рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Измерение параметров лазеров

Измерение параметров лазеров - раздел Высокие технологии, Введение Получение Достоверных Результатов Измерений Как Самих Параметров Лаз...

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 A Параметр, характеристика Единица измерения Определение Обозначе-ние Энергетические параметры и характеристики Энергия Дж Энергия, переносимая лазерным излучением W Мощность Вт Энергия, переносимая лазерным излучением в единицу времени P Интенсивность Величина, пропорциональная квадрату амплитуды электромагнитного колебания J Спектральная плотность энергии мощность ДжГц-1 ВтГц-1 W, W P,P Средняя мощность импульса Вт Pu,ср Максимальная мощность импульса Вт Pu, max Спектральные параметры и характеристики Длина волны Частота Ширина спектральной линии Степень хроматичности Пространственно-временные параметры и характеристики Диаграмма направленности Угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения Диаметр пучка м Диаметр поперечного сечения пучка лазерного излучения, внутри которого проходит заданная доля энергии или мощности лазера d Расходимость рад, ср Плоский или телесный угол, 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 QP Энергетическая расходимость рад, ср Плоский или телесный угол, внутри которого распространяется заданная доля энергии или мощности лазерного излучения S Относительное распределение плотности энергии мощности Распределение плотности энергии мощности излучения по сечению лазерного пучка, нормированное относительно максимального значения плотности энергии мощности W,P,W,S Частота повторения импульсов Гц Отношени числла импульсов лазерного излучения ко времени F Длительность импульсов с u Параметры когерентности Степень пространственно-временной когерентности Модуль комплексной степени пространственно-временной когерентности при фиксированных координатах точки в пространстве и времени, равный , где 012 1, 12 - функция взаимной когерентности,11 ,22 - функции взаимной когерентности для точек пространства с радиус-векторами r1,r2 соответственно при 12 Степень пространственной когерентнсти Модуль комплексной степени временной когерентности для фиксированной точки пространства, равный , где 12 - функция пространственной когерентности 12 О Степень временной когерентности Модуль комплексной степени временной когерентности для фиксированной точки пространства, равный , где Г11 - функция взаимной когерентности для точки пространства с радиусом-векторм r11 Время когерентности с Минимальное запаздывание, для которого степень временной когерентности принимает значение равное нулю Длина когерентности м Произведение времени когерентности на скорость электромагнитного излучения в вакууме К Параметры поляризации Плоскость поляризации Плоскость, проходящая через направление распространения линейно-поляризованного лазерного излучения и направление его электрического вектора Эллиптичность поляризованного лазерного излучения Отношение малой полуоси эллипса, по которому поляризовано лазерное излучение к его большой полуоси Степень поляризации Отношение интенсивности 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 Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует A 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 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 1.2 где RTC постоянная времени калориметра. Максимальное значение Т t достигается при t и равно Tmax RTPO. 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 , 1.3 3. В калориметре рассеивается энергия одиночного прямоугольного импульса. Температура калориметрического тела в этом случае изменяется во времени следующим образом 1.4 при 0tu при ut Максимальное значение Т t достигается при t u и равно Tmax BRTWu Wu POuимпульса д постоянная калориметра . Перечисленные частные случаи описывают три основных режима работы калориметрических преобразователей переменной температуры режим измерения мощности непрерывных лазеров, средней мощности импульсно-периодический лазеров и режим измерения энергии одиночных лазерных импульсов.

В рассматриваемых калориметрах наибольшее распространение получили твердотельные приемные измерительные преобразователи.Такие ПИП часто изготавливают в виде полостей - полого конуса, сферы с отверстием, полого цилиндра, а также комбинацией этих элементов.

За счет использовать эффекта многократных переотражений излучения внутри полости удается увеличить коэффициент поглощения приемного преобразователя и тем самым расширить рабочий диапазон длин волн, а также увеличить верхний предел измерения мощности и энергии лазерного излучения.Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует B Упрощенная конструкция калориметрического ПИП прибора ИМО-2 В качестве примера на рис.1.2 изображен ПИП прибора ИМО-2, серийно выпускаемого отечественной промышленностью для измерения средней мощности и энергии импульсов лазерного излучения.

Здесь приемный элемент 1 выполнен в виде медного конуса со встроенным электрическим нагревателем для градуировки, причем на его приемную поверхность нанесено поглощающее покрытие, В качестве чувствительного элемента 2 применена медно-константановая термобатарея, содержащая более 2000 термопар, равномерно распределенных между наружной поверхностью приемного элемента и поверхностью пассивной теплоемкой оболочки 3 калориметра.

Термобатарею получают путем меднения полувитков спирали прямоугольного сечения из константановой - проволоки. Такие элементы не требуют включения в состав ПИП источников питания, так как их выходной величиной является термо-ЭДС, возникающая между холодным и нагретым спаями разнородных металлов и полупроводников.Большое количество термопар в составе термобатареи повышает чувствительность таких ПИП. Измерительная головка ИМ0-2 содержит две одинаковые калориметрические секции с ПИП, которые находятся внутри пассивного термостата, образованного толстостенным медным корпусом и кожухом измерительной головки.

Для уменьшения нестабильности ПИП термобатареи включены последовательно навстречу друг другу, что позволяет исключить влияние температуры окружающей среды.Измерительной блок содержит стабильный усилитель постоянного тока для усиления сигнала с выхода термопреобразователя, стабилизированный источник постоянного напряжения для проверки сохранности градуировочной характеристики прибора в процессе эксплуатации, цепи коммутации и регулировки коэффициента усиления УПТ и аналоговое отсчетное устройство.

Для расширения верхнего предела измерения мощности непрерывного лазерного излучения в комплекте прибора имеется ослабитель.Основные технические характеристики прибора ИМО-2 и некоторых других тепловых средств измерений мощности и энергии лазерного излучения, серийно выпускаемых промышленностью, приведены в табл. 2. В приборе ИКТ имеется также конический элемент, который обладает более высокой стойкостью к лазерному излучению в вследствие того, что на его конический приемный элемент действует лазерное излучение, прошедшее рассеивающий матированный сапфировый элемент.

В результате этого излучение распределяется по всей приемной поверхности и плотность его снижается.В качестве чувствительного элемента здесь используется термометр сопротивления, выходной величиной которого является изменение электрического сопротивления ПИП под действием изменения температуры приемного элемента, возникающего при поглощении падающего излучения.

Поэтому в состав таких ПИП должен входить источник питания.Измерительная головка ИКТ, так же как и в ИМ0-2, содержит два одинаковых ПИП с термометрами сопротивления, включенных в плечи моста постоянного тока. Примером ПИП проходного типа может служить малоинерционный проволочный болометрический измеритель средней мощности излучения рис.1.3 . Такой ПИП выполнен в виде двух редких решеток из тонких металлических проволок, перекрывающих все сечение пучка излучения и соединенных последовательно.

