Введение. Примеры, представленные в данном приложении, иллюстрируют вычислительные процедуры для классификации лазерных изделий

Примеры, представленные в данном приложении, иллюстрируют вычислительные процедуры для классификации лазерных изделий, 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 лазерных изделий, 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 лазерного изделия. Изделие после изготовления следует классифицировать на основании такого сочетания выходной мощности (мощностей) и длины (длин) волны доступного лазерного излучения во всем диапазоне рабочих режимов и в любой момент времени, которое позволяет отнести изделие к самому высокому соответствующему классу. ДПИ 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 излучения, числа импульсов и стягиваемого угла.

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

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

Примечание 1 - ДПИ_{одиночн.} определяют по длительности одиночного импульса.

ДПИ_{последн. имп T} вычисляют из ДПИ _T, определенного по выбранному значению времени.

Если ДПИ _T выражен в Дж или Дж× м^-2, то ДПИ_{последн. имп T} = ДПИ _T / N_T (в Дж или Дж× м^-2).

Если ДПИ _T выражен в Вт или Вт× м^-2, то ДПИ_{последн. имп T} =ДПИ _T /частоту повторения импульсов, в Гц (Дж или Дж× м^-2),

где T - выбранное значение времени;

N_T - число импульсов за время Т.

Примечание 2 - Если серия импульсов укладывается в пределах периода T_i, заменяют длительность одиночного импульса на T_i и вычисляют новое значение ДПИ_{одиночн.}. Заменяют частоту повторения импульсов (ЧПИ, Гц) соответственно определенному максимальному значению N [см. 8.3, перечисление f ]. Делят новое значение ДПИ_{одиночн.} на число исходных импульсов, содержащихся в периоде T_i перед заменой окончательного значения ДПИ_{одиночн.} в уравнении для МВЭ_{последн имп}.

Рисунок В.1 - Справочная блок-схема для классификации лазерных изделий по выдаваемым выходным характеристикам

Рисунок В.2 - Справочная блок-схема для классификации лазерных изделий классов 1М и 2М

Рисунок В.3 - ДПИ для ультрафиолетового лазера класса 1 для длительностей излучения во временном диапазоне от 10^-9 до 10³.

Рисунок В.4 - ДПИ для излучающего ультрафиолетового лазера класса 1 во временном диапазоне от 10^-9 до 10³ с для определенных длин волн

Рисунок В.5 - ДПИ для лазера класса 1, излучающего в видимом спектре и в установленном инфракрасном диапазоне (для случая С ₆ = 1).

В.3 Примеры

Пример В.3.1

Классифицировать гелиево-неоновый лазер непрерывного излучения (l = 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 a £ a_min = 1, 5 мрад. Поскольку диаметр пучка и его расходимость малы, вся мощность пучка пройдет через апертуру 7 мм и отсюда при соблюдении условий измерений 1 - 3 получим достигнутый уровень излучения. Выбираем соответствующий класс и интервал времени [см. 8.3, перечисление е)].

Выбираем лазер класса 3В и время 100 с, не смотря на то, что выходное излучение лазера находится в видимом диапазоне длин волн от 400 до 700 нм, а временной интервал 0, 25 с не относится к классу 3В и преднамеренное наблюдение невозможно. Для класса 3В в таблице 9 находим, что ДПИ = 0, 5 Вт.

При излучении 50 мВт ДПИ 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 времени 0, 25 с можно использовать излучение в диапазоне волн от 400 до 700 нм, тогда ДПИ = 5× 10^-3 С ₆ Вт (см. таблицу 7).

Из таблицы 10 С ₆ = 1 для прямого наблюдения хорошо коллимированного пучка, т.е. a £ 1, 5 мрад, поэтому ДПИ = 5 мВт.

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

Пример В.3.2

Лазер непрерывного излучения на светодиоде мощностью 12 мВт (l = 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 стягиваемый источником угол на расстоянии 100 мм менее чем a_min.

Условие 1: < 20 мкВт через ограничивающую апертуру 50 мм и 2 м от диодного ЧИПа.

Условие 2: 1, 4 мВт через ограничивающую апертуру 7 мм и 70 мм от диодного ЧИПа.

Условие 3: 0, 7 мВт через ограничивающую апертуру 7 мм и 100 мм от диодного ЧИПа.

