Приложение В (справочное). Примеры расчетов

Приложение В
(справочное)

Примеры расчетов

В.1 Условные обозначения, используемые в формулах настоящего приложения:

Символ	Единица величины	Определение
а	м	Диаметр выходящего лазерного пучка
ПДЭ	Вт, Дж, или	Предел доступной эмиссии
	рад	Угловой размер видимого источника (или диффузное отражение), наблюдаемого из точки в пространстве
	рад	Минимальный угол, стягиваемый источником, для которого применим критерий протяженного источника
, ,...,	1	Поправочные коэффициенты (см. примечания в таблице 10)
PRF	ЧПИ	Частота повторения импульсов, Гц
Н		Энергетическая экспозиция
Е		Интенсивность излучения на определенном расстоянии r от видимого источника
		Энергетическая экспозиция на выходе пучка
		Интенсивность излучения для выходного пучка на нулевом расстоянии от видимого источника
	нм	Длина волны излучения лазера
N	1	Число импульсов за время экспозиции
	Вт	Полная мощность излучения (поток излучения) непрерывного лазера или средняя мощность излучения импульсно-периодического лазера
	Вт	Мощность излучения импульса импульсного лазера
	рад	Угол расхождения выходящего лазерного пучка
	1	Численная константа 3,142
Q	Дж	Полная энергия излучения импульсного лазера
t	с	Длительность одиночного лазерного импульса
Т	с	Общая длительность экспозиции серии импульсов
,	с	Контрольные точки времени (см. таблицу 10)

В.2 Классификация лазерной аппаратуры

Введение

Примеры, представленные в данном приложении, иллюстрируют вычислительные процедуры для классификации лазерной аппаратуры, основываясь на измеряемых параметрах, получаемых при выполнении условий измерений, определенных в настоящем стандарте. Блок-схемы приведены в данном приложении для иллюстрации основных шагов, которые могут быть необходимы для вычислений и полной классификации лазерной аппаратуры, однако невозможно объединить лазеры в одну блок-схему.

Как определено в 8.2 и 8.3, обязанностью изготовителя или уполномоченного им лица является определение класса лазерной аппаратуры. Аппаратуру после изготовления следует классифицировать на основании такого сочетания выходной мощности (мощностей) и длины (длин) волны доступного лазерного излучения во всем диапазоне его возможностей при функционировании в любое время после изготовления, которое позволяет отнести аппаратура к самому высокому соответствующему классу. ПДЭ для классов 1 и 1М, 2 и 2М, 3R и 3В (перечисленные в порядке возрастания опасности) приведены в таблицах 4 - 9 соответственно.

Значения четырех используемых поправочных коэффициентов даны в примечаниях к таблице 10 в качестве функций длины волны, длительности эмиссии, числа импульсов и углового размера.

Если пользователь модифицирует лазерную аппаратуру так, что изменяется достижимое излучение, то он несет ответственность за обеспечение правильной классификации.

Правильная классификация лазерной аппаратуры может включать в себя вычисление ПДЭ для более чем одного класса из перечисленных в 8.3, чтобы обеспечить правильную классификацию, как показано на рисунках В.1 и В.2. Пример ПДЭ для класса 1 представлен на рисунках В.3 - В.5.

"Рисунок В.1 - Справочная блок-схема для классификации лазерной аппаратуры по выдаваемым выходным характеристикам"

"Рисунок В.2 - Справочная блок-схема для классификации лазерной аппаратуры классов 1М и 2М"

"Рисунок В.3 - ПДЭ для ультрафиолетового лазера класса 1 для длительностей эмиссии от до с."

"Рисунок В.4 - ПДЭ для излучающего ультрафиолетового лазера класса 1 с длительностью эмиссии от до с для определенных длин волн"

"Рисунок В.5 - ПДЭ для лазера класса 1, излучающего в видимом спектре и в установленном инфракрасном диапазоне (для случая =1)."

В.3 Примеры

Пример В.3.1

Классифицировать непрерывный гелиево-неоновый лазер ( = 633 нм) с выходной мощностью 50 мВт, диаметром пучка 3 мм и расходимостью пучка 1 мрад.

Решение

Из характеристик пучка ясно, что это хорошо коллимированный точечный источник, где = 1,5 мрад. Поскольку диаметр пучка и его расходимость малы, вся мощность пучка пройдет через апертуру диаметром 7 мм и отсюда при соблюдении условий измерений 1 - 3 получим уровень доступной эмиссии. Выбираем класс и соответствующую временную базу [см. 8.3, перечисление е)].

Выбираем класс 3В и временную базу 100 с, не смотря на то, что выходное излучение лазера находится в видимом диапазоне длин волн от 400 до 700 нм, а временная база 0,25 с не относится к классу 3В и преднамеренное наблюдение маловероятно. Для класса 3В в таблице 9 находим, что

ПДЭ = 0,5 Вт.

При излучении 50 мВт ПДЭ для класса 3В не превышен, и лазер соответствует классу 3В. Однако конкретный лазер может не соответствовать требованиям более низкого класса, тогда в случае сомнений проверяют его соответствие более низкому классу.

Для класса 3R и временной базы 0,25 с можно использовать излучение в диапазоне волн от 400 до 700 нм, тогда ПДЭ = Вт (см. таблицу 7).

Из таблицы 10 = 1 для прямого наблюдения хорошо коллимированного пучка, т.е. 1,5мрад,поэтомуПДЭ=5мВт.

Пока выходная мощность лазера равна 50 мВт, он превышает ПДЭ для класса 3R, но меньше, чем ПДЭ для класса 3В; поэтому лазер следует классифицировать как соответствующий классу 3В.

