Измерение энергетических характеристик лазерного излучения

По режиму работы существующие лазеры могут быть разделены на три группы: 1.) лазеры, работающие в непрерывном режиме; 2.) импульсные лазеры, излучающие достаточно короткие импульсы с малой частотой повторения (доли-единицы герц); 3.) импульсные лазеры, излучающие короткие импульсы, но с высокой частотой повторения.

В соответствии с этим для оценки энергетических характеристик излучения лазеров различных типов удобно применять различные величины.

Для лазеров, работающих в непрерывном режиме такой характеристикой является мощность излучения Р. В этом случае, при проведении измерений приходится иметь дело с величинами мощностей излучения от ~ 10^-3 Вт (лазеры на смеси неона и гелия и полупроводниковые) до ~ 10⁵ Вт (лазеры на СО₂).

В случае лазеров, работающих в режиме одиночных импульсов, используются следующие характеристики:

– полная энергия импульса излучения где  – полная длительность импульса излучения, P(t) – мгновенная мощность излучения;

– средняя мощность импульса излучения

– пиковая мощность излучения Р_макс, определяемая максимальным значением мгновенной мощности. Диапазон измеряемых значений энергий импульсов излучения составляет от ~ 10^-3 Дж (лазеры на твердом теле) до ~ 10⁵ Дж (лазеры на твердом теле с усилителями). Средняя мощность в импульсе заключена в диапазоне от ~ 10³ Вт до 10¹² Вт (лазеры на твердом теле в режиме синхронизации мод).

Излучение лазеров, работающих в режиме повторяющихся импульсов, характеризуются аналогичными величинами, а также средней мощностью за период где Т – период повторения импульсов. Частоты повторения импульсов излучения таких генераторов лежат в диапазоне до ~ 10⁹ Гц (полупроводниковые квантовые генераторы (ПКГ)). Средняя мощность излучения заключена в интервале от ~ 10^-3 Вт до 10⁶ Вт (газовые лазеры, работающие в режиме модуляции добротности).

В ряде случаев приходится измерять энергетические характеристики полупроводниковых источников спонтанного излучения. При этом требования к чувствительности приемно-регистрирующей аппаратуры значительно выше.

Основные трудности и ограничения при измерениях энергетических характеристик для лазеров с импульсным режимом работы обусловлены малой длительностью импульсов излучения доходящей до 10^-13с. Кроме этого, в области больших мощностей и энергий трудности при измерениях и границы применимости того или другого метода обусловлены стойкостью материала приемника излучения. В области малых мощностей и энергий ограничения накладываются, как при всяких подобных измерениях, чувствительностью и шумовыми характеристиками приемников излучения.

Для оценки приемников излучения по этим параметрам используется несколько характеристик. Одной из них является интегральная чувствительность S_u, или коэффициент преобразования. Эта величина характеризует отношение напряжения сигнала на выходе приемника U_вых к мощности принимаемого светового сигнала Р: Размерность интегральной чувствительности В/Вт. Но эта характеристика не учитывает роли шумов приемника. Иная характеристика фотоприемника – пороговая чувствительность Р_пор. Эта величина определяет минимальную мощность сигнала Р, дающую на выходе приемника отношение напряжения сигнала U_{вых с} к напряжению шума равное единице, отнесенное к единичной полосе пропускания Df (1 Гц) Еще одна обобщенная характеристика приемника – детектирующая или обнаружительная способность D^*, которая представляет собой величину, обратную пороговой чувствительности фотоприемника, отнесенной к единичной площади приемника излучения F. Эта величина определяется соотношением

.

Для всех приведенных характеристик существенны условия, при которых они измеряются (частота модуляции излучения, спектральная область и др.). Важной характеристикой фотоприемника является постоянная времени , которая характеризует инерционность приемника. Если амплитудно-частотная характеристика описывается выражением

где S₀ – интегральная чувствительность фотоприемника для немодулированного излучения, то постоянная времени приемника будет где – частота модуляции, для которой

Рассмотрим некоторые методы измерений энергетических характеристик лазеров с использованием тепловых и фотоэлектрических приемников излучения.

