книги / Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров
..pdfГ Л А В А 4
ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНО ГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Параметры и характеристики лазерного излучения разделяют на энерге тические, спектральные, корреляционные.
Энергетическая группа объединяет величины, чаще всего подвергающиеся изменению, и в основном определяется мощностью лазерного излучения. Внутри этой группы можно выделить две подгруппы параметров: временную и прост ранственную. К временной подгруппе относятся: энергия, энергия импульса, средняя мощность, максимальная мощность импульса, длительность светового импульса, частота повторения и форма огибающей светового сигнала. К прост ранственной подгруппе относятся плотность энергии, относительное распре деление плотности энергии (мощности) в сечении пучка, расходимость свето вого излучения.
Спектральная группа параметров лазерного излучения основывается на спектральной плотности мощности. В группу входят следующие параметры: частота лазерного излучения, длина волны лазерного излучения, ширина линии излучения, ширина огибающего спектра лазерного излучения.
Корреляционная группа включает в* себя когерентность и поляризацию. Несмотря на то, что обе они являются основополагающими при измерении параметров и характеристик лазерного излучения, эти параметры не имеют четкого определения и не стандартизированы.
При измерении параметров и характеристик необходимо учитывать, в каком режиме работает лазер - непрерывном или импульсном, периодическом или однократном и т.д., так как это в конечном итоге определяет построение средств измерения [102,121-126].
4.1, ИЗМЕРЕНИЕ АМПЛИТУДНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
Амплитудные параметры излучения регистрируют, используя тепловой, фотоэлектрический и пандемоторный принципы измерения. Тепловой (калори метрический) принцип заключается в том, что сначала в приемном элементе происходит преобразование части оптической энергии в тепловую, а затем в чувствительном элементе (тепловом приемнике) осуществляется преобразование тепловой энергии в информационный сигнал, который можно регистрировать или далее преобразовывать к виду, удобному для регистрации. Обычно это электрические величины: ЭДС, емкость, частота, сопротивление и т.д.
Тепловые приемники обычно подразделяют на термоэлементы (приборы, создающие термо-ЭДС при нагревании их падающим 'потоком излучения); 5олометры (приборы, приемные элементы которых меняют свое электрическое сопротивление при нагревании их падающим потоком излучения); эвапорографы приборы, в основу которых положено дифференциальное испарение тонких кленок, маска на подложке при измерении ее температуры и т.д. В качестве ормоэлементов ипользуют термопары, пироприемники, фотоприемники на сегнетоэлектрических пленках и т.д.
181
Исходя из принципов построения отдельных элементов излучения, тепловые измерители интенсивности лазерного излучения подразделяют на приемники объемного поглощения, полостные приемники, пленочные и т.д.
Принцип работы калориметрического измерителя объемного поглощения заключается в следующем: лазерное излучение (входной сигнал) поглощается приемным элементом, который при этом нагревается. В результате этого термо батарея вырабатывает выходной сигнал в виде приращения ЭДС, пропорцио нальный поглощаемой энергии. '
В измерительном калориметрическом преобразователе энергии импульсного лазерного излучения типа ТПИ приемным преобразователем служит твердо тельный графитовой элемент. В приемный элемент вмонтированы ’’горячие” спаи хромель-копелевых термопар, последовательно соединенные между собой в термобатарею, и нагреватель из константанового провода. ’’Холодные” спаи термопар плотно прижаты к телу термостата и электрически изолированы от него фторопластовыми прокладками. Нагреватель предназначен для проверки работоспособности преобразователя методом замещения путем подачи на него импульса электрической энергии известной величины.
В полостном калориметрическом приемнике типа ПП приемным элементом светочувствительного узла является полый конус с углом при вершине 15° и диаметром основания 4 мм, внутренние стенки которого покрыты специальным чернящим покрытием. Перед основанием конуса установлена диафрагма. Нагрев приемного конуса, возникающий от входящего в него оптического излучения, преобразуется в электрический сигнал термобатареей, состоящей из после довательно соединенных термопар. Использование тонкопленочных напыленных термопар позволяет получать высокую чувствительность и сравнительно малую постоянную времени для данного вида приемника.
