Измерение параметров лазеров

спаренный аттенюатор в линейном резонаторе имеет коэффициент пропускания t_л=(1-r)⁸; в кольцевом резонаторе или при работе на проход t=(1-r)⁴.

3.2. Измерение усилия активной среды

В лазерной технике активная среда обычно конструктивно оформлена в виде активного элемента: кристаллического или стеклянного стержня в твердотельных лазерах, газоразрядной кюветы в подавляющем большинстве газовых лазеров, пластины полупроводника. В полупроводниковых лазерах и т.д. При этом активный элемент функционирует в лазере только под действием накачки — специального устройства, обеспечивающего такое специфическое воздействие на рабочие частицы активного элемента, которое приводит к созданию в нем удельной (т.е. в 1 см³) инверсной населенности Dn=n_в-n_н(g_в/g_н) между верхним рабочим (лазерным) уровнем (ВРУ) и нижним (НРУ). Инверсной населенности Dn соответствует удельный коэффициент усиления активной среды k=DnЧBhn/v, где B=В_вн — коэффициент Эйнштейна для стимулированного перехода с ВРУ на НРУ, а v=c/n — скорость света в активной среде.

Следует напомнить, что для расчета основных энергетических характеристик лазерных устройств удобнее пользоваться удельной мощностью P_уд и параметром насыщения b соответственно для лазера и квантового (лазерного) усилителя, причем все три расчетных параметра активной среды связаны соотношением вида P_уд=vk_ib. Однако в связи с невозможностью непосредственного измерения P_уд (как мощности когерентного излучения, снимаемой с единицы объема активной среды, помещенной в идеальный, т.е. без диссипативных потерь резонатор с оптимизированным коэффициентом связи) и техническими трудностями, возникающими при попытках непосредственного измерения эффекта насыщения (усиления) в большинстве серийных активных сред, в технике лазерных измерений обычно довольствуются измерением ненасыщенного коэффициента усиления k₀=Dn₀ЧBhv/c, где индекс 0 подчеркивает, что удельный коэффициент усиления измерен при отсутствии насыщения, т.е. при бесконечно малой плотности энергии стимулированных переходов.

Измерение ненасыщенного усиления методом калиброванных потерь.

Непосредственное использование компенсационного метода (см.3.2) для измерения ненасыщенного удельного коэффициента активной среды обладает рядом особенностей, снижающих точность и ограничивающих область применения получаемых результатов. Действительно, в простейшем варианте (рис.3.2) процедура измерения выглядит довольно просто: на первом этапе пластинки компенсатора выставляются под углом Брюстера, что уменьшает величину вносимых ими потерь до a₀, включается накачка измеряемой активной среды и осуществляется подъюстировка резонатора измерительного лазера для минимизации дифракционных потерь a_д; на втором этапе (собственно измерении) потери аттенюатора увеличиваются на величину (1-r)⁴, соответствующих порогу генерации измерительного лазера. Очевидно, что при этом полный коэффициент усиления активной среды за цикл компенсирует все потери резонатора за цикл

Рисунок 0.2 Простейшая схема измерения ненасыщенного усиления активной среды методом калиброванных потерь (одиночного) аттенюатора френелевского типа

Sa_Рез=a₁+a₂+a_до+t₁+t₂+a_ос+a₂, где a_1,2 и t_1,2 — соответственно диссипативные потери концевых отражателей и их коэффициенты пропускания, a_до — дифракционные потери резонатора; a_ос — диссипативные потери активного элемента; a₂=a₀+(1-r)⁴ — потери аттенюатора. Очевидно, что абсолютная погрешность измерения потерь (компенсирующих усиление) в таком простейшем варианте составляет Sa=a₁+a₂+t₁+t₂+a_до+a₀ и обычно превышает 0.001 (или 1%). Наиболее просто она может быть уменьшена при учете величин t₁, t₂ (и a₀), которые легко замеряются с помощью (спектро) фотометра. Следует, однако, иметь в виду, что по крайней мере часть моделей этих измерительных приборов, имеющих цену деления измерительной шкалы 0.001 (или 0.1%), гарантируют лишь воспроизводимость измерений (на данном приборе или, реже, на приборе данной модели) с такой погрешностью (0.001), но не абсолютную точность, составляющую) обычно 0.002…0.01 (0.2…1%).

