Измерение параметров лазеров

ВВЕДЕНИЕ

_Получениедостоверныхрезультатовизмерений каксамих параметровлазеров, таки выходныххарактеристиклазерных приборови систем имеетсвою специфику,посколькулазерное излучениехарактеризуетсянекоторымиособенностями:широким спектральным(0,2 мм...1 мм) и динамическимдиапазоном(120...200 дБ), малойдлительностьюимпульсов (до0.1 пс), высокойплотностьюмощности (до10⁹ Вт/см²), энергиии т.п. Системахарактеристики параметровров лазерови лазерногоизлучениялазерных приборовустановленаГОСТ 15093-75, ГОСТ24453-80 и ГОСТ 23778-79, всоответствиис которымиосуществляетсяконтроль изделийлазерной техникина этапе выпускапродукции ипри их эксплуатации(табл.1).

Таблица1

Параметр,характеристика	Единицаизмерения	Определение		Обозначе-ние
Энергетическиепараметры ихарактеристики
Энергия	Дж	Энергия,переносимаялазернымизлучением		W
Мощность	Вт	Энергия,переносимаялазернымизлучениемв единицу времени		P
Интенсивность		Величина,пропорциональнаяквадратуамплитудыэлектромагнитногоколебания		J
Спектральнаяплотностьэнергии (мощность)	ДжЧГц-1 ВтЧГц-1			Wl,Wn (Pl,Pn)
Средняямощность импульса	Вт			Pu,ср
Максимальнаямощность импульса	Вт			Pu, max
Спектральныепараметры ихарактеристики
Длинаволны				l
Частота				n
Ширинаспектральнойлинии				dn dl
Степеньхроматичности				dn/n dl/l
Пространственно-временныепараметры ихарактеристики
Диаграмманаправленности			Угловоераспределениеэнергии илимощностилазерногоизлучения
Диаметрпучка	м		Диаметрпоперечногосечения пучкалазерногоизлучения,внутри которогопроходит заданнаядоля энергииили мощностилазера	d
Расходимость	рад, ср		Плоскийили телесныйугол, характеризующийширину диаграммынаправленностилазерногоизлучения вдальней зонепо заданномууровню угловогораспределенияэнергии илимощностилазерногоизлучения,определяемомупо отношениюк его максимальномузначению	QP
Энергетическаярасходимость	рад, ср		Плоскийили телесныйугол, внутрикоторогораспространяетсязаданная доля энергии илимощностилазерногоизлучения	qS
Относительноераспределениеплотностиэнергии (мощности)			Распределениеплотностиэнергии (мощности)излученияпо сечениюлазерногопучка, нормированноеотносительномаксимальногозначенияплотностиэнергии (мощности)	qW,P,qW,S
Частотаповторенияимпульсов	Гц		Отношеничислла импульсовлазерногоизлученияко времени	F
Длительностьимпульсов	с			tu
Параметрыкогерентности
Степеньпространственно-временнойкогерентности			Модулькомплекснойстепенипространственно-временнойкогерентностипри фиксированныхкоординатахточки в пространствеи времени,равный: ,где 0ЈЅg12(t)ЅЈ1,G12(t)— функциявзаимнойкогерентности,G11(O),G22(O)— функциивзаимнойкогерентностидля точекпространствас радиус-векторамиr1,r2 соответственнопри t=0	Ѕg12(t)Ѕ
Степеньпространственнойкогерентнсти			Модулькомплекснойстепени временнойкогерентностидля фиксированнойточки пространства,равный ,где G12(O)— функцияпространственнойкогерентности	Ѕg12(О)Ѕ
Степеньвременнойкогерентности			Модулькомплекснойстепени временнойкогерентностидля фиксированнойточки пространства,равный ,где Г11(t)— функциявзаимнойкогерентностидля точкипространствас радиусом-вектормr1	Ѕg11(t)Ѕ
Времякогерентности	с		Минимальноезапаздывание,для которогостепень временнойкогерентностипринимаетзначение равноенулю
Длинакогерентности	м		Произведениевремени когерентностина скоростьэлектромагнитногоизлучения ввакууме	DК
Параметрыполяризации
Плоскостьполяризации			Плоскость,проходящаячерез направлениераспространениялинейно-поляризованноголазерногоизлучения инаправлениеего электрическоговектора
Эллиптичностьполяризованноголазерногоизлучения			Отношениемалой полуосиэллипса, покоторомуполяризованолазерноеизлучение кего большойполуоси
Степеньполяризации			Отношениеинтенсивностиполяризованнойсоставляющейлазерногоизлучения кполной егоинтенсивности

ИЗМЕРЕНИЕЭНЕРГЕТИЧЕСКИХПАРАМЕТРОВИ ХАРАКТЕРИСТИКЛАЗЕРНОГОИЗЛУЧЕНИЯ

Дляизмеренияэнергетическихпараметровлазерногоизлучения могутиспользоватьсясамые разнообразныеметоды, основанныена различныхфизическихи химическихэффектахвзаимодействиялазерногоизлучения свеществом,последнее можетнаходитьсяв любом агрегатномсостоянии.Однако наиболееширокое распространениеполучили методы,основанныена преобразованииэнергии лазерногоизлучения втепловую энергию(тепловой метод)и в энергиюэлектрическоготока (фотоэлектрическийи пироэлектрическийметоды). Режеприменяетсяпондеремоторныйметод, основанныйна преобразованииэнергии лазерногоизлучения вмеханическуюэнергию.

Измерениемощности иэнергии лазерногоизлучения

Существующиесредства измерения(СИ) энергетическихпараметровлазерногоизлучениясодержат приемный(первичный)измерительныйпреобразователь(ПИП), измерительноеустройство,а также отсчетное,или регистрирующееустройство.В ПИП энергиялазерногоизлученияпреобразуетсяв тепловую илив механическуюэнергию илив электрическийсигнал, доступныедля дальнейшегопреобразованияи измерения.

РазличаютПИП поглощающегои проходноготипа. В преобразователяхпоглощающеготипа поступающаяна вход энергиялазерногоизлучения почтиполностьюпоглощаетсяи рассеиваетсяв нем. В преобразователяхпроходноготипа рассеиваетсялишь частьпоступившейна вход энергииизлучения (какправило небольшая),а большая чистьизучения проходитчерез преобразовательи может бытьиспользованадля требуемыхцелей.

Измерительноеустройствовключаетпреобразовательныеэлементы иизмерительнуюцель. Их назначение— преобразованиевыходногосигнала ПИПв сигнал, подаваемыйна отсчетноеили регистрирующееустройство.Отсчетное илирегистрирующееустройствослужит длясчитыванияили регистрациизначения измеряемойвеличины ваналоговойили цифровойформе.

ОбычноПИП конструктивновыполняетсяв виде отдельногоблока, называемогоизмерительнойголовкой, аизмерительноеи отсчетноеустройства— в виде измерительногоблока. В измерительныйблок могут бытьвключеныдополнительныеустройства,например цепикоррекциидрейфа нуля,температурнойи электрическойстабилизациии др.

Тепловойметод

Сущностьэтого методасостоит в том,что энергияизлучения привзаимодействиис веществомприемногопреобразователяпревращаетсяв тепловуюэнергию, котораявпоследствииизмеряетсятем или инымспособом. Дляизмерениятепловой энергии,выделившейсяв ПИП, обычноиспользуют:
—термоэлектрическийэффект Зеебека(возникновениеТЭДС междунагретым ихолодным спаямидвух разнородныхметаллов илиполупроводников);
—явлениеизменениясопротивленияметаллов иполупроводниковпри изменениитемпературы(болометрическийэффект); фазовыепереходы "твердоетело-жидкость"(лед-вода);
—эффектлинейного илиобъемногорасширениявеществ принагреваниии др.

Необходимоотметить, чтовсе тепловыеПИП в принципеявляютсякалориметрами.Однако в литературесформировалисьустойчивыеназвания ПИП,ассоциируемыеобычно с некоторойсовокупностьюхарактерныхпризнаков,свойственныхприемнымпреобразователямопределенныхтипов (термоэлементы,болометры,пироприемникии пр. ) .

Наиболееширокое распространениедля измерениятаких усредняемыхво времениэнергетическихпараметровлазерногоизлучения, какэнергия и средняямощность, получиликалориметры.Они имеют достаточноконструктивноразвитый приемныйэлемент, необъединенныйс чувствительнымэлементом. Кдостоинствамкалориметровотносятсяширокий спектральныйи динамическийдиапазон работы,высокая линейность,точность истабильностьхарактеристик,простота конструкции,возможностьих использованияс высокоточными,хотя и инерционнымицифровымиприборами,возможностькалибровкипреобразователейпо эквивалентномуэлектрическомувоздействию.

Любаякалориметрическаясистема (рис.1.1)содержит внутреннеекалориметрическоетело К (приемныйэлемент), в которомпротекаетпроцесс выделения(или поглощения)тепла, и внешнююоболочку О,с которой происходиттеплообменкалориметрическоготела путемтеплопроводности,конвекции иизлучения.

Рисунок1.1 Принципиальнаясхема калориметра

Тепловойпоток Д откалориметрическоготела на оболочкузависит главнымобразом отразности температурих поверхностейФ=G_T(T_k-T_o),где G_T — параметр,характеризующийтепловую проводимостьcреды междукалориметрическимтелом и оболочкой.Часто теплообменмежду K и Oхарактеризуюттакже обратнойвеличинойR_T=1/G_T, имеющейсмысл тепловогосопротивлениясреды. Наиболееширокое распространениедля измерениятаких усредненныхво времениэнергетическихпараметровлазерногоизучения, какэнергия и средняямощность, получиликалориметрыпеременнойтемпературы(или неизотермическиекалориметры),у которых впроцессе измеренияТ_K=f(t)№const.Уравнениетепловогоравновесиякалориметрическоготела K с оболочкойО в такомкалориметрев предположениибесконечнойтемпературопроводностивещества Kимеет вид:

(1.1)
где P(t)— мощность,рассеиваемаяв калориметре;c — теплоемкостьK: T=T_K-T_O

Унепрерывныхлазеров характернымэнергетическимпараметром,который указываетсяв паспорте,является мощностьлазера P. У лазеров,работающихв режиме свободнойгенерацииодиночныхимпульсовлазерногоизлучения,обычно нормируетсяэнергия импульсаW_u. Лазеры,работающиев режиме модуляциидобротностирезонатораи в режимесинхронизациимод, обычнохарактеризуютсязначением W_uи дополнительнозначениеммаксимальнойP_Umax или среднейP_Uср мощностиимпульса.Импульсно-периодическиелазеры характеризуютсясредней мощностьюP_ср со временемусреднения,значительнопревышающимпериод следованияимпульсов.

Всоответствиис этим рассмотримнекоторыечастные решениядифференциальногоуравнения(1.1).

1. Мощность,рассеиваемаяа калориметре,не изменяетсяво времени,т.е. P(t)=P_O=const. Тогда

(1.2)
где t=R_TC постояннаявремени калориметра.

Максимальноезначение Т(t)достигаетсяпри t®Ґи равно T_max=R_TЧP_O.

2. Мощностьв калориметревыделяетсяв виде периодическойпоследовательностипрямоугольныхимпульсов: P_O,t_u иq — импульснаямощность,длительностьи скважностьимпульсовсоответственно.Можно показать,что в этом случаедля значенийпараметровлазерногоизлучения,наиболее частовстречающихсяна практике,

(1.3)
3. В калориметрерассеиваетсяэнергия одиночногопрямоугольногоимпульса. Температуракалориметрическоготела в этомслучае изменяетсяво времениследующимобразом:

(1.4)

при0ЈtЈt_u

приt_uЈtҐ

Максимальноезначение Т(t)достигаетсяпри t=t_uи равно T_max=BЧR_TЧW_u(W_u=P_OЧt_uимпульса;д -- постояннаякалориметра). Перечисленныечастные случаиописывают триосновных режимаработы калориметрическихпреобразователейпеременнойтемпературы:режим измерениямощности непрерывныхлазеров, среднеймощностиимпульсно-периодическийлазеров и режимизмеренияэнергии одиночныхлазерных импульсов.

Врассматриваемыхкалориметрахнаибольшеераспространениеполучилитвердотельныеприемныеизмерительныепреобразователи.Такие ПИП частоизготавливаютв виде полостей— полого конуса,сферы с отверстием,полого цилиндра,а также комбинациейэтих элементов.За счет использоватьэффекта многократныхпереотраженийизлучениявнутри полостиудается увеличитькоэффициентпоглощенияприемногопреобразователяи тем самымрасширитьрабочий диапазондлин волн, атакже увеличитьверхний пределизмерениямощности иэнергии лазерногоизлучения.

Рисунок1.2 УпрощеннаяконструкциякалориметрическогоПИП прибораИМО-2

Вкачестве примерана рис.1.2 изображенПИП прибораИМО-2, серийновыпускаемогоотечественнойпромышленностьюдля измерениясредней мощностии энергии импульсовлазерногоизлучения.Здесь приемныйэлемент 1 выполненв виде медногоконуса со встроеннымэлектрическимнагревателемдля градуировки,причем на егоприемную поверхностьнанесено поглощающеепокрытие, Вкачествечувствительногоэлемента 2примененамедно-константановаятермобатарея,содержащаяболее 2000 термопар,равномернораспределенныхмежду наружнойповерхностьюприемногоэлемента иповерхностьюпассивнойтеплоемкойоболочки 3калориметра.Термобатареюполучают путеммеднения полувитковспирали прямоугольногосечения изконстантановой— проволоки.Такие элементыне требуютвключения всостав ПИПисточниковпитания, таккак их выходнойвеличинойявляется термо-ЭДС,возникающаямежду холодными нагретым спаями разнородныхметаллов иполупроводников.Большое количествотермопар всоставе термобатареиповышаетчувствительностьтаких ПИП.

Измерительнаяголовка ИМ0-2содержит двеодинаковые калориметрическиесекции с ПИП,которые находятсявнутри пассивноготермостата,образованноготолстостенныммедным корпусоми кожухомизмерительнойголовки. ДляуменьшениянестабильностиПИП термобатареивключеныпоследовательнонавстречу другдругу, что позволяетисключитьвлияние температурыокружающейсреды. Измерительнойблок содержитстабильныйусилительпостоянноготока для усилениясигнала с выходатермопреобразователя,стабилизированныйисточник постоянногонапряжениядля проверкисохранностиградуировочнойхарактеристикиприбора в процессеэксплуатации,цепи коммутациии регулировкикоэффициентаусиления УПТи аналоговоеотсчетноеустройство.

Длярасширенияверхнего пределаизмерениямощности непрерывноголазерногоизлучения вкомплектеприбора имеетсяослабитель.

Основныетехническиехарактеристикиприбора ИМО-2и некоторыхдругих тепловыхсредств измерениймощности иэнергии лазерногоизлучения,серийно выпускаемыхпромышленностью,приведены втабл. 2.

Вприборе ИКТимеется такжеконическийэлемент, которыйобладает болеевысокой стойкостьюк лазерномуизлучению ввследствиетого, что наего коническийприемный элементдействуетлазерное излучение,прошедшеерассеивающийматированныйсапфировыйэлемент. В результатеэтого излучениераспределяетсяпо всей приемнойповерхностии плотностьего снижается.В качествечувствительногоэлемента здесьиспользуетсятермометрсопротивления,выходной величинойкоторого являетсяизменениеэлектрическогосопротивленияПИП под действиемизменениятемпературыприемногоэлемента,возникающегопри поглощениипадающегоизлучения.Поэтому в составтаких ПИП долженвходить источникпитания. Измерительнаяголовка ИКТ,так же как и вИМ0-2, содержитдва одинаковыхПИП с термометрамисопротивления,включенныхв плечи мостапостоянноготока.

ПримеромПИП проходноготипа можетслужить малоинерционныйпроволочныйболометрическийизмерительсредней мощностиизлучения(рис.1.3). Такой ПИПвыполнен в видедвух редкихрешеток изтонких металлическихпроволок,перекрывающихвсе сечениепучка излученияи соединенныхпоследовательно.Принцип работыпреобразователяоснован наболометрическомэффекте, возникающемпри частичномпоглощениипроходящегочерез решеткилазерногоизлучения.

Дляредкой двойнойрешетки, еслиее период cзначительнопревышаетдиаметр d проволоки,полные потериоптическогоизлучения,включающиепотери на отражение,дифракцию ипоглощениев элементахрешетки, непревышают 4d/c.Наиболее подходящимиматериаламидля проволокявляются платина,золото и никель,которые обладаютвысокой механическойпрочностьюи технологическойпростотойизготовлениярешеток с малымдиаметром dи большим периодомc.

