Измерение параметров лазеров

коэффициент сбора электронов (i , а m — число каскадов усиления, то

коэффициент усиления ФЭУ:

[pic] (1.8)

абсолютная спектральная чувствительность ФЭУ:

S(= S(k(M

где абсолютная спектральная чувствительность фотокатода ФЭУ,

определяемая аналогично по формуле (1.7).

Чувствительность ФЭУ может достигать (105 А/Вт в максимуме

спектральной характеристики. В обычных ФЭУ линейность сохраняется до

десятков миллиампер, у современных сильноточных — до единиц ампер.

При измерениях оптических сигналов большой мощности можно увеличить

диапазон линейности ФЭУ для больших потоков частично используя динодную

систему и снимая сигнал с промежуточных динодов. Нижний предел

динамического диапазона ограничен шумами и темновыми токами ФЭУ, которые

обычно составляют 10-11…10-5 А. Быстродействие современных ФЭУ лежит в

пределах 30...1 нс (1н=10-9 с).

К ФП на основе внутреннего фотоэффекта относятся фоторезисторы,

фотодиоды, фототранзисторы, МДП-фотоприемники и другие полупроводниковые

ФП. Для измерения энергетических параметров излучения наиболее широкое

распространение получили фотодиоды (ФД) и фоторезисторы (ФР).

Действие ФР основано на явлении фотопроводимости, заключающемся в

возникновении свободных носителей заряда в некоторых полупроводниках и

диэлектриках при падении на них оптического излучения. Фотопроводимость

приводит к уменьшению электрического сопротивления и соответственно к

увеличению тока, протекающего через фоторезистор.

Общее выражение для абсолютной спектральной чувствительности ФР может

быть представлено в виде:

[pic] (1.10)

где e — заряд электрона; V — объем освещенности части полупроводника; Q —

квантовый выход внутреннего фотоэффекта; ( — подвижность фотоносителей; ( —

время жизни фотоносителей; l — расстояние между контактами; u — напряжение,

приложенное к ФР.

ФР различных типов перекрывают широкий спектральный диапазон(0.4…25

мкм); большинство из них требует охлаждения до температуры жидкого азота

или жидкого гелия, что вызывает дополнительные трудности при их

использовании в измерительной аппаратуре в качестве ПИП. Кроме того, они

обладают большей инерционностью и невысокой чувствительностью, что также

ограничивает их применение для измерений энергетических параметров

лазерного излучения.

Наиболее широкое использование для этих целей имеют германиевые и

кремниевые фотодиоды. Возникающие под действием излучения неосновные

носители диффундируют через p-n-переход и ослабляют электрическое поле

последнего, что приводит к изменению электрического тока в цепи. Фототок в

широких пределах линейно зависит от интенсивности падающего излучения и

практически не зависит от напряжения смещения. Для измерения энергетических

параметров излучения обычно используют фотодиодный режим (с питанием), так

как при этом диапазон линейности и быстродействие гораздо больше, чем в

фотовольтаическом режиме (без питания). Важное значение для работы всех ФП

имеет согласование с электронной схемой.

Абсолютная спектральная чувствительность ФД:

S(=((((Q(((1-()/1.24 (1.11)

где ( — коэффициент пропускания окна прибора; ( — коэффициент

собирания носителей; Q — квантовый выход; ( — длина волны излучения; (

— коэффициент отражения.

В рабочем спектральном диапазоне абсолютная спектральная

чувствительность составляет десятые доли А/Вт. Область спектральной

чувствительности кремниевых фотодиодов составляет 0.4…1.2 мкм (максимум

около 0,85 мкм), германиевых — 0.3…1.8 мкм (максимум в области 1,5 мкм).

Такие ПИП не требуют охлаждения. Темновые токи у кремниевых ФД примерно на

порядок ниже, чем у германиевых и достигают 10-5…10-7 А, а при специальной

технологии изготовления — 10-9…10-12 А. ФД обладают сравнительно низким

уровнем шумов, что в сочетании с высокой чувствительностью делает, их ФП с

низким порогом чувствительности. Это позволяет использовать ФД для

измерений весьма слабых потоков излучения (до 10-6 Вт)

Инерционность обычных полупроводниковых ФД составляет 10-6…10-8 с, а

временное разрешение Ge и Si лавинных ФД достигает 1…10 нс. ФД

изготавливают с размерами фоточувствительной площадки примерно от долей мм

до 10 мм, а лавинные ФД — до 1 мм.

