Измерение параметров лазеров

"гигантским" импульсом) можно считать решенным. Для исследования формы

полученного электрического импульса используются как обычные универсальные

осциллографы с полосой пропускания до 107 Гц, так и специальные скоростные

осциллографы с полосой пропускания 1...5 ГГц и чувствительностью (1 мм/В.

Последние обычно не имеют усилителя (вертикального входа), и сигнал в них

подается непосредственно на верительные отклоняющие пластины, что и

обеспечивает широкую полосу пропускания, но при низкой чувствительности к

входному сигналу. Дальнейший анализ осциллограммы проводится по ее

фотоснимку, а также при использовании ЭЛТ с длительным свечением люминофора

или с накоплением заряда и последующим его многократным считывании.

Ввиду плохой воспроизводимости параметров лазерных импульсов

использование стробоскопических методов исследования не обеспечивает

необходимой точности измерений и потому обычно не практикуется.

Изучение формы сверхкоротких лазерных импульсов

Как указывалось в 1.1.2, наиболее быстродействующие фотоэлектрические

приемники излучения имеют постоянную времени 10-10 …10-9 с, т.е. с их

помощью можно надежно исследовать только "гигантские" импульсы, типичная

длительность которых составляет 10-8 с, а времена нарастания и спада могут

быть значительно короче. Поэтому при исследовании временных зависимостей в

случае наиболее коротких гигантских импульсов и, особенно, пикосекундных

импульсов используют косвенные методы, основанные на применении временной

развертки, используемой в электронных и оптических осциллографах. В

настоящее время принцип сверхскоростной временной развертки реализован как

на базе оптико-механической развертки с растрами (кинокамера типа "лупа

времени"), Что позволяет зарегистрировать Набор малоинформативных двумерных

изображений с частотой съемки 105…108 кадр/с, так и на базе непрерывной

одномерной (щелевой) оптико-механической развертки (щелевые

фоторегистраторы) с временным разрешением от 10-7 до 3(10-9 с. Таким

образом, использование оптико-механической развертки не позволяет сколько-

нибудь существенно улучшить временное разрешение, обеспечиваемое

малоинерционными фотоприемниками, но позволяет получить набор двумерных

(например, распределение по поперечному сечению пучка) или одномерных

(одномерное сечение пучка, спектр и т.п.) изображений, правда, только для

излучения лазеров УФ, видимого и ближнего ИК диапазонов, что определяется

ограниченным спектральным диапазоном используемых фотопленок.

Поэтому в некоторых случаях применяют электронную развертку одно- или

двумерных электронных "изображений", поступающих с фотокатода (сурьмяно-

цезиевого, многощелочного или кислородно-цезиевого, что оговаривается при

заказе конкретного прибора) ЭОПа. В случае использования кислородно-

цезиевого фотокатода "красная" граница достигает 1.3 мкм. Однако более

существенным преимуществом используемых для высокоскоростной регистрации

ОЭПов является значительное усиление яркости регистрируемого изображения —

до (103…108 )х в многокаскадных (2…6) приборах; это важно при регистрации

маломощных пикосекундных импульсов. В зависимости от электронной системы

развертки можно получить 9…12 отдельных кадров (двумерных изображений) с

временем экспонирования до 10-9…5(10-13с, что обеспечивается отдельным

электронным затвором, расположенным обычно у фотокатода. Частота смены

кадров, обеспечиваемая за счет синхронной работы двух взаимно

перпендикулярных систем электростатического отклонения (всего пучка

фотоэлектронов), гораздо ниже, что затрудняет исследование динамики

процесса генерации.

По этой причине ЭОПы с разверткой обычно используют для исследования

только временных зависимостей интенсивности сфокусированногованного

(монохроматическим объективом) пучка излучения пикосекундного лазера.