Таблица2

№ п/п	Наимено-вание	Тип ПИП	Рабочийдиапазон длинволн, мкм	Диапазонизмерения мощностиэнергии Вт Дж			Времяодного измерениядля мощности	Времяустановленияпоказания	Диапазондлительностейизмеряемыхимпульсов,с	Диапазонизмеряемыхдиаметровпучков, мм	Основнаяпогрешностьизмерения, %	Вид индикации
1	ОСИСМ— образцовоесредствоизмеренийсредней мощности	Термоэлектрический	0.4 - 12	10-3 - 102			2.5 мин			4 ё10	dP=1ё 3	Цифровой
2	ОИМ-1-1 —образцовыйизмерительмощностиизлучения(80 кг)	То же	0.3 - 3.5	10-3 - 10-1			8 мин			3 ё8	dP=1	Стрелочный
3	ИМО-2-2М —образцовыйизмрительмощности иэнергии лазерногоизлучения	То же	0.4 - 10.6		10-2 - 102	10-1 - 10	3 мин	5 с / 2 мин	2Ч10-4- 10-3	4 ё12	dP=1ё 3 dE=3ё 4	Цифровой
4	ИМО-2 —измерительсредней мощностии энергиилазерныхимпульсов	Термоэлектрический	0.33 -10.6		5Ч10-3- 102	3Ч10-3- 10	2.5 мин	8 c / 2 мин	10-4 - 10-3	4 ё12	dP=5ё 8 dE=7ё 22	Стрелочный
5	МК 3 - 18А —ваттметрпоглощаемоймощностикалориметрический	Болометрический	0.4 - 3.5		5Ч10-4- 10-2	10-3 - 0.3	10 с	20 с / 30 с	10-8 - 10-3	Ј10	dP,E=10ё 20	Стрелочный
6	МЗ - 24 —измерительмощностикалориметрический	То же	0.4 - 3.5		10-3 - 10	10-2 -10	10 c	10 c / 20 c	10-8 - 10-3	Ј20	dP=5ё 12 dE=5ё 22	Стрелочный
7	ПВ - 1 —пироэлектрическийваттметр	Пироэлектрический	0.4 - 10.6		10-4 - 102		10 c			2 ё 23	dP=10ё 20	Стрелочный
8	ФПМ -01 —фотометрпереносноймалогабаритныйдля импульсныхи непрерывныхлазеров	Фотоэлектрический	0.4 -1.06		10-7 - 10-1	10-8 - 0.05		1 c / 1 c	2Ч10-4- 10-2	2 14	dP=15 dE=10ё 20	Цифровой
9	ФПМ -02 — тоже для импульсныхлазеров (модификацияФПМ - 01)	Фотоэлектрический	0.53 - 1.06			510-9 - 10-3		1 c / 1 c	10-8 - 10-7	2 14	dE=20	Цифровой
10	ОСИЭ —образцовоесредствоизмеренияэнергии	Термоэлектрический	0.5 - 10.6			2Ч10-2-10		5 c / 4.5 мин	10-8 - 10-3	4 ё15	dE=4	Цифровой
11	ИКТ - 1Н -измерителькалориметрическийтвердотельный	То же	0.4 - 4.0			5Ч10-2- 103		10 c / 8 мин	10-8 - 10-3	4 ё45	dE=22	Стрелочный

Так, например,из платиновыхнитей диаметром3…5 мкм можноизготовитьрешетки с поперечнымразмером более10 см и периодом1 мм. В этом случаеобщие потерино превышают4·5·10^-3=0.02,а коэффициентпропусканияприемногоизмерительногопреобразователядостигает 98%.Постояннаявремени приборане превышает10^-3 с.

Рисунок1.3 Функциональнаясхема малоинерционногоболометрическогоизмерителямощности лазерногоизлученияпроходноготипа

Еслив ПИП чувствительнымэлементомявляется термометрсопротивления,который непосредственновоспринимаетоптическоеизлучение ив нем отсутствуетконструктивноразвитый приемныйэлемент, тотакой ПИП традиционноназывают болометром,а в качестветермометрасопротивлениямогут использоватьсяне только проволочныепроводники,а и пленочные.Приемно-чувствителльныеэлементы этихприборов частопомещают ввакуумированнуюоболочку Итогда их называютвакуумными.Глубокоохлаждаемыеболометры,работающиепри температурахжидкого азотаи гелия, используютдля измерениясверхмалыхпотоков излучения(эквивалентнуюмощность шумаможно снизитьдо 10^-14 Вт·Гц^-1/2)либо при стремлениидостичь максимальногобыстродействия(субнаносекундныйдиапазон) .

Калориметры,в которых тепловыепроцессы неприводят кизменениютемпературыкалориметрическоготела (т.е. Т_K=T_O=const),ю называютсяизотермическимикалориметрами,или калориметрамипостояннойтемпературы.Принцип действиятаких калориметровоснован либона использованииэффектов фазовогоперехода веществаи состоит визмеренииколичествакалориметрическоговещества (льда),перешедшегопод действиемпоглощеннойэнергии лазерногоизлучения вдругую фазу(воду) при температуресуществованияфазового перехода(0°) (калориметрыс фазовым переходом),либо на эффектекомпенсациив самом калориметревыделенногоизлучениемтепла за счеттепловогоэффекта спротивоположнымзнаком (компенсационныекалориметрыи калориметрыс предварительнымподогревом).Следует отметить,что на практикетакие приборыиспользуютсяредко, за исключениемкалориметровс предварительнымподогревом.В этих приборахкалориметрическоетело предварительно(до поступленияи ПИП измеряемогоизлучения)подогреваетсядо некоторойстационарнойтемпературы,превышающейтемпературуокружающейсреды. При подачелазерногоизлучениямощность подогревавручную илиавтоматическиуменьшают ты,чтобы температуракалориметрическоготела оставаласьпрежней. Поглощеннаяч в калориметремощность в этомслучае равнаизменениюмощности подогрева.По такому принципуработает образцовыйизмерительмощности лазерногоизлученияОИМ-1-1, у которогомощность подогревауменьшаетсявручную.

Принципработы пироэлектрическихПИП основанна использованиипироэлектрическогоэффекта, наблюдаемогоу ряда нецентросимметричныхкристалловпри их облучениии проявляющегосяв возникновенииразрядов награнях кристалла,перпендикулярныхособеннойполярной оси.Если изготовитьнебольшойконденсатори между егообкладкамипоместитьпироэлектрик,то изменениятемпературы,обусловленныепоглощениемизлучении,будут проявлятьсяв виде изменениязаряда этогоконденсатораи могут бытьзарегистрированы.Входное сопротивлениепироэлектрическогоприемникаявляется почтичисто емкостным.Поэтому сигнална его выходеможет появитьсятолько припеременномвходном сигнале,что вызываетнеобходимостьмодуляцииизлучения приизмерениипироприемникомизлучения.

Выходнойсигнал пироэлектрическихПИП пропорционаленскорости изменениясреднего приростатемпературыd(DT)/dtчувствительногоэлемента, а невеличине DT,не на которуюреагируюттепловой приемники.Следствиемэтого являетсявысокое быстродействиеприемников(до 10^-8), в такжевысокая ихчувствительность(10^-7…10^-8Дж), большойдинамическийдиапазон работы(10^-8…10 Дж) и широкийспектральныйдиапазон (0.4…10.6мкм). Конструктивночувствительныйэлемент пироприемникане отличаетсяот колориметрическихПИП(см. рис. 1.2), заисключениемсамого чувствительногоэлемента 2,выполненногоиз пироэлектрика.Среди промышленныхразработокизмерения малых(до 10^-9 Вт/см²)и сверхмалых(до 10^-12 Вт/см²)потоков излучениянаибольшееприменениенашли пироэлектрическиепреемники наоснове титанатабария, триглинсульфатаи на основекерамикицирконат-титанатбария. Чувствительныеэлементы такихПИП представляютсобой плоскопараллельнуюпластину толщиной20…100 мкм с нанесеннымина обе стороныэлектродами.На облучаемуюсторону пластинынаносят поглощающеепокрытие либоего роль выполняетполупрозрачныйэлектрод. Спомощью сравнительнонесложнойтехнологиичувствительныеэлементы можноизготавливатьдостаточносложной формыс размерамиприемной площадкиот 10^-4 до 10⁶.

Обладаярядом преимуществперед тепловымипреобразователями,пирозлектрическиеПИП находятвсе более широкоеприменениедля измеренияэнергетическихи пространственно-энергетическихпараметровлазерногоизлучения.

Фотоэлектрическийметод.

Фотоэлектрическийметод измеренияэнергетическихпараметровлазерногоизлученияоснован напереходе носителейзаряда поддействиемфотонов измеряемогоизлучения наболее высокиеэнергетическиеуровни. В качествефотоэлектрическихПИП используютфотоприемники(ФП), которыеделятся на двегруппы: с внешними внутреннимфотоэффектом.Внешний заключаетсяв испусканииэлектроновпод действиемфотонов в вакуум,внутренний— в переходеэлектроновиз связанногосостояния поддействиемфотонов в свободное,т.е. в возбужденноесостояниевнутри материала.В обоих случаяхпереход происходитпри поглощениивеществомотдельныхквантов излучения,поэтому ФПявляются квантовымиприборами.Энергия электромагнитногоизлучения вних непосредственнопревращаетсяв электрическую,которую затемизмеряют. Выходнойэлектрическийсигнал ФП зависитне от мощностипадающегоизлучения, аот количестваквантов излученияи энергии каждогокванта.

Общеевыражениепреобразованиявходного оптическогосигнала в выходнойэлектрическийсигнал, осуществляемогофотоэлектрическимПИП, можно записатьв следующемвиде:

I=I_ФП+I_Т=S_lЧP+I_T (1.5)
где I — полныйток, протекающийчерез ФП, А;I_ФП — токчерез ФП, вызванныйпадающим потокомизлучения, А;I_Т — темновойток, А; S_l— спектральныйкоэффициентпреобразования,или абсолютнаяспектральнаячувствительностьФП, А/Вт; P — мощностьпадающего наФП излучения,Вт.

Нижекратко рассмотреныосновныефотоэлектрическиепреобразователи,применяемыев средствахизмерениямощности иэнергии лазерногоизлучения.

Фотопреобразователис внешнимфотоэффектом.Энергия фотоэлектронов,испущенныхс поверхностикатода поддействиемэлектромагнитногоизлучения,определяетсявыражением:

W=hn-w(1.6)
где n— частота излучения,Гц; h — постояннаяПланка, (h=6.63Ч10^-34ДжЧс); w— постояннаязависящая отприроды материалафотокатода.Испусканиеэлектроновимеет местолишь в том случае,когда hn>w=hn_О,где n_О— пороговаячастота, нижекоторой фотоэффектневозможен.Длину волныl_О=с/n_Оназываютдлинноволновой(красной) границейфотоэффекта.Обычно коротковолноваяграница фотопреобразователяограничиваетсяпропусканиемвходного окнаПИП.

Кфотоприемникамна основе внешнегофотоэффектаотносятсявакуумныеприборы: фотоэлементы(ФЭ) и фотоэлектронныеумножители,

Спектральныйдиапазон вакуумныхФП зависит отматериалафотокатода.В настоящеевремя выпускаемыепромышленностьюФЭ и ФЭУ перекрываютдиапазон отУФ (0.16 мкм) до ближнегоИК излучения(1,2 мкм — длясеребряно-кислородно-цезиевогокатода). АбсолютнаяспектральнаячувствительностьФЭ определяетсяследующимобразом:

S_l=Q_ЭФЧl/1.24 (1.7)
где Q_ЭФ —эффективныйквантовыйвыход, l— длина волныизлучения, мкм,S_lменяетсяв зависимостиот типа и конструкцииприбора (10^-3…10^-1мА/Вт).

Динамическийдиапазон, вкотором сохраняетсялинейностьпреобразованияоптическогосигнала вэлектрический,для ФЭ сравнительнобольшой. Нижнийпредел ограниченшумами и темновымтоком ФЭ, верхний— влияниемпространственногозаряда и продольнымсопротивлениемфотокатода,В режиме непрерывногооблучениянижний

пределможет достигать10^-14 А, верхнийне превышает10^-4 А. В импульсномрежиме верхнийпредел можетбыть увеличендо десятковампер.

Шумыи темновые токиФЭ сравнительноневелики, однакоиз-за низкойчувствительностиФЭ нецелесообразноприменять ихдля измерениямалых уровнейоптическихсигналов.

Современныесильноточныевременные ФЭпозволяютполучать времянарастанияпереходнойхарактеристики(между уровнями0.1 и 0.9 от максимальногозначения) порядка10^-10 с.

ФЭУобладают высокойчувствительностьюблагодаряналичию умножительной(диодной) системы.Если коэффициентвторичнойэмиссии i-годиода s_i,коэффициентсбора электроновg_i , аm — число каскадовусиления, токоэффициентусиления ФЭУ:

(1.8)
абсолютнаяспектральнаячувствительностьФЭУ:

S_l=S_lkЧM

где абсолютнаяспектральнаячувствительностьфотокатодаФЭУ, определяемаяаналогичнопо формуле(1.7).

ЧувствительностьФЭУ может достигать~10⁵ А/Втв максимумеспектральнойхарактеристики.В обычных ФЭУлинейностьсохраняетсядо десятковмиллиампер,у современныхсильноточных— до единицампер.

Приизмеренияхоптическихсигналов большоймощности можноувеличитьдиапазон линейности ФЭУ для большихпотоков частичноиспользуядинодную системуи снимая сигналс промежуточныхдинодов. Нижнийпредел динамическогодиапазонаограниченшумами и темновымитоками ФЭУ,которые обычносоставляют10^-11…10^-5 А. БыстродействиесовременныхФЭУ лежит впределах 30...1 нс(1н=10^-9 с).

К ФПна основе внутреннегофотоэффектаотносятсяфоторезисторы,фотодиоды,фототранзисторы,МДП-фотоприемникии другие полупроводниковыеФП. Для измеренияэнергетическихпараметровизлучениянаиболее широкоераспространениеполучили фотодиоды(ФД) и фоторезисторы(ФР).

ДействиеФР основанона явлениифотопроводимости,заключающемсяв возникновениисвободныхносителейзаряда в некоторыхполупроводникахи диэлектрикахпри падениина них оптическогоизлучения.Фотопроводимостьприводит куменьшениюэлектрическогосопротивленияи соответственнок увеличениютока, протекающегочерез фоторезистор.

Общеевыражение дляабсолютнойспектральнойчувствительностиФР может бытьпредставленов виде:

(1.10)
где e — зарядэлектрона; V— объем освещенностичасти полупроводника;Q — квантовыйвыход внутреннегофотоэффекта;m — подвижностьфотоносителей;t — времяжизни фотоносителей;l — расстояниемежду контактами;u — напряжение,приложенноек ФР.

ФРразличных типовперекрываютширокий спектральныйдиапазон(0.4…25мкм); большинствоиз них требуетохлаждениядо температурыжидкого азотаили жидкогогелия, что вызываетдополнительныетрудности приих использованиив измерительнойаппаратурев качестве ПИП.Кроме того, ониобладают большейинерционностьюи невысокойчувствительностью,что такжеограничиваетих применениедля измеренийэнергетическихпараметровлазерногоизлучения.

Наиболееширокое использованиедля этих целейимеют германиевыеи кремниевыефотодиоды.Возникающиепод действиемизлучениянеосновныеносители диффундируютчерез p-n-переходи ослабляютэлектрическоеполе последнего,что приводитк изменениюэлектрическоготока в цепи.Фототок в широкихпределах линейнозависит отинтенсивностипадающегоизлучения ипрактическине зависит отнапряжениясмещения. Дляизмеренияэнергетическихпараметровизлученияобычно используютфотодиодныйрежим (с питанием),так как приэтом диапазонлинейностии быстродействиегораздо больше,чем в фотовольтаическомрежиме (безпитания). Важноезначение дляработы всехФП имеет согласованиес электроннойсхемой.

Абсолютнаяспектральная чувствительностьФД:

S_l=tЧgЧQЧl(1-r)/1.24(1.11)
где t— коэффициентпропусканияокна прибора;g — коэффициент

собиранияносителей; Q— квантовыйвыход; l— длина волныизлучения; r— коэффициентотражения.

Врабочем спектральномдиапазонеабсолютнаяспектральнаячувствительностьсоставляетдесятые долиА/Вт. Областьспектральнойчувствительностикремниевыхфотодиодовсоставляет0.4…1.2 мкм (максимумоколо 0,85 мкм),германиевых— 0.3…1.8 мкм (максимумв области 1,5 мкм).Такие ПИП нетребуют охлаждения.Темновые токиу кремниевыхФД примернона порядокниже, чем угерманиевыхи достигают10^-5…10^-7 А, а приспециальнойтехнологииизготовления— 10^-9…10^-12 А. ФДобладают сравнительнонизким уровнемшумов, что всочетании свысокой чувствительностьюделает, их ФПс низким порогомчувствительности.Это позволяетиспользоватьФД для измеренийвесьма слабыхпотоков излучения(до 10^-6 Вт)

Инерционностьобычных полупроводниковыхФД составляет10^-6…10^-8 с, а временноеразрешениеGe и Si лавинныхФД достигает1…10 нс. ФД изготавливаютс размерамифоточувствительнойплощадки примерноот долей мм до10 мм, а лавинныеФД — до 1 мм.

Дляизмеренияотносительнобольших уровнеймощности иэнергии целесообразноприменять ПИПс невысокойчувствительностью,т.е. ФЭ. Для измерениясредних уровнейэнергетическихпараметровлазерногоизлучения можноприменять каквакуумныеприборы ( ФЭУ),так и полупроводниковые(ФР, ФД) . Для измерениямалых потоковтребуютсяприемники свысокой чувствительностьюи низким уровнемшума. Фотодиодыуступают почувствительностиФЭУ. Однако ФДобладают низкимуровнем шума.Это позволяетприменять ФДдля измерениямалых потоковне непосредственно,а с помощьюусилителя. Вэтом случаеФД вполне могутконкурироватьс ФЭУ, а в рядеслучаев ипревосходитьих по характеристикам.

ОсновныепреимуществаФД по сравнениюс ФЭУ: небольшиегабариты,низковольтноепитание, высокаянадежностьи механическаяпрочность,более высокаястабильность чувствительности,низкий уровеньшумов, лучшаяпомехозащищенностьот электрическихи магнитныхполей.

НедостаткиФД по сравнениюс ФЭУ: меньшеебыстродействиедля большинстваФД, более сильноевлияние температурына параметрыи характеристикиприбора.

Дляизмерениявременныхпараметровлазерногоизлученияследует применятьнаиболеебыстродействующиефотоэлектрическиеприемники —ФЭ, для измерениямалых потоков— ФЭУ и лавинныеФД.

Дляизмерениямощности лазерногоизлучения внепрерывномрежиме могутбыть использованыкак вакуумные,так и полупроводниковыеФП, посколькуздесь не требуетсяих высокогобыстродействия.

Пондеромоторныйметод

Впондемоторныхизмерителяхэнергии и мощностилазерногоизлученияиспользуетсяэффект П. Н. Лебедева. Лазерное излучениепадает на тонкуюприемнуюметаллическуюили диэлектрическуюпластину идавит на нее.Давление (сила)измеряетсячувствительнымпреобразователем.

Рисунок1.4 Функциональнаясхема крутильныхвесов

Дляизмерениядавления излученияиспользуютразличныепреобразователи:емкостные,пьезоэлектрические,крутильныевесы на механическоми магнитномподвесе, механотроны.Первые два типабольшогораспространенияне получилииз-за малогозначения коэффициентапреобразования,малой помехоустойчивостии сложностисистемы отсчетаи регистрации.Наиболее широкоприменяютсякрутильныевесы — классическийприбор дляизмерения малыхсил. Схема устройстваприведена нарис.1.. На растяжкахили подвесе1 укрепленокоромысло 2 сприемным крылом3, противовесом4 и зеркалом 5,расположеннымв вакуумированнойкамере. Припопаданииоптическогоизлучения наприемное крылоподвижнаясистема отклоняетсяот положенияравновесияна некоторыйугол, по величинекоторого можносудить о значенииоптическоймощности илиэнергии. Крючок6 предназначендля креплениягруза при калибровкевесов (определенияих моментаинерции и жесткостиподвеса).