Принцип работы преобразователя основан на болометрическом эффекте, возникающем при частичном поглощении проходящего через решетки лазерного излучения.Для редкой двойной решетки, если ее период значительно превышает диаметр d проволоки, полные потери оптического излучения, включающие потери на отражение, дифракцию и поглощение в элементах решетки, не превышают 4d . Наиболее подходящими материалами для проволок являются платина, золото и никель, которые обладают высокой механической прочностью и технологической простотой изготовления решеток с малым диаметром d и большим периодом . Таблица B п п Наимено-вание Тип ПИП Рабочий диапазон длин волн, мкм Диапазон измерения мощности энергии Вт Дж Время одного измерения для мощности Время установления показания Диапазон длительностей измеряемых импульсов, с Диапазон измеряемых диаметров пучков, мм Основная погрешность измерения, Вид индикации 1 ОСИСМ - образцовое средство измерений средней мощности Термоэлектрический 0.4 - 12 10-3 - 102 2.5 мин 4 10 P 1 3 Цифровой 2 ОИМ-1-1 - образцовый измеритель мощности излучения 80 кг То же 0.3 - 3.5 10-3 - 10-1 8 мин 3 8 P 1 Стрелочный 3 ИМО-2-2М - образцовый измритель мощности и энергии лазерного излучения То же 0.4 - 10.6 10-2 - 102 10-1 - 10 3 мин 5 с 2 мин 210-4 - 10-3 4 12 P 1 3 E 3 4 Цифровой 4 ИМО-2 - измеритель средней мощности и энергии лазерных импульсов Термоэлектрический 0.33 -10.6 510-3 - 102 310-3 - 10 2.5 мин 8 c 2 мин 10-4 - 10-3 4 12 P 5 8 E 7 22 Стрелочный 5 МК 3 - 18А - ваттметр поглощаемой мощности калориметрический Болометрический 0.4 - 3.5 510-4 - 10-2 10-3 - 0.3 10 с 20 с 30 с 10-8 - 10-3 10 P,E 10 20 Стрелочный 6 МЗ - 24 - измеритель мощности калориметрический То же 0.4 - 3.5 10-3 - 10 10-2 -10 10 c 10 c 20 c 10-8 - 10-3 20 P 5 12 E 5 22 Стрелочный 7 ПВ - 1 - пироэлектрический ваттметр Пироэлектрический 0.4 - 10.6 10-4 - 102 10 c 2 23 P 10 20 Стрелочный 8 ФПМ -01 - фотометр переносной малогабаритный для импульсных и непрерывных лазеров Фотоэлектрический 0.4 -1.06 10-7 - 10-1 10-8 - 0.05 1 c 1 c 210-4 - 10-2 2 14 P 15 E 10 20 Цифровой 9 ФПМ -02 - то же для импульсных лазеров модификация ФПМ - 01 Фотоэлектрический 0.53 - 1.06 510-9 - 10-3 1 c 1 c 10-8 - 10-7 2 14 E 20 Цифровой 10 ОСИЭ - образцовое средство измерения энергии Термоэлектрический 0.5 - 10.6 210-2 -10 5 c 4.5 мин 10-8 - 10-3 4 15 E 4 Цифровой 11 ИКТ - 1Н - измеритель калориметрический твердотельный То же 0.4 - 4.0 510-2 - 103 10 c 8 мин 10-8 - 10-3 4 45 E 22 Стрелочный 118 Так, например, из платиновых нитей диаметром 3 5 мкм можно изготовить решетки с поперечным размером более 10 см и периодом 1 мм. В этом случае общие потери но превышают 4510-3 0.02, а коэффициент пропускания приемного измерительного преобразователя достигает 98 . Постоянная времени прибора не превышает 10-3 с. Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует C Функциональная схема малоинерционного болометрического измерителя мощности лазерного излучения проходного типа Если в ПИП чувствительным элементом является термометр сопротивления, который непосредственно воспринимает оптическое излучение и в нем отсутствует конструктивно развитый приемный элемент, то такой ПИП традиционно называют болометром, а в качестве термометра сопротивления могут использоваться не только проволочные проводники, а и пленочные.

Приемно-чувствителльные элементы этих приборов часто помещают в вакуумированную оболочку И тогда их называют вакуумными.

Глубокоохлаждаемые болометры, работающие при температурах жидкого азота и гелия, используют для измерения сверхмалых потоков излучения эквивалентную мощность шума можно снизить до 10-14 ВтГц-1 2 либо при стремлении достичь максимального быстродействия субнаносекундный диапазон . Калориметры, в которых тепловые процессы не приводят к изменению температуры калориметрического тела т.е. ТK TO const , ю называются изотермическими калориметрами, или калориметрами постоянной температуры.

Принцип действия таких калориметров основан либо на использовании эффектов фазового перехода вещества и состоит в измерении количества калориметрического вещества льда , перешедшего под действием поглощенной энергии лазерного излучения в другую фазу воду при температуре существования фазового перехода 0 калориметры с фазовым переходом , либо на эффекте компенсации в самом калориметре выделенного излучением тепла за счет теплового эффекта с противоположным знаком компенсационные калориметры и калориметры с предварительным подогревом . Следует отметить, что на практике такие приборы используются редко, за исключением калориметров с предварительным подогревом.

В этих приборах калориметрическое тело предварительно до поступления и ПИП измеряемого излучения подогревается до некоторой стационарной температуры, превышающей температуру окружающей среды.

При подаче лазерного излучения мощность подогрева вручную или автоматически уменьшают ты, чтобы температура калориметрического тела оставалась прежней.

Поглощенная ч в калориметре мощность в этом случае равна изменению мощности подогрева.

По такому принципу работает образцовый измеритель мощности лазерного излучения ОИМ-1-1, у которого мощность подогрева уменьшается вручную.

Принцип работы пироэлектрических ПИП основан на использовании пироэлектрического эффекта, наблюдаемого у ряда нецентросимметричных кристаллов при их облучении и проявляющегося в возникновении разрядов на гранях кристалла, перпендикулярных особенной полярной оси. Если изготовить небольшой конденсатор и между его обкладками поместить пироэлектрик, то изменения температуры, обусловленные поглощением излучении, будут проявляться в виде изменения заряда этого конденсатора и могут быть зарегистрированы.

Входное сопротивление пироэлектрического приемника является почти чисто емкостным.

Поэтому сигнал на его выходе может появиться только при переменном входном сигнале, что вызывает необходимость модуляции излучения при измерении пироприемником излучения.

Выходной сигнал пироэлектрических ПИП пропорционален скорости изменения среднего прироста температуры d T dt чувствительного элемента, а не величине T, не на которую реагируют тепловой приемники.