Применяемая при этом одномерная (обычно линейная) развертка может иметь

скорость до 1010 см/с, что обеспечивает получение на выходном

люминесцентном экране ((40 мм) с разрешением от 5…10 лин/мм (в 5-6-

каскадных ЭОПах) до 50 лин/мм (в однокаскадных) временной разрешающей

способности 10-11 с. Рекордная скорость одномерной (спиральной) развертки

(6(1010 см/с) достигнута в ЭОПе "Пикохрон-1" за счет использования на

отклоняющих пластинах СВЧ-напряжения (( = 3 см);

соответственно при разрешающей способности (не экране) 5 лин/мм

временное разрешение моют достигать 5(10-13 с, что соответствует временным

разбросам пролета электронов в пучке, и поэтому не может быть улучшено

повышением скорости развертки. Характерно, что для обеспечения

удовлетворительных яркости характеристик выходного сигнала (спирали на

люминесцентных экранах) "Пикохрон-1" имеет шестикаскадную систему усиления,

в результате чего яркость возрастает в 107…108 раз по сравнению с исходной

(но существенно падает разрешающая способность выходного "изображения").

Таким образом, вопрос исследования временных зависимостей генерации

пико- и даже фемтосекундных импульсов лазерного излучения можно считать в

первом приближении решенным. Однако сложность, высокая стоимость,

громоздкость и необходимость высококвалифицированного обслуживания

затрудняет в некоторых случаях практическое использование камер с оптико-

механической и электронной развертками.Поэтому в заключении данного пункта

целесообразно рассмотреть внешне достаточно простой чисто оптический способ

измерения длительности пикосекундных импульсов, в котором используется

оптическая "развертка" (со скоростью света) при прохождении излучения в

нелинейном (по интенсивности) веществе, за счет чего и достигается

"визуализация" светового импульса.

[pic]

Рисунок 1.7. Схема измерения длительности пикосекундных импульсов методом

нелинейной (двухфотонной) люминесценции.

"Световая" развертка была предложена в 1967 г. Джордмейном для

использования длительности пикосекундных импульсов при распространении двух

одинаковых световых пучков навстречу друг другу в растворе нелинейно

люминесцирующего красителя. В первом эксперименте (рис. 1.7) "стоячая"

волна образовывалась путем отражения основного пучка пикосекундных

импульсов (генерируемого лазером на неодимовом стекле) в зеркале кюветы с

красителем. Очевидно, что возле зеркала (и далее с шагом l=TC/n, где n —

показатель преломления раствора красителя) плотность энергии прямого и

отраженного пучка будет максимальна из-за совпадения i-го импульса. Левее

(рис.1.7) зеркала на l будут совпадать (i-1)-й импульс в прямой волне и

(i+1)-й — в отраженной. При удалении от зеркала на 2l двухфотонная

люминесценция красителя будет ярче из-за наложения (i-2) и (i+2) импульсов

цуга и т.д. Для приближенной оценки контраста получаемой картины примем,

что все пикосекундные импульсы в цуге имеют одинаковую пиковую

интенсивность I1=I2=Ii.Тогда яркость фонового свечения двухфотонной

люминесценции Вфона пропорциональна Ii2,а максимальная яркость (возле

зеркала и в других "пучностях") Вмакс пропорциональна (2Ii)2=4Ii2, т.е.

заметно выше; это обеспечивает надежное выделение информации о длительности

пикосекундных импульсов и временном интервале Т между ними по

микроденситограмме фотоснимка кюветы с возбужденным красителем (рис. 1.8).

[pic]

Рисунок 1.8. Микроденситограмма (справа) фотографии центральной части

симметрично возбуждаемой пикосекундными импульсами кюветы

(слева) с красителем.

В действительности как сам эксперимент, так и его теория значительно

сложнее приведенной выше элементарной модели. Ввиду ограниченного объема

укажем лишь, что обычно кювета с красителем возбуждается симметрично

(рис.1.8), а закон распределения яркости свечения определяется

(авто)корреляционной функцией интенсивности лазерного пучка, в результате

чего для гауссова импульса происходит "уширение" свечения в [pic] раз, а

контраст снижается до 3,0. Известен метод измерения корреляционной

функции интенсивности лазерного пучка за счет нелинейного эффекта генерации

второй гармоники, позволяющий избавиться от фоновой засветки и иметь

временное разрешение (0,1 пс; однако как его описание, так и, особенно,

реализация достаточно сложны.