Изрешения уравнениядвижения крутильногомаятника можнополучить значениеугла поворотаa приемнойпластины 3 привоздействиина нее непрерывногоизлучениямощностью P

(1.12)
где r— коэффициентотраженияпластины; t— коэффициентпропусканиявходного окнакамеры; l —расстояниеот оси пучкаизлучения дооси вращения;j — уголпадения излученияна пластину;c — скоростьсвета; K — жесткостьподвеса. Аналогичноевыражение можнополучитъ длямаксимальногоугла разворотапластины a_max— под действиемимпульса излученияэнергией W_u:

(1.13)
где J — моментинерции вращающейсясистемы. Углыповоротаотсчитываютсяна шкале 8 поотклонениюсветового пятнаот лампочки7 (рис. 1.4). При известныхпараметрахсистемы формулы(1.12) и (1.13) позволяютопределитьэнергию и мощностьизлучения вабсолютныхединицах.

Внастоящее времяв конструкциюпондеромоторных измерителейвведено многоусовершенствований,которые позволилиулучшить ихэксплуатационныеи метрологическиепараметры.Прежде всегооказалосьвозможнымотказатьсяот вакуумированияи использоватьатмосферноедавление воздухав камере. Применениев качествеприемных элементовпрозрачныхдиэлектрическихпластин вместоотражающихметаллическихпозволилоувеличитьверхний пределизмененияэнергии излучения(до 10⁴ Дж). Такиеустройствапозволяютизмерять мощностьлазерногоизлучения,начиная с единицмиливатт, иэнергию импульсовв десятые долиджоуля.

Дляотсчета углаповорота крутильныхвесов частоиспользуютемкостныйпреобразователь.В этом случаепластина противовесаявляется однойиз пластинконденсатора,включаемогов резонансныйконтур генератора.При поворотеподвижнойсистемы емкостьконденсатора,а значит, и частотагенератораменяются, изменениечастоты измеряетсячастотнымдетектором.Чувствительностьтакой системыочень высока,но сама системагромоздка исложна в настройкеи управлении.

Другимспособом реализациивысокочувствительнойсистемы отсчетаявляется схемас двумя фоторезисторами,которые включенывместе с двумяпостояннымирезисторамив мостовуюсхему. В положенииравновесиямост сбалансирован.При отклонениисистемы освещенностьфоторезисторовменяется, мостразбалансируетсяи в его измерительнойдиагоналипоявляетсяток, пропорциональныйуглу поворота,который регистрируетмикроамперметр.Подобные системыиндикациииспользуютсяв гальванометрическихфотоусилителяхФ117, Ф120, имеющихчувствительностьоколо 0.1 А/рад,что позволяетизмерять минимальныйугол отклоненияпорядка несколькихугловых секунд.

Рисунок1.5 Магнитныйподвес в пондеромоторномизмерителе

Увеличениечувствительностив пондеромоторныхизмерителяхи улучшениеразвязки подвижнойсистемы оттолчков и вибрацийдостигнутыпри помощибесконтактногоподвеса в магнитномполе (рис. 1.5). Подвижнаясистема 1 с приемнойпластиной 2,противовесом3 и ферромагнитнымякорем 4 подвешенав магнитномполе соленоида5 внутри камеры.Ток соленоидарегулируетсяспециальнойавтоматическойсистемой, состоящейиз датчика 6,линейного 7 идифференциальногоустройства9. При изменениивертикальногоположениясистемы в ответна сигнал датчикавырабатываетсясигнал обратнойсвязи, усиливающийили ослабляющийток через соленоиди стабилизирующийположениесистемы. Поперечнаяустойчивостьобеспечиваетсярадиальнымградиентомнапряженностиполя соленоида.

Помимокрутильныхвесов для измеренияиспользуютсямеханотроны,которые представляютсобой электровакуумныйприбор с механическиуправляемымиэлектродами.При воздействиивнешнегомеханическогосигнала в механотронепроисходитперемещениеодного илинесколькихподвижныхэлектродов,что вызываетсоответствующееизменениеанодного тока.

Рисунок1.6Схема устройствадиодного механотрона

Отечественнаяпромышленностьвыпускает рядмеханотронныхпреобразователей,оформленныхв виде обычныхэлектронныхламп с октальнымцоколем (6MXIБ, 6MXЗСи др.) и в миниатюрномоформлениис гибкими выводами(6MXIБ и т.п.). Конструкцияэтих механотроновпоказана нарис. 1.6. Сам механотронпредставляетсобой диод сплоскопараллельнымиэлектродами.В стеклянномбаллоне 1 находятсянеподвижныйкатод 2 с подогревателем3 и подвижныйанод 4, жесткосоединенныйсо стержнем5, который впаянв гибкую мембрану6. Входной механическийсигнал (силаF) подается навнешний конецстержня. Приэтом подвижныйанод перемещаетсяотносительнонеподвижногокатода, чтоприводит кизменениюанодного токаи выходногосигнала преобразователя,который дляизмерениявключают вмостовые схемы.

Чувствительностьмеханотроновне превышает10 мА/г (или помощности 10^-9А/Вт). Такое значениечувствительностипри величинефлуктуацийтока 0.1 мкА, вызываемыхтемпературнымдрейфом, толчкамии вибрациями,дает возможностьуверенно измерятьдавление непрерывногоизлучения более1кВт. Если излучениепромодулировать так,чтобы подвижнаясистема механотронавошла в резонанс,нижний пределизмерения можетдостичь 100 Вт.Поэтому механотронныйпреобразовательобычно применяютдля измерениябольших уровнеймощности иэнергии импульсовлазерногоизлучения,например непрерывногоизлучениямощных СО₂-лазерови импульсногона стекле снеодимом.

Опыт,накопленныйпри разработкеи эксплуатацииразличных типовизмерителейэнергии и мощностилазерногоизлучения,позволяетсделать заключениеоб областяхприменения,достоинствахи недостаткахразличныхметодов.

Кдостоинствамтепловогометода измеренияэнергетическихпараметровлазерногоизлученияотносятсяширокие спектральныйи динамическийдиапазоныизмерения,простота инадежностьизмерительныхсредств. В настоящеевремя в некоторыхкалориметрическихизмерителяхдостигнутанаиболее высокаяточность измерения,а при использованиипироэлектрическихприемниковизлучения ибыстродействующихтермоэлементови болометровудалось получитьбыстродействиедо единиц наносекунд.

Кнедостаткамтепловогометода можноотнести малоебыстродействиеи чувствительностькак раз техтепловых приборов,которые обеспечиваютнаиболее высокуюточность измерения.

Вприборах, основанныхна фотоэлектрическомдействии излучения,достигаютсямаксимальнаячувствительностьи быстродействие;это позволяетиспользоватьих в качествеизмерителейформы импульсови импульсноймощности вплотьдо субнаносекундногодиапазона.Недостаткамитаких приборовявляется сравнительноузкий спектральныйдиапазон иобычно невысокийверхний пределизмерениямощности (энергии),а также большаяпогрешностьизмерений(5…30%) по сравнениюс тепловымиприборами.

Преимуществопондеромоторногометода — высокийверхний пределизмеренияэнергии и мощностиизлучения придостаточновысокой точностиабсолютныхизмерений.Основной недостаток— жесткие требованияк условиямэксплуатации(особенно квибрации) и,вследствиеэтого, ограниченияк применениюв полевых условиях.

Измерениеосновных параметровимпульса лазерногоизлучения

Какизвестно рядактивных средв силу принципиальныхили техническихограниченийобычно работаютв импульсномрежиме генерации,Сюда в первуюочередь относятсялазеры насамоограниченныхпереходах —азотный лазер,генерирующийв УФ диапазоне(l=337,1 нм), илазер на парахмеди, дающиймощные импульсызеленого излучения(l=510,5 нм), Ещеболее широкораспространенырубиновыелазеры и лазерына неодимовомстекле, импульсныйхарактер генерациикоторых обусловленпрежде всегоособенностямисистемы накачкии охлажденияактивной среды.И наконец, внекоторыхнаиболееответственныхслучаях дляповышенияпиковой мощностиизлучениянекоторыелазеры переводятсяв режим управляемойгенерации; приэтом наиболеечасто используютсяметоды управлениядобротностьюрезонаторадля получениятак называемогогигантскогоимпульса исинхронизациипродольныхмод с цельюполученияпикосекундных(правильнее— сверхкоротких)импульсов.

Врезультатевозникаетзадача измеренияосновных параметровгенерируемоголазером импульсаизлучения.Очевидно, чтонаиболее простымбыло бы построениеизмерений посхеме полученияабсолютнойзависимостимощности излученияот времени P(t)с последующимизвлечениемиз нее всехинтересующихвеличин — обычноэто пиковаямощностьP_u,max=P(t^*),энергия импульса

и его длительностьDt. Однакоточность такихизмеренийобычно невелика.Поэтому, какправило, разделяютизмерениевременных (Р_maxи t_u)и энергетических(W) параметров,что кроме повышенияточности получаемыхрезультатовпозволяетупростить самиизмерения. Приэтом измерениеэнергии импульсапроводитсяобычно с помощьюкалориметрическогоизмерителя(см.1.1), обеспечивающегонаибольшуюточность, илифотодиода споследующиминтегрированиемфототока, аизмерениезависимостиР(t) — с помощьюфотоэлектронногоприемника свысоким временнымразрешением.Именно по такойсхеме построенысерийные приборымарок ФН и ФУ,рассчитанныена работу вдиапазоне0.4…1.1 мкм при энергиив импульсе10^-3…10 Дж и пиковоймощности 10⁴…10⁸ Вт; придлительностиимпульса t_u=2.5…5Ч10^-9с и частотойповторенияF d_E»20%,а мощностьоколо 25%.

Анализпараметровимпульса спомощью осциллографа.

Дляизмерения формыимпульса и еговременныхпараметров(в частности,длительностьимпульса t_u,времен нарастанияи спада и т.п.)используютбыстродействующиефотоприемникис высокой линейностьюсветовойхарактеристики.К ним, в первуюочередь, относятсяспециальноразработанныtво ВНИИОФИкоаксиальныефотоэлементысерии ФЭК,рассчитанныена нагрузку75 Ом и напряжениепитания 1000 В; ихвременноеразрешение(собственнаяпостояннаявремени) колеблетсяв пределах от10^-9 до 10^-10 с, имаксимальныйфототок от 1 до7 А у разных марок,отличающихсяконструкциейи типом фотокатода.

Такимобразом, вопрособ эффективномпреобразованиисветовогоимпульса вэлектрическийв первом приближении(по крайнеймере для лазеровс "гигантским"импульсом)можно считатьрешенным. Дляисследованияформы полученногоэлектрическогоимпульса используютсякак обычныеуниверсальныеосциллографыс полосой пропусканиядо 10⁷ Гц, так испециальныескоростныеосциллографыс полосой пропускания1...5 ГГц и чувствительностью ~1 мм/В.Последниеобычно не имеютусилителя(вертикальноговхода), и сигналв них подаетсянепосредственнона верительныеотклоняющиепластины, чтои обеспечиваетширокую полосупропускания,но при низкойчувствительностик входномусигналу. Дальнейшийанализ осциллограммыпроводитсяпо ее фотоснимку,а также прииспользованииЭЛТ с длительнымсвечениемлюминофораили с накоплениемзаряда и последующимего многократнымсчитывании.

Ввидуплохой воспроизводимостипараметровлазерных импульсовиспользованиестробоскопическихметодов исследованияне обеспечиваетнеобходимойточности измеренийи потому обычноне практикуется.

Изучениеформы сверхкороткихлазерных импульсов

Какуказывалосьв 1.1.2, наиболеебыстродействующиефотоэлектрическиеприемникиизлучения имеютпостояннуювремени 10^-10…10^-9 с, т.е. с ихпомощью можнонадежно исследоватьтолько "гигантские"импульсы, типичнаядлительностькоторых составляет10^-8 с, а временанарастанияи спада могутбыть значительнокороче. Поэтомупри исследованиивременныхзависимостейв случае наиболеекоротких гигантскихимпульсов и,особенно,пикосекундныхимпульсовиспользуюткосвенныеметоды, основанныена применениивременнойразвертки,используемойв электронныхи оптическихосциллографах.В настоящеевремя принципсверхскоростнойвременнойразверткиреализованкак на базеоптико-механическойразвертки срастрами (кинокамератипа "лупавремени"), ЧтопозволяетзарегистрироватьНабор малоинформативныхдвумерныхизображенийс частотойсъемки 10⁵…10⁸кадр/с, так ина базе непрерывнойодномерной(щелевой)оптико-механическойразвертки(щелевые фоторегистраторы)с временнымразрешениемот 10^-7 до 3Ч10^-9с. Таким образом,использованиеоптико-механическойразвертки непозволяетсколько-нибудьсущественноулучшить временноеразрешение,обеспечиваемоемалоинерционнымифотоприемниками,но позволяетполучить набордвумерных(например,распределениепо поперечномусечению пучка)или одномерных(одномерноесечение пучка,спектр и т.п.)изображений,правда, толькодля излучениялазеров УФ,видимого иближнего ИКдиапазонов,что определяетсяограниченнымспектральнымдиапазономиспользуемыхфотопленок.

Поэтомув некоторыхслучаях применяютэлектроннуюразвертку одно-или двумерныхэлектронных"изображений",поступающихс фотокатода(сурьмяно-цезиевого,многощелочногоили кислородно-цезиевого,что оговаривается при заказеконкретногоприбора) ЭОПа.В случае использованиякислородно-цезиевогофотокатода"красная" границадостигает 1.3мкм. Однакоболее существеннымпреимуществомиспользуемыхдля высокоскоростнойрегистрацииОЭПов являетсязначительноеусиление яркостирегистрируемогоизображения— до (10³…10⁸ )^хв многокаскадных(2…6) приборах;это важно прирегистрациималомощныхпикосекундныхимпульсов. Взависимостиот электроннойсистемы разверткиможно получить9…12 отдельныхкадров (двумерныхизображений)с временемэкспонированиядо 10^-9…5Ч10^-13с,что обеспечиваетсяотдельнымэлектроннымзатвором,расположеннымобычно у фотокатода.Частота сменыкадров, обеспечиваемаяза счет синхроннойработы двухвзаимно перпендикулярныхсистем электростатическогоотклонения(всего пучкафотоэлектронов),гораздо ниже,что затрудняетисследованиединамики процессагенерации.

Поэтой причинеЭОПы с разверткойобычно используютдля исследованиятолько временныхзависимостейинтенсивностисфокусированногованного(монохроматическимобъективом)пучка излученияпикосекундноголазера. Применяемаяпри этом одномерная(обычно линейная)развертка можетиметь скоростьдо 10¹⁰ см/с, чтообеспечиваетполучение навыходномлюминесцентномэкране (Ж40мм) с разрешениемот 5…10 лин/мм (в5-6-каскадныхЭОПах) до 50 лин/мм(в однокаскадных)временнойразрешающейспособности10^-11 с. Рекорднаяскорость одномерной(спиральной)развертки(6Ч10¹⁰ см/с)достигнутав ЭОПе "Пикохрон-1"за счет использованияна отклоняющихпластинахСВЧ-напряжения(l = 3 см);

соответственнопри разрешающейспособности(не экране) 5 лин/ммвременноеразрешениемоют достигать5Ч10^-13 с,что соответствуетвременнымразбросампролета электроновв пучке, и поэтомуне может бытьулучшено повышениемскорости развертки.Характерно,что для обеспеченияудовлетворительныхяркости характеристиквыходногосигнала (спиралина люминесцентныхэкранах) "Пикохрон-1"имеет шестикаскаднуюсистему усиления,в результатечего яркостьвозрастаетв 10⁷…10⁸ раз посравнению сисходной (носущественнопадает разрешающаяспособностьвыходного"изображения").

Такимобразом, вопросисследованиявременныхзависимостейгенерации пико-и даже фемтосекундныхимпульсовлазерногоизлучения можносчитать в первомприближениирешенным. Однакосложность,высокая стоимость,громоздкостьи необходимостьвысококвалифицированногообслуживаниязатрудняетв некоторыхслучаях практическоеиспользованиекамер с оптико-механическойи электроннойразвертками.Поэтомув заключенииданного пунктацелесообразнорассмотретьвнешне достаточнопростой чистооптическийспособ измерениядлительностипикосекундныхимпульсов, вкотором используетсяоптическая"развертка"(со скоростьюсвета) припрохожденииизлучения внелинейном(по интенсивности)веществе, засчет чего идостигается"визуализация"световогоимпульса.

Рисунок1.7. Схема измерениядлительностипикосекундныхимпульсовметодом нелинейной(двухфотонной)люминесценции.

"Световая"развертка былапредложенав 1967 г. Джордмейномдля использованиядлительностипикосекундныхимпульсов прираспространениидвух одинаковыхсветовых пучковнавстречу другдругу в растворенелинейнолюминесцирующегокрасителя. Впервом эксперименте(рис. 1.7) "стоячая"волна образовываласьпутем отраженияосновного пучкапикосекундныхимпульсов(генерируемоголазером нанеодимовомстекле) в зеркалекюветы с красителем.Очевидно, чтовозле зеркала(и далее с шагомl=TC/n, где n — показательпреломленияраствора красителя)плотностьэнергии прямогои отраженногопучка будетмаксимальнаиз-за совпаденияi-го импульса.Левее (рис.1.7)зеркала на lбудут совпадать(i-1)-й импульс впрямой волнеи (i+1)-й — в отраженной.При удаленииот зеркала на2l двухфотоннаялюминесценциякрасителя будетярче из-за наложения(i-2) и (i+2) импульсовцуга и т.д. Дляприближеннойоценки контрастаполучаемойкартины примем,что все пикосекундныеимпульсы в цугеимеют одинаковуюпиковую интенсивностьI₁=I₂=I_i.Тогдаяркость фоновогосвечения двухфотоннойлюминесценцииВ_фона пропорциональнаI_i²,а максимальнаяяркость (возлезеркала и вдругих "пучностях")В_макс пропорциональна(2I_i)²=4I_i², т.е.заметно выше;это обеспечиваетнадежное выделениеинформациио длительностипикосекундныхимпульсов ивременноминтервале Тмежду ними помикроденситограммефотоснимкакюветы с возбужденнымкрасителем(рис. 1.8).

