Измерение параметров лазеров

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

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

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

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

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

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

повышением скорости развертки. Характерно, что для обеспечения

удовлетворительных яркости характеристик выходного сигнала (спирали на

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

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

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

Таким образом, вопрос исследования временных зависимостей генерации

пико- и даже фемтосекундных импульсов лазерного излучения можно считать в

первом приближении решенным. Однако сложность, высокая стоимость,

громоздкость и необходимость высококвалифицированного обслуживания

затрудняет в некоторых случаях практическое использование камер с оптико-

механической и электронной развертками.Поэтому в заключении данного пункта

целесообразно рассмотреть внешне достаточно простой чисто оптический способ

измерения длительности пикосекундных импульсов, в котором используется

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

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

"визуализация" светового импульса.

[pic]

Рисунок 1.7. Схема измерения длительности пикосекундных импульсов методом

нелинейной (двухфотонной) люминесценции.

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

использования длительности пикосекундных импульсов при распространении двух

одинаковых световых пучков навстречу друг другу в растворе нелинейно

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

волна образовывалась путем отражения основного пучка пикосекундных

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

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

показатель преломления раствора красителя) плотность энергии прямого и

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

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

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

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

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

что все пикосекундные импульсы в цуге имеют одинаковую пиковую

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

люминесценции Вфона пропорциональна Ii2,а максимальная яркость (возле

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

заметно выше; это обеспечивает надежное выделение информации о длительности

пикосекундных импульсов и временном интервале Т между ними по

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

[pic]

Рисунок 1.8. Микроденситограмма (справа) фотографии центральной части

симметрично возбуждаемой пикосекундными импульсами кюветы

(слева) с красителем.

В действительности как сам эксперимент, так и его теория значительно

сложнее приведенной выше элементарной модели. Ввиду ограниченного объема

укажем лишь, что обычно кювета с красителем возбуждается симметрично

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

(авто)корреляционной функцией интенсивности лазерного пучка, в результате

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

контраст снижается до 3,0. Известен метод измерения корреляционной

функции интенсивности лазерного пучка за счет нелинейного эффекта генерации

второй гармоники, позволяющий избавиться от фоновой засветки и иметь

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

реализация достаточно сложны.

1 Измерение пространственного распределения энергии в лазерном пучке

Наиболее полной пространственно-энергетической характеристикой

лазерного излучения является диаграмм направленности, то есть угловое

распределение энергии или мощности в лазерном пучке. Вблизи излучающей

Страницы: 1, 2, 3, 4