1 Измерение пространственного распределения энергии в лазерном пучке

Наиболее полной пространственно-энергетической характеристикой

лазерного излучения является диаграмм направленности, то есть угловое

распределение энергии или мощности в лазерном пучке. Вблизи излучающей

апертуры лазера угловое распределение имеет непостоянную конфигурацию,

поэтому в большинстве случаев практический интерес представляет

распределение поля излучения в дальней зоне, когда форма распределения

перестает зависеть от расстояния и можно говорить о сформировавшейся

диаграмме направленности излучения. В качестве приближенной оценки границы

дальней зоны принимают расстояние, превышающее d2/(, где d —диаметр

излучающей апертуры лазера; ( — длина волны излучения.

Ширину диаграммы направленности в дальней зоне количественно

характеризуют углом расходимости лазерного излучения, который обычно

нормируется при выпуске лазеров из производства.

На практике используют два понятия расходимости. В первом случае имеют

в виду плоский или телесный угол Qp или (s, определяющий ширину диаграммы

направленности в дальней зоне по заданному уровню углового распределения

энергии или мощности, отнесенного к его максимальному значению. Чаще всего

значение уровня принимается равным 0,5 и 1/е2, где е — основание

натуральных логарифмов. Приведенное выше определение однозначно

характеризует излучение только одномодового лазера, имеющего диаграмму

направленности без боковых лепестков, т.е. близкую к гауссовскому

распределению. В случае многомодового режима диаграмма излучения имеет

многочисленные боковые лепестки, содержащие значительную часть энергии.

Поэтому величина расходимости по заданному уровню энергии или мощности,

т.е. по существу центрального максимума распределения, не очень

показатальна, если неизвестно угловое распределение энергии или мощности в

этом угле. В таких случаях более удобной характеристикой является

энергетическая расходимость лазерного излучения ((W,P или (W,S), т.е.

плоский или телесный угол, внутри которого распространяется заданная доля

энергии или мощности излучения.

Лазерное излучение также характеризуют значением диаметра пучка, т.е.

диаметра поперечного сечения пучка лазерного излучения, внутри которого

проходит заданная доля энергии или мощности.

Для практического определения расходимости используют три основных

метода: метод сечений, метод регистрации диаграммы направленности и метод

фокального пятна.

[pic]

Рис.1.9. Принципиальные схемы трех основных методов измерения расходимости

лазерного излучения

Наиболее простым является метод двух сечений (рис.1.9.а). Согласно

этому методу расходимость (или энергетическая расходимость) пучка излучения

определяют путем измерения диаметров пучка d1 и d2 в двух поперечных

сечениях дальней зоны, отстоящих одно от другого на расстоянии L, и

вычисления искомого угла ( по формуле:

(=arctg[(d2-d1)2L]((d2-d1)/2L

Измерения диаметров d1 и d2 производятся одновременно или

последовательно по одному и тому же критерию — заданному уровню

интенсивности либо заданной доле мощности (энергии). Достоинством метода

является его простота, однако для обеспечения необходимой точности

измерений требуется достаточно большая (до нескольких метров) база между

сечениями, что затрудняет использование данного метода в лабораторных

условиях.

Для уменьшения линейных габаритов установки применяют различные

зеркальные или призменные системы, называемые оптическими линиями задержки.

В качестве примера реализации метода сечений на рис.1.10 показана схема

измерителя расходимости непрерывного лазерного излучения в видимом и

ближнем ИК диапазонах. Излучение лазера 1, отразившись от вращающегося

зеркала 2 (положение а-а), отклоняется на фотоприемник 12 с щелевой

диафрагмой 11 и после преобразования в электрический импульс регистрируется

системой 13. При повороте зеркала на выходе приемника образуется

электрический импульс, длительность которого пропорциональна диаметру

поперечного сечения пучка. При дальнейшем повороте зеркала 2 в положение в-

в пучок излучения, пройдя многозеркальную отклоняющую систему 3-10,

сканирует по щели фотоприемника 11. Длительность импульса на выходе этого

фотоприемника пропорциональна диаметру второго поперечного сечения,

удаленного от первого сечения на расстояние, вносимое зеркальной системой,

удлиняющей ход пучка. В силу расходимости длительность этого импульса

больше первоначального. В регистрирующей системе 13 измеряется разность

длительностей этих импульсов и определяется значение угловой расходимости в

соответствии с соотношением

[pic] (1.15)

где V — скорость сканирования пучка по диафрагме; L — длина

оптической задержки; [pic]— длительность импульсов; d1 и d2 — диаметры

первого и второго сечений пучка. На этом принципе работает измеритель

расходимости с цифровым отсчетом, способный измерять расходимость от 20" до

3600" в диапазонах длин волн 0,4...1,15 мкм и мощности 0,15...1000 мВт.