Рисунок1.8. Микроденситограмма(справа) фотографиицентральнойчасти симметричновозбуждаемойпикосекунднымиимпульсамикюветы (слева)с красителем.

В действительностикак сам эксперимент,так и его теориязначительносложнее приведеннойвыше элементарноймодели. Ввидуограниченногообъема укажемлишь, что обычнокювета с красителемвозбуждаетсясимметрично(рис.1.8), а законраспределенияяркости свеченияопределяется(авто)корреляционнойфункциейинтенсивностилазерногопучка, в результатечего для гауссоваимпульса происходит"уширение"свечения в раз, а контрастснижается до3,0. Известен методизмерениякорреляционнойфункции интенсивностилазерного пучказа счет нелинейногоэффекта генерациивторой гармоники,позволяющийизбавитьсяот фоновойзасветки ииметь временноеразрешение »0,1 пс; однакокак его описание,так и, особенно,реализациядостаточносложны.

Измерениепространственногораспределенияэнергии в лазерномпучке

Наиболееполнойпространственно-энергетическойхарактеристикойлазерногоизлученияявляется диаграммнаправленности,то есть угловоераспределениеэнергии илимощности влазерном пучке.Вблизи излучающейапертуры лазераугловое распределениеимеет непостояннуюконфигурацию,поэтому в большинствеслучаев практическийинтерес представляетраспределениеполя излученияв дальней зоне,когда формараспределенияперестаетзависеть отрасстоянияи можно говоритьо сформировавшейсядиаграмменаправленностиизлучения. Вкачестве приближеннойоценки границыдальней зоныпринимаютрасстояние,превышающееd²/l, гдеd —диаметр излучающейапертуры лазера;l — длинаволны излучения.

Ширинудиаграммынаправленностив дальней зонеколичественнохарактеризуютуглом расходимостилазерногоизлучения,который обычнонормируетсяпри выпускелазеров изпроизводства.

Напрактике используютдва понятиярасходимости.В первом случаеимеют в видуплоский илителесный уголQ_p или Q_s,определяющийширину диаграммынаправленностив дальней зонепо заданномууровню угловогораспределенияэнергии илимощности, отнесенногок его максимальномузначению. Чащевсего значениеуровня принимаетсяравным 0,5 и 1/е²,где е — основаниенатуральныхлогарифмов.Приведенноевыше определениеоднозначнохарактеризуетизлучениетолько одномодовоголазера, имеющегодиаграммунаправленностибез боковыхлепестков, т.е.близкую кгауссовскомураспределению.В случае многомодовогорежима диаграммаизлучения имеетмногочисленныебоковые лепестки,содержащиезначительнуючасть энергии.Поэтому величинарасходимостипо заданномууровню энергииили мощности,т.е. по существуцентральногомаксимумараспределения,не очень показатальна,если неизвестноугловое распределениеэнергии илимощности в этомугле. В такихслучаях болееудобной характеристикойявляетсяэнергетическаярасходимостьлазерногоизлучения (Q_W,Pили Q_W,S),т.е. плоскийили телесныйугол, внутрикоторогораспространяетсязаданная доляэнергии илимощности излучения.

Лазерноеизлучение такжехарактеризуютзначениемдиаметра пучка,т.е. диаметрапоперечногосечения пучкалазерногоизлучения,внутри которогопроходит заданнаядоля энергииили мощности.

Дляпрактическогоопределениярасходимостииспользуюттри основныхметода: методсечений, методрегистрациидиаграммынаправленностии метод фокальногопятна.

Рис.1.9.Принципиальныесхемы трехосновных методовизмерениярасходимостилазерногоизлучения

Наиболеепростым являетсяметод двухсечений (рис.1.9.а).Согласно этомуметоду расходимость(или энергетическаярасходимость)пучка излученияопределяютпутем измерениядиаметров пучкаd₁ и d₂ в двухпоперечныхсечениях дальнейзоны, отстоящиходно от другогона расстоянииL, и вычисленияискомого углаQ по формуле:

Q=arctg[(d₂-d₁)2L]»(d₂-d₁)/2L

Измерениядиаметров d₁и d₂ производятсяодновременноили последовательнопо одному итому же критерию— заданномууровню интенсивностилибо заданнойдоле мощности(энергии). Достоинствомметода являетсяего простота,однако дляобеспечениянеобходимойточности измеренийтребуетсядостаточнобольшая (донесколькихметров) базамежду сечениями,что затрудняетиспользованиеданного методав лабораторныхусловиях.

Дляуменьшениялинейных габаритовустановкиприменяютразличныезеркальныеили призменныесистемы, называемыеоптическимилиниями задержки.В качествепримера реализацииметода сеченийна рис.1.10 показанасхема измерителярасходимостинепрерывноголазерногоизлучения ввидимом и ближнемИК диапазонах.Излучениелазера 1, отразившисьот вращающегосязеркала 2 (положениеа-а), отклоняетсяна фотоприемник12 с щелевойдиафрагмой11 и после преобразованияв электрическийимпульс регистрируетсясистемой 13. Приповороте зеркалана выходе приемникаобразуетсяэлектрическийимпульс, длительностькоторогопропорциональнадиаметру поперечногосечения пучка.При дальнейшемповороте зеркала2 в положениев-в пучок излучения,пройдя многозеркальнуюотклоняющуюсистему 3-10, сканируетпо щели фотоприемника11. Длительностьимпульса навыходе этогофотоприемникапропорциональнадиаметру второгопоперечногосечения, удаленногоот первогосечения нарасстояние,вносимое зеркальнойсистемой, удлиняющейход пучка. Всилу расходимостидлительностьэтого импульсабольше первоначального.В регистрирующейсистеме 13 измеряетсяразностьдлительностейэтих импульсови определяетсязначение угловойрасходимостив соответствиис соотношением

(1.15)

гдеV — скоростьсканированияпучка по диафрагме; L — длина оптическойзадержки;

—длительностьимпульсов; d₁и d₂ — диаметрыпервого и второгосечений пучка.На этом принципеработает измерительрасходимостис цифровымотсчетом, способныйизмерять расходимостьот 20" до 3600" в диапазонахдлин волн 0,4...1,15мкм и мощности0,15...1000 мВт. Погрешностьизмерениярасходимостиданным приборомсоставляет3%.

Рисунок1.10. Схема измерителярасходимостипучка непрерывноголазера, в которомиспользованамодификацияметода сечений.

Методрегистрациидиаграммынаправленностипозволяетполучить наиболееполную информациюо пространственномраспределениилазерногоизлучения (см.Рис. 1.9б). Для измерениядиаграммынаправленностиможно использоватьфотоэлементили ФЭУ, расположенныев дальней зоне,фотокатодкоторых закрытдиафрагмойс отверстиеммалого диаметра.Перемещаяфотоэлементпо дуге окружностирадиусом R,регистрируютугловое распределениеинтенсивностиизлучения. Знаядиаграммунаправленности,можно рассчитатьэнергетическуюи угловуюрасходимостиизлучения.Измерениедиаграммынаправленностиявляется сложнойи трудоемкойпроцедурой,поэтому редкоприменяетсяв метрологическойпрактике.

Методфокальногопятна являетсянаиболеераспространеннымметодом измерениярасходимости.Для проведенияизмерений вдальней зоне,т.е. в областидифракцииФраунгофера,требуются, какправило, значительныерасстоянияот источникаизлучения.Условия дифракцииФраунгофераможно получитьв фокальнойплоскостиидеальнойбезаберрационнойположительнойлинзы (рис.1.9в).Для переходак угловомураспределениюнеобходимолинейноераспределениев фокальнойплоскостиразделить нафокусное расстояниелинзы, то естьугол расходимостиизлучениялазера определяютпо формуле

Q»a/f',

гдеа — радиус пятнана фокальнойплоскости. Вэтом методедля исключениявлияния дифракциина краях линзыприменяютдлиннофокусныелинзы с большойапертурой,превышающейпримерно в 2раза диаметрпадающеголазерногопучка, а фокусноерасстояниелинзы должноудовлетворятьусловию

гдеl — длинаволны лазерногоизлучения; Q_W,P —энергетическаярасходимостьлазерногоизлучения,установленнаяв стандартахили ТУ на лазерыконкретныхтипов. Погрешностьизмеренияданного методав основномсвязана с неточностьюопределенияразмера пятнаи не превышает27%.

Какв методе фокальногопятна, так и вметоде сеченийсуть измеренийрасходимостисводится копределениюдиаметра сеченияпучка по томуили иному критерию.Для определениядиаметра пучкаизлученияприменяют восновном дваметода (ГОСТ26086-84): метод калиброванныхдиафрагм иметод распределенияплотностиэнергии (мощности)лазерногоизлучения. Впервом случаеиспользуютсядиафрагмы сплавно изменяющимсядиаметром илисменные калиброванныедиафрагмы. Ихустанавливаютнепосредственнов пучке или вфокальнойплоскостилинзы. Изменяядиаметр диафрагм,регулируютдиаметр пучка,в пределахкоторого заключеназаданная доляэнергии (мощности)излучения отполной энергии.В схеме такогоизмерителяимеются двеветви, в однойиз которых иизмеряетсяполная энергия(мощность) пучка.Рассмотренныйспособ являетсянедостаточноточным, а процессизмерениямалооперативным,кроме того, онне дает информациио распределенииполя вблизимаксимумаизлучения ине позволяетвыявить неоднородности;неоднородностив распределенииизлучения. Дляустраненияэтого недостаткаприменяют методрегистрациираспределенияплотностиэнергии (мощности)лазерногоизучения впоперечномсечении пучка.Для этого ввидимой областии ближнем ИКдиапазонеспектра используютфотографированиепятна излученияна фотопленкуили фотопластинку с последующейобработкоймикрофотометрированиеми численныминтегрированиемна ЭВМ. В случаемощных импульсныхи непрерывныхлазеров применяютнейтральныесветофильтрыдля ослабленияизлучения. Пригрубых оценкахдостаточномощных лазеровразмер пятнаопределяютпо размеруотверстия,прожигаемогопучком лазерав непрозрачноймишени (чернаябумага, тонкиеметаллическиепластины ит.п.). Более удобнымспособом измерения,распределенияинтенсивностив сфокусированномпятне являетсяавтокалибровочныйспособ (рис.1.11),который основанна разделениилазерного пучкана ряд пространственноподобных м идостаточноудаленных одинот другогопучков различнойинтенсивностис помощью пластиныL под установленнойпод углом кпучку лазера.Толстая пластинаL ослабляети многократнорасщепляетлазерный пучок.

Рисунок0.7 Схема автокалибровочногоспособа измерениярасходимостиизлучения

Есликоэффициентотражения обеихповерхностейравен r,то интенсивностьI_n, пучка сномером n,выходящегоиз наклоннойпластины L ,можно записатьв виде:

I_n=I₀(1-r)²Чr^2(n-1)(1.18)
где I_O— интенсивностьпучка, падающегона пластину.Таким образом,на пленке Pполучаетсянесколькоизображенийпятна с разнойэкспозицией,из которыхпосле обработкиденситограммможно достаточноточно определитьдиаметр пятнана заданномуровне интенсивности.

Дляболее оперативногополученияданных, а такжедля преобразованияизлучения ввидимую областьспектра используютЭОПы, видиконыи диссекторы,которые позволяютнаблюдать илифотографироватьобъекты в ближнихИК (до 1.5 мкм), видимых,УФ или рентгеновскихлучах.

Споявлениеммногоканальныхмозаичныхприемниковизлучениязадача определенияотносительногораспределенияплотностиэнергии илимощности значительноупростилась,а скоростьполучениярезультатовизмеренийсущественноповысилась.Параллельныйпринцип измерениямногоканальныхПИП локальныхплотностеймощности иэнергии позволяетпроводитьанализ импульсногои нестабильногово времени ви пространственепрерывногоизлучения свыдачей результатовнепосредственнона экран дисплеяЭВМ или ЦПУ.

Большинствопреобразователейимеют до 100 каналовизмерения сразмером одногоэлемента от5х5 до 10х10 мм².Матричные ПИПоснованы наразличныхпринципахдействия(термоэлектрическиекалориметры,пироэлектрическиеи полупроводниковыеприборы) и могутперекрыватьвидимую и ИКобласти спектраl= 0.4…25 мкм).

Современныефотодиодные,фоторезистивныеи фототранзисторныематрицы состоятиз несколькихдесятков тысячэлементов сшагом несколькихдесятков микрометрови общей площадьюдо 15х15 мм². Времяопроса такихматриц составляетдоли миллисекунд.

Автоматизированнаяматематическаяобработкаинформациис мозаичныхприемниковобеспечиваетвычислениеэнергетическойрасходимости(не толькоотносительноточки с максимальнойинтенсивностью,но и относительноцентра тяжестипятна илигеометрическогоцентра); выделениеизоуровней;обработкуфокальных пятеннеправильнойформы; коррекциюискаженийизмерительноготракта, включаявозможностьиндивидуальнойкоррекциинеравномерностичувствительностиотдельногоканала; определениеоси диаграммынаправленности,ее дрейф в течениевремени и т.д.

Вто же времямногоканальныемозаичные ПИПобладают всееще низкойразрешающейспособностью(до 10 лин/мм), повышеннойобщей плотностьюсистемы и стоимостью.

Измерениеполяризациилазерного пучка

Всилу спецификипроцесса генерациив лазерах(основанногона стимулированномиспусканииактивной средойкогерентныхфотонов) получаемоетаким путемизлучениевсегда должнообладать 100 %-нойэлементарной(линейной иликруговой)поляризацией.Вид последнейопределяетсяособенностямииспользуемой(в лазере) активнойсреды — поляризациейее спонтанногоизлучения,служащего"затравкой"при разгораниигенерации, ивеличинойкоэффициентаусиления дляэлементарныхполяризаций;существенноезначение влазерах с резонатороммыв т поляризационнаяанизотропияпоследнего,т.е. соотношениепотерь дляразличныхэлементарныхполяризаций.В подавляющембольшинствесерийных лазеровгенерируетсятолько линейнополяризованноеизлучение,причем почтивсегда плоскостьполяризацииоднозначноопределяетсялибо поляризациейспонтанногоизлученияактивной среды(например, степеньполяризацииосновной R₁линии в стержняхрубина с 90^°ориентациейкристаллографическойоси составляет80%), либо брюстеровскимиповерхностями(например,брюстеровскимиокнами в газоразрядныхкюветах, брюстеровскимиторцами лазерныхстержней,установленнымипод углом Брюстерамодуляторами,затворами ит.п.). Лишь в лазерахна неодимовомстекле приотсутствииполяризационнойанизотропиигенерируетсялинейно поляризованноеизлучение,плоскостьполяризациикоторого хаотически,через время порядка Dt(время развитиягенерации),"перескакивает"после того, как"съедена"инверснаянаселенностьс соответствующейполяризацией.

Сдругой стороны,различныедефекты активнойсреды и особенностииспользуемогооптическогорезонаторамогут изменятьсостояниеполяризациилазерногопучка, в результатечего в некоторыхслучаях необходимоего исследование;это характерно,например, прииспользованииполяризационной(главным образом,электрооптической)модуляции ив некоторыхдругих случаях.Перечислим(в порядке нарастания"сложности")возможные"элементарные"состоянияполяризации:

1.Линейная поляризация— характеризуетсятолько положениемплоскостиполяризации— углом a с (произвольной)осью x , перпендикулярнойнаправлениюраспространениясвета z;

2.Круговая поляризация— характеризуетсятолько направлениемвращения концапроекции вектораЕ на плоскостьxy (перпендикулярнуюнаправлениюраспространенияz) — право- илевоциркулярнополяризованноеизлучение;отметим, чтокруговая поляризацияможет трактоватьсякак совокупностьдвух взаимноортогональныхлинейно поляризованныхлучков равнойинтенсивности,колебания вкоторых сдвинутысоответственнона ±l/4(или на уголd=±p/2);

3.Эллиптическиполяризованныйсвет являетсянаиболее общимслучаем элементарнойполяризациии определяетсяуже тремяпараметрами:углом плоскостибольшой оси(преимущественногонаправленияполяризации)с осью x, т.е. угломa, эллиптичностьюb, характеризующейсоотношениенапряженностилинейно (иортогонально)поляризованногосвета меньшейинтенсивностик большей, инаправлениемвращения (правоеили левое, какдля циркулярнополяризованногосвета); в другойтрактовкеэллиптическиполяризованныйсвет естьсовокупностьциркулярнополяризованногоизлучения и(когерентногос одной из егосоставляющих)линейно поляризованнойдобавки, плоскостьполяризациикоторой расположенапод углом a.

Такимобразом, все"элементарные"состоянияполяризациимогут бытьполучены издвух линейнополяризованныхво взаимноперпендикулярныхплоскостяхизлучений самплитудамиА_x и A_Y и разностьюфаз d. Стоксомбыли введенычетыре параметра

, , , , полностьюопределяющемсостояниеполяризациимонохроматическогопучка; прямо пропорциональныйполной интенсивностиполяризованногопучка, положениепреимущественной(линейной)поляризации(положениебольшой осиа эллипса)a=0.5arctg(s₂/s₁),угол эллиптичности (при этом 0соответствуетправая поляризация,а (-p/2)Јb— левая) и сдвигфаз d=d_x-d_y=arctg(s₂/s₃).

Хотясостояниеполяризациилюбой волны,не содержащейнеполяризованногосвета(

)можно представитьточкой в трехкоординатном (декартовом)пространствепараметровСтокса S₁,S₂, S₃, болеенагляднымявляется аналогичноепредставлениена сфере Пуанкаре,где в полярнойсистеме координатна сфере радиуса наносится точкаР₁ с угловымикоординатамиa_x иb_z=(p/2)-2b.Тогда экваторусоответствуютвсе возможныесостояниялинейно поляризованногосвета, северномуполюсу — правая,а южному — леваяциркулярнаяполяризация.При этом всесеверное полушариесоответствуетправой эллиптическойполяризации,а южное — левой.В случае неполностьюполяризованногосвета соответствующаяему точка Pлежит на продолжениирадиуса OP₁на расстоянии ,а для учетанеполной поляризациивводится степеньполяризации ,равная отношениюполяризованнойинтенсивностик полной, т.е.p=I_поляр/I.