Следствием этого является высокое быстродействие приемников до 10-8 , в также высокая их чувствительность 10-7 10-8 Дж , большой динамический диапазон работы 10-8 10 Дж и широкий спектральный диапазон 0.4 10.6 мкм . Конструктивно чувствительный элемент пироприемника не отличается от колориметрических ПИП см. рис. 1.2 , за исключением самого чувствительного элемента 2, выполненного из пироэлектрика.

Среди промышленных разработок измерения малых до 10-9 Вт см2 и сверхмалых до 10-12 Вт см2 потоков излучения наибольшее применение нашли пироэлектрические преемники на основе титаната бария, триглинсульфата и на основе керамики цирконат-титанат бария.

Чувствительные элементы таких ПИП представляют собой плоскопараллельную пластину толщиной 20 100 мкм с нанесенными на обе стороны электродами. На облучаемую сторону пластины наносят поглощающее покрытие либо его роль выполняет полупрозрачный электрод.С помощью сравнительно несложной технологии чувствительные элементы можно изготавливать достаточно сложной формы с размерами приемной площадки от 10-4 до 106. Обладая рядом преимуществ перед тепловыми преобразователями, пирозлектрические ПИП находят все более широкое применение для измерения энергетических и пространственно-энергетических параметров лазерного излучения.

Фотоэлектрический метод.Фотоэлектрический метод измерения энергетических параметров лазерного излучения основан на переходе носителей заряда под действием фотонов измеряемого излучения на более высокие энергетические уровни. В качестве фотоэлектрических ПИП используют фотоприемники ФП , которые делятся на две группы с внешним и внутренним фотоэффектом.

Внешний заключается в испускании электронов под действием фотонов в вакуум, внутренний - в переходе электронов из связанного состояния под действием фотонов в свободное, т.е. в возбужденное состояние внутри материала. В обоих случаях переход происходит при поглощении веществом отдельных квантов излучения, поэтому ФП являются квантовыми приборами.Энергия электромагнитного излучения в них непосредственно превращается в электрическую, которую затем измеряют.

Выходной электрический сигнал ФП зависит не от мощности падающего излучения, а от количества квантов излучения и энергии каждого кванта.Общее выражение преобразования входного оптического сигнала в выходной электрический сигнал, осуществляемого фотоэлектрическим ПИП, можно записать в следующем виде I IФП IТ SP IT 1.5 где I - полный ток, протекающий через ФП, А IФП - ток через ФП, вызванный падающим потоком излучения, А IТ - темновой ток, А S - спектральный коэффициент преобразования, или абсолютная спектральная чувствительность ФП, А Вт P - мощность падающего на ФП излучения, Вт. Ниже кратко рассмотрены основные фотоэлектрические преобразователи, применяемые в средствах измерения мощности и энергии лазерного излучения.

Фотопреобразователи с внешним фотоэффектом.Энергия фотоэлектронов, испущенных с поверхности катода под действием электромагнитного излучения, определяется выражением W h- 1.6 где - частота излучения, Гц h - постоянная Планка, h 6.6310-34 Джс - постоянная зависящая от природы материала фотокатода. Испускание электронов имеет место лишь в том случае, когда h hО, 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, коэффициент сбора электронов i , а m - число каскадов усиления, то коэффициент усиления ФЭУ 1.8 абсолютная спектральная чувствительность ФЭУ S SkM где абсолютная спектральная чувствительность фотокатода ФЭУ, определяемая аналогично по формуле 1.7 . Чувствительность ФЭУ может достигать 105 А Вт в максимуме спектральной характеристики.

В обычных ФЭУ линейность сохраняется до десятков миллиампер, у современных сильноточных - до единиц ампер.При измерениях оптических сигналов большой мощности можно увеличить диапазон линейности ФЭУ для больших потоков частично используя динодную систему и снимая сигнал с промежуточных динодов. Нижний предел динамического диапазона ограничен шумами и темновыми токами ФЭУ, которые обычно составляют 10-11 10-5 А. Быстродействие современных ФЭУ лежит в пределах 30 1 нс 1н 10-9 с . К ФП на основе внутреннего фотоэффекта относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, МДП-фотоприемники и другие полупроводниковые ФП. Для измерения энергетических параметров излучения наиболее широкое распространение получили фотодиоды ФД и фоторезисторы ФР . Действие ФР основано на явлении фотопроводимости, заключающемся в возникновении свободных носителей заряда в некоторых полупроводниках и диэлектриках при падении на них оптического излучения.

Фотопроводимость приводит к уменьшению электрического сопротивления и соответственно к увеличению тока, протекающего через фоторезистор.

Общее выражение для абсолютной спектральной чувствительности ФР может быть представлено в виде 1.10 где e - заряд электрона V - объем освещенности части полупроводника Q - квантовый выход внутреннего фотоэффекта - подвижность фотоносителей - время жизни фотоносителей l - расстояние между контактами u - напряжение, приложенное к ФР. ФР различных типов перекрывают широкий спектральный диапазон 0.4 25 мкм большинство из них требует охлаждения до температуры жидкого азота или жидкого гелия, что вызывает дополнительные трудности при их использовании в измерительной аппаратуре в качестве ПИП. Кроме того, они обладают большей инерционностью и невысокой чувствительностью, что также ограничивает их применение для измерений энергетических параметров лазерного излучения.

Наиболее широкое использование для этих целей имеют германиевые и кремниевые фотодиоды.

Возникающие под действием излучения неосновные носители диффундируют через p-n-переход и ослабляют электрическое поле последнего, что приводит к изменению электрического тока в цепи. Фототок в широких пределах линейно зависит от интенсивности падающего излучения и практически не зависит от напряжения смещения.

Для измерения энергетических параметров излучения обычно используют фотодиодный режим с питанием , так как при этом диапазон линейности и быстродействие гораздо больше, чем в фотовольтаическом режиме без питания . Важное значение для работы всех ФП имеет согласование с электронной схемой.Абсолютная спектральная чувствительность ФД S Q 1- 1.24 1.11 где - коэффициент пропускания окна прибора - коэффициент собирания носителей Q - квантовый выход - длина волны излучения - коэффициент отражения.

В рабочем спектральном диапазоне абсолютная спектральная чувствительность составляет десятые доли А Вт. Область спектральной чувствительности кремниевых фотодиодов составляет 0.4 1.2 мкм максимум около 0,85 мкм , германиевых - 0.3 1.8 мкм максимум в области 1,5 мкм . Такие ПИП не требуют охлаждения.Темновые токи у кремниевых ФД примерно на порядок ниже, чем у германиевых и достигают 10-5 10-7 А, а при специальной технологии изготовления - 10-9 10-12 А. ФД обладают сравнительно низким уровнем шумов, что в сочетании с высокой чувствительностью делает, их ФП с низким порогом чувствительности.

