Измерение параметров лазеров
Измерение параметров лазеров
ВВЕДЕНИЕ
Получение достоверных результатов измерений как самих параметров
лазеров, так и выходных характеристик лазерных приборов и систем имеет свою
специфику, поскольку лазерное излучение характеризуется некоторыми
особенностями: широким спектральным (0,2 мм...1 мм) и динамическим
диапазоном (120...200 дБ), малой длительностью импульсов (до 0.1 пс),
высокой плотностью мощности (до 109 Вт/см2), энергии и т.п. Система
характеристик и параметров ров лазеров и лазерного излучения лазерных
приборов установлена ГОСТ 15093-75, ГОСТ 24453-80 и ГОСТ 23778-79, в
соответствии с которыми осуществляется контроль изделий лазерной техники на
этапе выпуска продукции и при их эксплуатации (табл.1).
Таблица 1
|Параметр, |Единица |Определение |Обозначе|
|характеристика |измерени| |-ние |
| |я | | |
|Энергетические параметры и характеристики |
|Энергия |Дж |Энергия, переносимая |W |
| | |лазерным излучением | |
|Мощность |Вт |Энергия, переносимая |P |
| | |лазерным излучением в | |
| | |единицу времени | |
|Интенсивность | |Величина, пропорциональная |J |
| | |квадрату амплитуды | |
| | |электромагнитного колебания | |
|Спектральная |Дж(Гц-1 | |W(, W( |
|плотность энергии|Вт(Гц-1 | |(P(,P() |
|(мощность) | | | |
|Средняя мощность |Вт | |Pu,ср |
|импульса | | | |
|Максимальная |Вт | |Pu, max |
|мощность импульса| | | |
|Спектральные параметры и характеристики |
|Длина волны | | |( |
|Частота | | |( |
|Ширина | | |(( |
|спектральной | | |(( |
|линии | | | |
|Степень | | |((/( |
|хроматичности | | |((/( |
|Пространственно-временные параметры и характеристики |
|Диаграмма | |Угловое распределение | |
|направленности | |энергии или мощности | |
| | |лазерного излучения | |
|Диаметр пучка |м |Диаметр поперечного сечения |d |
| | |пучка лазерного излучения, | |
| | |внутри которого проходит | |
| | |заданная доля энергии или | |
| | |мощности лазера | |
|Расходимость |рад, |Плоский или телесный угол, |QP |
| |ср |характеризующий ширину | |
| | |диаграммы направленности | |
| | |лазерного излучения в | |
| | |дальней зоне по заданному | |
| | |уровню углового | |
| | |распределения энергии или | |
| | |мощности лазерного | |
| | |излучения, определяемому по | |
| | |отношению к его | |
| | |максимальному значению | |
|Энергетическая |рад, |Плоский или телесный угол, |(S |
|расходимость |ср |внутри которого | |
| | |распространяется заданная | |
| | |доля энергии или мощности | |
| | |лазерного излучения | |
|Относительное | |Распределение плотности |(W,P,(W,|
|распределение | |энергии (мощности) излучения|S |
|плотности энергии| |по сечению лазерного пучка, | |
|(мощности) | |нормированное относительно | |
| | |максимального значения | |
| | |плотности энергии (мощности)| |
|Частота |Гц |Отношени числла импульсов |F |
|повторения | |лазерного излучения ко | |
|импульсов | |времени | |
|Длительность |с | |(u |
|импульсов | | | |
|Параметры когерентности |
|Степень | |Модуль комплексной степени |((12(()(|
|пространственно-в| |пространственно-временной | |
|ременной | |когерентности при | |
|когерентности | |фиксированных координатах | |
| | |точки в пространстве и | |
| | |времени, равный: | |
| | |[pic], где 0(((12(()((1, | |
| | |(12(() — функция взаимной | |
| | |когерентности,(11((),(22(() | |
| | |— функции взаимной | |
| | |когерентности для точек | |
| | |пространства с | |
| | |радиус-векторами r1,r2 | |
| | |соответственно при (=0 | |
|Степень | |Модуль комплексной степени |((12(О)(|
|пространственной | |временной когерентности для | |
|когерентнсти | |фиксированной точки | |
| | |пространства, равный | |
| | |[pic], где (12(() — функция | |
| | |пространственной | |
| | |когерентности | |
|Степень временной| |Модуль комплексной степени |((11(()(|
|когерентности | |временной когерентности для | |
| | |фиксированной точки | |
| | |пространства, равный | |
| | |[pic], где Г11(() — функция | |
| | |взаимной когерентности для | |
| | |точки пространства с | |
| | |радиусом-векторм r1 | |
|Время |с |Минимальное запаздывание, | |
|когерентности | |для которого степень | |
| | |временной когерентности | |
| | |принимает значение равное | |
| | |нулю | |
|Длина |м |Произведение времени |(К |
|когерентности | |когерентности на скорость | |
| | |электромагнитного излучения | |
| | |в вакууме | |
|Параметры поляризации |