СферуПуанкаре можноиспользоватьи для качественногоанализа изменениясостоянияполяризацииизлучения вовремени. Так,например, свободнойгенерациилазера на неодимовомстекле (безанизотропныхэлементов)будет соответствоватьхаотическийперескок точкиP₁ вдольэкватора наугол порядкаp/2 (наортогональнуюлинейную поляризацию)с характернымвременем порядкавремени разгораниягенерации.Незначительныефлуктуациидвулучепреломленияв лазере с активнойсредой, находящейсяв сильном аксиальномполе (но резонаторкоторого неимеет преимущественнойполяризациинапример, ионныйаргоновый лазерс внутреннимизеркалами),будут приводитьк соответствующемудвижению дветочки P_s1 иP_s2 в областисеверного ииного полюсовсферы Пуанкареи т.п.

Вто же время дляколичественногоанализа состоянияполяризацииудобнее использоватьследующиепараметрыСтокса, которыесравнительнопросто могутбыть измеренынепосредственно:

s₀=I— полная интенсивностьпучка;

s₁=I_x-I_y— разницаинтенсивностилинейно поляризованныхкомпонент (т.е.интенсивностей,пропускаемыхвысококачественнымполяроидомили поляризационнойпризмой) дляазимутальныхуглов 0°(x-компонента)и 90° (y-компонента);

s₂=I_p/4-I_p/4— разницаинтенсивностейпри установкеполяроидапосерединемежду осямиXY (I_p/4)и перпендикулярнобиссектрисеугла xOy (I_-p/4)

s₃=I_g-I_s— то же, что идля s₁, s₂;но для циркулярнополяризованного(соответственнопо правому илевому кругу)света.

Такимобразом, напервый взгляд,требуется иметьсемь измерителейелей интенсивности,однако вполнедостаточночетырех величин,например I_x,I_y, I_p/4и I_n.При этом параметрыСтокса (правда,в более сложнойдля обработкиформе) могутбыть автоматическивычислены посоответствующимформулам. Такойэллипсометрсостоит из трехпар пластин,установленныхпод углом Брюстераи развернутыхна угол 90°в каждой паре.В результатеот первой пластиныП₁ отражаетсятолько составляющаяI_x, от второйП₂ — толькоI_y, от третьейП₃ — толькоI_p/4 (таккак вторая парапластин развернутаотносительнопервой на угол45° ), а отпятой П₅— только I_n(так как передтретьей паройпластин стоитчетвертьволноваяпластина +l//4).Отражаемыечетвертой П₄и шестой П₆пластинамипучки, пропорциональныеI_-p/4и I_s,не требуетсядля вычисленияпараметровСтокса, но самипластины необходимыдля обеспеченияточности работысистемы за счетчетной симметриикаждого каскадапластин. Очевидно,что такойчетырехканальныйполяриметрможет использоватьсядля анализаизлучения какимпульсных(его быстродействиеопределяетсяа основномиспользуемымифотоприемникамии может достигать10^-8 с), так и непрерывныхлазеров.

Впоследнемслучав можноприменятьполяриметры,работающиев режиме последовательногоанализа отдельныхполяризационныхкомпонентлазерногопучка. Существенно,что в данномслучав заметноповышает точностьизмерения(достижениеточности основныхвеличин — степениполяризациир, эллиптичности(а/b) угла преимущественнойполяризацииa в 1% несоставляеттруда) за счетснижения шумовпри накоплениисигнала и синхронномдетектировании.В качествепримера поляриметраданного типасошлемся насхему модуляционногополяриметра.В нем используетсядвухканальныйполяризационныйанализаторпоследовательногодействия, содержащийнепрерывновращающуюся(с угловой скоростьюw) четвертьволновуюпластинку(d=p/4)и призму Волластона,расщепляющуювыходной лучокна две взаимноортогональныеполяризациис переменнымиво времениинтенсивностями:

где q — угол,определяющийориентациюанализатора— призмы Волластона,а

— интенсивностьлинейно поляризованнойсоставляющей.При попарнойобработке обоихполучаемыхсигналов получим:на нулевойчастоте (попостоянномутоку) s₀=I₁(0)+I₂(0),при детектированиина частотевторой гармонию(f₂=2w/2p),

придетектированиина частотечетвертойгармоники) (

угловое положениеплоскостипреимущественныхколебанийa=0.5j₄,где j₄— фаза сигналачетвертойгармоники. Привысокой стабильностиполяризациилазерногоизлученияизмерения могутпроводитьсяпутем последовательнойустановкиполяроида ичетвертьволновойпластинки наоси пучка, замераинтенсивностипроходящегопучка и соответствующейобработкирезультатованалогичнообычным поляризационнымизмерениям.

ИЗМЕРЕНИЕСПЕКТРАЛЬНЫХИ КОРРЕЛЯЦИОННЫХПАРАМЕТРОВИ ХАРАКТЕРИСТИКЛАЗЕРНОГОИЗЛУЧЕНИЯ

Даннаяглава посвященаизмерениюнаиболее специфичныхпараметрови характеристиклазерногоизлучения,непосредственноили косвенносвязанных сего когерентностью.Как известно,последняяхарактеризуетсядвумя основнымипараметрами— временнойкогерентностью,то есть длительностьюDt цугаизлучения спостояннойво временифазой (или длинойкогерентностиDl=cЧDt),и степеньюпространственнойкогерентности,определяющейстепень корреляции(синфазности)излучения попоперечномусечению лазерногопучка. Естественно,что непосредственноеизмерениестепени когерентностиможет осуществлятьсятолько интерференционнымиметодами, достаточносложными какдля их понимания,так и для реализации;этому и посвященпоследнийпараграф даннойглавы. Болеедоступны экспериментыпо косвеннойоценке временнойкогерентностипутем измеренияширины линиилазерногоизлученияDn_изл=1/2pDt.В зависимостиот абсолютногозначения Dn_излтакие измерениямогут проводитьсякак в оптическомдиапазоне(Dn_изл>10⁶ Гц), так и врадиофизическом(при меньшихзначениях Dn_изл),что будет рассмотреносоответственнов 2.2 и 2.3. Предварительноцелесообразновкратце напомнитьосновные моментыпо физике лазернойгенерации,связанные скогерентностьюизлучения.

Влияниепараметровлазера накогерентностьего излучения

Поопределениюлазер — этоприбор, в которомпроисходитусиление (и,наиболее часто,генерация)оптическогоизлучения засчет стимулированныхпереходов.Поэтому в идеальномслучае лазерноеизлучениедолжно бытьабсолютнокогерентно,т.е. время когерентностиDt®Ґи, соответственно,длина когерентностиn®1, а степеньпространственнойкогерентностиn®1 (или к100%). Такой ситуациисоответствуетизлучениесверхстабильногоодночастотноголазера бесконечнобольшой мощности.Естественно,что на практикеэто недостижимо.Поэтому целесообразновкратце восстановитьпроцесс генерациикогерентногоизлучения вреальном лазере.

Генерацияв лазере с линейнымили кольцевымрезонаторомпроисходитв первом приближениина собственных(резонансных)частотах последнего,так как для нихобеспечиваютсянаименьшиепотери генерируемогоизлучения, т.е.максимальная(положительная)обратная связь.В оптическомрезонаторесобственныерезонансныечастотыn_mnq=Dn_рез[q+(b_mn/180°)],где Dn_рез=c/2L_опт — частотныйинтервал междусобственнымипродольнымимодами резонаторав линейномрезонаторе(в кольцевомже Dn_рез=c/L_опт); q — продольныйиндекс; b_mn— фазовые искажениядля b_mn-йпоперечноймоды, определяемыегеометриейрезонатора.

Квторичнымэффектам, оказывающимнезначительноевлияние начастоту генерации,относятсяэффекты затягиванияи отталкиваниячастот. Однакоиз-за высокойдобротности(Q=Dn_0.5/n_mnq»10⁶)оптическогорезонатора(т.е. малой посравнению сn_mnq ширинырезонансногопика Dn_0.5=сЧеa/4pL_опт)отклонениечастоты генерацииот собственнойрезонанснойчастоты n_mnкрайне незначительнои может бытьобнаруженотолько радиофизическимиметодами (см.2.3).

Гораздосильнее начастоту генерациилазера влияютпараметрыактивной среды:центральнаячастота лазерногоперехода n₀=(Е_в-Е_н)/h (Е_в, Е_н —средняя энергияверхнего инижнего рабочихуровней соответственно,h — постояннаяПланка) и ширинаспектральнойлинии Dn.При этом избесконечного(главным образом,по продольномуиндексу q) наборасобственныхрезонансныхчастот именноактивная средаселектируетодно или несколько(в зависимостиот характерауширения лазерногоперехода) значенийвблизи n₀.

Поэтой причинедлина волныгенерацииl_ген=с/n_генпочти всехлазеров (заисключениемлазеров нарастворахкрасителейи, в меньшейстепени, полупроводниковыхлазеров) сдостаточнойдля подавляющегобольшинствапрактическихслучаев точностьюоднозначноопределяетсяиспользуемойактивной средой.С другой стороны,прецизионноеизмерение длиныволны лазернойгенерациистановитсяв настоящеевремя особенноактуальным,так как эталондлины (1м) с 1983 г.определеннепосредственночерез длинуволны пяти газоразрядныхлазеров, стабилизированныхпо частотеизлучениясоответствующейпоглощающейячейкой. Длинаволны этихрекомендованныхлазеров лежитв диапазонеот 0,515 мкм (Аг⁺/¹²⁷I₂)до 3,39 мкм (He-Ne/CH₄) ивоспроизводитсяс погрешностьюот 1,3Ч10^-9(Аг⁺/¹²⁷I₂) до1,3Ч10^-10(He-Ne/CH₄). Наименьшуюпогрешность(6Ч10^-10)воспроизведениядлины волны(0.57629476027 мкм) в видимомдиапазонеобеспечиваетвторая гармоникаHe-Ne лазера, стабилизированногопо частотепоглощающейячейкой напарах ¹²⁷I₂; обекрасные линииHe-Ne лазера (0,6329 и0,612 мкм) стабилизируютсяс заметно меньшейвоспроизводимостью:1.1Ч10^-9 и1Ч10^-9соответственно.

Всилу вышеизложенногоизмерениеспектральныххарактеристиклазерногоизлучения можетбыть разделенона три группы(по мере нарастанияразрешающейспособностипроводимогоанализа):

1.Измерениеспектра излучениямногомодовыхлазеров непрерывногодействия ипикосекундныхлазеров; дляэтой цели вполнедостаточнотрадиционныхметодов спектрометрии(в отдельныхслучаях — высокойразрешающейспособности).

2.Прецизионноеизмерение длиныволны или частотыгенерациистабилизированныхпо частотелазеров, длячего применяютинтерферометрыФабри-Перо ирадиофизическиеметоды "переноса"частоты отцезиевогостандарта(9192631770 Гц) или водородноголазера (14204057518 Гц)в оптическойдиапазон (обычноHe-Ne лазер с метановойячейкой, n_ген=88376181,608МГц).

3.Измерениеширины полосыгенерацииодночастотноголазера илиразности частотгенерации двуходнотипныхчастотностабилизированныхлазеров, чтоосуществляетсяс помощьюрадиофизическогометода фотобиений(гетеродинныйприем лазерногоизлучения).

Рассмотримвкратце основныеособенноститехническихсредств дляизмерения длиныволны — интерферометрови частоты —(фото)гетеродинов.

Интерферометрыдля измеренияспектра лазерногоизлучения

Специалист-оптикможет исследоватьспектр лазерногоизлучения (сразрешением,обычно вполнедостаточнымдля надежногоразличениясоседних продольныхмод), наблюдая(рис.2.1) структуруколец 7, возникающихпри освещенииобычногоинтерферометраФабри-Перо 5коллимированнымс помощьютелескопическойсистемы 3 пучкомисследуемоголазера 1. На рис.2.1показан и рядвспомогательныхкомпонентов,обеспечивающихуспешноефункционированиеданной схемы:невзаимныйэлемент 2 обеспечиваетоднонаправленное(только слеванаправо) прохождениелазерногоизлучения,узкополосныйфильтр 4 пропускаеттолько излучение,характерноедля исследуемойлазерной генерации;наконец, объектив6 формируеткартину интерференционныхколец на расположенномна конечномрасстоянииэкране, чтоудобно длянаблюденияневооруженнымглазом и фоторегистрации.Визуальноенаблюдениеинтерференционныхколец можновести и черезбинокль илидругой наблюдательныйприбор.

Рис.2.1. Анализчастотнойструктурыизлучениялазера с помощьюинтерферометраФабри-Перо

В даннойсхеме длинаинтерферометране должна превышатьl_макс=2Dn_ген/с,где Dn_ген— ширина полосыгенерацииисследуемоголазера. В первомприближенииширина полосыгенерации (длябольшинствагазовых лазеров)равна величиненеоднородногоуширения Dn_неодлазерногоперехода активнойсреды. Во второмприближениинеобходим учеткратностипревышенияусиления надпотерями Х;Dn_ген=Dn_неодЧ .Потери интерферометране должны превышатьвеличины еa_инт= еa+2t_з= 4pl_интЧDn_рез/(3...10)С, где еa=2а_з— остаточныепотери (симметричного)интерферометра,а t_з —коэффициентпропусканияего зеркал; вэтом случаес помощьюинтерферометраможно легкоопределитьколичествогенерируемыхлазером продольныхмод, следующихс шагом Dn_рез.

Дляанализа частотгенерациипоперечныхмод разрешениеинтерферометраследует существенноповысить, достигнутьчего можно либоуменьшая полныепотери еa_инт,либо увеличиваярасстояниемежду пластинамиинтерферометра.Кроме того, прианализе спектрапоперечныхмод существенноусложняютсявопросы согласованияполей лазераи интерферометраи их взаимнойюстировки.

Естественно,что непосредственное(визуальное)наблюдениеспектра лазерногоизлученияприемлемотолько длялазеров видимогодиапазона. ЭОПынесколькорасширяют этотдиапазон вультрафиолет(но не далее0.2 мкм) и ближнююИК область (ноне далее 1.1 мкм).С другой стороны,тяжело визуальноопределитьсоотношениемощностейотдельных модпо относительнойяркости соответствующихинтерференционныхколец.

Поэтомув настоящеевремя при анализеспектральногосостава лазерногоизлучения восновном используют(рис. 2.2) сканирующиеинтерферометры(5...7) с фотоэлектрическимприемником10 и регистрациейспектра лазера1 на экранеосциллографа11, горизонтальнаяразверткакоторогосинхронизированас линейнымперемещениемодного из зеркал(обычно - выходного)интерферометрас помощьюпьезокерамики8. Если размах(амплитуда)колебанийзеркала 7 превышаетl_ген/2,то на экранеосциллографабудет виденвесь частотныйдиапазонинтерферометраDn_инт=с/2l_инт.Существенно,что в данномварианте разрешающаяспособностьDnіDn_0.5,определяетсяуже не толькособственнымразрешениеминтерферометраDn_0.5, но иразмером диафрагмы9 (перед фотоприемником),выделяющеймалую частьнулевого порядкаинтерференционнойкартины (центральногокольца 7 на рис.2.1). Узкополосныйфильтр 4, как ив предыдущейсхеме, уменьшаетфоновую засветку.

Рис.2.2. Анализ частотногоспектра основной(ТЕМ₀₀) модылазера с помощьюсканирующегоинтерферометрасо сферическимизеркалами

Посколькусканированиеодного из зеркалинтерферометранеизбежноприводит к егоразъюстировке,то для обеспеченияработоспособностисканирующегоинтерферометраобычно используютконфокальнуюгеометрию(интерферометрКонна), а не плоскиезеркала. В этомслучае вопрособ отрицательномвлиянии незначительныхразъюстировокснимается, ноужесточаютсятребованияк согласованиюполей (собственныхмод) исследуемоголазера и сканирующегоинтерферометра:вместо сравнительнопростого(афокального)расширителяпучка телескопическоготипа требуетсястрого рассчитаннаяили, по крайнеймере, точноустановленнаялинза 3. В результатетакого согласованияустраняетсяперекачкаэнергии лазерногоизлучения впоперечныемоды сканирующегоинтерферометра,частота которыхпри конфокальнойгеометрии, какизвестно, существенноотличаетсяот частот основных(ТЕМ₀₀) мод наDn_рез/2.По мере отходаот конфокальнойконфигурациифазовые искаженияb_mn поперечныхмод асимптотическиуменьшаютсядо величин,существенноменьших 180°в интерферометреФабри-Перо (сбольшим числомФренеля N=a²/lL).

Рис.2.3. Развязкаполяризационноготипа: в верхнейчасти рисунка— прямой ходлуча, в нижней— обратный

Дляобеспеченияоднонаправленногораспространенияисследуемогоизлучения отлазера к сканирующемуинтерферометру,что исключаетвлияние частотнойхарактеристикиинтерферометрана исследуемыйлазер, междулазером и согласующейоптикой(телескопом-расширителемдля интерферометраФабри-Перо иодиночнойлинзой 3 дляинтерферометрас вогнутымзеркалом) ставится"развязка"2 — невзаимныйэлемент поляризационноготипа (см. рис.2.1, 2.2). Обычно онсостоит изчетвертьволновойпластинки l/4(рис. 2.3), превращающейлинейно поляризованноеизлучениеЛП_верт исследуемоголазера в циркулярнополяризованныйсвет ЦП, и поляризационногоэлемента,установленногомежду лазероми этой пластинкой.Этот поляризационныйэлемент обычнопредставляетсобой пленочныйполяроид, а неполяризационнуюпризму, так какон значительнодешевле, аобеспечиваемаяим степеньполяризациивполне достаточна,по крайней мерепри измерениичастотногоспектра излучениямногомодовыхлазеров. Четвертьволноваяпластинка вданном случаетакже можетбыть простейшеготипа — из слюды,следует толькопомнить, чтотакой простейшийвариант пластинкиl/4 не обладаетширокой спектральнойобластью из-забольшой дисперсиипоказателейпреломленияn₀ и n_e слюды.В результатеслюдяная пластинкаl/4 можетиспользоватьсяпрактическитолько дляодной лазернойдлины волны(в данном случаедля 0.63; 3.39; 1.15; 0.49; 0.52 мкми т.п.). Ахроматизированныепластинки изкристаллическихматериаловобеспечиваютнормальноефункционированиепо крайней мерев пределахспектральногодиапазоназеркал интерферометра(Dlі0.1l₀),однако их стоимостьи дефицитностьсущественновыше.