Это позволяет использовать ФД для измерений весьма слабых потоков излучения до 10-6 Вт Инерционность обычных полупроводниковых ФД составляет 10-6 10-8 с, а временное разрешение Ge и Si лавинных ФД достигает 1 10 нс. ФД изготавливают с размерами фоточувствительной площадки примерно от долей мм до 10 мм, а лавинные ФД - до 1 мм. Для измерения относительно больших уровней мощности и энергии целесообразно применять ПИП с невысокой чувствительностью, т.е. ФЭ. Для измерения средних уровней энергетических параметров лазерного излучения можно применять как вакуумные приборы ФЭУ , так и полупроводниковые ФР, ФД . Для измерения малых потоков требуются приемники с высокой чувствительностью и низким уровнем шума. Фотодиоды уступают по чувствительности ФЭУ. Однако ФД обладают низким уровнем шума. Это позволяет применять ФД для измерения малых потоков не непосредственно, а с помощью усилителя.

В этом случае ФД вполне могут конкурировать с ФЭУ, а в ряде случаев и превосходить их по характеристикам.

Основные преимущества ФД по сравнению с ФЭУ небольшие габариты, низковольтное питание, высокая надежность и механическая прочность, более высокая стабильность чувствительности, низкий уровень шумов, лучшая помехозащищенность от электрических и магнитных полей. Недостатки ФД по сравнению с ФЭУ меньшее быстродействие для большинства ФД, более сильное влияние температуры на параметры и характеристики прибора.

Для измерения временных параметров лазерного излучения следует применять наиболее быстродействующие фотоэлектрические приемники - ФЭ, для измерения малых потоков - ФЭУ и лавинные ФД. Для измерения мощности лазерного излучения в непрерывном режиме могут быть использованы как вакуумные, так и полупроводниковые ФП, поскольку здесь не требуется их высокого быстродействия.Пондеромоторный метод В пондемоторных измерителях энергии и мощности лазерного излучения используется эффект П. Н. Лебедева . Лазерное излучение падает на тонкую приемную металлическую или диэлектрическую пластину и давит на нее. Давление сила измеряется чувствительным преобразователем.

Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует D Функциональная схема крутильных весов Для измерения давления излучения используют различные преобразователи емкостные, пьезоэлектрические, крутильные весы на механическом и магнитном подвесе, механотроны.

Первые два типа большого распространения не получили из-за малого значения коэффициента преобразования, малой помехоустойчивости и сложности системы отсчета и регистрации.Наиболее широко применяются крутильные весы - классический прибор для измерения малых сил. Схема устройства приведена на рис.1 На растяжках или подвесе 1 укреплено коромысло 2 с приемным крылом 3, противовесом 4 и зеркалом 5, расположенным в вакуумированной камере.

При попадании оптического излучения на приемное крыло подвижная система отклоняется от положения равновесия на некоторый угол, по величине которого можно судить о значении оптической мощности или энергии.Крючок 6 предназначен для крепления груза при калибровке весов определения их момента инерции и жесткости подвеса . Из решения уравнения движения крутильного маятника можно получить значение угла поворота приемной пластины 3 при воздействии на нее непрерывного излучения мощностью P 1.12 где - коэффициент отражения пластины - коэффициент пропускания входного окна камеры l - расстояние от оси пучка излучения до оси вращения - угол падения излучения на пластину c - скорость света K - жесткость подвеса.

Аналогичное выражение можно получитъ для максимального угла разворота пластины max - под действием импульса излучения энергией Wu 1.13 где J - момент инерции вращающейся системы.Углы поворота отсчитываются на шкале 8 по отклонению светового пятна от лампочки 7 рис. 1.4 . При известных параметрах системы формулы 1.12 и 1.13 позволяют определить энергию и мощность излучения в абсолютных единицах.

В настоящее время в конструкцию пондеромоторных измерителей введено много усовершенствований, которые позволили улучшить их эксплуатационные и метрологические параметры. Прежде всего оказалось возможным отказаться от вакуумирования и использовать атмосферное давление воздуха в камере.Применение в качестве приемных элементов прозрачных диэлектрических пластин вместо отражающих металлических позволило увеличить верхний предел изменения энергии излучения до 104 Дж . Такие устройства позволяют измерять мощность лазерного излучения, начиная с единиц миливатт, и энергию импульсов в десятые доли джоуля.

Для отсчета угла поворота крутильных весов часто используют емкостный преобразователь. В этом случае пластина противовеса является одной из пластин конденсатора, включаемого в резонансный контур генератора.При повороте подвижной системы емкость конденсатора, а значит, и частота генератора меняются, изменение частоты измеряется частотным детектором.

Чувствительность такой системы очень высока, но сама система громоздка и сложна в настройке и управлении. Другим способом реализации высокочувствительной системы отсчета является схема с двумя фоторезисторами, которые включены вместе с двумя постоянными резисторами в мостовую схему. В положении равновесия мост сбалансирован.При отклонении системы освещенность фоторезисторов меняется, мост разбалансируется и в его измерительной диагонали появляется ток, пропорциональный углу поворота, который регистрирует микроамперметр.

Подобные системы индикации используются в гальванометрических фотоусилителях Ф117, Ф120, имеющих чувствительность около 0.1 А рад, что позволяет измерять минимальный угол отклонения порядка нескольких угловых секунд.Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует E Магнитный подвес в пондеромоторном измерителе Увеличение чувствительности в пондеромоторных измерителях и улучшение развязки подвижной системы от толчков и вибраций достигнуты при помощи бесконтактного подвеса в магнитном поле рис. 1.5 . Подвижная система 1 с приемной пластиной 2, противовесом 3 и ферромагнитным якорем 4 подвешена в магнитном поле соленоида 5 внутри камеры.

Ток соленоида регулируется специальной автоматической системой, состоящей из датчика 6, линейного 7 и дифференциального устройства 9. При изменении вертикального положения системы в ответ на сигнал датчика вырабатывается сигнал обратной связи, усиливающий или ослабляющий ток через соленоид и стабилизирующий положение системы.

Поперечная устойчивость обеспечивается радиальным градиентом напряженности поля соленоида. Помимо крутильных весов для измерения используются механотроны, которые представляют собой электровакуумный прибор с механически управляемыми электродами.При воздействии внешнего механического сигнала в механотроне происходит перемещение одного или нескольких подвижных электродов, что вызывает соответствующее изменение анодного тока. Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует FСхема устройства диодного механотрона Отечественная промышленность выпускает ряд механотронных преобразователей, оформленных в виде обычных электронных ламп с октальным цоколем 6MXIБ, 6MXЗС и др. и в миниатюрном оформлении с гибкими выводами 6MXIБ и т.п Конструкция этих механотронов показана на рис. 1.6. Сам механотрон представляет собой диод с плоскопараллельными электродами. В стеклянном баллоне 1 находятся неподвижный катод 2 с подогревателем 3 и подвижный анод 4, жестко соединенный со стержнем 5, который впаян в гибкую мембрану 6. Входной механический сигнал сила F подается на внешний конец стержня.