|Плоскость | |Плоскость, проходящая через | |
|поляризации | |направление распространения | |
| | |линейно-поляризованного | |
| | |лазерного излучения и | |
| | |направление его | |
| | |электрического вектора | |
|Эллиптичность | |Отношение малой полуоси | |
|поляризованного | |эллипса, по которому | |
|лазерного | |поляризовано лазерное | |
|излучения | |излучение к его большой | |
| | |полуоси | |
|Степень | |Отношение интенсивности | |
|поляризации | |поляризованной составляющей | |
| | |лазерного излучения к полной| |
| | |его интенсивности | |
ИЗМЕРЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ
Для измерения энергетических параметров лазерного излучения могут
использоваться самые разнообразные методы, основанные на различных
физических и химических эффектах взаимодействия лазерного излучения с
веществом, последнее может находиться в любом агрегатном состоянии. Однако
наиболее широкое распространение получили методы, основанные на
преобразовании энергии лазерного излучения в тепловую энергию (тепловой
метод) и в энергию электрического тока (фотоэлектрический и
пироэлектрический методы). Реже применяется пондеремоторный метод,
основанный на преобразовании энергии лазерного излучения в механическую
энергию.
Измерение мощности и энергии лазерного излучения
Существующие средства измерения (СИ) энергетических параметров
лазерного излучения содержат приемный (первичный) измерительный
преобразователь (ПИП), измерительное устройство, а также отсчетное, или
регистрирующее устройство. В ПИП энергия лазерного излучения преобразуется
в тепловую или в механическую энергию или в электрический сигнал, доступные
для дальнейшего преобразования и измерения.
Различают ПИП поглощающего и проходного типа. В преобразователях
поглощающего типа поступающая на вход энергия лазерного излучения почти
полностью поглощается и рассеивается в нем. В преобразователях проходного
типа рассеивается лишь часть поступившей на вход энергии излучения (как
правило небольшая), а большая чисть изучения проходит через преобразователь
и может быть использована для требуемых целей.
Измерительное устройство включает преобразовательные элементы и
измерительную цель. Их назначение — преобразование выходного сигнала ПИП в
сигнал, подаваемый на отсчетное или регистрирующее устройство. Отсчетное
или регистрирующее устройство служит для считывания или регистрации
значения измеряемой величины в аналоговой или цифровой форме.
Обычно ПИП конструктивно выполняется в виде отдельного блока,
называемого измерительной головкой, а измерительное и отсчетное устройства
— в виде измерительного блока. В измерительный блок могут быть включены
дополнительные устройства, например цепи коррекции дрейфа нуля,
температурной и электрической стабилизации и др.
Тепловой метод
Сущность этого метода состоит в том, что энергия излучения при
взаимодействии с веществом приемного преобразователя превращается в
тепловую энергию, которая впоследствии измеряется тем или иным способом.
Для измерения тепловой энергии, выделившейся в ПИП, обычно используют:
—термоэлектрический эффект Зеебека (возникновение ТЭДС между нагретым и
холодным спаями двух разнородных металлов или полупроводников);
—явление изменения сопротивления металлов и полупроводников при изменении
температуры (болометрический эффект); фазовые переходы "твердое тело-
жидкость" (лед-вода);
—эффект линейного или объемного расширения веществ при нагревании и др.
Необходимо отметить, что все тепловые ПИП в принципе являются
калориметрами. Однако в литературе сформировались устойчивые названия ПИП,
ассоциируемые обычно с некоторой совокупностью характерных признаков,
свойственных приемным преобразователям определенных типов (термоэлементы,
болометры, пироприемники и пр. ) .
Наиболее широкое распространение для измерения таких усредняемых во
времени энергетических параметров лазерного излучения, как энергия и
средняя мощность, получили калориметры. Они имеют достаточно конструктивно
развитый приемный элемент, не объединенный с чувствительным элементом. К
достоинствам калориметров относятся широкий спектральный и динамический
диапазон работы, высокая линейность, точность и стабильность характеристик,
простота конструкции, возможность их использования с высокоточными, хотя и
инерционными цифровыми приборами, возможность калибровки преобразователей
по эквивалентному электрическому воздействию.