Функционированиетакого простейшегоневзаимногоэлемента достаточноэлементарно:линейно поляризованноеизлучениеЛП_верт исследуемоголазера безпотерь проходитчерез поляроид,сориентированныйсоответствующимобразом (выполняющийв прямом ходепучка функциюполяризатораПо), и пластинкуl/4, превращаетсяв циркулярнополяризованныйсвет ЦП, взаимодействующийс интерферометром.Отраженноеим излучение(в случае сканирующегоинтерферометраоно переменново времени)вновь проходитпластинку l/4,превращаясьопять в линейнополяризованное,плоскостьполяризацииЛП_гор которого,однако, ортогональнаисходной, таккак пластинкаl/2 (l/4+l/4=l/2)приводит кповороту плоскостиполяризациина 90°.Естественно,что поляроид,выполняющийпри обратномходе лучей рольанализатораАн, задерживаетотраженныеот интерферометрапучки. Очевидно,что невзаимныйэлемент поляризационноготипа нормальнофункционируетлишь в том случае,если интерферометри согласующаяоптика не изменяютсостоянияполяризацииотраженныхпучков.

Болееэффективнуюразвязку обеспечиваюткольцевые(сканирующие)интерферометры,в которых отраженныйпучок (рис.2.4)обычно (в трехзеркальноминтерферометре)идет под углом60°. Однакокольцевыесканирующиеинтерферометры(в том числекоммерческие)обладают определеннойполяризационнойанизотропиейсобственныхмод, связаннойв данном случаес поляризационнойанизотропиейзеркальныхпокрытий.Предпочтительнееиспользоватьперпендикулярнуюориентациюплоскостейполяризациипучка и кольцевогоинтерферометра.

Рис.2.4.Схема кольцевогосканирующегоинтерферометра:ПК — пьезокерамика,на которуюподаетсяпилообразноенапряжениеU_ск(t)

Типичнойгеометриейкольцевогосканирующегоинтерферометраявляется почтиплоскопараллельныйрезонатор,образованныйодним вогнутым(R»1 м) и двумяплоскими зеркалами,расположеннымив углах правильноготреугольникасо сторонамиl₁=l₂=l₃=0.1м. СоотношениеR/l»10обеспечиваеткомпромиссмежду допускамина разъюстировкуинтерферометрапри сканированииодного из зеркал,точностьюсогласованияоптическихосей лазерногопучка и интерферометра,а также высокоэффективнойселекцией внем поперечныхмод при реальных(поперечных)размерах лазерногопучка.

Оценимразрешающуюспособностьинтерферометров,понимая подэтим полуширину(ширину наполувысоте)его резонансногопика Dn_0.5=сЧеa/4pL_оптдля типичнойдлины L_опт=0.1м. Очевидно,что в этом случаеDn_0.5определяетсясуммарнымипотерями еa,которые в основном(при точнойюстировке)состоят изпотерь в диэлектрическихзеркалах; последниепри использованиисовременнойтехнологииобеспечиваютеa_зер»0.1%.В результатеполучим Dn_0.5»0.1%.Такого разрешениявполне достаточнодля надежногоразличенияпродольных(аксиальных)мод метровоголазера (Dn_рез»150МГц), а такжедля анализаспектра модвысших порядковв квазиконфокальномрезонатореи на малых числахФренеля (N»1)— в плоскопараллельномрезонаторе.Однако такаяразрешающаяспособностьне достаточнапри изученииспектра поперечныхмод обычныхлазеров сплоскопараллельными(и близкими кним почтиплоскопараллельными)резонаторамии в ряде другихслучаев.

Дальнейшегоповышенияразрешающейспособностиможно достичь,используяпринципиальноотличные отметодов оптическойспектрометриирадиофизическиеспособы.

Измерениечастоты лазерногоизлученияметодом фотобиений

Данныйметод, частоназываемыйметодом фотогетеродинногоприема оптическогоизлучения,обладает гораздобольшей частотойи разрешающейспособностью,по крайней мередо долей герц,что и являетсяего основнымпреимуществомперед интерференционнымиизмерениями.С другой стороны,как всякийкосвенныйспособ (в данномслучае, какпоказано ниже,осуществляетсяперенос частотылазерногоизлучения вобласть радио-и даже звуковыхчастот) методфотобиенийтребует грамотнойинтерпретацииполучаемыхрезультатовс учетом спецификипреобразованияинформации.

Ограничимсярассмотрениемпростейшегоаналитическогослучая — фотобиенийдвух когерентныхизлучений счастотами n₁и n₂, описываемыхамплитудамиэлектрическойсоставляющейэлектромагнитногополя

и .Если два такихпучка направитьна какой-либофотоприемник,то в соответствиис законом Столетоваего фототокi(t) будет прямопропорционаленинтенсивностисветовогопотока

Ввидуограниченнойполосы частотфотоприемникафототоки, вызываемыетремя последнимисоставляющимисуммарногопотока (с частотами,соответственно,n₁+n₂,2n₁ и 2n₂)не могут бытьзарегистрированы;два первыхслагаемых (

) образуют постояннуюсоставляющую,которая ирегистрируетсяпри обычнойфотоэлектрическойрегистрациисветовых потоков.Наиболееинформативнымв интересующемнас аспектеявляется третьеслагаемое ,содержащееполную информациюо частотно-фазовыхсоотношенияхобоих световыхпучков.

Рассмотреннаявыше ситуацияиспользуетсяна практикетолько дляанализа частотно-фазовыхсоотношенийв пучках двуходночастотныхлазеров (обычностабилизированныхпо частоте) илиизлучениядвухчастотныхлазеров.

Ввидувесьма ограниченногораспространениялазеров последнеготипа сосредоточимвнимание напримененииметода фотобиенийдля анализаособенностейспектра излученияодночастотноголазера. Дляэтого необходимвторой лазер— гетеродин,стабильностьчастоты n₂и амплитудыЕ₂ излучениякоторого существенновыше, чем исследуемого.При этом условииспектр фототокаразностнойчастоты, наблюдаемыйна экранестандартногонизкочастотногорадиоэлектронногоспектроанализатора,прямо пропорционаленспектру исследуемоголазера. Естественно,что аналогичныйрезультатполучится вслучае обычной,а не фотогетеродиннойрегистрацииисследуемогопотока фотоприемником.При этом, однако,на исследуемыйсигнал (продетектированныйфотоприемникомспектр исследуемогоизлучения)будут наложенынизкочастотные(а потому оченьбольшие) шумысамого фотоприемникаи электронноготракта. Фотогетеродинированиепереноситисследуемыйсигнал в областьразностнойчастоты (n₁-n₂),где электронныешумы значительноменьше, что ипозволяет болееточно анализироватьисследуемоеизлучение.Нестабильностьизлучениягетеродинноголазера приводитк дополнительному(ложному) уширениюисследуемогоспектра из-засвертки соспектром гетеродина.

Такимобразом, рабочийдиапазон частотфотогетеродинногометода сверхуограниченэлектроннымтрактом (включая,разумеется,фотоприемник)и обычно непревышаетнесколькихсотен мегагерц,а снизу - нестабильностьючастоты (и амплитуды)лазера-гетеродина,минимальнаявеличина которой(за время анализаспектра) »10²Гц.

Предельныевозможностигетеродинногометода былиреализованыпри исследованиинестабильностичастоты генерацииодночастотногоэталона длиныволны 3,39 мкм наHe-Ne лазере, стабилизированномпо пику Лэмбаот внутреннейпоглощающейячейки с метаном:в зависимостиот физическойприроды отдельныесоставляющиенестабильностиколебалисьв пределах10...40 Гц. В результатеэтого рассматриваемыйметод не позволяетнепосредственноисследоватьи измеритьпредельнуюширину спектральнойлинии излученияодночастотногостабилизированноголазера, котораяпредставляеткак теоретический,так и существенныйпрактическийинтерес.

Дляпрецизионногоанализа спектраодночастотноголазерногоизлученияобычно используютдве модификациифотогетеродинногометода. Простейшаяиз них — гомодинныйприем — заключаетсяв анализе фотобиениймежду всемикомпонентами(друг с другом)в спектре излученияодночастотноголазера. Такойприем обладаетдвумя недостатками:результатнаблюдаетсяна нулевой(центральной)частоте, т.е.сильно зашумлен;кроме того, наэкране спектроанализатораполучаетсяне сам спектр,а его автокорреляция,что необходимоучитывать приинтерпретированииполученныхрезультатов.Так, нормальноераспределение(гауссоида)уширится в

раз, а лоренцевалиния — в 2 раза,правда, безизменения формылинии.

Первыйнедостатокгомодинногометода (нулеваяцентральнаячастота и,соответственно,сильная зашумленность)можно устранить,используя методпереноса частотв оптическомили радиодиапазоне.При оптическомпереносе часто используется(продольныйлинейный) эффектДоплера приотраженииизлучения отпрямолинейнодвижущегосяс постояннойскоростью V_зерзеркала. В результатеспектр половиныисследуемогопучка переноситсяв область болеевысоких (зеркалодвижется клазеру) илинизких (зеркалодвижется отлазера) частотна величинуDn=(2V_зер/c)n_ген.Основным недостаткомметода оптическогопереноса частотыгомодинныхфотобиений(иногда этотспособ называютквазигомодиннымдетектированием,хотя такоеназвание неполностьюотражает егосущество) являетсявлияние нестабильностидвижения зеркала,приводящеек дополнительномуи неконтролируемомууширению получаемогоспектра.

Переносспектра в областьслабозашумленных(в электронномтракте) частотможет бытьосуществлени радиотехническимметодом гетеродинирования.Для максимальногоснижения шумовэтот прием надоприменятьнепосредственнок фототоку (ане в последующемэлектронномтракте, как этоделают в обычныхсупергетеродинныхприемникахслабых сигналов),для чего используютфотоЛБВ в СВЧдиапазонесдвигов и ФЭУс поперечнымвысокочастотныммагнитным полемв диапазонесдвигов 3МГц.

Методгалогенногоприема ранее(до появлениясканирующихинтерферометров)широко использовалсядля анализаколичествагенерируемых(продольных)мод многочастотноголазера 1, излучениекоторого фокусируетсяна фотоприемнике3 линзой 2 (рис.2.5). При этом наэкране радиочастотногоспектроанализатора4 наблюдалисьособенностичастотногоспектра фотобиений(возникающихв фотоприемнике3), обусловленныеэффектамизатягиванияи отталкивания(в области) частотгенерацииотдельныхпродольныхмод лазера снеоднородноуширеннойлинией рабочегоперехода. Врезультатеспектр генерациинезначительно(dn⁶Гц) и, чтосамое главное,неодинаковона разных модахотличался отэквидистантного(с шагом Dn_рез=с/2L_опт)спектра оптическогорезонатора.В результатена первой разностнойчастоте Dn_i=n_i-n_jчастоты биенийразных моднесколькоразличались.Легко показать,что количествоэтих разностныхчастот на единицуменьше количествагенерируемыхмод N_ген=INT(Dn_ген/Dn_рез),где Dn_ген— ширина полосыгенерации.Действительно,две моды с частотамиn₁=q₁ЧDn_рез+dn₁и n₂=q₂ЧDn_рез+dn₂дадут биениятолько наединственнойразностнойчастоте Dn₂₁=Dn_рез+dn₂-dn₁;аналогичнодля трех модполучим двепочти одинаковыеразностныечастоты Dn₃₁=Dn_рез+dn₃-dn₂и Dn₂₁=Dn_рез+dn₂-dn₁и еще однучастоту — вдвоебольшуюDn₃₁=2Dn_рез+dn₃-dn₁,на второй резонанснойчастоте числопиков на дваменьше числагенерируемыхмод /n_ген.

Рисунок 0.8 Определениеколичествагенерируемыхлазером модпо тонкой структуреспектра фотобиений,возникающихв квадратичномфотоприемнике;справа крупнопоказаныинформативныеучастки спектрафотобиений,наблюдаемыхна экранерадиочастотногоспектроанализатора,для случаевдвух (N=2)…пяти(N=5) продольныхмод.

Отметимдве особенностирассматриваемогоприема анализаспектра многочастотноголазера: во-первых,таким способомзатруднительно(но, в принципе,возможно)определениеfинтенсивностейотдельных мод,наглядно видимыхна экранесканирующегоинтерферометра(правда, с плохимразрешениемпо частоте);во-вторых, из-заслучайногосовпадениявеличин сдвиговчастоты отдельныхмод (dn_j=dn_i)могут возникнутьошибки приопределенииN_генна первой разностнойчастоте. Последнегоможно избежать,измеряя максимальнуюразностнуючастоту, ещеприсутствующуюв спектре фотобиений:искомое числоN_генна единицубольше Dn_N1/Dn_рез;однако величинаDn_N1,может оказатьсяза пределамиполосы пропусканияфотоприемника(или электронноготракта), поэтомуданный приемможно использоватьтолько дляконтроля результатовизмерения поколичествупиков на первойразностнойчастоте.

Взаключениенесколько словоб измеренииосновных параметровкогерентностилазерногоизлучения:степени пространственнойи временнойкогерентности излучения.Несмотря нато, что оба этипараметраявляютсяфундаментальнымипри описаниилазерногоизлучения, ниодин из них донастоящеговремени нестандартизован.Известныеметоды и средстваизмеренийкогерентностине являютсятаковыми, посколькуотсутствуютизмеряемаявеличина, мераи узаконеннаяединица физическойвеличины.Соответствующиеизмерительныеустановкифактическипозволяюттолько визуализироватькартину распределенияполя и проводитьее качественныйанализ. Поэтомувопросы, смазанныес непосредственнымизмерениемпараметровкогерентностив данном учебномпособии нерассматривается.

ИЗМЕРЕНИЕОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВГЛАВНЫХ КОМПОНЕНТОВЛАЗЕРА

Какизвестно, главнымикомпонентамиподавляющегобольшинствалазеров являютсяактивная средаи оптическийрезонатор;причем активнаясреда, преобразующаяэнергию накачкив когерентноеизлучение,определяетэнергетическиехарактеристикилазера (и длинуволны излучения),а оптическийрезонатор —частотные(тонкую структуруспектра излучения)и пространственные(распределениеэнергии в дальнейзоне и егоинтегральныйпараметр —расходимость).В силу этогоособое значениеприобретаетизмерениеусиления активнойсреды и потерьрезонатора— основныхпараметровэтих двухпринципиальнонеотъемлемыхкомпонентовлазера.

Компенсационныйметод измеренияпотерь илиусиления лазерныхкомпонентов

Данныйметод (иногдаего называютметодом калиброванныхпотерь являетсянаиболее эффективнымдля решениярассматриваемойзадачи. Сущностьего достаточнапроста и заключаетсяв использованиикалибрированногоустройствас регулируемымипотерями аттенюатора(ослабителя),устанавливаемоговнутри измерительноголазера. До началаизмерениясистема выводитсяна порот генерации,что наиболеепросто регистрируетсявизуально, анаиболее точно— с помощьюфотоэлектрическихизмерителеймощности (см.1.1).'Этому (исходному)состояниюсоответствуютдополнительныепотери а₁вносимыеизмерительныматтенюатором.Затем изменяютсяи параметрыизмеряемогокомпонента:в активнойсреде включается(или выключается)накачка, в оптическуюсхему вводятся(или выводится)пассивныеэлементы(дополнительныезеркала, селекторымод, модуляторыв т.п.), вноситсяконтролируемаяразъюстировкарезонатораи т.п.; это приводитк изменениюрежима генерациив измерительномлазере. Дляповторногоприведениялазера в режимблизпороговойгенерацииизменяют вносимыеаттенюаторомпотери донеобходимогозначения u₂.Тогда разница(a₂-a₁)с учетом знакадаст измеряемую величину потерь(или усиленияза цикл, последнийобычно составляетдва проходаизлучения черезэлемент (активнуюсреду, модулятор,селектор моди т.п.) и лишь приизмерениидифракционныхпотерь (в томчисле, потерьиз-за разъюстировки)и потерь напоглощениеи светорассеяниев концевыхотражателяхлинейных резонаторовне требуетсяделить (a₂-a₁)на 2.

Вкачествеизмерительногоаттенюаторапри реализациикомпенсационногометода измеренияпараметровлазерных компонентовнаиболее частоиспользуютпластинку(рис.3.1а), устанавливаемуювнутри резонаторапод углом jк оптическойоси. Как известно,минимальныепотери такаяпластинкавносит, еслиj=j_s=arctgn (n_l— показательпреломленияматериалапластинки длядлины волныгенерациилазера l_ген).Если j№j_s,то коэффициентфренелевскогоотражения накаждой поверхностиr_u=tg²(j-y)/tg²(j+y),где y— угол преломления;соответственнокоэффициентпропусканияуменьшитсяна величинуt_к=(1-r)²при использованиикольцевогорезонатораи на t_л=(1-r)⁴— в линейномлазере за счетдвойного проходаза цикл. Коммерческиеаттенюаторыданного типаимеют угломернуюшкалу, позволяющуюотсчитыватьугол поворотапластинки jс точностью,обеспечивающейрасчет (1-r)⁴до 0.001 (т.е. ~ 0.1%). Следует,однако, иметьв виду что такаяточность достигаетсялишь при абсолютномзнании углаj,для чего пластинкас угломернымустройствомдолжна бытьпредварительноотъюстированапо отношениюк оптическойоси измерительноголазера. Этойоперации можноизбежать, установивпредварительнопластинку подуглом Брюстера(по минимумуотражения) исняв соответствующийотсчет g_Б;тогда текущимпотерям приугле поворотаg=g_Ббудетсоответствоватьугол паденияj=j_Б+(g-g_Б),где j_Брассчитываетсяаналитическипо известномупоказателюпреломленияматериалапластинки n_l

Рисунок 0.1Измерительныеаттенюаторыфренелевскоготипа: а — одиночнаяпластинка,наклонноустановленнаяв резонаторе;б — графикифренелевскогоотражения r(j)для двух основныхполяризаций;в — схема спаренного(из двух пластинок)аттенюатора

Для упрощенияпроцесса измерениянекоторыезарубежныефирмы изготавливаютизмерительныеаттенюаторыбрюстеровскоготипа (рис.3.1в) ав виде спаренныхпластинок 1 и5, разворачивающихсяв разные стороныпри поворотеколес 2 и 4 от одногочервяка с лимбом3; эта двухкаскаднаясхема позволяетисключитьсмещение оптическойоси (и, соответственно,разъюстировкурезонатораизмерительноголазера), возникающеепри поворотеодиночнойпластинки.Естественно,такой спаренныйаттенюаторв линейномрезонатореимеет коэффициентпропусканияt_л=(1-r)⁸;в кольцевомрезонатореили при работена проход t=(1-r)⁴.