Таким образом, непосредственное измерение усиления активной среды компенсационным методом дает абсолютную точность ~0.01 (1%), что гораздо ниже точности вносимых аттенюатором потерь (~ 0.001 или 0.1%). Естественно, относительная погрешность измерения будет существенно зависеть от величины полного усиления K₀=exp(2l₀k₀). Если К мало (0.1 или 10%), что типично для гелий-неоновых, кадмиевых и, в меньшей степени, аргоновых и CO₂ газоразрядных кювет, то целесообразно усложнить измерительный лазер, дополнив его вспомогательной активной средой 1 того же типа, но функционирующей (возбуждаемой) на обоих этапах измерены (рис.3.3). Такой прием позволяет в случае стабильности коэффициента усиления вспомогательной активной среды во время его цикла измерения полностью исключить остаточные потери измерительного лазера, в том число и трудноконтролируемые дифракционные потери a_д. Действительно, при первом измерении (возбуждена только вспомогательная активная среда 1) порогу генерации соответствует условие exp(2l_всk_вс)=Sx⁴[1-(1-r₂)⁴], а при втором (возбуждена и в измеряемой активной среде 2) -Sx⁴[1-(1-r₂)⁴]=exp(2l_всk_вс+2l₀k₀). Легко показать, что искомая величина усиления K₀= exp(2l₀k₀)= [1-(1-r₁)⁴]/[1-(1-r₂)⁴], а точность ее измерения теперь определяется в основном точностью измерения потерь r₂, вносимых аттенюатором при втором измерении (так как на рабочей ветви кривой r(j) крутизна зависимости коэффициента отражения r от угла падения j монотонно нарастает с ростом j).

Рисунок 0.3 Повышение точности измерения ненасыщенного усиления основной активной среды 2 (длиной l₀) при двухэтапном методе

Возможность (по крайней мере, потенциальная) повышения точности измерения коэффициента усиления активных сред позволяет рассмотреть особенности зависимости коэффициента усиления от частоты и по поперечному сечению активного элемента. В связи с тем, что зависимость коэффициента усиления активной среды от частоты в производственных условиях не измеряется (ввиду чрезвычайной сложности таких экспериментов как в методическом, так в чисто техническом плане), остановимся лишь на том, какой же, собственно, коэффициент усиления активной среды измеряется компенсационным методом. В зависимости от вида уширения спектральной линии рабочего (лазерного) перехода различают, как известно, однородное уширение и неоднородное. При однородном (и близком к нему) уширении, когда Dn_одніDn_неод зависимость ненасыщенного коэффициента усиления от частот (в пределах полуширины линии ) практически отсутствует, т.е. k₀(n)@k₀(n₀), где n₀ — частота в центре спектральной линии. Типичным примером такой активной cреды является гелий-неоновая смесь, генерирующая на длине волны l_ген=З.39 мкм.

Ситуация существенно меняется при неоднородном уширении (Dn_од>>Dn_неод), характерном для большинства серийных лазерных сред. Типичный вид зависимости удельного коэффициента усиления от частоты описывается гауссоидой:

k₀(V)=k₀(V₀)exp[-(V-V₀)²/(DV_c)²], где — величина неоднородного уширения на уровне 0.707 (Dn_неод — соответственно на полувысоте). В этом случае, с помощью компенсационного метода измеряется коэффициент усиления на частоте генерации n_ген@n₀, причем степень приближения частоты генерации n_ген к центру спектральной линии определяется частотным интервалом Dn_рез=c/2L_опт через который расположены продольные моды в резонаторе (с оптической длиной L_опт) измерительного лазера. Поскольку L_опт обычно достаточно велика и, соответственно, Dn_резЈDn_одн, то даже в случае неоднородного уширения коэффициент усиления, измеряемый компенсационным методом, соответствует центру спектральной линии, т.е. k₀@ k₀(n₀).

