ИЗМЕРЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
1 Измерение мощности и энергии лазерного излучения 1.1 Тепловой метод 1.2 Фотоэлектрический метод 1.3 Пондеромоторный метод 2 Измерение основных параметров импульса лазерного излучения 2.1 Анализ параметров импульса с помощью осциллографа 2.2 Изучение формы сверхкоротких лазерных импульсов
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 10 9 Вт/см 2 ), 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, 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
Спектральная плотность энергии (мощность) Дж x Гц -1 Вт x Гц -1
W l , W n (P l ,P n )
Средняя мощность импульса Вт
P u,ср
Максимальная мощность импульса Вт
P u, max
Спектральные параметры и характеристики
Длина волны
l
Частота
n
Ширина спектральной линии
d n d l
Степень хроматичности
d n / n d l / l
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 Q P
Энергетическая расходимость рад, ср Плоский или телесный угол, внутри которого распространяется заданная доля энергии или мощности лазерного излучения q S
Относительное распределение плотности энергии (мощности)
Распределение плотности энергии (мощности) излучения по сечению лазерного пучка, нормированное относительно максимального значения плотности энергии (мощности) q W,P , q W,S
Частота повторения импульсов Гц Отношение числа импульсов лазерного излучения ко времени F
Длительность импульсов с
t u
Параметры когерентности
Степень пространственно-временной когерентности
Модуль комплексной степени пространственно-временной когерентности при фиксированных координатах точки в пространстве и времени, равный: , где 0 ; 0.5 g 12 ( t ) 0.5 ; 1, G 12 ( t ) — функция взаимной когерентности, G 11 ( O ), G 22 ( O ) — функции взаимной когерентности для точек пространства с радиус-векторами r 1, r 2 соответственно при t =0 0.5 g 12 ( t ) 0.5
Степень пространственной когерентнсти
Модуль комплексной степени временной когерентности для фиксированной точки пространства, равный , где G 12 ( O ) — функция пространственной когерентности 0.5 g 12 (О) 0.5
Степень временной когерентности
Модуль комплексной степени временной когерентности для фиксированной точки пространства, равный , где Г 11 ( t ) — функция взаимной когерентности для точки пространства с радиусом-вектора r 1 0.5 g 11 ( t ) 0.5
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 D 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 излучени я 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=G T (T k -T o ) , где G T — параметр, характеризующий тепловую проводимость cреды между калориметрическим телом и оболочкой. Час