Пример В.3.2

Непрерывный лазер на светодиоде мощностью 12 мВт ( = 900 нм) без коллимирующих линз имеет расходимость пучка 0,5 рад и имеет следующие параметры для измерений по условиям, указанным в таблице 11. Принимаем, что угловой размер источника на расстоянии 100 мм менее чем .

Условие 1: < 20 мкВт через апертурную диафрагму 50 мм и на расстоянии 2 м от диодного чипа.

Условие 2: 1,4 мВт через апертурную диафрагму 7 мм и на расстоянии 70 мм от диодного чипа.

Условие 3: 0,7 мВт через апертурную диафрагму 7 мм и на расстоянии 100 мм от диодного чипа.

Решение

Для такого расходящегося источника очевидно, что условие 2 будет более ограничивающим, чем условие 1.

Выбираем класс 1 и временную базу 100 с [см. 8.3 перечисление е)]; поэтому, для лазера с 1,5мрадиt>[=10сдля1,5мрад(см. таблицу 10)] ПДЭ определяют по таблице 4 следующим образом:

ПДЭ = Вт,

где из таблицы 10 = = 2,51 и = 1, поэтому ПДЭ = 0,98 мВт.

Это меньше, чем эмиссия лазерного диода через апертуру диаметром 7 мм на расстоянии 70 мм от лазера, поэтому можно считать, что лазер превышает класс 1 при классификации по условию 2. Однако, когда мы сравниваем данные условия 3 с ПДЭ для класса 1, лазер соответствует требованиям для класса 1.

Пока лазер удовлетворяет требованиям для класса 1, классификация для условий 1 и 3, но не соответствует условию 2 для класса 1, без превышения ПДЭ для класса 3В он соответствует классу 1М.

Если пользователь подберет коллимирующие линзы для лазерного диода, лазер можно не классифицировать.

Пример В.3.3

Классифицировать неодимовый лазер, генерирующий одиночные импульсы с удвоением частоты излучения, со следующими выходными характеристиками и допущением, что лазер излучает на обеих длинах волн одновременно.

Энергия выходного импульса составляет 100 мДж для = 1,060 нм.

Энергия выходного импульса составляет 25 мДж для = 530 нм.

Длительность импульса - 25 нс.

Диаметр апертуры на выходе - 5 мм.

Расходимость пучка на каждой длине волны < 1 мрад.

Решение

Предполагается, что лазер генерирует только один импульс за временную базу 100 с, тогда длительность импульса можно использовать как длительность экспозиции. Выбираем лазер класса 3В. В таблице 9 установлен ПДЭ:

для = 1,060 нм = 0,15 Дж = 150 мДж;

для = 530 нм = 0,03 Дж = 30 мДж.

Эффект этих двух длин волн аддитивный, см. 8.3, перечисление b) и таблицу 2 для классификации лазерной аппаратуры с излучением на кратных длинах волн.

Подставляя в уравнение значения,

получаем:

мДж.

При значении больше 1 классификация лазера должна быть выше. Таким образом лазер относится к классу 4.

Пример В.3.4

Классифицировать лазер на диоксиде углерода ( = 10,6 мкм), используемый с открытым пучком в системе безопасности. Принимаем среднюю выходную мощность 0,4 Вт, диаметр пучка 2 мм и расходимость пучка 1 мрад.

Решение

Выбираем класс 3R и временную базу 100 с; преднамеренное наблюдение не предполагается.

В таблице 7 ПДЭ для класса 3R равен 5000 . Заметим, что в таблице 11 дана ограничивающая апертура для 100 с излучения в 3,5 мм, но диаметр пучка лазера составляет только 2 мм. Для расчета облученности в пучке (/площадь), используют действительный диаметр пучка или ограничивающую апертуру, выбирая наибольшее из двух значение, тогда

.

Это выше ПДЭ для класса 3R. В таблице 9 ПДЭ для класса 3В равен 0,5 Вт, поэтому этот лазер классифицируется как класс 3В.

Пример В.3.5

Классифицировать лазер, излучающий импульсы длительностью 1мкс с частотой повторения 500 Гц, пиковой выходной мощностью 10 кВт и = 694 нм, диаметром пучка, равным 5 мм, расходимостью пучка 0,5 мрад.

В перечислении f) 8.3 подробно изложены условия измерений для импульсно-периодических лазеров, которые приведены ниже.

ПДЭ для длин волн от 400 до нм определены с использованием ограничивающих требований перечислений а), b) и с) более чем предназначено. Для остальных длин волн ПДЭ определен с использованием более ограничивающих требований перечислений а) и b). Требование перечисления с) применяют только для тепловых ограничений и не применяют для фотохимических ограничений.

Выбираем класс 3В и временную базу 100 с. Проверяем, что серия импульсов может пройти за период , как дано в таблице 3. Для этого лазера длина волны с и время между импульсами составляет 1/ЧПИ = с, пока последовательность импульсов не проходит за период . Следующая процедура по перечислению f) 8.3:

a) Излучение одиночного импульса. В таблице 9 для t= с

= 0,03 Дж;

b) В таблице 9 для T = 100 с = 0,5 Вт.

Деление на частоту следования импульсов дает эквивалентную энергию ПДЭ импульса, поэтому

Дж;

c) , но N ограничено числом импульсов, проходящих за период =10 с для (см. таблицу 10). Поэтому:

Дж,

Дж.

Наибольшее ограничение для трех значений составляет

Дж.

Энергию лазера за импульс, Q, вычисляют по формуле:

Q = (пиковая мощность) х (длительность импульса),

Дж.

Доступная эмиссия за импульс превышает , лазер превышает ПДЭ для класса 3В, поэтому он должен быть отнесен к классу 4.