Погрешность измерения расходимости данным прибором составляет 3%.

Рисунок 1.10. Схема измерителя расходимости пучка непрерывного лазера,

в котором использована модификация метода сечений.

Метод регистрации диаграммы направленности позволяет получить наиболее

полную информацию о пространственном распределении лазерного излучения (см.

Рис. 1.9б). Для измерения диаграммы направленности можно использовать

фотоэлемент или ФЭУ, расположенные в дальней зоне, фотокатод которых закрыт

диафрагмой с отверстием малого диаметра. Перемещая фотоэлемент по дуге

окружности радиусом R, регистрируют угловое распределение интенсивности

излучения. Зная диаграмму направленности, можно рассчитать энергетическую и

угловую расходимости излучения. Измерение диаграммы направленности является

сложной и трудоемкой процедурой, поэтому редко применяется в

метрологической практике.

Метод фокального пятна является наиболее распространенным методом

измерения расходимости. Для проведения измерений в дальней зоне, т.е. в

области дифракции Фраунгофера, требуются, как правило, значительные

расстояния от источника излучения. Условия дифракции Фраунгофера можно

получить в фокальной плоскости идеальной безаберрационной положительной

линзы (рис.1.9в). Для перехода к угловому распределению необходимо линейное

распределение в фокальной плоскости разделить на фокусное расстояние линзы,

то есть угол расходимости излучения лазера определяют по формуле

((a/f ',

где а — радиус пятна на фокальной плоскости. В этом методе для

исключения влияния дифракции на краях линзы применяют длиннофокусные линзы

с большой апертурой, превышающей примерно в 2 раза диаметр падающего

лазерного пучка, а фокусное расстояние линзы должно удовлетворять условию

[pic]

где ( — длина волны лазерного излучения; (W,P — энергетическая

расходимость лазерного излучения, установленная в стандартах или ТУ на

лазеры конкретных типов. Погрешность измерения данного метода в основном

связана с неточностью определения размера пятна и не превышает 27%.

Как в методе фокального пятна, так и в методе сечений суть измерений

расходимости сводится к определению диаметра сечения пучка по тому или

иному критерию. Для определения диаметра пучка излучения применяют в

основном два метода (ГОСТ 26086-84): метод калиброванных диафрагм и метод

распределения плотности энергии (мощности) лазерного излучения. В первом

случае используются диафрагмы с плавно изменяющимся диаметром или сменные

калиброванные диафрагмы. Их устанавливают непосредственно в пучке или в

фокальной плоскости линзы. Изменяя диаметр диафрагм, регулируют диаметр

пучка, в пределах которого заключена заданная доля энергии (мощности)

излучения от полной энергии. В схеме такого измерителя имеются две ветви, в

одной из которых и измеряется полная энергия (мощность) пучка.

Рассмотренный способ является недостаточно точным, а процесс измерения

малооперативным, кроме того, он не дает информации о распределении поля

вблизи максимума излучения и не позволяет выявить неоднородности;

неоднородности в распределении излучения. Для устранения этого недостатка

применяют метод регистрации распределения плотности энергии (мощности)

лазерного изучения в поперечном сечении пучка. Для этого в видимой области

и ближнем ИК диапазоне спектра используют фотографирование пятна излучения

на фотопленку или фотопластинку с последующей обработкой

микрофотометрированием и численным интегрированием на ЭВМ. В случае мощных

импульсных и непрерывных лазеров применяют нейтральные светофильтры для

ослабления излучения. При грубых оценках достаточно мощных лазеров размер

пятна определяют по размеру отверстия, прожигаемого пучком лазера в

непрозрачной мишени (черная бумага, тонкие металлические пластины и т.п.).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5