Рефераты

Главная

Иностранные языки

Инвестиции

Зоология

Журналистика

Режущий инструмент

Реклама и PR

Ресторанно-гостиничный
бизнес бытовое обслуживан

Римское право

Русский язык культура речи

Политика выборы власть

Политология политистория

Право

Юридическая психология

Финансы деньги и налоги

Философия

Теория организации

Теплотехника

Технология

Товароведение

Финансовые науки

Управленческие науки

Строительные науки

Авиация и космонавтика

Административное право

Безопасность
жизнедеятельности

Рефераты по рекламе

Рефераты по физике

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

| |я | | |

|Энергетические параметры и характеристики |

|Энергия |Дж |Энергия, переносимая |W |

|Мощность |Вт |Энергия, переносимая |P |

|Спектральные параметры и характеристики |

|Длина волны | | |( |

|Частота | | |( |

|Ширина | | |(( |

|спектральной | | |(( |

|Степень | | |((/( |

|хроматичности | | |((/( |

|Пространственно-временные параметры и характеристики |

|Диаметр пучка |м |Диаметр поперечного сечения |d |

|Расходимость |рад, |Плоский или телесный угол, |QP |

| |ср |характеризующий ширину | |

|Энергетическая |рад, |Плоский или телесный угол, |(S |

|Частота |Гц |Отношени числла импульсов |F |

|Длительность |с | |(u |

|Параметры когерентности |

|Длина |м |Произведение времени |(К |

|Параметры поляризации |

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-

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.

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 1.4 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

[pic] (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:

[pic] (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 1.5 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 1.6Схема 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

[pic] 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…5(10-9 с и частотой

повторения F < 1 кГц погрешность измерения энергии (E(20%, 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 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

Страницы: 1, 2