Для измерения относительно больших уровней мощности и энергии

целесообразно применять ПИП с невысокой чувствительностью, т.е. ФЭ. Для

измерения средних уровней энергетических параметров лазерного излучения

можно применять как вакуумные приборы ( ФЭУ), так и полупроводниковые (ФР,

ФД) . Для измерения малых потоков требуются приемники с высокой

чувствительностью и низким уровнем шума. Фотодиоды уступают по

чувствительности ФЭУ. Однако ФД обладают низким уровнем шума. Это позволяет

применять ФД для измерения малых потоков не непосредственно, а с помощью

усилителя. В этом случае ФД вполне могут конкурировать с ФЭУ, а в ряде

случаев и превосходить их по характеристикам.

Основные преимущества ФД по сравнению с ФЭУ: небольшие габариты,

низковольтное питание, высокая надежность и механическая прочность, более

высокая стабильность чувствительности, низкий уровень шумов, лучшая

помехозащищенность от электрических и магнитных полей.

Недостатки ФД по сравнению с ФЭУ: меньшее быстродействие для

большинства ФД, более сильное влияние температуры на параметры и

характеристики прибора.

Для измерения временных параметров лазерного излучения следует

применять наиболее быстродействующие фотоэлектрические приемники — ФЭ, для

измерения малых потоков — ФЭУ и лавинные ФД.

Для измерения мощности лазерного излучения в непрерывном режиме могут

быть использованы как вакуумные, так и полупроводниковые ФП, поскольку

здесь не требуется их высокого быстродействия.

Пондеромоторный метод

В пондемоторных измерителях энергии и мощности лазерного излучения

используется эффект П. Н. Лебедева . Лазерное излучение падает на тонкую

приемную металлическую или диэлектрическую пластину и давит на нее.

Давление (сила) измеряется чувствительным преобразователем.

Рисунок 1.4 Функциональная схема крутильных весов

Для измерения давления излучения используют различные преобразователи:

емкостные, пьезоэлектрические, крутильные весы на механическом и магнитном

подвесе, механотроны. Первые два типа большого распространения не получили

из-за малого значения коэффициента преобразования, малой помехоустойчивости

и сложности системы отсчета и регистрации. Наиболее широко применяются

крутильные весы — классический прибор для измерения малых сил. Схема

устройства приведена на рис.1.. На растяжках или подвесе 1 укреплено

коромысло 2 с приемным крылом 3, противовесом 4 и зеркалом 5, расположенным

в вакуумированной камере. При попадании оптического излучения на приемное

крыло подвижная система отклоняется от положения равновесия на некоторый

угол, по величине которого можно судить о значении оптической мощности или

энергии. Крючок 6 предназначен для крепления груза при калибровке весов

(определения их момента инерции и жесткости подвеса).

Из решения уравнения движения крутильного маятника можно получить

значение угла поворота ( приемной пластины 3 при воздействии на нее

непрерывного излучения мощностью P

[pic] (1.12)

где ( — коэффициент отражения пластины; ( — коэффициент пропускания

входного окна камеры; l — расстояние от оси пучка излучения до оси

вращения; ( — угол падения излучения на пластину; c — скорость света; K —

жесткость подвеса. Аналогичное выражение можно получитъ для максимального

угла разворота пластины (max — под действием импульса излучения энергией

Wu:

[pic] (1.13)

где J — момент инерции вращающейся системы. Углы поворота отсчитываются на

шкале 8 по отклонению светового пятна от лампочки 7 (рис. 1.4). При

известных параметрах системы формулы (1.12) и (1.13) позволяют определить

энергию и мощность излучения в абсолютных единицах.

В настоящее время в конструкцию пондеромоторных измерителей введено

много усовершенствований, которые позволили улучшить их эксплуатационные и

метрологические параметры. Прежде всего оказалось возможным отказаться от

вакуумирования и использовать атмосферное давление воздуха в камере.