Измерения с тепловыми приемниками

Сущность этого метода измерений заключается в следующем: излучение поглощается приемным элементом, поглощенная энергия преобразуется в тепловую, которая далее тем или иным способом преобразуется в сигнал измерительной информации и измеряется. Чаще всего таким сигналом является изменение электрической величины, при этом чаще других используются три эффекта для измерения выделившейся тепловой энергии: термоэлектрический, болометрический или пироэлектрический эффект.

Преимущества методов измерения энергетических характеристик с помощью тепловых приемников заключаются в следующем:

1. Тепловые приемники могут применяться практически в любой оптической области спектра, для любых длин волн. Это обусловлено тем, что поглощающие поверхности приемного элемента могут быть сделаны черными для широкой области спектра.

2. Тепловые приемники неселективны, т. е. их чувствительность не меняется по спектру. Это обусловлено тем, что излучение любой длины волны может быть преобразовано в тепловую энергию с коэффициентом близким к 100 %. Это свойство тепловых приемников позволяет производить сравнение энергетических характеристик излучений лазеров в различных областях спектра.

3. Тепловые приемники позволяют проводить абсолютные измерения энергетических характеристик, так как возможна их абсолютная градуировка в единицах измеряемой величины.

4. Световые характеристики тепловых приемников характеризуются высокой линейностью, т. к. тепловой эффект пропорционален мощности поглощенного излучения для непрерывного излучения и полной энергии поглощенного излучения для импульсного излучения.

К недостаткам такого типа приемников относятся низкая чувствительность по сравнению с фотоэлектрическими приемниками и большая инерционность, что обусловлено малой скоростью процессов распространения и передачи тепла.

Измерение энергетических характеристик лазерного излучения с

использованием фотодиодов

Для измерения энергетических характеристик лазерного излучения используются две группы фотоэлектрических приемников: с внешним и с внутренним фотоэффектом. К фотоприемникам на основе внешнего фотоэффекта относятся вакуумные приборы: фотоэлементы и фотоэлектронные умножители. К фотоприемникам второй группы относятся фотодиоды, фоторезисторы, фототранзисторы и другие полупроводниковые фотоэлектрические приемники. Для измерения энергетических параметров лазерного излучения более широкое применение получили фотодиоды.

Основным элементом фотодиода является p-n–переход. При его освещении происходит генерация электронно-дырочных пар. Электрическое поле перехода разделяет неравновесные носители заряда и протекает ток. Фотодиод может применяться в двух режимах работы: в фотодиодном режиме и в режиме генерации фото-ЭДС - фотовольтаический (фотогальванический) режим. В первом случае на фотодиод подается внешнее запирающее напряжение (рис. 21) и ток, проходящий через структуру, является функцией интенсивности света. Во втором случае p-n–переход сам используется в качестве источника ЭДС при его облучении.

а)

Для измерения энергетических характеристик лазерного излучения обычно используется фотодиодный режим, так как при этом диапазон линейности световых характеристик больше, а также гораздо больше быстродействие фотодиодов, чем в фотовольтаическом режиме.

Спектральные характеристики фотодиодов, изготовленных на основе широко распространенных полупроводниковых материалов кремния и германия, приведены на рис. 22. Длинноволновая граница фоточувствительности определяется значением ширины запрещенной зоны используемого полупроводникового материала, а спад в коротковолновой области спектра объясняется тем, что коэффициент поглощения растет, и большая часть излучения поглощается в приповерхностном слое базы и меньшая часть генерируемых светом носителей доходит до p-n–перехода. С помощью специальной технологии удается оптимизировать спектральные характеристики фотодиодов, как в коротковолновой, так и в длинноволновой области спектра. Применение таких фотоприемников с подобранными коррегирующими фильтрами позволяет сделать их малоселективными в определенном спектральном диапазоне и дает возможность измерять энергетические характеристики лазеров без учета неравномерности спектральной чувствительности.