Несколько сложнее обстоит дело с учетом распределения инверсной населенности (и, соответственно коэффициента усиления) по поперечному сечению активной среды. Особенности создания инверсии как возбуждения ВРУ, что более характерно для оптической накачки, так и расселения НРУ, существенного для газовых активных сред, приводят к заметно неравномерной зависимости коэффициента усиления от поперечных координат x, y. В рубиновых и ИАГ стержнях это дополнительно усугубляется неравномерным распределением легирующей примеси соответственно Cr₂O₃ и Nd₂O₃ по поперечному сечению кристаллической заготовки стержня (були). В силу этого (в лабораторных условиях) иногда требуется получить зависимость k₀(x,y), для чего достаточно модифицировать установку, работающую по методу калиброванных потерь, точнее, ее резонатор.

В простейшем варианте в резонатор вводится круглая (желательно, ирисовая) диафрагма, ограничивающая поперечное сечение генерирующего пучка. Очевидно, что в упрощенной измерительной установке (без вспомогательной активной среды) дифракционные потери, вносимые диафрагмой, не долины превышать 0.1%. При использовании вспомогательной активной среды (рис.З.4) можно использовать диафрагму с большими дифракционными потерями, что улучшит селекцию высших поперечных мод, но не изменит размер пятна и, соответственно, разрешающую способность при снятии поперечного распределения k₀(x,y).

Построение искомой зависимости k₀(x,y) проводится по точкам k(x_i,y_i), соответствующим отдельным замерам k₀ при разных (поперечных) положениях измеряемой активной среды относительно оптической оси измерительного лазера. Смещать вспомогательную активную среду и проводить подъюстировку резонатора при этом, нельзя, так как это приведет к погрешностям измерения. Поэтому желательно использовать спаренный компенсатор (как показано на рис.3.4), а одиночную пластинку аттенюатора устанавливать обязательно у плоского зеркала резонатора измерительного лазера.

Рисунок 0.4 Схема измерительной установки для снятия зависимости коэффициента ненасыщенного усиления от удаления x с геометрической оси активной cреды; c геометрической оси активной среды; диафрагма Д сужает зондирующий пучок до минимального размера, соответствующего основной (ТЕМ_Ґ) моде.

В заключение остановимся на некоторых особенностях ~измерения ненасыщенного усиления активных сред, возбуждаемых в импульсном режиме. Очевидно, что в этом случае желательно (а в ИК и УФ диапазонах излучения обязательно) использование фотоэлектрической регистрации порога генерации. Сигнал с фотоэлектрического приемника с постоянной времени, существенно меньшей длительности импульса накачки, удобно просматривать на двухлучевом осциллографе, ждущая развертка которого запускается импульсом накачки.

Используя такой комплект аппаратуры, можно промерить не только максимально создаваемую в измерительной активной среде инверсную населенность (в действительности — ненасыщенный коэффициент усиления), но и зависимость k₀(t) при воспроизводимой (от импульса к импульсу) интенсивности накачки. Естественно, при этом предполагается (и практически всегда выполняется на практике) постоянство формы импульса накачки. Зависимость k₀(t) строится по серии экспериментов: для различных значений вносимых в резонатор измерительного лазере потерь a_i фиксируется момент времени t_i (отсчитываемый от момента включения импульса накачки), когда возникает генерация.

Измерение усиления активной среды прямым методом.