Применение в качестве приемных элементов прозрачных диэлектрических пластин

вместо отражающих металлических позволило увеличить верхний предел

изменения энергии излучения (до 104 Дж). Такие устройства позволяют

измерять мощность лазерного излучения, начиная с единиц миливатт, и энергию

импульсов в десятые доли джоуля.

Для отсчета угла поворота крутильных весов часто используют емкостный

преобразователь. В этом случае пластина противовеса является одной из

пластин конденсатора, включаемого в резонансный контур генератора. При

повороте подвижной системы емкость конденсатора, а значит, и частота

генератора меняются, изменение частоты измеряется частотным детектором.

Чувствительность такой системы очень высока, но сама система громоздка и

сложна в настройке и управлении.

Другим способом реализации высокочувствительной системы отсчета

является схема с двумя фоторезисторами, которые включены вместе с двумя

постоянными резисторами в мостовую схему. В положении равновесия мост

сбалансирован. При отклонении системы освещенность фоторезисторов меняется,

мост разбалансируется и в его измерительной диагонали появляется ток,

пропорциональный углу поворота, который регистрирует микроамперметр.

Подобные системы индикации используются в гальванометрических

фотоусилителях Ф117, Ф120, имеющих чувствительность около 0.1 А/рад, что

позволяет измерять минимальный угол отклонения порядка нескольких угловых

секунд.

Рисунок 1.5 Магнитный подвес в пондеромоторном измерителе

Увеличение чувствительности в пондеромоторных измерителях и улучшение

развязки подвижной системы от толчков и вибраций достигнуты при помощи

бесконтактного подвеса в магнитном поле (рис. 1.5). Подвижная система 1 с

приемной пластиной 2, противовесом 3 и ферромагнитным якорем 4 подвешена в

магнитном поле соленоида 5 внутри камеры. Ток соленоида регулируется

специальной автоматической системой, состоящей из датчика 6, линейного 7 и

дифференциального устройства 9. При изменении вертикального положения

системы в ответ на сигнал датчика вырабатывается сигнал обратной связи,

усиливающий или ослабляющий ток через соленоид и стабилизирующий положение

системы. Поперечная устойчивость обеспечивается радиальным градиентом

напряженности поля соленоида.

Помимо крутильных весов для измерения используются механотроны,

которые представляют собой электровакуумный прибор с механически

управляемыми электродами. При воздействии внешнего механического сигнала в

механотроне происходит перемещение одного или нескольких подвижных

электродов, что вызывает соответствующее изменение анодного тока.

Рисунок 1.6Схема устройства диодного механотрона

Отечественная промышленность выпускает ряд механотронных

преобразователей, оформленных в виде обычных электронных ламп с октальным

цоколем (6MXIБ, 6MXЗС и др.) и в миниатюрном оформлении с гибкими выводами

(6MXIБ и т.п.). Конструкция этих механотронов показана на рис. 1.6. Сам

механотрон представляет собой диод с плоскопараллельными электродами. В

стеклянном баллоне 1 находятся неподвижный катод 2 с подогревателем 3 и

подвижный анод 4, жестко соединенный со стержнем 5, который впаян в гибкую

мембрану 6. Входной механический сигнал (сила F) подается на внешний конец

стержня. При этом подвижный анод перемещается относительно неподвижного

катода, что приводит к изменению анодного тока и выходного сигнала

преобразователя, который для измерения включают в мостовые схемы.

Чувствительность механотронов не превышает 10 мА/г (или по мощности 10-

9 А/Вт). Такое значение чувствительности при величине флуктуаций тока 0.1

мкА, вызываемых температурным дрейфом, толчками и вибрациями, дает

возможность уверенно измерять давление непрерывного излучения более 1кВт.

Если излучение промодули ровать так, чтобы подвижная система механотрона

вошла в резонанс, нижний предел измерения может достичь 100 Вт. Поэтому

механотронный преобразователь обычно применяют для измерения больших

уровней мощности и энергии импульсов лазерного излучения, например

непрерывного излучения мощных СО2-лазеров и импульсного на стекле с

неодимом.

Опыт, накопленный при разработке и эксплуатации различных типов

измерителей энергии и мощности лазерного излучения, позволяет сделать

заключение об областях применения, достоинствах и недостатках различных

методов.