3.2. Измерениеусилия активнойсреды

Влазерной техникеактивная средаобычно конструктивнооформлена ввиде активногоэлемента:кристаллическогоили стеклянногостержня втвердотельныхлазерах, газоразряднойкюветы в подавляющембольшинствегазовых лазеров,пластиныполупроводника.В полупроводниковыхлазерах и т.д.При этом активныйэлемент функционируетв лазере толькопод действиемнакачки —специальногоустройства,обеспечивающеготакое специфическоевоздействиена рабочиечастицы активногоэлемента, котороеприводит ксозданию в немудельной (т.е.в 1 см³)инверснойнаселенностиDn=n_в-n_н(g_в/g_н)между верхнимрабочим (лазерным)уровнем (ВРУ)и нижним (НРУ).ИнверснойнаселенностиDnсоответствуетудельный коэффициентусиления активнойсреды k=DnЧBhn/v,где B=В_вн— коэффициентЭйнштейна длястимулированногоперехода с ВРУна НРУ, а v=c/n— скоростьсвета в активнойсреде.

Следуетнапомнить, чтодля расчетаосновныхэнергетическиххарактеристиклазерных устройствудобнее пользоватьсяудельной мощностьюP_уди параметромнасыщения bсоответственнодля лазера иквантового(лазерного)усилителя,причем все трирасчетныхпараметраактивной средысвязаны соотношениемвида P_уд=vk_ib.Однако в связис невозможностьюнепосредственногоизмерения P_уд(как мощностикогерентногоизлучения,снимаемой сединицы объемаактивной среды,помещеннойв идеальный,т.е. без диссипативныхпотерь резонаторс оптимизированнымкоэффициентомсвязи) и техническимитрудностями,возникающимипри попыткахнепосредственногоизмеренияэффекта насыщения(усиления) вбольшинствесерийных активныхсред, в техникелазерных измеренийобычно довольствуютсяизмерениемненасыщенногокоэффициентаусиленияk₀=Dn₀ЧBhv/c,где индекс 0подчеркивает,что удельныйкоэффициентусиления измеренпри отсутствиинасыщения, т.е.при бесконечномалой плотностиэнергии стимулированныхпереходов.

Измерениененасыщенногоусиления методомкалиброванныхпотерь.

Непосредственноеиспользованиекомпенсационногометода (см.3.2) дляизмеренияненасыщенногоудельногокоэффициентаактивной средыобладает рядомособенностей,снижающихточность иограничивающихобласть примененияполучаемыхрезультатов.Действительно,в простейшемварианте (рис.3.2)процедураизмерениявыглядит довольнопросто: на первомэтапе пластинкикомпенсаторавыставляютсяпод углом Брюстера,что уменьшаетвеличину вносимыхими потерь доa₀,включаетсянакачка измеряемойактивной средыи осуществляетсяподъюстировкарезонатораизмерительноголазера дляминимизациидифракционныхпотерь a_д;на втором этапе(собственноизмерении)потери аттенюатораувеличиваютсяна величину(1-r)⁴,соответствующихпорогу генерацииизмерительноголазера. Очевидно,что при этомполный коэффициентусиления активнойсреды за циклкомпенсируетвсе потерирезонатораза цикл

Рисунок 0.2 Простейшаясхема измеренияненасыщенногоусиления активнойсреды методомкалиброванныхпотерь (одиночного)аттенюаторафренелевскоготипа

Sa_Рез=a₁+a₂+a_до+t₁+t₂+a_ос+a₂,где a_1,2и t_1,2— соответственнодиссипативныепотери концевыхотражателейи их коэффициентыпропускания,a_до— дифракционныепотери резонатора;a_ос— диссипативныепотери активногоэлемента;a₂=a₀+(1-r)⁴— потери аттенюатора.Очевидно, чтоабсолютнаяпогрешностьизмеренияпотерь (компенсирующихусиление) втаком простейшемварианте составляетSa=a₁+a₂+t₁+t₂+a_до+a₀и обычно превышает0.001 (или 1%). Наиболеепросто онаможет бытьуменьшена приучете величинt₁,t₂(и a₀),которые легкозамеряютсяс помощью (спектро)фотометра.Следует, однако,иметь в виду,что по крайнеймере частьмоделей этихизмерительныхприборов, имеющихцену деленияизмерительнойшкалы 0.001 (или0.1%), гарантируютлишь воспроизводимостьизмерений (наданном прибореили, реже, наприборе данноймодели) с такойпогрешностью(0.001), но не абсолютнуюточность,составляющую)обычно 0.002…0.01(0.2…1%).

Такимобразом, непосредственноеизмерениеусиления активнойсреды компенсационнымметодом даетабсолютнуюточность ~0.01 (1%),что гораздониже точностивносимых аттенюаторомпотерь (~ 0.001 или0.1%). Естественно,относительнаяпогрешностьизмерения будетсущественнозависеть отвеличины полногоусиленияK₀=exp(2l₀k₀).Если К мало(0.1 или 10%), что типичнодля гелий-неоновых,кадмиевых и,в меньшей степени,аргоновых иCO₂газоразрядныхкювет, то целесообразноусложнитьизмерительныйлазер, дополнивего вспомогательнойактивной средой1 того же типа,но функционирующей(возбуждаемой)на обоих этапахизмерены (рис.3.3).Такой приемпозволяет вслучае стабильностикоэффициентаусилениявспомогательнойактивной средыво время егоцикла измеренияполностьюисключитьостаточныепотери измерительноголазера, в томчисло и трудноконтролируемыедифракционныепотери a_д.Действительно,при первомизмерении(возбужденатолько вспомогательнаяактивная среда1) порогу генерациисоответствуетусловиеexp(2l_всk_вс)=Sx⁴[1-(1-r₂)⁴],а при втором(возбужденаи в измеряемойактивной среде2) -Sx⁴[1-(1-r₂)⁴]=exp(2l_всk_вс+2l₀k₀).Легко показать,что искомаявеличина усиленияK₀=exp(2l₀k₀)=[1-(1-r₁)⁴]/[1-(1-r₂)⁴],а точность ееизмерениятеперь определяетсяв основномточностьюизмеренияпотерь r₂,вносимых аттенюаторомпри второмизмерении (таккак на рабочейветви кривойr(j)крутизна зависимостикоэффициентаотражения rот угла паденияjмонотоннонарастает сростом j).

Рисунок 0.3 Повышениеточности измеренияненасыщенногоусиления основнойактивной среды2 (длиной l₀) придвухэтапномметоде

Возможность(по крайнеймере, потенциальная)повышенияточности измерениякоэффициентаусиления активныхсред позволяетрассмотретьособенностизависимостикоэффициентаусиления отчастоты и попоперечномусечению активногоэлемента. Всвязи с тем,что зависимостькоэффициентаусиления активнойсреды от частотыв производственныхусловиях неизмеряется(ввиду чрезвычайнойсложности такихэкспериментовкак в методическом,так в чистотехническомплане), остановимсялишь на том,какой же, собственно,коэффициентусиления активнойсреды измеряетсякомпенсационнымметодом. Взависимостиот вида уширенияспектральнойлинии рабочего(лазерного)перехода различают,как известно,однородноеуширение инеоднородное.При однородном(и близком кнему) уширении,когда Dn_одніDn_неодзависимостьненасыщенногокоэффициентаусиления отчастот (в пределахполуширинылинии )практическиотсутствует,т.е. k₀(n)@k₀(n₀),где n₀— частота вцентре спектральнойлинии. Типичнымпримером такойактивной cредыявляетсягелий-неоноваясмесь, генерирующаяна длине волныl_ген=З.39мкм.

Ситуациясущественноменяется принеоднородномуширении(Dn_од>>Dn_неод),характерномдля большинствасерийных лазерныхсред. Типичныйвид зависимостиудельногокоэффициентаусиления отчастоты описываетсягауссоидой:

k₀(V)=k₀(V₀)exp[-(V-V₀)²/(DV_c)²],где

—величинанеоднородногоуширения науровне 0.707 (Dn_неод— соответственнона полувысоте).В этом случае,с помощьюкомпенсационногометода измеряетсякоэффициентусиления начастоте генерацииn_ген@n₀,причем степеньприближениячастоты генерацииn_генк центру спектральнойлинии определяетсячастотныминтерваломDn_рез=c/2L_оптчерез которыйрасположеныпродольныемоды в резонаторе(с оптическойдлиной L_опт)измерительноголазера. ПосколькуL_оптобычно достаточновелика и, соответственно,Dn_резЈDn_одн,то даже в случаенеоднородногоуширения коэффициентусиления, измеряемыйкомпенсационнымметодом, соответствуетцентру спектральнойлинии, т.е. k₀@k₀(n₀).

Несколькосложнее обстоитдело с учетомраспределенияинверснойнаселенности(и, соответственнокоэффициентаусиления) попоперечномусечению активнойсреды. Особенностисоздания инверсиикак возбуждения ВРУ, что болеехарактернодля оптическойнакачки, таки расселенияНРУ, существенногодля газовыхактивных сред,приводят кзаметно неравномернойзависимостикоэффициентаусиления отпоперечныхкоординат x,y. В рубиновыхи ИАГ стержняхэто дополнительноусугубляетсянеравномернымраспределениемлегирующейпримеси соответственноCr₂O₃и Nd₂O₃по поперечномусечению кристаллическойзаготовкистержня (були).В силу этого(в лабораторныхусловиях) иногдатребуетсяполучить зависимостьk₀(x,y),для чего достаточномодифицироватьустановку,работающуюпо методукалиброванныхпотерь, точнее,ее резонатор.

Впростейшемварианте врезонаторвводится круглая(желательно,ирисовая) диафрагма,ограничивающаяпоперечноесечение генерирующегопучка. Очевидно,что в упрощеннойизмерительнойустановке (безвспомогательнойактивной среды)дифракционныепотери, вносимыедиафрагмой,не долины превышать0.1%. При использованиивспомогательнойактивной среды(рис.З.4) можноиспользоватьдиафрагму сбольшимидифракционнымипотерями, чтоулучшит селекциювысших поперечныхмод, но не изменитразмер пятнаи, соответственно,разрешающуюспособностьпри снятиипоперечногораспределенияk₀(x,y).

Построениеискомой зависимостиk₀(x,y)проводитсяпо точкам k(x_i,y_i),соответствующимотдельнымзамерам k₀при разных(поперечных)положенияхизмеряемойактивной средыотносительнооптическойоси измерительноголазера. Смещатьвспомогательнуюактивную средуи проводитьподъюстировкурезонаторапри этом, нельзя,так как этоприведет кпогрешностямизмерения.Поэтому желательноиспользоватьспаренныйкомпенсатор(как показанона рис.3.4), а одиночнуюпластинкуаттенюатораустанавливатьобязательноу плоскогозеркала резонатораизмерительноголазера.

Рисунок 0.4 Схемаизмерительнойустановки дляснятия зависимостикоэффициентаненасыщенногоусиления отудаления x сгеометрическойоси активнойcреды; c геометрическойоси активнойсреды; диафрагмаД сужаетзондирующийпучок до минимальногоразмера, соответствующегоосновной (ТЕМ_Ґ)моде.

В заключениеостановимсяна некоторыхособенностях~измеренияненасыщенногоусиления активныхсред, возбуждаемыхв импульсномрежиме. Очевидно,что в этом случаежелательно(а в ИК и УФ диапазонахизлученияобязательно)использованиефотоэлектрическойрегистрациипорога генерации.Сигнал с фотоэлектрическогоприемника спостояннойвремени, существенноменьшей длительностиимпульса накачки,удобно просматриватьна двухлучевомосциллографе,ждущая разверткакоторого запускаетсяимпульсомнакачки.

Используятакой комплектаппаратуры,можно промеритьне только максимальносоздаваемуюв измерительнойактивной средеинверснуюнаселенность(в действительности— ненасыщенныйкоэффициентусиления), нои зависимостьk₀(t)при воспроизводимой(от импульсак импульсу)интенсивностинакачки. Естественно,при этом предполагается(и практическивсегда выполняетсяна практике)постоянствоформы импульсанакачки. Зависимостьk₀(t)строится посерии экспериментов:для различныхзначений вносимыхв резонаторизмерительноголазере потерьa_iфиксируетсямомент времениt_i(отсчитываемыйот моментавключенияимпульса накачки),когда возникаетгенерация.

Измерениеусиления активнойсреды прямымметодом.

Рисунок0.5 Измерениенасыщения впроходномлазерном усилителедлиной l₀— к вопросуизмеренияусиления прямымметодом

Сущностьданного методатривиальнаи заключаетсяв построениизависимостикоэффициентаусиления активнойсреды K=I_вых/I_вхот интенсивностивходного сигналаI_вх(рис.3.5), величинакоторого регулируетсяс помощью (клинового)аттенюатораО_сл,уменьшающего интенсивностьвспомогательноголазера I_лаз,интерференционныйфильтр ИФ идиафрагма Думеньшаютуровень фоновойзасветки.ЭкстраполируяэкспериментальнуюзависимостьK(I_вх)к бесконечномалым I_вх(bS_хр),можно получитьненасыщенныйкоэффициентусиления K₀=K(0);посколькуизмеренияпроводятсяобычно с активнойсредой, работающейв режиме проходногоусилителя,когда K₀=exp(l₀k₀),то, очевидно,ненасыщенныйкоэффициентусиления

.Следует отметить,что непосредственноданный методредко используетсяна практикев связи с невысокойточностьюизмерений,обусловленнойпри небольшихусиленияхпогрешностямиопределенияK из-зашумов измерительнойсхемы, а прибольшом усилении— экстраполяциейK(I_вх)в область малыхвходных сигналов.С другой стороны,ара атом приэтом появляетсявозможность(по крайнеймере в первомприближении)определитьпараметр насыщенияb,для чего следуетсравнить полученнуюзависимостьK(I_вх)с расчетной(при том же видеуширения).

Можнопроще получитьзначение параметранасыщения b,используяизмерительныйлазер с калиброваннымипотерями иизмерительплотностиэнергии Uв резонаторе.Эту плотностьлегко вычислить,измеряя мощность,выходящую черезодно из "глухих"зеркал резонатора,по формулеU=2P/tcSэф.Очевидно, чтов измерительном

Рисунок1.1. Принципиальнаясхема калориметра.

Рисунок1.2. УпрощеннаяконструкциякалориметрическогоПИП прибораИМО-2

Рисунок1.3. Функциональнаясхема малоинерционногоболометрическогоизмерителямощности лазерногоизлученияпроходноготипа

Рисунок1.4. Функциональнаясхема крутильныхвесов

Рисунок1.5. Магнитныйподвес в пондеромоторномизмерителе

Рисунок1.6. Схема устройствадиодного механотрона

Таблица1

Параметр,характеристика	Еди-ницаизме-рения	Определение	Обоз-наче-ние
Энергетическиепараметры ихарактеристики
Энергия	Дж	Энергия,переносимаялазернымизлучением	W
Мощность	Вт	Энергия,переносимаялазернымизлучениемв единицу времени	P
Интенсивность		Величина,пропорциональнаяквадрату амплитудыэлектромагнитногоколебания	J
Спектральнаяплотностьэнергии (мощности)	ДжЧГц-1 ВтЧГц-1		Wl,Wn (Pl,Pn)
Средняямощность импульса	Вт		Pи.ср.
Максимальнаямощность импульса	Вт		Pи.max
Спектральныепараметры ихарактеристики
Длинаволны	мкм	Средняядлина волныспектра лазерногоизлучения впределах интерваладлин волн линииспонтанногоизлучения	l
Частота	Гц	Средняячастота спектралазерногоизлучения впределах интервалачастот линииспонтанногоизлучения	n
Ширинаспектральнойлинии	Гц, мкм	Расстояниемежду точкамиконтура спектральнойлинии лазерногоизлучения,соответствующимиполовинеинтенсивностилинии в максимуме	dn dl
Степеньмонохроматичности	—	Отношениеширины огибающейспектра лазерногоизлучения кусредненнойпо спектручастоте илидлине волнылазерногоизлучения вданный моментвремени.	dn/n dl/l
Пространственно-временныепараметры ихарактеристики
Диаграмманаправленности		Угловоераспределениеэнергии илимощности лазерногоизлучения
Диаметрпучка	м	Диаметрпоперечногосечения пучкалазерногоизлучения,внутри которогопроходит заданнаядоля энергииили мощностилазерногоизлучения	d

Продолжениетаблицы 1

Параметр,характеристика	Еди-ницаизме-рения	Определение	Обоз-наче-ние
Расходимость	рад ср	Плоскийили телесныйугол, характеризующийширину диаграммынаправленностилазерногоизлучения вдальней зонепо заданномууровню угловогораспределенияэнергии илимощности лазерногоизлучения,определяемомупо отношениюк его максимальномузначению	Qp Qs
Энергетическаярасходимость	рад ср	Плоскийили телесныйугол, внутрикоторогораспространяетсязаданная доляэнергии илимощности лазерногоизлучения	QW,P QW,S
Относительноераспределениеплотностиэнергии (мощности)		Распределениеплотностиэнергии (мощности)излучения посечению лазерногопучка, нормированноеотносительномаксимальногозначения плотностиэнергии (мощности)
Частотаповторенияимпульсов	Гц	Отношениечисла импульсовлазерногоизлучения ковремени	F
Длительностьимпульса	с		tи
Параметрыкогерентности
Степеньпространственно-временнойкогерентности		Модулькомплекснойстепенипространственно-временнойкогерентностипри фиксированныхкоординатахточки в пространствеи времени, равный где — функция взаимнойкогерентности,G11(0),G22(0)— функции взаимнойкогерентностидля точекпространствас радиус-векторамиr1и r2соответственнопри t=0	Ѕg12(t)Ѕ
Степеньпространственнойкогерентности		Модулькомплекснойпространственнойкогерентностидля фиксированногомомента времени,равный гдеG12(0)— функцияпространственнойкогерентности	Ѕg12(0)Ѕ