Принцип работы серийного измерителя средней мощности и энергии лазерного излучения ИМО-2Н также заключается в поглощении приемным элементом мощности (энергии) лазерного излучения и преобразовании их в эквивалентное значение термо-ЭДС, которое фиксируется с помощью блока индикации. Измерительная головка состоит, из двух одинаковых термоэлектри ческих секций - рабочей и компенсационной, размещенных в конических выемках массивного металлического тела, расположенного внутри пассивного термостата. При измерении средней мощности широко используют так называемы! зеркальный метод [124].
На основании этого метода созданы калориметры, названные проходными. Данный прибор представляет собой два калориметрических преобразователя, заключенных в пассивный термостат, выполненный из дюралюминия 5 и запоя*
ненный пенополистиролом 4 (рис. 4.1). Каждый из преобразователей содержит приемный элемент, выполненный в виде плоской зеркально .отражающей
пластины (7,2), чувствительный элемент |
(термоэлектрическую |
батарею) и |
массивную оболочку. У каждой секции свое |
измерительное и |
отсчетное |
устройства Рассмотрим принцип работы данного прибора Пучок излучения, мощность
которого измеряется, попадает на первый преобразователь. Частично погло тившись, это излучение отражается и попадает на второй преобразователь, гffi
часть падающей мощности также поглощается, а остальная часть зеркально отражается и выходит из него. Предположим, что равенство коэффициентов
182
i з 4
Рис.4.1. Функциональная схема проходного калориметрического измерителя средней мощности: где 2 - входное окно; 2,7 - калориметрические пре образователи с зеркально отражающими приемными элементами; 3 - обо лочка; 4 - пенополистироловое заполнение; 5 - кожух; 6 - выходное окно
отражения преобразователей PI = P 2 = P 3 H мощности излучения, поглощённые преобразователям^, равны Рх и Р2, тогда
Р = Ря/ P i; Л * - P ?/(P i-P i)\ Р&л - |
, |
Если коэффициенты отражения различны, то, проведя два измерения мощности, при которых пучок подается с двух различных сторон, можно также определить ?вх и рвых и коэффициенты отражения преобразователей. Проходные преобра зователи обладают следующими достоинствами:
коэффициент пропускания прибора, значения падающей и проходящей мощности лазерного излучения определяются по результатам измерений, поэтому упрощается его аттестация в широком диапазоне длин волн х ;
при изготовлении приемных элементов из материала с большим коэф фициентом отражения и высокой теплопроводностью может быть увеличен верхний предел измеряемой плотности мощности;
применение прибора в качестве образцового позволяет упростить проверку рабочих измерителей и повысить точность передачи размера единицы мощности лазерного излучения;
при соответствующем исполнении прибор можно использовать для изме- )ения энергии одиночных импульсов лазерного излучения, в том числе энергии иощных импульсов лазеров, работающих в режиме модуляции добротности; можно измерять также энергию или мощность составляющих поляризованюго излучения, одна из которых параллельна, а другая перпендикулярна плоо-
ости падения пучка излучения.
Однако такие измерители не лишены и недостатков. Основными являются ольшое время установления показаний, что дает большую погрешность, и мещение оси пучка излучения на выходе относительно оси входящего пучка Основные характеристики калориметрических измерителей приведены в
«лицах 4.1,4.2,4.3 [121].