Любая калориметрическая система (рис.1.1) содержит внутреннее
калориметрическое тело К (приемный элемент), в котором протекает процесс
выделения (или поглощения) тепла, и внешнюю оболочку О, с которой
происходит теплообмен калориметрического тела путем теплопроводности,
конвекции и излучения.
Рисунок 1.1 Принципиальная схема калориметра
Тепловой поток Д от калориметрического тела на оболочку зависит
главным образом от разности температур их поверхностей Ф=GT(Tk-To), где GT
— параметр, характеризующий тепловую проводимость cреды между
калориметрическим телом и оболочкой. Часто теплообмен между K и O
характеризуют также обратной величиной RT=1/GT, имеющей смысл теплового
сопротивления среды. Наиболее широкое распространение для измерения таких
усредненных во времени энергетических параметров лазерного изучения, как
энергия и средняя мощность, получили калориметры переменной температуры
(или неизотермические калориметры), у которых в процессе измерения
ТK=f(t)(const. Уравнение теплового равновесия калориметрического тела K с
оболочкой О в таком калориметре в предположении бесконечной
температуропроводности вещества K имеет вид:
[pic] (1.1)
где P(t) — мощность, рассеиваемая в калориметре; c — теплоемкость K: T=TK-
TO
У непрерывных лазеров характерным энергетическим параметром, который
указывается в паспорте, является мощность лазера P. У лазеров, работающих в
режиме свободной генерации одиночных импульсов лазерного излучения, обычно
нормируется энергия импульса Wu. Лазеры, работающие в режиме модуляции
добротности резонатора и в режиме синхронизации мод, обычно характеризуются
значением Wu и дополнительно значением максимальной PUmax или средней PUср
мощности импульса. Импульсно-периодические лазеры характеризуются средней
мощностью Pср со временем усреднения, значительно превышающим период
следования импульсов.
В соответствии с этим рассмотрим некоторые частные решения
дифференциального уравнения (1.1).
1. Мощность, рассеиваемая а калориметре, не изменяется во времени,
т.е. P(t)=PO=const. Тогда
[pic] (1.2)
где (=RTC постоянная времени калориметра.
Максимальное значение Т(t) достигается при t(( и равно Tmax=RT(PO.
2. Мощность в калориметре выделяется в виде периодической
последовательности прямоугольных импульсов: PO, (u и q — импульсная
мощность, длительность и скважность импульсов соответственно. Можно
показать, что в этом случае для значений параметров лазерного излучения,
наиболее часто встречающихся на практике ,
[pic] (1.3)
3. В калориметре рассеивается энергия одиночного прямоугольного
импульса. Температура калориметрического тела в этом случае изменяется во
времени следующим образом:
(1.4)
при 0(t((u
при (u(t(= h(О, где (О —
пороговая частота, ниже которой фотоэффект невозможен. Длину волны (О=с/(О
называют длинноволновой (красной) границей фотоэффекта. Обычно
коротковолновая граница фотопреобразователя ограничивается пропусканием
входного окна ПИП.
К фотоприемникам на основе внешнего фотоэффекта относятся вакуумные
приборы: фотоэлементы (ФЭ) и фотоэлектронные умножители,
Спектральный диапазон вакуумных ФП зависит от материала фотокатода. В
настоящее время выпускаемые промышленностью ФЭ и ФЭУ перекрывают диапазон
от УФ (0.16 мкм) до ближнего ИК излучения (1,2 мкм — для серебряно-
кислородно-цезиевого катода). Абсолютная спектральная чувствительность ФЭ
определяется следующим образом:
S(=QЭФ((/1.24 (1.7)
где QЭФ — эффективный квантовый выход, ( — длина волны излучения, мкм, S(
меняется в зависимости от типа и конструкции прибора (10-3…10-1 мА/Вт).
Динамический диапазон, в котором сохраняется линейность преобразования
оптического сигнала в электрический, для ФЭ сравнительно большой. Нижний
предел ограничен шумами и темновым током ФЭ, верхний — влиянием
пространственного заряда и продольным сопротивлением фотокатода, В режиме
непрерывного облучения нижний
предел может достигать 10-14 А, верхний не превышает 10-4 А. В
импульсном режиме верхний предел может быть увеличен до десятков ампер.
Шумы и темновые токи ФЭ сравнительно невелики, однако из-за низкой
чувствительности ФЭ нецелесообразно применять их для измерения малых
уровней оптических сигналов.
Современные сильноточные временные ФЭ позволяют получать время
нарастания переходной характеристики (между уровнями 0.1 и 0.9 от
максимального значения) порядка 10-10 с.
ФЭУ обладают высокой чувствительностью благодаря наличию умножительной
(диодной) системы. Если коэффициент вторичной эмиссии i-го диода (i,
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|