Временные характеристики фотодиодов определяются процессами, связанными с разделением генерируемых (под воздействием света) пар носителей полем p-n-перехода или внешним полем и постоянной времени  = RC схемной релаксации, определяемой параметрами фотодиода и схемы.

Для получения на сопротивлении нагрузки Rн фотодиода сигнала, амплитуда которого пропорциональна энергии импульсного излучения, параллельно ей включают конденсатор Сн такой емкости, чтобы постоянная времени  = RэСн была больше длительности импульса излучения (здесь Rэ – эквивалентное сопротивление, составленное из параллельно подключенных сопротивления нагрузки, внутреннего сопротивления фотоприемника и входного сопротивления усилительного регистрирующего устройства).

Для получения на сопротивлении нагрузки сигнала, амплитуда которого пропорциональна мощности импульсного излучения, выбирают с помощью параметров схемы постоянную времени фотоприемного устройства меньше длительности импульса излучения, чтобы импульсный электрический сигнал воспроизводил форму оптического сигнала.

Для измерения мощности излучения лазеров работающих в непрерывном режиме не требуется высокого быстродействия фотодиодов, как в случае импульсного режима работы. Важную роль при этом играют такие параметры, как чувствительность, уровень шума и нестабильность самих фотоприемников.

Измерение энергетических характеристик лазеров, работающих в

непрерывном режим

Общий вид функциональной схемы измерителя приведен на рис. 23.

Рис. 23. Функциональная схема измерителя мощности излучения лазеров: 1 – ослабитель излучения; 2 – интегратор; 3 – фотоприемник; 4 – регистрирующее устройство

Входной сигнал Р попадает на ослабитель излучения (аттенюатор) и далее на интегратор. После интегратора оптический сигнал преобразуется в электрический с помощью фотоприемника 3. Выходной сигнал приемника регистрируется соответствующим прибором (например, микроамперметром).

Поскольку динамический диапазон измеряемых мощностей велик, а динамический диапазон фотоэлектрических приемников ограничен, схема измерителя содержит нейтральный ослабитель излучения. В качестве таких ослабителей могут быть использованы отражающие прозрачные или полупрозрачные пластинки, зачерненные металлические сетки и другие элементы с известным коэффициентом ослабления.

Элементы типа интеграторов излучения включаются в измерительные системы для устранения неоднородной зоной чувствительности фотоприемников по отношению к падающему излучению и его поляризации. Элементы могут представлять собой диффузно-рассеивающую пластинку, молочные стекла и др. На выходе интегратора должен получиться однородный поток деполяризованного излучения, который направляется на чувствительную площадку приемника излучения.

С целью повышения чувствительности измерительного устройства выходной сигнал с фотоприемника часто поступает на усилитель постоянного тока и далее на регистрирующее устройство.

Во всех случаях использования усилительных схем для обеспечения надежности измерений требуется хорошая стабилизация напряжения питания усилителя, фотоприемника и т. п. Лучшими в этом отношении являются двухлучевые схемы, использующие усилители переменного тока, в которых регистрируется отношение двух сигналов: исследуемого и сигнала сравнения или эталонного сигнала. В этом случае все нестабильности усилителя и фотоприемника одинаково действуют на оба сигнала, и отношение их при этом практически не изменяется.