При этом подвижный анод перемещается относительно неподвижного катода, что приводит к изменению анодного тока и выходного сигнала преобразователя, который для измерения включают в мостовые схемы. Чувствительность механотронов не превышает 10 мА г или по мощности 10-9 А Вт . Такое значение чувствительности при величине флуктуаций тока 0.1 мкА, вызываемых температурным дрейфом, толчками и вибрациями, дает возможность уверенно измерять давление непрерывного излучения более 1кВт. Если излучение промодули ровать так, чтобы подвижная система механотрона вошла в резонанс, нижний предел измерения может достичь 100 Вт. Поэтому механотронный преобразователь обычно применяют для измерения больших уровней мощности и энергии импульсов лазерного излучения, например непрерывного излучения мощных СО2-лазеров и импульсного на стекле с неодимом.

Опыт, накопленный при разработке и эксплуатации различных типов измерителей энергии и мощности лазерного излучения, позволяет сделать заключение об областях применения, достоинствах и недостатках различных методов.

К достоинствам теплового метода измерения энергетических параметров лазерного излучения относятся широкие спектральный и динамический диапазоны измерения, простота и надежность измерительных средств.

В настоящее время в некоторых калориметрических измерителях достигнута наиболее высокая точность измерения, а при использовании пироэлектрических приемников излучения и быстродействующих термоэлементов и болометров удалось получить быстродействие до единиц наносекунд.

К недостаткам теплового метода можно отнести малое быстродействие и чувствительность как раз тех тепловых приборов, которые обеспечивают наиболее высокую точность измерения. В приборах, основанных на фотоэлектрическом действии излучения, достигаются максимальная чувствительность и быстродействие это позволяет использовать их в качестве измерителей формы импульсов и импульсной мощности вплоть до субнаносекундного диапазона.

Недостатками таких приборов является сравнительно узкий спектральный диапазон и обычно невысокий верхний предел измерения мощности энергии , а также большая погрешность измерений 5 30 по сравнению с тепловыми приборами. Преимущество пондеромоторного метода - высокий верхний предел измерения энергии и мощности излучения при достаточно высокой точности абсолютных измерений.

Основной недостаток - жесткие требования к условиям эксплуатации особенно к вибрации и, вследствие этого, ограничения к применению в полевых условиях.Измерение основных параметров импульса лазерного излучения Как известно ряд активных сред в силу принципиальных или технических ограничений обычно работают в импульсном режиме генерации, Сюда в первую очередь относятся лазеры на самоограниченных переходах - азотный лазер, генерирующий в УФ диапазоне 337,1 нм , и лазер на парах меди, дающий мощные импульсы зеленого излучения 510,5 нм , Еще более широко распространены рубиновые лазеры и лазеры на неодимовом стекле, импульсный характер генерации которых обусловлен прежде всего особенностями системы накачки и охлаждения активной среды. И наконец, в некоторых наиболее ответственных случаях для повышения пиковой мощности излучения некоторые лазеры переводятся в режим управляемой генерации при этом наиболее часто используются методы управления добротностью резонатора для получения так называемого гигантского импульса и синхронизации продольных мод с целью получения пикосекундных правильнее - сверхкоротких импульсов.

В результате возникает задача измерения основных параметров генерируемого лазером импульса излучения. Очевидно, что наиболее простым было бы построение измерений по схеме получения абсолютной зависимости мощности излучения от времени P t с последующим извлечением из нее всех интересующих величин - обычно это пиковая мощность Pu,max P t , энергия импульса и его длительность t. Однако точность таких измерений обычно невелика.

Поэтому, как правило, разделяют измерение временных Рmax и u и энергетических W параметров, что кроме повышения точности получаемых результатов позволяет упростить сами измерения.

При этом измерение энергии импульса проводится обычно с помощью калориметрического измерителя см.1.1 , обеспечивающего наибольшую точность, или фотодиода с последующим интегрированием фототока, а измерение зависимости Р t - с помощью фотоэлектронного приемника с высоким временным разрешением.

Именно по такой схеме построены серийные приборы марок ФН и ФУ, рассчитанные на работу в диапазоне 0.4 1.1 мкм при энергии в импульсе 10-3 10 Дж и пиковой мощности 104 108 Вт при длительности импульса u 2.5 510-9 с и частотой повторения F 1 кГц погрешность измерения энергии E20 , а мощность около 25 . Анализ параметров импульса с помощью осциллографа.