К достоинствам теплового метода измерения энергетических параметров

лазерного излучения относятся широкие спектральный и динамический диапазоны

измерения, простота и надежность измерительных средств. В настоящее время в

некоторых калориметрических измерителях достигнута наиболее высокая

точность измерения, а при использовании пироэлектрических приемников

излучения и быстродействующих термоэлементов и болометров удалось получить

быстродействие до единиц наносекунд.

К недостаткам теплового метода можно отнести малое быстродействие и

чувствительность как раз тех тепловых приборов, которые обеспечивают

наиболее высокую точность измерения.

В приборах, основанных на фотоэлектрическом действии излучения,

достигаются максимальная чувствительность и быстродействие; это позволяет

использовать их в качестве измерителей формы импульсов и импульсной

мощности вплоть до субнаносекундного диапазона. Недостатками таких приборов

является сравнительно узкий спектральный диапазон и обычно невысокий

верхний предел измерения мощности (энергии), а также большая погрешность

измерений (5…30%) по сравнению с тепловыми приборами.

Преимущество пондеромоторного метода — высокий верхний предел

измерения энергии и мощности излучения при достаточно высокой точности

абсолютных измерений. Основной недостаток — жесткие требования к условиям

эксплуатации (особенно к вибрации) и, вследствие этого, ограничения к

применению в полевых условиях.

Измерение основных параметров импульса лазерного излучения

Как известно ряд активных сред в силу принципиальных или технических

ограничений обычно работают в импульсном режиме генерации, Сюда в первую

очередь относятся лазеры на самоограниченных переходах — азотный лазер,

генерирующий в УФ диапазоне ((=337,1 нм), и лазер на парах меди, дающий

мощные импульсы зеленого излучения ((=510,5 нм), Еще более широко

распространены рубиновые лазеры и лазеры на неодимовом стекле, импульсный

характер генерации которых обусловлен прежде всего особенностями системы

накачки и охлаждения активной среды. И наконец, в некоторых наиболее

ответственных случаях для повышения пиковой мощности излучения некоторые

лазеры переводятся в режим управляемой генерации; при этом наиболее часто

используются методы управления добротностью резонатора для получения так

называемого гигантского импульса и синхронизации продольных мод с целью

получения пикосекундных (правильнее — сверхкоротких) импульсов.

В результате возникает задача измерения основных параметров

генерируемого лазером импульса излучения. Очевидно, что наиболее простым

было бы построение измерений по схеме получения абсолютной зависимости

мощности излучения от времени P(t) с последующим извлечением из нее всех

интересующих величин — обычно это пиковая мощность Pu,max=P(t*), энергия

импульса

[pic] и его длительность (t. Однако точность таких измерений

обычно невелика. Поэтому, как правило, разделяют измерение временных (Рmax

и (u) и энергетических (W) параметров, что кроме повышения точности

получаемых результатов позволяет упростить сами измерения. При этом

измерение энергии импульса проводится обычно с помощью калориметрического

измерителя (см.1.1), обеспечивающего наибольшую точность, или фотодиода с

последующим интегрированием фототока, а измерение зависимости Р(t) — с

помощью фотоэлектронного приемника с высоким временным разрешением. Именно

по такой схеме построены серийные приборы марок ФН и ФУ, рассчитанные на

работу в диапазоне 0.4…1.1 мкм при энергии в импульсе 10-3…10 Дж и пиковой

мощности 104 …108 Вт; при длительности импульса (u =2.5…5(10-9 с и частотой

повторения F < 1 кГц погрешность измерения энергии (E(20%, а мощность около

25%.

Анализ параметров импульса с помощью осциллографа.

Для измерения формы импульса и его временных параметров (в частности,

длительность импульса (u, времен нарастания и спада и т.п.) используют

быстродействующие фотоприемники с высокой линейностью световой

характеристики. К ним, в первую очередь, относятся специально разработанныt

во ВНИИОФИ коаксиальные фотоэлементы серии ФЭК, рассчитанные на нагрузку 75

Ом и напряжение питания 1000 В; их временное разрешение (собственная

постоянная времени) колеблется в пределах от 10-9 до 10-10 с, и

максимальный фототок от 1 до 7 А у разных марок, отличающихся конструкцией

и типом фотокатода.

Таким образом, вопрос об эффективном преобразовании светового импульса

в электрический в первом приближении (по крайней мере для лазеров с

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5