Рисунок 0.5 Измерение насыщения в проходном лазерном усилителе длиной l₀ — к вопросу измерения усиления прямым методом

Сущность данного метода тривиальна и заключается в построении зависимости коэффициента усиления активной среды K=I_вых/I_вх от интенсивности входного сигнала I_вх (рис.3.5), величина которого регулируется с помощью (клинового) аттенюатора О_сл, уменьшающего интенсивность вспомогательного лазера I_лаз, интерференционный фильтр ИФ и диафрагма Д уменьшают уровень фоновой засветки. Экстраполируя экспериментальную зависимость K(I_вх) к бесконечно малым I_вх (<<bS_хр), можно получить ненасыщенный коэффициент усиления K₀=K(0); поскольку измерения проводятся обычно с активной средой, работающей в режиме проходного усилителя, когда K₀=exp(l₀k₀), то, очевидно, ненасыщенный коэффициент усиления . Следует отметить, что непосредственно данный метод редко используется на практике в связи с невысокой точностью измерений, обусловленной при небольших усилениях погрешностями определения K из-за шумов измерительной схемы, а при большом усилении — экстраполяцией K(I_вх) в область малых входных сигналов. С другой стороны, ара атом при этом появляется возможность (по крайней мере в первом приближении) определить параметр насыщения b, для чего следует сравнить полученную зависимость K(I_вх) с расчетной (при том же виде уширения).

Можно проще получить значение параметра насыщения b, используя измерительный лазер с калиброванными потерями и измеритель плотности энергии U в резонаторе. Эту плотность легко вычислить, измеряя мощность, выходящую через одно из "глухих" зеркал резонатора, по формуле U=2P/tcSэф. Очевидно, что в измерительном

Рисунок 1.1. Принципиальная схема калориметра.

Рисунок 1.2. Упрощенная конструкция калориметрического ПИП прибора ИМО-2

Рисунок 1.3. Функциональная схема малоинерционного болометрического измерителя мощности лазерного излучения проходного типа

Рисунок 1.4. Функциональная схема крутильных весов

Рисунок 1.5. Магнитный подвес в пондеромоторном измерителе

Рисунок 1.6. Схема устройства диодного механотрона

Таблица 1

Параметр, характеристика	Еди-ница изме-рения	Определение	Обоз-наче-ние
Энергетические параметры и характеристики
Энергия	Дж	Энергия, переносимая лазерным излучением	W
Мощность	Вт	Энергия, переносимая лазерным излучением в единицу времени	P
Интенсивность		Величина, пропорциональная квадрату амплитуды электромагнитного колебания	J
Спектральная плотность энергии (мощности)	ДжЧГц-1 ВтЧГц-1		Wl,Wn (Pl,Pn)
Средняя мощность импульса	Вт		Pи.ср.
Максимальная мощность импульса	Вт		Pи.max
Спектральные параметры и характеристики
Длина волны	мкм	Средняя длина волны спектра лазерного излучения в пределах интервала длин волн линии спонтанного излучения	l
Частота	Гц	Средняя частота спектра лазерного излучения в пределах интервала частот линии спонтанного излучения	n
Ширина спектральной линии	Гц, мкм	Расстояние между точками контура спектральной линии лазерного излучения, соответствующими половине интенсивности линии в максимуме	dn dl
Степень монохроматичности	—	Отношение ширины огибающей спектра лазерного излучения к усредненной по спектру частоте или длине волны лазерного излучения в данный момент времени.	dn/n dl/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 лазерного излучения	d

Продолжение таблицы 1

Параметр, характеристика	Еди-ница изме-рения	Определение	Обоз-наче-ние
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	Qp Qs
Энергетическая расходимость	рад ср	Плоский или телесный угол, внутри которого распространяется заданная доля энергии или мощности лазерного излучения	QW,P QW,S
Относительное распределение плотности энергии (мощности)		Распределение плотности энергии (мощности) излучения по сечению лазерного пучка, нормированное относительно максимального значения плотности энергии (мощности)
Частота повторения импульсов	Гц	Отношение числа импульсов лазерного излучения ко времени	F
Длительность импульса	с		tи
Параметры когерентности
Степень пространственно-временной когерентности		Модуль комплексной степени пространственно-временной когерентности при фиксированных координатах точки в пространстве и времени, равный где — функция взаимной когерентности, G11(0), G22(0) — функции взаимной когерентности для точек пространства с радиус-векторами r1 и r2 соответственно при t=0	Ѕg12(t)Ѕ
Степень пространственной когерентности		Модуль комплексной пространственной когерентности для фиксированного момента времени, равный где G12(0) — функция пространственной когерентности	Ѕg12(0)Ѕ