183
|
|
|
|
Т а б л и ц а АЩ |
Основные технические характеристики полосных приемников |
||||
|
излучения типа ПП |
|
|
|
Характеристика |
ПП-1 |
ПП-2 |
ПП-3 |
ПП-4 |
Спектральный диапазон, мкм |
0,25-15 |
0,25-15 |
0,25-15 |
0,25-15 |
Диапазон энергетических |
|
|
|
|
освещенностей нормируемый, |
1-Ю 3 |
1-Ю 3 |
1-Ю3 |
1-Ю3 |
|
||||
Диапазон потоков |
н о - 5- |
З-Ю'5- |
з-ю-5- |
1-10~5- |
нормируемый, Вт |
М О '3 |
3-Ю"2 |
з-ю-1 |
Н0~2 |
Коэффициент преобразования |
|
|
|
|
постоянного потока излучения, |
0,5 |
0,5 |
0,1 |
0,5 |
В‘Вт~1,не менее |
||||
Коэффициент преобразования |
|
|
|
|
энергетической освещенности, |
3,5-1О*6 |
1,5*10"5 |
МО-*- |
4,5-10“б |
В-м^-Вт’1, не менее |
||||
Измерение коэффициента |
|
|
|
|
преобразования во всем |
|
|
|
|
спектральном диапазоне, %, |
0,5 |
0,5 |
0,5 |
0,5 |
не более |
||||
Постоянная врёмени, с, |
5 |
5 |
10 |
5 |
не более |
||||
Минимальная регистрируемая |
5-10“8 |
5-Ю"8 |
1-Ю** |
5*10-® |
мощность, Вт |
||||
Предельное значение энер |
|
|
|
|
гетической освещенности, |
5-103 |
5-103 |
1-Ю4 |
5-10 3 |
Вт*м’2 |
||||
Основная погрешность, % |
5 |
5 |
5 |
5 |
Сопротивление термобата |
1-Ю4 |
2*104 |
3-Ю3 |
5-Ю3 |
рей, Ом, не более |
||||
Габаритные размеры, мм: |
150 |
70 |
150 |
70 |
длина |
||||
диаметр |
30 |
30 |
50 |
• 30 |
Масса, кг |
0,25 |
0,10 |
1,0 |
0,10 |
Пленочные термоэлементы объединяют группу тепловых приемников, чувствительные элементы которых выполнены в виде тонких металлических или других поглощающих пленок, нанесенных на диэлектрическую подложку. Нанесение пленок металлов (в качестве исходных материалов используют обычно платину, висмут, железо, никель, сурьму и тщ.) осуществляется напы лением. Создаваемое при этом чернящее покрытие на тонкой диэлектрической подложке обладает высоким коэффициентом поглощения, неселективным в широком спектральном диапазоне. Такое исполнение чувствительных элементов позволяет достигать высокой чувствительности, малой инерционности в
184
|
|
Т а б л и ц а |
4.2 |
Основные технические характеристики полостных приемников типа ПИ |
|
||
Характеристика |
ПИ-4 |
ПИ-5 |
|
Спектральный диапазон, мкм |
0,3-12 |
0,3-12 |
|
Диапазон мощности нормируемый, Вт |
1-10-3—1 |
- |
|
Диапазон энергий нормируемый, Дж |
- |
М 0 -2-10 |
|
Коэффициент преобразования мощности, |
0,12 |
- |
|
В-Вт-*, не менее |
|
||
Коэффициент преобразования энергии, |
- |
5-Ю-з |
|
В-Дж”1, не менее |
|
||
Диапазон длительностиизмеряемых |
- |
1-10-8-1 |
|
импульсов, с |
|
||
Предельное значение плотности |
М 0 б |
1-1012 |
|
мощности, Вт-м-2 |
|
||
|
|
(в импульсе) |
|
Основная погрешность, % |
2 |
3 |
|
Минимальный интервал времени между |
5 |
5 |
|
измерениями, мин |
|
||
Сопротивление термобатарей, Ом, |
3-103 |
5-103 |
|
не более |
|
||
Габаритные размеры, мм |
190X145X100 |
190X145X100 |
|
Масса, кг |
7 |
7 |
|
эбеспечивает Технологичность изготовления приемников. Конструктивное их исполнение приведено на рис. 4.2. Излучение, поглощаясь напыленной приемной площадкой, нагревает "горячие” спаи термопар, находящиеся под ней, и возикающая разность температур между "горячими" и "холодными” спаями термопар вызывает появление термо-ЭДС, которая измеряется микровольт метром.