Один из вариантов таких схем, где осуществляется электрическое деление, приведена на рис. 24. Эта схема работает следующим образом. На приемник излучения 1 направляются измеряемый и эталонный световые сигналы. Эти сигналы модулируются с помощью механического модулятора (диска с отверстиями) 2, который вращается электродвигателем 3. В зависимости от числа отверстий и их расположения на вращающемся диске сигналы модулируются разными частотами, либо подаются на фотоприемник в противофазе. В первом случае после усилителя 4 разделение сигналов происходит по частоте с помощью резонансных фильтров и синхронных детекторов 5, 6. В другом случае после усиления резонансным усилителем разделение сигналов происходит по фазе с помощью синхронных детекторов. В первом случае усилитель должен обеспечить пропускание обоих частот модуляции. Управление работой синхронных детекторов осуществляется с помощью фотоприемников 7, 8 с вспомогательными источниками света и усилителями 9, 10. Далее, на электронном потенциометре 11, регистрируется отношение исследуемого сигнала к сигналу сравнения путем их деления на реохорде потенциометра. Эта схема обладает следующими характеристиками: при изменении чувствительности в 2 раза отношение сигналов изменяется на 0,2 – 0,3 %, при изменении чувствительности в 4 раза – на 0,5 – 0,7 %.

Рис. 24. Двухлучевая схема измерителя мощности

Измерение энергии одиночных световых импульсов.

Измерение энергии излучения одиночных импульсов, которые имеют место в случае работы твердотельных лазеров, требуют некоторых специальных приемов. Рассмотрим некоторые из них .

1 .)Измерение энергии одиночных импульсов излучения с помощью тепловых приемников. Энергия излучения направляется на приемный элемент, который по своим характеристикам приближается к модели абсолютно черного тела. Простейшим примером такого элемента является поглощающий конус (рис. 25). В качестве чувствительного элемента применена медно-константановая термобатарея, содержащая более 2000 термопар, равномерно распределенных между наружной поверхностью приемного элемента и поверхностью пассивной теплоемкой оболочки. В том случае, если приемник предназначен для измерения малых энергий, с целью уменьшения массы, приемная площадь может изготавливаться в виде диска небольшого диаметра, выполненного из тонкой черной фольги металла с малой теплоемкостью. Для уменьшения тепловых потерь приемник помещается в теплоизоляционный корпус. Для комплексации изменений температуры окружающей среды в общий корпус помещается также идентичный компенсационный элемент, термобатареи которых включены встречно. Прибор градуируют по энергии разряда конденсатора через катушку. Энергия, выделившаяся в катушке, нагревает приемный элемент.

Примером теплового измерительного прибора является прибор ИМО-1. Этот прибор может измерять мощность излучения лазеров, работающих в непрерывном режиме в интервале 100 мкВт – 100 мВт. Для лазеров, работающих в режиме одиночных импульсов, прибор может измерять энергии излучения в диапазоне от 0,01 до 10 Дж.

2.) Измерение энергии одиночных импульсов излучения по разряду конденсатора за счет фототока вакуумного фотоэлемента.

Измерительная схема имеет вид, представленный на рис. 26. Напряжение на конденсаторе 2 контролируется высокоомным электронным вольтметром 3. Перед измерением замыкают переключатель 5 и конденсатор заряжается до напряжения источника питания 4. Так как темновой ток вакуумного фотоэлемента мал (~ 10^-13 А), а сопротивление электронного вольтметра высоко, то после отключения источника питания величина напряжения на конденсаторе останется практически неизменной. Заряд конденсатора начнет уменьшаться при протекании тока через фотоэлемент за счет падающего светового импульса. Полная энергия светового импульса равна

С другой стороны, полное изменение заряда конденсатора равно

,

где t – время протекания тока через фотоэлемент; I_ф – ток фотоэлемента;  – коэффициент пропорциональности, связанный с эффективностью преобразования энергии излучения в ток; _u – длительность импульса излучения.

Из полученных соотношений видно, что изменение напряжения пропорционально энергии светового импульса , причем быстродействие фотоэлемента в данном случае не играет роли, так как несущественно за какое время фотоэлектроны достигнут анода, важно только, чтобы все фотоэлектроны достигли его. Это требование выполняется, если работать при напряжениях, соответствующих режиму насыщения фотоэлемента (рис. 27). Кроме того, в этом случае разряд емкости происходит током постоянной величины по линейному закону. Этим и объясняется выбор режима разряда, а не заряда конденсатора.