Окончание таблицы 1

Параметр, характеристика	Еди-ница изме-рения	Определение	Обоз-наче-ние
Степень временной когерентности		Модуль комплексной степени временной когерентности для фиксированной точки пространства, равный где G11(t) — функция взаимной когерентности для точки пространства с радиус-вектором r1	Ѕg11(t)Ѕ
Время когерентности	с	Минимальное запаздывание, для которого степень временной когерентности принимает значение, равное нулю
Длина когерентности	м	Произведение времени когерентности на скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме	Dк
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

6

Таблица 2

№	Наименование	Тип ПИП	Рабочий диапазон длин волн,	Диапазон измерения		Время одного измере­ния для	Время установ­ления показа-­	Диапа­зон длительнос­тей изме-	Диапа­зон измеря­е­мых	Основ­ная погреш­ность	Вид индикации
			мкм	мощнос­ти, Вт	энергии, Дж	мощнос­ти	ния *	­ряе­мых импуль­сов, с	диамет­ров пучков, мм	измерения, %
1	ОСИСМ—образцовое средство измерений средней мощности	Термо­электри­ческий	0.4ё12.0	10-3ё102	—	2.5 мин	—	—	4ё10	dр=1ё3	Цифро­вой
КП: БИ 118 х 420, 18 кг; ПИП 210 х 210 х 140, 6 кг
2	ОИМ-1-1—образцовый измеритель мощности излучения	Термо­электри­ческий	0.3ё3.5	10-3ё10-1	—	8 мин	—	—	3ё8	dр=1	Стре­лочный
Общая масса около 80 кг

Продолжение таблицы 2

№	Наименование	Тип ПИП	Рабочий диапазон длин волн,	Диапазон измерения		Время одного измере­ния для	Время установ­ления показа-­	Диапа­зон длительнос­тей изме-	Диапа­зон измеря­е­мых	Основ­ная погреш­ность	Вид индикации
			мкм	мощнос­ти, Вт	энергии, Дж	мощнос­ти	ния *	­ряе­мых импуль­сов, с	диамет­ров пучков, мм	измерения, %
3	ИМО-2-2М—образцовый измеритель мощности и энергии лазерного излучения	Термо­электри­ческий	0.4ё10.6	10-2ё102	10-1ё10	3 мин	5 с _____ 2 мин	2Ч10-4ё 10-3	4ё12	dр=1ё3 dЕ=3ё4	Цифро­вой
КП: БИ1 148 х 382 х 412, 13 кг; БИ2 550 х 205 х 450, 23 кг; ПИП и ЮМ 173 х 190 х 263, 15 кг: ОЭ и ОМ 58 кг
4	ИМО-2—измеритель средней мощности и энергии лазерных импульсов	Термо­электри­ческий	0.33ё10.6	5Ч10-3ё 102	3Ч10-3ё10	2.5 мин	8 с _____ 2 мин	2Ч10-4ё 10-3	4ё12	dр=5ё8 dЕ=7ё22	Стре­лочный
КП: БИ 512 х 375 х 155, 23 кг; ПИП и ЮМ 120 х 185 х 260, 10 кг; ОЭ и ОМ 165 х 210 х 280, 4 кг