Для увеличения коэффициента преобразования и получения высокой ста5ильности характеристик чувствительные элементы установлены в откачиваемый цо глубокого вакуума стеклянный баллон. На этом принципе созданы приемники типа "радиационные термоэлементы напыления”: РТН-10; РТН-11; РТН-12; РТН-16; РТН-20; РТН-28 и РТН-30. Во всех термоэлемнтах типа РТН, кроме РТН-16, применяется дифференциальная схема включения двух идентичных чувстви тельных узлов, один из которых является рабочим, другой - компенсационным: такая схема способствует существенному уменьшению дрейфа темнового сигнала, что повышает точность и воспроизводимость измерений.
Технические характеристики некоторых термоэлементов типа РТН пред ставлены в табл. 4.4 [121]. Термоэлементы с сапфировым окном (индекс "С” имеют спектральный диапазон от 0,4 до 6,0 мкм, га с германиевым окном
13 Легкий
185
Основные технические характеристики тепловых приемников объемного поглощения типа ТПИ |
|
||||||||
1 |
ТПИ-2-5 |
ТПИ-2-7 |
ТПИ-2М |
ТПИ-5 |
|
ТПИ-10 |
ТПИ-2А |
ТПИ-9С |
ТПИ-14 |
Параметр |
|
||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
_ |
6 |
7 |
8 |
Я |
Спектральный диапазон, мкм |
0,5-2; |
0,5-2; |
0,5-2; |
0,5-11 |
|
10,6 |
0,5-2 |
0,5-2; |
10,6 |
|
10,6 |
10,6 |
10,6 |
|
|
|
|
10,6 |
|
Диапазон измерений энергии, Дж |
0,5-30 |
5-500 |
1-500 |
- |
|
- |
0,5-40 |
2-50 |
- |
Диапазон средней мощности, Вт |
- |
- |
- |
0,5-50(баз |
|
- |
- |
- |
20-2*103 |
|
|
\ |
|
(ослабителя) |
|
|
|
|
|
Основная погрешность, °Л: . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
6 |
10 |
6 |
|
- |
6-15 |
10-15 |
- |
|
в спектральном диапазоне 0,5-2 мкм |
|
||||||||
на длине волны 10,6 мкм |
— |
5 |
.10 |
6 |
|
10-15 |
— |
20 |
10-15 |
Диапазон значений длительности |
1-10"б-1 |
1-1(Г5-1 |
1*10"5-1 |
|
|
- |
1*10"5~1 |
н о г3— |
|
импульсов, с |
|
|
|
|
|||||
Предельное значение плотности |
|
|
|
|
|
|
|
НО"1 |
|
5*108 |
5*108 |
5-108 |
- |
|
- |
1*108 |
5-108 |
- |
|
импульсной мощности, Вт* м ~а |
|
||||||||
Диапазон диаметров пучков |
6-45 |
6—45 |
6-45 |
6-45 |
|
40-200 |
3-45 |
75 |
20-50 |
излучения, мм |
|
||||||||
Коэффициент преобразования энергии |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
при температуре 293±2°К; 10б В'Дж"1, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
не менее |
150 |
80 |
65 |
1.5-10-3 |
|
- |
100 |
100 |
- |
в спектральном диапазоне 0,5-2 мкм |
|
||||||||
на длине волны 10,6 мкм |
130 |
70 |
50 |
6-Вт'1 |
|
2.5-10* |
|
- |
7,0*10“5 |
- |
|
- |
|||||||
|
|
|
|
|
|
В*Вт~1 |
|
|
В-Вт"1 |
|
|
|
|
|
|
|
Продолжение |
табл. |
4 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Время достижения максимального |
10 |
12 |
25 |
|
|
11 |
10 |
|
|
