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,

коэффициент сбора электронов (i , а m — число каскадов усиления, то

коэффициент усиления ФЭУ:

[pic] (1.8)

абсолютная спектральная чувствительность ФЭУ:

S(= S(k(M

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:

[pic] (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.

Страницы: 1, 2, 3, 4