Продолжение таблицы 2

№	Наименование	Тип ПИП	Рабочий диапазон длин волн,	Диапазон измерения		Время одного измере­ния для	Время установ­ления показа-­	Диапа­зон длительнос­тей изме-	Диапа­зон измеря­е­мых	Основ­ная погреш­ность	Вид индикации
			мкм	мощнос­ти, Вт	энергии, Дж	мощнос­ти	ния *	­ряе­мых импуль­сов, с	диамет­ров пучков, мм	измерения, %
5	МК 3-18А—ваттметр поглощаемой мощности калориметри­ческий	Боло­метри­ческий	0.4ё3.5	5Ч10-4ё 10-2	10-3ё0.3	10 с	20 с _____ 30 с	10-8ё10-3	Ј10	dр=10ё20 dЕ=10ё20	Стре­лочный
КП: БИ 480 х 120 х475, 19 кг; ПИП и ЮМ 340 х 300 х 130, 12 кг;
6	М3-24—измеритель мощности калориметри­ческий	Боло­метри­ческий	0.4ё3.5	10-3ё10	10-2ё10	10 с	10 с _____ 20 с	10-8ё10-3	Ј20	dр=5ё12 dЕ=5ё22	Стре­лочный
КП: БИ 480 х 120 х475, 19 кг; ПИП и ЮМ 340 х 300 х 130, 12 кг;

Продолжение таблицы 2

№	Наименование	Тип ПИП	Рабочий диапазон длин волн,	Диапазон измерения		Время одного измере­ния для	Время установ­ления показа-­	Диапа­зон длительнос­тей изме-	Диапа­зон измеря­е­мых	Основ­ная погреш­ность	Вид индикации
			мкм	мощнос­ти, Вт	энергии, Дж	мощнос­ти	ния *	­ряе­мых импуль­сов, с	диамет­ров пучков, мм	измерения, %
7	ПВ-1—пироэлектри­ческий ваттметр	Пиро­электри­ческий	0.4ё10.6	10-4ё102	—	10 с	—	—	2ё23	dр=10ё20	Стре­лочный
КП: БИ 130х175х362, 6 кг; модулятор 204х165х300, 5 кг (fмод=2Гц);ПИП 180х70х50, 1.3 кг; ЮМ 150х130х204, 4 кг
8	ФПМ-01—фотометр переносной малогабаритный для импульсных и непрерывных лазеров	Фото­электри­ческий	0.4ё1.06	10-7ё10-1	10-8ё0.05	—	1 с _____ 1 с	2Ч10-4ё 10-2	2ё14	dр=15 dЕ=10ё20	Цифро­вой
КП: БИ 250 х250 х 115, 4 кг; ПИП 55 х 200 х 65, 1.2 кг; штатив 120 х 140 х 350, 3.5 кг; фотоприемник ФД-7к

Продолжение таблицы 2

№	Наименование	Тип ПИП	Рабочий диапазон длин волн,	Диапазон измерения		Время одного измере­ния для	Время установ­ления показа-­	Диапа­зон длительнос­тей изме-	Диапа­зон измеря­е­мых	Основ­ная погреш­ность	Вид индикации
			мкм	мощнос­ти, Вт	энергии, Дж	мощнос­ти	ния *	­ряе­мых импуль­сов, с	диамет­ров пучков, мм	измерения, %
9	ФПМ-02—то же для импульсных лазеров (модификация ФПМ-01)	Фото­электри­ческий	0.53ё1.06	—	5Ч10-9ё 10-3	—	1 с _____ 1 с	10-8ё10-7	2ё14	dЕ=20	Цифро­вой
10	ОСИЭ—образцовое средство измерения энергии	Термо­электри­ческий	0.5ё10.6	—	2Ч10-2ё10	—	5 с _____ 4.5 мин	10-8ё1.0	4ё15	dЕ=4	Цифро­вой
КП: БИ 118 х 420 х 480, 20 кг; ПИП 210 х 210 х 140, 6 кг; ЮМ 30 кг

Окончание таблицы 2

№	Наименование	Тип ПИП	Рабочий диапазон длин волн,	Диапазон измерения		Время одного измере­ния для	Время установ­ления показа-­	Диапа­зон длительнос­тей изме-	Диапа­зон измеря­е­мых	Основ­ная погреш­ность	Вид индикации
			мкм	мощнос­ти, Вт	энергии, Дж	мощнос­ти	ния *	­ряе­мых импуль­сов, с	диамет­ров пучков, мм	измерения, %
11	ИКТ-1Н—измеритель калориметрический твердотельный	Термо­электри­ческий	0.4ё4.0	—	5Ч10-2ё 103	—	10 с _____ 8 мин	10-8ё10-3	4ё45	dЕ=22	Стре­лочный
КП: БИ 480 х 380 х 135; ПИП и ЮМ 260 х 180 х 85; аттенюатор Ж96 х 194; масса 30 кг