Для измерения формы импульса и его временных параметров в частности, длительность импульса u, времен нарастания и спада и т.п. используют быстродействующие фотоприемники с высокой линейностью световой характеристики.К ним, в первую очередь, относятся специально разработанныt во ВНИИОФИ коаксиальные фотоэлементы серии ФЭК, рассчитанные на нагрузку 75 Ом и напряжение питания 1000 В их временное разрешение собственная постоянная времени колеблется в пределах от 10-9 до 10-10 с, и максимальный фототок от 1 до 7 А у разных марок, отличающихся конструкцией и типом фотокатода. Таким образом, вопрос об эффективном преобразовании светового импульса в электрический в первом приближении по крайней мере для лазеров с 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 310-9 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 10-9 510-13с, 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 61010 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 510-13 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 1.7 1967 1.7 l TC n, n i 1.7 l i-1 i 1 2l i-2 ? i 2 I1 I2 Ii Ii2 2Ii 2 4Ii2 1.8 . 1.8 1.8 3,0 0,1 , , 1.1 Измерение пространственного распределения энергии в лазерном пучке d2 , d Qp s 0,5 ? 1 ?2 W,P W,S 1.9. 1.9 . d1 ? d2 L arctg d2-d1 2L d2-d1 2L d1 ? d2 1.10 1, 2 , 12 ? 11 13 2 3-10, 11 13 1.15 V - L d1 ? d2 20 3600 ? 0,4 1,15 ? 0,15 1000 3 . 1.10 1.9 R 1.9 a f 2 W,P 27 26086-84 1.11 L ? L ? Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует G Схема автокалибровочного способа измерения расходимости излучения , In n, L In I0 1- 22 n-1 1.18 IO P 1.5 100 ? 5?5 10?10 2 0.4 25 15?15 2 10 1.2 Измерение поляризации лазерного пучка 100 R1 90 80 t 1 x , z 2 xy z 4 3 x ?x ? AY 0.5arctg s2 s1 x-y arctg s2 s3 S1, S2, S3 ?1 ? x ? z P OP1 p I I P1 2 Ps1 ? Ps2 s0 I - s1 Ix-Iy 0 x ? 90 y s2 I-I - XY I ? xOy I- s3 I-I s1, s2 Ix, Iy, I ? I 90 ?1 Ix, ?2 - Iy, ?3 - I 45 ?5 - I . ?4 ? ?6 , I I 10-8 ? b ? 1 s0 I1 0 I2 0 , f2 2 2 , 0.54, 4 2. ИЗМЕРЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ И КОРРЕЛЯЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ t ? l ct 1 2t 106 2.2 ? 2.3 2.1 Влияние параметров лазера на когерентность его излучения t , 1 1 ? 100 mnq q mn 180 , c 2L c L q - mn - mn Q 0.5 mnq 106 ? mnq 0.5 ? 4L mn ? 2.3 . 0 h h q ? 0 1 1983 0,515 127I2 3,39 He-Ne CH4 1,310-9 127I2 1,310-10 He-Ne CH4 . 610-10 0.57629476027 ? He-Ne , 127I2 He-Ne 0,6329 ? 0,612 ? 1.110-9 ? 110-9 ? 1 2 9192631770 14204057518 ? He-Ne 88376181,608 . 3 2.2 Интерферометры для измерения спектра лазерного излучения 2.1 7, 5 ? 3 1. 2.1 2 , 4 6 2.1 l 2 2? 4l 3 10 2 0.2 ? 1.1 2.2 5 7 ? 10 ? 1 11 8. 7 2 2l 0.5, 0.5 9 , 7 2.1 . 4 2.2. 00 3 00 2. mn , 180 N a2 L . 2.3 3 ? 2 - 2.1, 2.2 . 4 2.3 4 n0 ? ne ? 4 ? 0.63 3.39 1.15 0.49 0.52 0.10 4 4 2 4 4 2 ? 90 2.4 ? 60 2.4 U t , R1 l1 l2 l3 0.1 R l10 0.5 ? 4L L 0.1 0.5 0.1 0.50.1 . 150 N1 2.3 Измерение частоты лазерного излучения методом фотобиений 1 ? 2 i t 1 2, 21 ? 22 2 ? ?2 1-2 102 3,39 He-Ne 10 40 2 Первый недостаток гомодинного метода нулевая центральная частота и, соответственно, сильная зашумленность можно устранить, используя метод переноса частот в оптическом или радиодиапазоне.

При оптическом переносе часто используется продольный линейный эффект Доплера при отражении излучения от прямолинейно движущегося с постоянной скоростью Vзер зеркала.

В результате спектр половины исследуемого пучка переносится в область более высоких зеркало движется к лазеру или низких зеркало движется от лазера частот на величину 2Vзер c ген. Основным недостатком метода оптического переноса частоты гомодинных фотобиений иногда этот способ называют квазигомодинным детектированием, хотя такое название не полностью отражает его существо является влияние нестабильности движения зеркала, приводящее к дополнительному и неконтролируемому уширению получаемого спектра.

Перенос спектра в область слабозашумленных в электронном тракте частот может быть осуществлен и радиотехническим методом гетеродинирования.

Для максимального снижения шумов этот прием надо применять непосредственно к фототоку а не в последующем электронном тракте, как это делают в обычных супергетеродинных приемниках слабых сигналов , для чего используют фотоЛБВ в СВЧ диапазоне сдвигов и ФЭУ с поперечным высокочастотным магнитным полем в диапазоне сдвигов 103 МГц. Метод галогенного приема ранее до появления сканирующих интерферометров широко использовался для анализа количества генерируемых продольных мод многочастотного лазера 1, излучение которого фокусируется на фотоприемнике 3 линзой 2 рис. 2.5 . При этом на экране радиочастотного спектроанализатора 4 наблюдались особенности частотного спектра фотобиений возникающих в фотоприемнике 3 , обусловленные эффектами затягивания и отталкивания в области частот генерации отдельных продольных мод лазера с неоднородно уширенной линией рабочего перехода.

В результате спектр генерации незначительно 106 Гц и, что самое главное, неодинаково на разных модах отличался от эквидистантного с шагом рез с 2Lопт спектра оптического резонатора.

В результате на первой разностной частоте i i-j частоты биений разных мод несколько различались.

Легко показать, что количество этих разностных частот на единицу меньше количества генерируемых мод Nген INT ген рез , где ген - ширина полосы генерации.

Действительно, две моды с частотами 1 q1рез 1 и 2 q2рез 2 дадут биения только на единственной разностной частоте 21 рез 2-1 аналогично для трех мод получим две почти одинаковые разностные частоты 31 рез 3-2 и 21 рез 2-1 и еще одну частоту - вдвое большую 31 2рез 3-1, на второй резонансной частоте число пиков на два меньше числа генерируемых мод ген. Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует H Определение количества генерируемых лазером мод по тонкой структуре спектра фотобиений, возникающих в квадратичном фотоприемнике справа крупно показаны информативные участки спектра фотобиений, наблюдаемых на экране радиочастотного спектроанализатора, для случаев двух N 2 пяти N 5 продольных мод. Отметим две особенности рассматриваемого приема анализа спектра многочастотного лазера во-первых, таким способом затруднительно но, в принципе, возможно определение интенсивностей отдельных мод, наглядно видимых на экране сканирующего интерферометра правда, с плохим разрешением по частоте во-вторых, из-за случайного совпадения величин сдвигов частоты отдельных мод j i могут возникнуть ошибки при определении Nген на первой разностной частоте.

Последнего можно избежать, измеряя максимальную разностную частоту, еще присутствующую в спектре фотобиений искомое число Nген на единицу больше N1 рез однако величина N1, может оказаться за пределами полосы пропускания фотоприемника или электронного тракта , поэтому данный прием можно использовать только для контроля результатов измерения по количеству пиков на первой разностной частоте.

В заключение несколько слов об измерении основных параметров когерентности лазерного излучения степени пространственной и временной когерентности излучения.

Несмотря на то, что оба эти параметра являются фундаментальными при описании лазерного излучения, ни один из них до настоящего времени не стандартизован.

Известные методы и средства измерений когерентности не являются таковыми, поскольку отсутствуют измеряемая величина, мера и узаконенная единица физической величины.

Соответствующие измерительные установки фактически позволяют только визуализировать картину распределения поля и проводить ее качественный анализ.

Поэтому вопросы, смазанные с непосредственным измерением параметров когерентности в данном учебном пособии не рассматривается. 3. ИЗМЕРЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГЛАВНЫХ КОМПОНЕНТОВ ЛАЗЕРА Как известно, главными компонентами подавляющего большинства лазеров являются активная среда и оптический резонатор причем активная среда, преобразующая энергию накачки в когерентное излучение, определяет энергетические характеристики лазера и длину волны излучения , а оптический резонатор - частотные тонкую структуру спектра излучения и пространственные распределение энергии в дальней зоне и его интегральный параметр - расходимость . В силу этого особое значение приобретает измерение усиления активной среды и потерь резонатора - основных параметров этих двух принципиально неотъемлемых компонентов лазера. 3.1 Компенсационный метод измерения потерь или усиления лазерных компонентов Данный метод иногда его называют методом калиброванных потерь является наиболее эффективным для решения рассматриваемой задачи.

