерывно работающий диодный лазер мощностью 12 мВт ( = 900 нм) без коллимирующей линзы имеет угол расходимости пучка 0,5 рад. Как можно классифицировать данное изделие, учитывая нижеприведенные параметры для условий измерения, установленных в таблице 10? Допустим, угловой размер источника на расстоянии измерения 100 мм меньше, чем  _min.

Условие 1: мощность излучения менее 20 мкВт через апертурную диафрагму 50 мм на расстоянии 2 м от луча лазерного диода.

Условие 3: мощность излучения равна 0,7 мВт через апертурную диафрагму 7 мм на расстоянии 100 мм от луча лазерного диода.

Решение:

Условие 3 для такого рассеивающегося источника будет более ограничительным, чем условие 1.

Выбрать класс 1 и базовый промежуток времени 100 с [см. перечисление е) 4.3]; таким образом, лазер с длиной волны от 400 до 1400 нм и 1,5 мрад С ₆ = 1 (см. таблицу 9), в связи с чем ПДИ для класса 1 определенное по таблице 3 следующим образом:

,

где из таблицы 9: С ₄=10 ^0,002(-700)=2,51 и С ₇ = 1. Таким образом,

ПДИ = 0,98 мВт.

При сравнении данных условия 3 с ПДИ для лазерных изделий класса 1 изделие будет соответствовать требованиям для класса 1.

Если пользователь добавит коллимирующие линзы к такому диодному лазеру, может потребоваться повторная классификация изделия.

Наблюдение такого источника с фиксированным усилителем мощности может быть опасно. Область классификации данного стандарта включает только портативные усилители с семикратной мощностью (см. С.3).

Пример В.3.3

Классифицировать неодимовый лазер удвоенной частоты с одиночным импульсом, обладающий следующими характеристиками выходного излучения; допустим, обе длины волны излучаются одновременно.

Выходная энергия импульса: 100 мДж при  = 1060 нм,

Выходная энергия импульса равна 25 мДж при  = 530 нм,

Длительность импульса = 25 нс,

Диаметр апертуры = 5 мм,

Угол расходимости пучка для каждой длины волны меньшей 1 мрад.

Решение:

Наиболее ограничивающий случай для данного лазера, когда пучки распространяются совместно, поэтому лазер классифицируется для такого случая. Поскольку пучки обладают малым диаметром и низкой расходимость, очевидно, что измерения, выполненные при условиях, указанных в таблице 10, покажут общую энергию для каждой длины волны. Допустим, лазер способен излучать только один импульс за базовый промежуток времени 100 с, таким образом, длительность импульса может быть использована для продолжительности воздействия. При выборе лазерного изделия класса 3В ПДИ из таблицы 8 будут следующими:

-  = 1060 нм ПДИ ₁₀₆₀ = 0,03С ₄ Дж= 0,15 Дж = 150 мДж;

-  = 530 нм ПДИ ₅₃₀ = 0,03 Дж = 30 мДж (так как t < 0,06 с).

Правила классификации множественных длин волн указаны в перечислении b) 4.3, а в таблице 1 показано, что эти две волны являются аддитивными для глаза.

Таким образом, методику, описанную в перечислении b) 1) 4.3, следует использовать для присвоения класса путем оценки:

.

Подставляют соответствующие значения в мДж:

.

Так как это полученное значение более 1, лазерному изделию следует присвоить более высокий класс.

Таким образом, лазерное изделие соответствует классу 4.

Пример В.3.4

Классифицировать работающий в непрерывном режиме углекислотный лазер ( = 10,6 мкм), используемый в системе охраны с открытым пучком. Допустим, средняя выходная мощность равна 0,4 Вт, при диаметре пучка 2 мм и углом расхождения пучка в 1 мрад.

Решение:

Выбрать класс 3R и, поскольку намеренное наблюдение не предполагается, в перечислении е) 4.3 приведен базовый промежуток времени 100 с.

В таблице 9 указано, что для данной длины волны С ₆ = 1, таким образом следует использовать таблицу 6, а ПДИ для класса 3R с Т = 100 с равно 5000 Вт·м ^-2. В таблице 10 установлено, что для данной длины волны применяется только условие 3 и, так как ПДИ имеет единицы в Вт·м ^-2, целесообразно найти плотность мощности для условия 3. Обращаясь к точке координат в таблице 11 для условия измерения 3, можно предположить, что перетяжка пучка находится в пределах корпуса, в связи с чем, учитывая текст в нижней части таблицы 11, плотность мощности находится в ближайшей точке доступности для человека.

В таблице 10 приведена ограничивающая апертура для воздействия в 100 с при 3,5 мм, однако диаметр лазерного пучка составляет 2 мм. Для расчета плотности мощности (Е ₀ = P ₀/площадь) следует использовать значение, превосходящее фактический диаметр пучка или ограничивающей апертуры. Таким образом:

.

