Измерение параметров лазеров

ВВЕДЕНИЕ

Получение достоверных результатов измерений как самих параметров ла-зеров, так и выходных характеристик лазерных приборов и систем имеет свою специ-фику, поскольку лазерное излучение характеризуется некоторыми особенностями: ши-роким 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, ха-рактеристика Единица из-мерения Определение Обозначе-ние

Энергетические параметры и характеристики

Энергия Дж Энергия, переносимая ла-зерным излучением W

Мощность Вт Энергия, переносимая ла-зерным излучением в единицу вре-мени P

Интенсив-ность Величина, пропорциональ-ная квадрату амплитуды электро-магнитного колебания J

Спектральная плотность энергии (мощность) ДжГц-1

ВтГц-1 W, W

(P,P)

Средняя мощность импульса Вт Pu,ср

Максималь-ная мощность им-пульса Вт Pu, max

Спектральные параметры и характеристики

Длина волны 

Частота 

Ширина спек-тральной линии 



Степень хро-матичности /

/

Пространственно-временные параметры и характеристики

Диаграмма направленности Угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения

Диаметр пуч-ка м Диаметр поперечного сече-ния пучка лазерного излучения, внутри которого проходит задан-ная доля энергии или мощности лазера d

Расходимость рад,

ср Плоский или телесный угол, характеризующий ширину диа-граммы направленности лазерного излучения в дальней зоне по за-данному уровню углового распре-деления энергии или мощности лазерного излучения, определяе-мому по отношению к его макси-мальному значению QP

Энергетиче-ская расходимость рад,

ср Плоский или телесный угол, внутри которого распространяется заданная доля энергии или мощ-ности лазерного излучения S

Относитель-ное распределение плотности энергии (мощности) Распределение плотности энергии (мощности) излучения по сечению лазерного пучка, норми-рованное относительно макси-мального значения плотности энергии (мощности) W,P,W,S

Частота по-вторения импульсов Гц Отношени числла импуль-сов лазерного излучения ко време-ни F

Длительность импульсов с u

Параметры когерентности

Степень про-странственно-временной когерент-ности Модуль комплексной степе-ни пространственно-временной когерентности при фиксированных координатах точки в пространстве и времени, равный:

, где 012()1, 12() — функция взаимной когерентно-сти,11(),22() — функции вза-имной когерентности для точек пространства с радиус-векторами r1,r2 соответственно при =0 12()

Степень про-странственной коге-рентнсти Модуль комплексной степе-ни временной когерентности для фиксированной точки пространст-ва, равный

, где 12() — функция простран-ственной когерентности 12(О)

Степень вре-менной когерентно-сти Модуль комплексной степе-ни временной когерентности для фиксированной точки пространст-ва, равный

, где Г11() — функция взаимной когерентности для точки про-странства с радиусом-векторм r1 11()

Время коге-рентности с Минимальное запаздыва-ние, для которого степень времен-ной когерентности принимает зна-чение равное нулю

Длина коге-рентности м Произведение времени ко-герентности на скорость электро-магнитного излучения в вакууме К

Параметры поляризации

Плоскость поляризации Плоскость, проходящая че-рез направление распространения линейно-поляризованного лазер-ного излучения и направление его электрического вектора

Эллиптич-ность поляризован-ного лазерного излу-чения Отношение малой полуоси эллипса, по которому поляризова-но лазерное излучение к его боль-шой полуоси

Степень по-ляризации Отношение интенсивности поляризованной составляющей лазерного излучения к полной его интенсивности

ИЗМЕРЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ЛА-ЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Для измерения энергетических параметров лазерного излучения могут исполь-зоваться самые разнообразные методы, основанные на различных физических и хими-ческих 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 теп-ловую 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 погло-щающего 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 боль-шая чисть изучения проходит через преобразователь и может быть использована для требуемых целей.

Измерительное устройство включает преобразовательные элементы и измери-тельную цель. Их назначение — преобразование выходного сигнала ПИП в сигнал, по-даваемый на отсчетное или регистрирующее устройство. Отсчетное или регистрирую-щее 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 измери-тельного блока. В измерительный блок могут быть включены дополнительные устрой-ства, например цепи коррекции дрейфа нуля, температурной и электрической стабили-зации и др.

Тепловой метод

Сущность этого метода состоит в том, что энергия излучения при взаимодейст-вии с веществом приемного преобразователя превращается в тепловую энергию, кото-рая впоследствии измеряется тем или иным способом. Для измерения тепловой энер-гии, выделившейся в ПИП, обычно используют:

—термоэлектрический эффект Зеебека (возникновение ТЭДС между нагретым и хо-лодным спаями двух разнородных металлов или полупроводников);

—явление изменения сопротивления металлов и полупроводников при изменении тем-пературы (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 калоримет-рами. 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 вре-мени энергетических параметров лазерного излучения, как энергия и средняя мощ-ность, получили калориметры. Они имеют достаточно конструктивно развитый прием-ный элемент, не объединенный с чувствительным элементом. К достоинствам калориметров относятся широкий спектральный и динамический диапазон работы, вы-сокая линейность, точность и стабильность характеристик, простота конструкции, воз-можность их использования с высокоточными, хотя и инерционными цифровыми при-борами, возможность калибровки преобразователей по эквивалентному электрическому воздействию.

Любая калориметрическая система (рис.1.1) содержит внутреннее калориметри-ческое тело К (приемный элемент), в котором протекает процесс выделения (или по-глощения) тепла, и внешнюю оболочку О, с которой происходит теплообмен калори-метрического 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, ха-рактеризующий 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 распро-странение для измерения таких усредненных во времени энергетических параметров лазерного изучения, как энергия и средняя мощность, получили калориметры перемен-ной температуры (или неизотермические