Сущность его достаточна проста и заключается в использовании калибрированного устройства с регулируемыми потерями аттенюатора ослабителя , устанавливаемого внутри измерительного лазера.

До начала измерения система выводится на порот генерации, что наиболее просто регистрируется визуально, а наиболее точно - с помощью фотоэлектрических измерителей мощности см.1.1 . Этому исходному состоянию соответствуют дополнительные потери а1 вносимые измерительным аттенюатором.

Затем изменяются и параметры измеряемого компонента в активной среде включается или выключается накачка, в оптическую схему вводятся или выводится пассивные элементы дополнительные зеркала, селекторы мод, модуляторы в т.п вносится контролируемая разъюстировка резонатора и т.п. это приводит к изменению режима генерации в измерительном лазере.Для повторного приведения лазера в режим близпороговой генерации изменяют вносимые аттенюатором потери до необходимого значения u2. Тогда разница a2-a1 с учетом знака даст измеряемую величину потерь или усиления за цикл, последний обычно составляет два прохода излучения через элемент активную среду, модулятор, селектор мод и т.п. и лишь при измерении дифракционных потерь в том числе, потерь из-за разъюстировки и потерь на поглощение и светорассеяние в концевых отражателях линейных резонаторов не требуется делить a2-a1 на 2. В качестве измерительного аттенюатора при реализации компенсационного метода измерения параметров лазерных компонентов наиболее часто используют пластинку рис.3.1а , устанавливаемую внутри резонатора под углом к оптической оси. Как известно, минимальные потери такая пластинка вносит, если arctg n n - показатель преломления материала пластинки для длины волны генерации лазера ген . Если , то коэффициент френелевского отражения на каждой поверхности u tg2 tg2 , где - угол преломления соответственно коэффициент пропускания уменьшится на величину к 1- 2 при использовании кольцевого резонатора и на л 1- 4 - в линейном лазере за счет двойного прохода за цикл. Коммерческие аттенюаторы данного типа имеют угломерную шкалу, позволяющую отсчитывать угол поворота пластинки с точностью, обеспечивающей расчет 1- 4 до 0.001 т.е. 0.1 . Следует, однако, иметь в виду что такая точность достигается лишь при абсолютном знании угла , для чего пластинка с угломерным устройством должна быть предварительно отъюстирована по отношению к оптической оси измерительного лазера.

Этой операции можно избежать, установив предварительно пластинку под углом Брюстера по минимуму отражения и сняв соответствующий отсчет Б тогда текущим потерям при угле поворота Б будет соответствовать угол падения Б -Б , где Б рассчитывается аналитически по известному показателю преломления материала пластинки n Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует A Измерительные аттенюаторы френелевского типа а - одиночная пластинка, наклонно установленная в резонаторе б - графики френелевского отражения для двух основных поляризаций в - схема спаренного из двух пластинок аттенюатора Для упрощения процесса измерения некоторые зарубежные фирмы изготавливают измерительные аттенюаторы брюстеровского типа рис.3.1в а в виде спаренных пластинок 1 и 5, разворачивающихся в разные стороны при повороте колес 2 и 4 от одного червяка с лимбом 3 эта двухкаскадная схема позволяет исключить смещение оптической оси и, соответственно, разъюстировку резонатора измерительного лазера , возникающее при повороте одиночной пластинки.

Естественно, такой спаренный аттенюатор в линейном резонаторе имеет коэффициент пропускания л 1- 8 в кольцевом резонаторе или при работе на проход 1- 4. 3.2 3.2. Измерение усилия активной среды В лазерной технике активная среда обычно конструктивно оформлена в виде активного элемента кристаллического или стеклянного стержня в твердотельных лазерах, газоразрядной кюветы в подавляющем большинстве газовых лазеров, пластины полупроводника.

В полупроводниковых лазерах и т.д. При этом активный элемент функционирует в лазере только под действием накачки - специального устройства, обеспечивающего такое специфическое воздействие на рабочие частицы активного элемента, которое приводит к созданию в нем удельной т.е. в 1 см3 инверсной населенности n nв-nн gв gн между верхним рабочим лазерным уровнем ВРУ и нижним НРУ . Инверсной населенности n соответствует удельный коэффициент усиления активной среды k nBh v, где B Ввн - коэффициент Эйнштейна для стимулированного перехода с ВРУ на НРУ, а v c n - скорость света в активной среде.

Следует напомнить, что для расчета основных энергетических характеристик лазерных устройств удобнее пользоваться удельной мощностью Pуд и параметром насыщения соответственно для лазера и квантового лазерного усилителя, причем все три расчетных параметра активной среды связаны соотношением вида Pуд vki. Однако в связи с невозможностью непосредственного измерения Pуд как мощности когерентного излучения, снимаемой с единицы объема активной среды, помещенной в идеальный, т.е. без диссипативных потерь резонатор с оптимизированным коэффициентом связи и техническими трудностями, возникающими при попытках непосредственного измерения эффекта насыщения усиления в большинстве серийных активных сред, в технике лазерных измерений обычно довольствуются измерением ненасыщенного коэффициента усиления k0 n0Bhv c, где индекс 0 подчеркивает, что удельный коэффициент усиления измерен при отсутствии насыщения, т.е. при бесконечно малой плотности энергии стимулированных переходов. 3.2.1 Измерение ненасыщенного усиления методом калиброванных потерь.

Непосредственное использование компенсационного метода см.3.2 для измерения ненасыщенного удельного коэффициента активной среды обладает рядом особенностей, снижающих точность и ограничивающих область применения получаемых результатов.

Действительно, в простейшем варианте рис.3.2 процедура измерения выглядит довольно просто на первом этапе пластинки компенсатора выставляются под углом Брюстера, что уменьшает величину вносимых ими потерь до a0, включается накачка измеряемой активной среды и осуществляется подъюстировка резонатора измерительного лазера для минимизации дифракционных потерь aд на втором этапе собственно измерении потери аттенюатора увеличиваются на величину 1- 4, соответствующих порогу генерации измерительного лазера.

Очевидно, что при этом полный коэффициент усиления активной среды за цикл компенсирует все потери резонатора за цикл Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует B Простейшая схема измерения ненасыщенного усиления активной среды методом калиброванных потерь одиночного аттенюатора френелевского типа Рез 1 2 до 1 2 aос a2, где 1,2 и 1,2 - соответственно диссипативные потери концевых отражателей и их коэффициенты пропускания, до - дифракционные потери резонатора aос - диссипативные потери активного элемента a2 a0 1- 4 - потери аттенюатора.