Это превосходит ПДИ для класса 3R, в связи с чем следует принять за основу более высокий класс. В таблице 8 указано ПДИ для класса 3В в качестве 0,5 Вт; таким образом, поскольку это значение превосходит общую выходную мощность лазера, такой лазер классифицируется как класс 3В.

Пример В.3.5

Классифицировать импульсный лазер с длительностью импульса в 1 мкс с частотой повторения импульсов (F) 500 Гц, пиковой выходной мощностью 10 кВт при  = 694 нм, диаметром пучка 5 мм и углом расходимости пучка 0,5 мрад. Угловой размер должен быть меньше или равен углу расходимости. Таким образом, допускается точечный источник с <  _min = 1,5 мрад.

В перечислении f) 4.3 приведены подробные сведения о требованиях для следующих импульсно-периодических лазеров.

Для всех длин волн должны быть оценены требования перечислений 1) и 2). Кроме того, для длин волн от 400 до 1400 нм требование перечисления 3) также должно быть оценено для сравнения с тепловыми пределами. Требование перечисления 3) не предполагает оценки для сравнения с фотохимическими пределами.

Решение:

Выбрать класс 3В и, в связи с тем, что преднамеренное наблюдение не предполагается, в соответствии с перечислением е) 4.3 принимают базовый промежуток времени, равный 100 с.

В перечислении f) 3) 4.3 указано, что при возникновении нескольких импульсов в период T _i (T _i представлено в таблице 2), они учитываются в качестве одиночного импульса для определения N, а энергетическая экспозиция одиночных импульсов добавляется и сравнивается с ПДИ T _i. Таким образом, необходимо подтвердить возникновение нескольких импульсов в пределах длительности T _i. Если период между импульсами лазера меньше длительности T _i, необходимо учитывать следующее.

Проверить возможность возникновения нескольких импульсов в пределах периода T _i согласно таблице 2. При этом для данной длины волны лазера T _i = 5·10 ^-6 с, а фактическое время между импульсами составляет 1/F = 2·10 ^-3 с; значит, несколько импульсов не возникают в период T _i. Следовать порядку, представленному в перечислении f) 4.3:

a) в перечислении f) 1) 4.3 рассматривается воздействие одиночного импульса. В таблице 8 указано t = 1·10 ^-6 с,

ПДИ _одиноч = 0,03 Дж (так как t < 0,06 с);

b) в перечислении f) 2) 4.3 рассматривается средняя мощность серии импульсов при длительности Т. В таблице 8 дано ПДИ для Т = 100 с, как указано ниже:

ПДИ _Т = 0,5 Вт.

Так как данный лазер имеет постоянную последовательность импульсов, нет необходимости в усреднении более коротких значений длительности. Для удобства сравнения [см. примечание к перечислению f) 2) 4.3] ПДИ _Т преобразовано для соответствия одиночному импульсу. В таком случае, поскольку ПДИ _Т измеряется в Вт, деление на ЧПИ дает равноценную энергию ПДИ на импульс; таким образом:

;

c) в перечислении f) 3) 4.3 рассматривается энергия одиночного импульса, умноженная на С ₅. То есть ПДИ _{серии о.и} = ПДИ _одиноч·С ₅. Согласно перечислению f) 3) 4.3:

- t < T _i и базовый промежуток времени > 0,25 с

если N 600 С ₅ = 1

если N > 600 С ₅ = 5·N ^-0,25 при минимуме 0,4. Также N ограничено количеством импульсов, возникающих в пределах периода Т ₂ = 10 с для  _min (см. таблицу 9). Таким образом, с повторением импульса 500 Гц за 10 с N = 500·10 = 5000, что больше 600, а значит:

.

Таким образом:

.

Все три вышеприведенных значения ПДИ относятся к одному импульсу и могут быть сравнены напрямую для поиска наиболее ограничивающего из них. Таким образом, наиболее ограничивающим из трех значений является ПДИ _о.и.Т, а значит, ПДИ для класса 3В составляет 1·10 ^-3 Дж.

Так как лазер обладает малым диаметром пучка и низким углом расходимости, интенсивность излучения, измеренная при условиях 1 и 3 (см. таблицу 10), будут одинаковы и равны общей энергии лазера. ПДИ (в таком случае равное энергии импульса) и уровень излучения (заданная пиковая мощность) должны быть выражены в одних и тех же величинах, в связи с чем пиковая мощность излучения подлежит преобразованию в энергию импульса (или наоборот).

Энергия импульса лазера Q рассчитывается по соотношению

.

Так как энергия доступного излучения на импульс превосходит ПДИ _о.и.Т, лазерное изделие превышает ПДИ для класса 3В и, следовательно, должно быть отнесено к классу 4.