значения ЭДС, с, не более |
|
|
|
|
|||||
Время спада ЭДС до уровня 0,98 от |
2 |
2 |
2 |
|
— |
- |
2 |
|
|
максимального значения, с, не менее |
|
- |
|
||||||
Постоянная времени, с |
- |
- |
- |
70 |
120 |
- |
- |
90* |
|
Сопротивление термобатареи, Ом |
65±15 |
95 ±20 |
150t160 |
- |
- |
- |
- |
- |
|
Сопротивление обмотки,замещения,Ом |
125±15 |
240±30 |
35С±100 |
- |
- |
- |
- |
- |
|
Габаритные размеры, мм |
085X67 |
085X84 |
20GX60X |
0200X105 |
0230X120 |
0100X100 |
01О$<75,5 |
0140X100 |
|
Масса, кг |
|
1.5 |
Х60 |
5 |
10 |
1,5 |
1,0 |
5,0" |
|
1,0 |
1,5 |
|
Рис.4.2. Схема устройства чувствитель ного узла радиационного напыления термоэлемента PTH: 1 —диэлектрическая подложка; 2 - коллектор; 3,5 -ветви термопар; 4 - чернящее покрытие;
6 - диэлектрический держатель
F t U *
(индекс Т ”) - спектральный диапазон .от 1,8 до 14 мкм. Расширения диапазона частот регистрации мощности или инерционной энергии, включая радиодиапазон с одновременным сокращением инерционности измерителя, можно достичь за счет применения болометров, сегнетоэлектрических пленок, пиромодулей вместо термопар и введения в дополнение к чернящему слою, радиопогло щающего покрытия.
Болометры [121] объединяют группу тепловых приемников, чувствительные элементы которых изменяют свое омическое сопротивление при нагревании их лучистым потоком. Различают болометры металлические, полупроводниковые и сверхпроводниковые.
В м е т а л л и ч е с к и х болометрах используют металлы с высоким темпе ратурным коэффициентом сопротивления (никель, висмут, золото, платина и т.д.),
которые |
в виде пленки наносят |
на диэлектрические подложки (стекло, |
кварц и |
др.). |
болометров (термисторов) используется |
Для |
п о л у п р о в о н и к о в ы х |
материал с высоким отрицательным температурным коэффициентом сопро
тивления |
(пленки, полученные |
спеканием из окиси никеля, кобальта, мар |
ганца и |
др). |
болометры представляют собой тонкую пленку |
С в е р х п р о в о д н и к о в ы е |
или проволоку сверхпроводникового материала, помещенные в вакуум и работающие при охлаждении. В них необходимо поддерживать температуру чувствительного элемента вблизи критической температуры. Типовая конст рукция узла приемника с болометром приведена на рис. 4.3. Основные харак теристики болометров типа БН приведены в табл. 4.4.
Рис.4.3. Схема приемника с болометром типа ЁА: 1 - |
полоска Ва5& |
2 - диэлектрическая пленка; 3 - чернящее покрытие; 4 - |
керамический |
держатель; 5 - выводы к внешней измерительной системе |
|
Лучшие параметры обесепечивают п и р о э л е к т р и ч е с к и е приемник Например, пиромодуль МГ-30, содержащий т^кже предварительный усилите^ имеет следующие технические данные: .