Очевидно, что абсолютная погрешность измерения потерь компенсирующих усиление в таком простейшем варианте составляет 1 2 1 2 aдо a0 и обычно превышает 0.001 или 1 . Наиболее просто она может быть уменьшена при учете величин 1, 2 и a0 , которые легко замеряются с помощью спектро фотометра.

Следует, однако, иметь в виду, что по крайней мере часть моделей этих измерительных приборов, имеющих цену деления измерительной шкалы 0.001 или 0.1 , гарантируют лишь воспроизводимость измерений на данном приборе или, реже, на приборе данной модели с такой погрешностью 0.001 , но не абсолютную точность, составляющую обычно 0.002 0.01 0.2 1 . Таким образом, непосредственное измерение усиления активной среды компенсационным методом дает абсолютную точность 0.01 1 , что гораздо ниже точности вносимых аттенюатором потерь 0.001 или 0.1 . Естественно, относительная погрешность измерения будет существенно зависеть от величины полного усиления K0 exp 2l0k0 . Если К мало 0.1 или 10 , что типично для гелий-неоновых, кадмиевых и, в меньшей степени, аргоновых и CO2 газоразрядных кювет, то целесообразно усложнить измерительный лазер, дополнив его вспомогательной активной средой 1 того же типа, но функционирующей возбуждаемой на обоих этапах измерены рис.3.3 . Такой прием позволяет в случае стабильности коэффициента усиления вспомогательной активной среды во время его цикла измерения полностью исключить остаточные потери измерительного лазера, в том число и трудноконтролируемые дифракционные потери д. Действительно, при первом измерении возбуждена только вспомогательная активная среда 1 порогу генерации соответствует условие exp 2lвсkвс x4 1- 1-2 4 , а при втором возбуждена и в измеряемой активной среде 2 -x4 1- 1-2 4 exp 2lвсkвс 2l0k0 . Легко показать, что искомая величина усиления K0 exp 2l0k0 1- 1-1 4 1- 1-2 4 , а точность ее измерения теперь определяется в основном точностью измерения потерь 2, вносимых аттенюатором при втором измерении так как на рабочей ветви кривой крутизна зависимости коэффициента отражения от угла падения монотонно нарастает с ростом . Рисунок Ошибка! Текст указанного стиля в документе отсутствует C Повышение точности измерения ненасыщенного усиления основной активной среды 2 длиной l0 при двухэтапном методе Возможность по крайней мере, потенциальная повышения точности измерения коэффициента усиления активных сред позволяет рассмотреть особенности зависимости коэффициента усиления от частоты и по поперечному сечению активного элемента.

В связи с тем, что зависимость коэффициента усиления активной среды от частоты в производственных условиях не измеряется ввиду чрезвычайной сложности таких экспериментов как в методическом, так в чисто техническом плане , остановимся лишь на том, какой же, собственно, коэффициент усиления активной среды измеряется компенсационным методом. В зависимости от вида уширения спектральной линии рабочего лазерного перехода различают, как известно, однородное уширение и неоднородное.

При однородном и близком к нему уширении, когда одннеод зависимость ненасыщенного коэффициента усиления от частот в пределах полуширины линии практически отсутствует, т.е. k0 k0 0 , где 0 - частота в центре спектральной линии.

Типичным примером такой активной cреды является гелий-неоновая смесь, генерирующая на длине волны ген З.39 мкм. Ситуация существенно.

– Конец работы –

Используемые теги: Измерение, параметров, лазеров0.056

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Измерение параметров лазеров

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Еще рефераты, курсовые, дипломные работы на эту тему:

Измерение Параметров Луча лазера
Измерение Параметров Луча лазера... Я... A...

Проектирование преобразователя для измерения отклонений геометрических параметров
При описании принципа действия измерительного устройства, включающего последовательный ряд измерительных преобразователей, часто представляют его в… Первые предназначены для подобного воспроизведения входного сигнала в выходном… Операционные преобразователи являются инерционными, так как у них значение выходного сигнала в любой момент времени…

Измерение параметров и характеристик сверхвысокочастотных линий связи и их компонентов
Комплексный коэффициент отражения определяется как отношение комплексной амплитуды напряжения волны отраженной от ДП к комплексной амплитуде… На приведенном ниже рисунке 2 приведена эквивалентная схема ЧП на СВЧ. Рисунок… Типы измерительных трактов и их компоненты По принципу действия схемы измерительных трактов делятся на: –…

Конспект лекций по курсу: Методы и способы измерений параметров окружающей среды ВСТУПЛЕНИЕ
ВСТУПЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ ПРИРОДНОЙ... ОБЩАЯ СХЕМА АНАЛИЗА И ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ...

Измерение. Погрешности измерений
Лабораторный практикум содержит описание лабораторных работ подготовленных в... Для облегчения усвоения учебного материала в практикуме к каждой лабораторной работе изложен теоретический материал в...

Измерение параметров и характеристик четырехполюсников. Идентификация неоднородностей и повреждений в линиях связи
Это искажение возникает вследствие того, что различные частотные составляющие запаздывают на разное время.Для количественной оценки фазовых… При практических измерениях ГВЗ бесконечно малые приращения фазы и частоты… Четырехполюсник (ЧП) не вносит искажений, если ГВЗ сохраняется постоянным во всем диапазоне частот. В противном случае…

Моделирование и методы измерения параметров радиокомпонентов электронных схем
К этому следует добавить, что на территории России, стран СНГ и за рубежом налажено производство широкого ассортимента стандартных РК, что… Исследования поведения РК, а также попытки их описания с помощью формул,… Появление алгоритмических методов измерения было обусловлено несколькими факторами: 1. Увеличением количества РК. 2.…

Лазеры на гетеропероходах (полупроводниковые лазеры)
В условиях термодинамического равновесия валентная зона полупроводника полностью заполнена электронами, а зона проводимости пуста.Предположим, что… Согласно правилу Стокса - Люммля энергия излученного кванта меньше по… Единственно возможными переходами электронов в полупроводнике в рассматриваемых условиях являются переходы зона…

Измерения параметров электромагнитных волн на сверхвысоких частотах.
Важными также являются измерения фазового сдвига, напряженности поля, добротности, ослабления мощности волны, амплитудно- частотного спектра и др.… Различают прямые и косвенные измерения. Прямые измерения применяют в тех… Основными характеристиками радиоизмерительных приборов являются: диапазон измеряемых величин; диапазон частот, в…

Проектирование системы измерения электрических параметров каналов звуковой частоты
Особенно много линий связи используется в развитых странах (в США и Западной Европе), так как там в последнее время очень бурно развиваются… В настоящее время для высокоскоростной связи применяются оптоволоконные… Целесообразно полностью использовать их возможности.

0.033
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • По категориям
  • По работам