Решение

Для такого расходящегося источника очевидно, что условие 2 будет более ограничивающим, чем условие 1. Выбираем лазер класса 1 и время 100 с [см. 8.3 перечисление е)]; поэтому для лазера с a £ 1, 5 мрад и t > Т ₂ [ Т ₂= 10 с для a £ 1, 5 мрад (см. таблицу 10)] ДПИ определяют по таблице 4 следующим образом:

ДПИ = 3, 9× 10^-4 С ₄ С ₇Вт,

где из таблицы 10 С ₄ = 10^{0, 002(l-700)} = 2, 51 и С ₇ = 1, поэтому ДПИ = 0, 98 мВт.

Это меньше, чем эмиссия лазерного диода через апертуру 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 ДПИ 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 ДПИ 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 l = 1, 060 нм.

Энергия выходного импульса составляет 25 мДж для l = 530 нм.

Длительность импульса - 25 нc.

Выходной диаметр апертуры - 5 мм.

Угол расходимости пучка на каждой длине волны < 1 мрад.

Решение

Принимаем, что лазер эмитирует один импульс за принятый временной интервал 100 с, тогда длительность импульса можно использовать как длительность излучения. Выбираем лазер класса 3В. В таблице 9 установлен ДПИ:

для l = 1, 060 нм ДПИ₁₀₆₀ = 0, 15 Дж= 150 мДж;

для l = 530 нм ДПИ₅₃₀ = 0, 03 Дж = 30 мДж.

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

Подставляя в уравнение значения,

получаем:

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 (l = 10, 6 мкм), используемый с открытым лучом в системе безопасности. Принимаем среднюю выходную мощность 0, 4 Вт, диаметр пучка 2 мм и расходимость пучка 1 мрад.

Решение

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

В таблице 7 ДПИ для класса 3R равен 5, 000 Вт× м^-2. Заметим, что в таблице 11 дано ограничение апертуры для 100 с излучения в 3, 5 мм, но диаметр пучка лазера составляет только 2 мм. Для порядка вычисляем излучение пучка (E ₀ = P ₀/площадь), можно использовать диаметр пучка больше действующего или ограничить апертуру, тогда

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

Пример В.3.5

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

В перечислении f) 8.3 подробно изложены условия измерений для лазеров с повторяющимися импульсами, которые приведены ниже.

ДПИ для длин волн от 400 до 10⁶ нм определены с использованием ограничивающих требований перечислений а), b) и с) более чем предназначено. Для остальных длин волн ДПИ определены с использованием более ограничивающих требований перечислений а) и b). Требование перечисления с) применяют только для тепловых ограничений и не применяют для фотохимических ограничений.

Выбираем лазер класса 3В и время 100 с. Проверяем, что серия импульсов может пройти за период T_i, как дано в таблице 3. Для этого лазера длина волны T_i = 18× 10^-6 с и время между импульсами составляет 1/ЧПИ = 2× 10^-3 с, пока последовательность импульсов не проходит за период T_i. Следующая процедура по перечислению f) 8.3:

a) Излучение одиночного импульса. В таблице 9 для t = 10^-6 с

ДПИ_{одиночн.} = 0, 03 Дж;

b) В таблице 9 для Т= 100 с ДПИ _Т = 0, 5 Вт.

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

c) ДПИ_{последн.имп} = ДПИ_{одиночн.}× С ₅ = ДПИ_{одиночн.}× N ^{0, 25}, но N ограничено числом импульсов, проходящих за период Т ₂=10 с для a £ a_min (см. таблицу 10).

Поэтому:

ДПИ_{последн.имп} = 0, 03(10× 500)^{-0, 25} Дж,

ДПИ_{поспедн.имп} = 3, 57× 10^-3 Дж.

Наибольшее ограничение для трех значений составляет

ДПИ_{поспедн.имп T} = 1× 10^-3 Дж.

Энергию лазера за импульс, Q, вычисляют по формуле

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

Q = 10⁴× 10^-6 = 0, 01 Дж.

Достигаемая энергия излучения за импульс превышает ДПИ_{поспедн.имп T} , лазер превышает ДПИ для класса 3В, поэтому он должен быть отнесен к классу 4.

Приложение С
(справочное)