188
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 4. |
|
Технические характеристики пленочных термоэлементов типа РТН |
|
|
|||||
Тип, |
Диапазон |
Коэффициент |
Площадь |
Постоянная |
Сопротив |
Максималь |
Основная |
Габаритные |
термоэлементов |
энергетичес |
преобразо |
приемной |
времени, |
ление, |
но допусти |
.погреш |
размеры, мм: |
|
кой освещен |
вания, |
площадки, |
с |
Ом |
мая осве |
ность, |
диаметр/длина |
|
ности, Вт/м2 |
В/Вт |
мм2 |
|
|
щенность, |
% |
|
|
|
|
|
|
|
Вт/м2 |
|
|
РТН-10С |
1-100 |
0,5 |
1,5X3,0 |
0,3 |
40 |
300 |
8 |
19/67 |
РТН-16С |
1-100 |
14 |
1x1 |
0,15 |
300 |
300 |
8 |
14/53 |
РТН-20С |
1-100 |
0,5 |
1,5x12 |
0,3 |
200 |
300 |
8 |
25/72 |
РТН-ЗОС |
1-100 |
1 |
3X3 |
0,3 |
600 |
300 |
8 |
19/67 |
РТН-16Г |
2-2Q0 |
2 |
1x1 |
0,15 |
300 |
600 |
8 |
14/53 |
РТН-ЗОГ |
2-200 |
1 |
3X3 |
0,15 |
600 |
600 |
8 |
19/67 |
БН-10С |
0,1-100 |
50-100 |
0,3X1 |
0,15 |
200 |
300 |
8 |
19/70 |
БН-10Г |
0,2-200 |
25-50 |
0,3X1 |
0,15 |
200 |
600 |
8 |
19/70 |
г
вольт-ваттовая чувствительность, |
В/Вт |
о о |
порог чувствительности, |
Вт/Гц1/2 |
23x10“в |
диапазон длин волн, |
мкм |
2-20 |
напряжение питания, |
В |
-12 |
сопротивление нагрузки, |
кОм |
10 |
Тонкопленочные измерительные приемники излучения рассмотрены на основе сегнетоэлектриков [127,128]. Успешная разработка технологии создания тонких сегнетоэлектрических пленок, близких по основным электрофизическим свойствам к свойствам соответствующих кристаллов, открывает реальные возможности крупномасштабного внедрения сегнетоэлектрических материалов в измерительную технику. Основные их характеристики определяются
- |
широким спектральным диапазоном 10"5 - 103 мкм и более; |
- |
высоким быстродействием 10“и - 10-12 с (время термализации фотона); |
- значительно более слабой чувствительностью к воздействию радиации и наличию примесей (до 0,1%), т.е. в итоге - более высокой технологичностью;
-большей стабильностью параметров во времени и надежностью;
-пироприемники не требуют в. принципе источников питания, схемы изме рения просты;
-высоким сопротивлением пироприемников, обеспечивая более низкий уровень токовых шумов, допускает более эффективную их работу в режиме накопления.
Пироприемники обладают исключительно широким динамическим диапазоном (107—108). Для лучших сегнетоэлектрических пленочных приемников, изготов ленных методами интегральной технологии на основе ниобата, бария, стронция (состав Baq^Sr^l^O e), основные свойства - электрофизические, пироэлектри ческие, электрические - близки к свойствам соответствующего кристалла
Одной из важнейших характеристик сегнетоэлектрика является петля диэлектрического гистерезиса Она дает возможность определить факт появления сегнетоэлектричества в сегнетоэлектрических пленках. Об этом свидетельствует ярко выраженный участок насыщения величины поляризации Я,, начиная с некоторого значения, прикладываемого к образцу напряжения.
Сегнетоэлектрические кристаллы принадлежат к пироэлектрическим классам и характеризуются обратной спонтанной поляризацией. При наличии поля больше определенного (коэрцитивного), направление поляризации сегнето электрика может быть изменено на противоположное.
Резкая температурная зависимость спонтанной поляризации и ее произ водной по полю легла в основу создания пироэлектрических приемников. Величина спонтанной поляризации пироэлектрических кристаллов зависит от температуры и при ее изменении на гранях кристалла, перпендикулярных особенной полярной оси, могут быть обнаружены заряды. В этом состоит пироэлектрический эффект. Для пироэлектрических применений важными характе ристиками являются зависимости изменения диэлектрической проницаемости £> проводимости о [Ом"1 • см-1] от температуры, а также £ и сопротивления пленки от величины поля смещения U (рис.4.4, 4.5). Указанные эффекты могут служить,
основой для создания различных измерительных датчиков температур^
деформации, мощности и энергии излучения лазеров и т.д. |
принципа |
положен^ |
|
Ф о т о э л е к т р и ч е с к и й |
п р и н ц и п . В основу этого |
||
явление поглощения фотона |
с последующим переходом |
носителей |
на болеч |
190