Примечания: ПИП — первичный измерительный преобразователь;
ЮМ — юстировочный механизм;
БИ — блок измерительный;
ОЭ и ОМ — ослабитель энергии и мощности излучения;
КП — комплект поставки (габаритные размеры и масса).

* В числителе — время измерения энергии одного импульса, в знаменателе — интервал времени между двумя измеряемыми импульсами.

8

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, 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
Интенсивность		Величина, пропорциональная квадрату амплитуды электромагнитного колебания		J
Спектральная плотность энергии (мощность)	ДжЧГц-1 ВтЧГц-1			Wl, Wn (Pl,Pn)
Средняя мощность импульса	Вт			Pu,ср
Максимальная мощность импульса	Вт			Pu, max
Спектральные параметры и характеристики
Длина волны				l
Частота				n
Ширина спектральной линии				dn dl
Степень хроматичности				dn/n dl/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	QP
Энергетическая расходимость	рад, ср		Плоский или телесный угол, внутри которого распространяется заданная доля энергии или мощности лазерного излучения	qS
Относительное распределение плотности энергии (мощности)			Распределение плотности энергии (мощности) излучения по сечению лазерного пучка, нормированное относительно максимального значения плотности энергии (мощности)	qW,P,qW,S
Частота повторения импульсов	Гц		Отношени числла импульсов лазерного излучения ко времени	F
Длительность импульсов	с			tu
Параметры когерентности
Степень пространственно-временной когерентности			Модуль комплексной степени пространственно-временной когерентности при фиксированных координатах точки в пространстве и времени, равный: , где 0ЈЅg12(t)ЅЈ1, G12(t) — функция взаимной когерентности,G11(O),G22(O) — функции взаимной когерентности для точек пространства с радиус-векторами r1,r2 соответственно при t=0	Ѕg12(t)Ѕ
Степень пространственной когерентнсти			Модуль комплексной степени временной когерентности для фиксированной точки пространства, равный , где G12(O) — функция пространственной когерентности	Ѕg12(О)Ѕ
Степень временной когерентности			Модуль комплексной степени временной когерентности для фиксированной точки пространства, равный , где Г11(t) — функция взаимной когерентности для точки пространства с радиусом-векторм r1	Ѕg11(t)Ѕ
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	DК
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 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=G_T(T_k-T_o), где G_T — параметр, характеризующий тепловую проводимость cреды между калориметрическим телом и оболочкой. Часто теплообмен между K и O характеризуют также обратной величиной R_T=1/G_T, 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 Т_K=f(t)№const. Уравнение теплового равновесия калориметрического тела K с оболочкой О в таком калориметре в предположении бесконечной температуропроводности вещества K имеет вид:

(1.1)
где P(t) — мощность, рассеиваемая в калориметре; c — теплоемкость K: T=T_K-T_O

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 W_u. Лазеры, работающие в режиме модуляции добротности резонатора и в режиме синхронизации мод, обычно характеризуются значением W_u и дополнительно значением максимальной P_Umax или средней P_Uср мощности импульса. Импульсно-периодические лазеры характеризуются средней мощностью P_ср 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)=P_O=const. Тогда

(1.2)
где t=R_TC постоянная времени калориметра.

Максимальное значение Т(t) достигается при t®Ґ и равно T_max=R_TЧP_O.

2. Мощность в калориметре выделяется в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов: P_O, t_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 ,

(1.3)
3. В калориметре рассеивается энергия одиночного прямоугольного импульса. Температура калориметрического тела в этом случае изменяется во времени следующим образом:

(1.4)

при 0ЈtЈt_u

при t_uЈt<Ґ