Качество измерений определяется минимальными токами утечки конденсатора, величиной темнового тока фотоэлемента и внутренним сопротивлением вольтметра.

3.) Измерение энергии одиночных импульсов излучения по измерению площади импульса сигнала, зарегистрированного с помощью фотоэлемента и осциллографа. Следует отметить, что для регистрации формы сигнала временное разрешение аппаратуры должно быть достаточным, так как в противном случае будет наблюдаться искажение сигналов, что будет вносить в измерения систематическую погрешность, зависящую от длительности импульсов излучения. При использовании этого приема измерения определяют эквивалентную длительность импульса излучения , где S – площадь импульса, зарегистрированная осциллографом в сантиметрах квадратных; А – максимальная амплитуда импульса излучения в сантиметрах;  – длительность развертки осциллографа (нс/см). Если приемный тракт (фотоэлемент – осциллограф) калиброван по энергии, то можно найти импульсную мощность .

Измерения лабораторным фотометром общего назначения (ЛФО)

ЛФО предназначен для измерения энергии одиночных, редко повторяющихся импульсов и средней энергии импульсов в серии. Фотометр также содержит первичный фотоэлектрический преобразователь для регистрации мощности одиночных импульсов излучения лазеров и наблюдения их формы на экране широкополосного осциллографа. Рассмотрим принцип действия фотометра.

Упрощенная функциональная схема фотометра приведена на рис. 28.

Оптическая схема прибора выполнена так, что излучение лазера разветвляется на два канала: 1 – канал измерения энергии; 2 – канал регистрации мощности.

При попадании импульса излучения лазера на фотоприемник (фотодиод) 2 канала измерения энергии, интегрирующая емкость С заряжается током фотодиода до амплитуды, пропорциональной энергии излучения. В блоке 4 разряд конденсатора происходит через схему, позволяющую получить спадающее напряжение, близкое к линейному. Это линейно-изменяющееся напряжение поступает на компаратор, на выходе которого формируется прямоугольный импульс, длительность которого

пропорциональна энергии излучения лазера. Таким образом, блок 4 осуществляет преобразование амплитуды сигнала в длительность пропорциональную энергии импульса излучения и обеспечивает получение короткого импульса сброса, который формируется блоком 5 и используется для обнуления пересчетной схемы перед началом измерений. После блока 4 сигнал поступает в блок 6 преобразователя длительность-код. Длительность пришедшего сигнала, пропорциональная энергия импульса излучения, определяет интервал времени в течении которого на пересчетную схему этого блока поступают импульсы с генератора тактовой частоты 7. В результате на выходе счетчиков формируется код, зависящий от числа зафиксированных тактовых импульсов, т. е. от энергии импульса излучения лазера. Далее этот код поступает на ЦАП 8, на выходе которого включен стрелочный индикатор 9.

Значение энергии импульса излучения лазера определяют следующим образом: W = SND, где S – цена деления шкалы фотометра Дж/мкА; N – число делений стрелочного индикатора мкА; D – общая кратность ослабления введенных поглотителей и оптической системы.

Таким образом, фотометр позволяет измерять энергию одиночных импульсов, причем стрелка индикаторного прибора будет показывать аналоговое значение измеренной величины до нажатия кнопки сброс или до прихода следующего импульса излучения лазера.

При регистрации мощности импульс излучения попадает на вакуумный коаксиальный фотоэлемент 3 (Ф-28) и преобразуется в импульс тока, пропорциональный мощности излучения. Длительность импульсной характеристики фотоэлемента на уровне 0,1 максимального значения не более 1 нс. Нагрузкой фотоэлемента является входное сопротивление осциллографа, подключаемое через коаксиальную линию, чем обеспечивается неискаженная передача и воспроизведение формы импульса излучения, близкой к реальной.

Значение импульсной мощности рассчитывается по измеренной энергии и определенной по выше изложенной методике эквивалентной длительности импульса _экв.