Окончаниетаблицы 1

Параметр,характеристика	Еди-ницаизме-рения	Определение	Обоз-наче-ние
Степеньвременнойкогерентности		Модулькомплекснойстепени временнойкогерентностидля фиксированнойточки пространства,равный гдеG11(t)— функция взаимнойкогерентностидля точкипространствас радиус-векторомr1	Ѕg11(t)Ѕ
Времякогерентности	с	Минимальноезапаздывание,для которогостепень временнойкогерентностипринимаетзначение, равноенулю
Длинакогерентности	м	Произведениевремени когерентностина скоростьраспространенияэлектромагнитногоизлучения ввакууме	Dк
Параметрыполяризации
Плоскостьполяризации		Плоскость,проходящаячерез направлениераспространениялинейно поляризованноголазерногоизлучения инаправлениеего электрическоговектора
Эллиптичностьполяризованноголазерногоизлучения		Отношениемалой полуосиэллипса, покоторомуполяризованолазерноеизлучение, кего большойполуоси
Степеньполяризации		Отношениеинтенсивностиполяризованнойсоставляющейлазерногоизлучения кполной егоинтенсивности

6

Таблица2

№	Наименование	ТипПИП	Рабочийдиапазон длинволн,	Диапазонизмерения		Времяодного измерениядля	Времяустановленияпоказа-	Диапазондлительностейизме-	Диапазонизмеряемых	Основнаяпогрешность	Видиндикации
			мкм	мощности,Вт	энергии,Дж	мощности	ния *	ряемыхимпульсов,с	диаметровпучков, мм	измерения,%
1	ОСИСМ—образцовоесредствоизмеренийсредней мощности	Термоэлектрический	0.4ё12.0	10-3ё102	—	2.5мин	—	—	4ё10	dр=1ё3	Цифровой
КП:БИ 118 х 420, 18 кг; ПИП210 х 210 х 140, 6 кг
2	ОИМ-1-1—образцовыйизмерительмощностиизлучения	Термоэлектрический	0.3ё3.5	10-3ё10-1	—	8мин	—	—	3ё8	dр=1	Стрелочный
Общаямасса около80 кг

Продолжениетаблицы 2

№	Наименование	ТипПИП	Рабочийдиапазон длинволн,	Диапазонизмерения		Времяодного измерениядля	Времяустановленияпоказа-	Диапазондлительностейизме-	Диапазонизмеряемых	Основнаяпогрешность	Видиндикации
			мкм	мощности,Вт	энергии,Дж	мощности	ния *	ряемыхимпульсов,с	диаметровпучков, мм	измерения,%
3	ИМО-2-2М—образцовыйизмерительмощности иэнергии лазерногоизлучения	Термоэлектрический	0.4ё10.6	10-2ё102	10-1ё10	3мин	5с _____ 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 х263, 15 кг: ОЭ и ОМ 58кг
4	ИМО-2—измерительсредней мощностии энергиилазерныхимпульсов	Термоэлектрический	0.33ё10.6	5Ч10-3ё 102	3Ч10-3ё10	2.5мин	8с _____ 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 х260, 10 кг; ОЭ и ОМ 165х 210 х 280, 4 кг

Продолжениетаблицы 2

№	Наименование	ТипПИП	Рабочийдиапазон длинволн,	Диапазонизмерения		Времяодного измерениядля	Времяустановленияпоказа-	Диапазондлительностейизме-	Диапазонизмеряемых	Основнаяпогрешность	Видиндикации
			мкм	мощности,Вт	энергии,Дж	мощности	ния *	ряемыхимпульсов,с	диаметровпучков, мм	измерения,%
5	МК3-18А—ваттметрпоглощаемоймощностикалориметрический	Болометрический	0.4ё3.5	5Ч10-4ё 10-2	10-3ё0.3	10с	20с _____ 30 с	10-8ё10-3	Ј10	dр=10ё20 dЕ=10ё20	Стрелочный
КП:БИ 480 х 120 х475, 19 кг; ПИПи ЮМ 340 х 300 х 130, 12 кг;
6	М3-24—измерительмощностикалориметрический	Болометрический	0.4ё3.5	10-3ё10	10-2ё10	10с	10с _____ 20 с	10-8ё10-3	Ј20	dр=5ё12 dЕ=5ё22	Стрелочный
КП:БИ 480 х 120 х475, 19 кг; ПИПи ЮМ 340 х 300 х 130, 12 кг;

Продолжениетаблицы 2

№	Наименование	ТипПИП	Рабочийдиапазон длинволн,	Диапазонизмерения		Времяодного измерениядля	Времяустановленияпоказа-	Диапазондлительностейизме-	Диапазонизмеряемых	Основнаяпогрешность	Видиндикации
			мкм	мощности,Вт	энергии,Дж	мощности	ния *	ряемыхимпульсов,с	диаметровпучков, мм	измерения,%
7	ПВ-1—пироэлектрическийваттметр	Пироэлектрический	0.4ё10.6	10-4ё102	—	10с	—	—	2ё23	dр=10ё20	Стрелочный
КП:БИ 130х175х362, 6 кг;модулятор204х165х300, 5 кг (fмод=2Гц);ПИП180х70х50, 1.3 кг; ЮМ150х130х204, 4 кг
8	ФПМ-01—фотометрпереносноймалогабаритныйдля импульсныхи непрерывныхлазеров	Фотоэлектрический	0.4ё1.06	10-7ё10-1	10-8ё0.05	—	1с _____ 1 с	2Ч10-4ё 10-2	2ё14	dр=15 dЕ=10ё20	Цифровой
КП:БИ 250 х250 х 115, 4 кг; ПИП55 х 200 х 65, 1.2 кг; штатив120 х 140 х 350, 3.5 кг; фотоприемникФД-7к

Продолжениетаблицы 2

№	Наименование	ТипПИП	Рабочийдиапазон длинволн,	Диапазонизмерения		Времяодного измерениядля	Времяустановленияпоказа-	Диапазондлительностейизме-	Диапазонизмеряемых	Основнаяпогрешность	Видиндикации
			мкм	мощности,Вт	энергии,Дж	мощности	ния *	ряемыхимпульсов,с	диаметровпучков, мм	измерения,%
9	ФПМ-02—тоже для импульсныхлазеров (модификацияФПМ-01)	Фотоэлектрический	0.53ё1.06	—	5Ч10-9ё 10-3	—	1с _____ 1 с	10-8ё10-7	2ё14	dЕ=20	Цифровой
10	ОСИЭ—образцовоесредствоизмеренияэнергии	Термоэлектрический	0.5ё10.6	—	2Ч10-2ё10	—	5с _____ 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

Окончаниетаблицы 2

№	Наименование	ТипПИП	Рабочийдиапазон длинволн,	Диапазонизмерения		Времяодного измерениядля	Времяустановленияпоказа-	Диапазондлительностейизме-	Диапазонизмеряемых	Основнаяпогрешность	Видиндикации
			мкм	мощности,Вт	энергии,Дж	мощности	ния *	ряемыхимпульсов,с	диаметровпучков, мм	измерения,%
11	ИКТ-1Н—измерителькалориметрическийтвердотельный	Термоэлектрический	0.4ё4.0	—	5Ч10-2ё 103	—	10с _____ 8 мин	10-8ё10-3	4ё45	dЕ=22	Стрелочный
КП:БИ 480 х 380 х 135; ПИПи ЮМ 260 х 180 х 85; аттенюаторЖ96 х 194; масса30 кг

Примечания:ПИП— первичныйизмерительныйпреобразователь;
ЮМ— юстировочныймеханизм;
БИ— блок измерительный;
ОЭи ОМ — ослабительэнергии и мощностиизлучения;
КП— комплектпоставки (габаритныеразмеры и масса).

*В числителе— время измеренияэнергии одногоимпульса, взнаменателе— интервалвремени междудвумя измеряемымиимпульсами.

8

ВВЕДЕНИЕ

Получениедостоверныхрезультатовизмерений каксамих параметровлазеров, таки выходныххарактеристиклазерных приборови систем имеетсвою специфику,посколькулазерное излучениехарактеризуетсянекоторымиособенностями:широким спектральным(0,2 мм...1 мм) и динамическимдиапазоном(120...200 дБ), малойдлительностьюимпульсов (до0.1 пс), высокойплотностьюмощности (до10⁹ Вт/см²),энергии и т.п.Система характеристики параметровров лазерови лазерногоизлучениялазерных приборовустановленаГОСТ 15093-75, ГОСТ24453-80 и ГОСТ 23778-79, всоответствиис которымиосуществляетсяконтроль изделийлазерной техникина этапе выпускапродукции ипри их эксплуатации(табл.1).

Таблица 1

Параметр,характеристика	Единица измерения	Определение		Обозначе-ние
Энергетическиепараметры ихарактеристики
Энергия	Дж	Энергия, переносимаялазернымизлучением		W
Мощность	Вт	Энергия, переносимаялазернымизлучениемв единицу времени		P
Интенсивность		Величина,пропорциональнаяквадратуамплитудыэлектромагнитногоколебания		J
Спектральнаяплотностьэнергии (мощность)	ДжЧГц-1 ВтЧГц-1			Wl, Wn (Pl,Pn)
Средняя мощностьимпульса	Вт			Pu,ср
Максимальнаямощность импульса	Вт			Pu, max
Спектральныепараметры ихарактеристики
Длина волны				l
Частота				n
Ширина спектральнойлинии				dn dl
Степень хроматичности				dn/n dl/l
Пространственно-временныепараметры ихарактеристики
Диаграмманаправленности			Угловое распределениеэнергии илимощностилазерногоизлучения
Диаметр пучка	м		Диаметр поперечногосечения пучкалазерногоизлучения,внутри которогопроходит заданнаядоля энергииили мощностилазера	d
Расходимость	рад, ср		Плоский илителесный угол,характеризующийширину диаграммынаправленностилазерногоизлучения вдальней зонепо заданномууровню угловогораспределенияэнергии илимощностилазерногоизлучения,определяемомупо отношениюк его максимальномузначению	QP
Энергетическаярасходимость	рад, ср		Плоский илителесный угол,внутри которогораспространяетсязаданная доля энергии илимощностилазерногоизлучения	qS
Относительноераспределениеплотностиэнергии (мощности)			Распределениеплотностиэнергии (мощности)излученияпо сечениюлазерногопучка, нормированноеотносительномаксимальногозначенияплотностиэнергии (мощности)	qW,P,qW,S
Частота повторенияимпульсов	Гц		Отношени числлаимпульсовлазерногоизлученияко времени	F
Длительностьимпульсов	с			tu
Параметрыкогерентности
Степеньпространственно-временнойкогерентности			Модуль комплекснойстепенипространственно-временнойкогерентностипри фиксированныхкоординатахточки в пространствеи времени,равный: ,где 0ЈЅg12(t)ЅЈ1,G12(t)— функциявзаимнойкогерентности,G11(O),G22(O)— функциивзаимнойкогерентностидля точекпространствас радиус-векторамиr1,r2 соответственнопри t=0	Ѕg12(t)Ѕ
Степеньпространственнойкогерентнсти			Модуль комплекснойстепени временнойкогерентностидля фиксированнойточки пространства,равный ,где G12(O)— функцияпространственнойкогерентности	Ѕg12(О)Ѕ
Степень временнойкогерентности			Модуль комплекснойстепени временнойкогерентностидля фиксированнойточки пространства,равный ,где Г11(t)— функциявзаимнойкогерентностидля точкипространствас радиусом-вектормr1	Ѕg11(t)Ѕ
Время когерентности	с		Минимальноезапаздывание,для которогостепень временнойкогерентностипринимаетзначение равноенулю
Длина когерентности	м		Произведениевремени когерентностина скоростьэлектромагнитногоизлучения ввакууме	DК
Параметрыполяризации
Плоскостьполяризации			Плоскость,проходящаячерез направлениераспространениялинейно-поляризованноголазерногоизлучения инаправлениеего электрическоговектора
Эллиптичностьполяризованноголазерногоизлучения			Отношениемалой полуосиэллипса, покоторомуполяризованолазерноеизлучение кего большойполуоси
Степень поляризации			Отношениеинтенсивностиполяризованнойсоставляющейлазерногоизлучения кполной егоинтенсивности

ИЗМЕРЕНИЕЭНЕРГЕТИЧЕСКИХПАРАМЕТРОВИ ХАРАКТЕРИСТИКЛАЗЕРНОГОИЗЛУЧЕНИЯ

Дляизмеренияэнергетическихпараметровлазерногоизлучения могутиспользоватьсясамые разнообразныеметоды, основанныена различныхфизическихи химическихэффектахвзаимодействиялазерногоизлучения свеществом,последнее можетнаходитьсяв любом агрегатномсостоянии.Однако наиболееширокое распространениеполучили методы,основанныена преобразованииэнергии лазерногоизлучения втепловую энергию(тепловой метод)и в энергиюэлектрическоготока (фотоэлектрическийи пироэлектрическийметоды). Режеприменяетсяпондеремоторныйметод, основанныйна преобразованииэнергии лазерногоизлучения вмеханическуюэнергию.

Измерениемощности иэнергии лазерногоизлучения

Существующиесредства измерения(СИ) энергетическихпараметровлазерногоизлучениясодержат приемный(первичный)измерительныйпреобразователь(ПИП), измерительноеустройство,а также отсчетное,или регистрирующееустройство.В ПИП энергиялазерногоизлученияпреобразуетсяв тепловую илив механическуюэнергию илив электрическийсигнал, доступныедля дальнейшегопреобразованияи измерения.

РазличаютПИП поглощающегои проходноготипа. В преобразователяхпоглощающеготипа поступающаяна вход энергиялазерногоизлучения почтиполностьюпоглощаетсяи рассеиваетсяв нем. В преобразователяхпроходноготипа рассеиваетсялишь частьпоступившейна вход энергииизлучения (какправило небольшая),а большая чистьизучения проходитчерез преобразовательи может бытьиспользованадля требуемыхцелей.

Измерительноеустройствовключаетпреобразовательныеэлементы иизмерительнуюцель. Их назначение— преобразованиевыходногосигнала ПИПв сигнал, подаваемыйна отсчетноеили регистрирующееустройство.Отсчетное илирегистрирующееустройствослужит длясчитыванияили регистрациизначения измеряемойвеличины ваналоговойили цифровойформе.

ОбычноПИП конструктивновыполняетсяв виде отдельногоблока, называемогоизмерительнойголовкой, аизмерительноеи отсчетноеустройства— в виде измерительногоблока. В измерительныйблок могут бытьвключеныдополнительныеустройства,например цепикоррекциидрейфа нуля,температурнойи электрическойстабилизациии др.

Тепловойметод

Сущностьэтого методасостоит в том,что энергияизлучения привзаимодействиис веществомприемногопреобразователяпревращаетсяв тепловуюэнергию, котораявпоследствииизмеряетсятем или инымспособом. Дляизмерениятепловой энергии,выделившейсяв ПИП, обычноиспользуют:
—термоэлектрическийэффект Зеебека(возникновениеТЭДС междунагретым ихолодным спаямидвух разнородныхметаллов илиполупроводников);
—явлениеизменениясопротивленияметаллов иполупроводниковпри изменениитемпературы(болометрическийэффект); фазовыепереходы "твердоетело-жидкость"(лед-вода);
—эффектлинейного илиобъемногорасширениявеществ принагреваниии др.

Необходимоотметить, чтовсе тепловыеПИП в принципеявляютсякалориметрами.Однако в литературесформировалисьустойчивыеназвания ПИП,ассоциируемыеобычно с некоторойсовокупностьюхарактерныхпризнаков,свойственныхприемнымпреобразователямопределенныхтипов (термоэлементы,болометры,пироприемникии пр. ) .

Наиболееширокое распространениедля измерениятаких усредняемыхво времениэнергетическихпараметровлазерногоизлучения, какэнергия и средняямощность, получиликалориметры.Они имеют достаточноконструктивноразвитый приемныйэлемент, необъединенныйс чувствительнымэлементом. Кдостоинствамкалориметровотносятсяширокий спектральныйи динамическийдиапазон работы,высокая линейность,точность истабильностьхарактеристик,простота конструкции,возможностьих использованияс высокоточными,хотя и инерционнымицифровымиприборами,возможностькалибровкипреобразователейпо эквивалентномуэлектрическомувоздействию.

Любаякалориметрическаясистема (рис.1.1)содержит внутреннеекалориметрическоетело К(приемный элемент),в котором протекаетпроцесс выделения(или поглощения)тепла, и внешнююоболочку О,с которой происходиттеплообменкалориметрическоготела путемтеплопроводности,конвекции иизлучения.

Рисунок1.1 Принципиальнаясхема калориметра

Тепловойпоток Д откалориметрическоготела на оболочкузависит главнымобразом отразности температурих поверхностейФ=G_T(T_k-T_o),где G_T— параметр,характеризующийтепловую проводимостьcреды междукалориметрическимтелом и оболочкой.Часто теплообменмежду Kи Oхарактеризуюттакже обратнойвеличинойR_T=1/G_T,имеющей смыслтепловогосопротивлениясреды. Наиболееширокое распространениедля измерениятаких усредненныхво времениэнергетическихпараметровлазерногоизучения, какэнергия и средняямощность, получиликалориметрыпеременнойтемпературы(или неизотермическиекалориметры),у которых впроцессе измеренияТ_K=f(t)№const.Уравнениетепловогоравновесиякалориметрическоготела Kс оболочкойО в такомкалориметрев предположениибесконечнойтемпературопроводностивещества Kимеет вид:

(1.1)
где P(t)— мощность,рассеиваемаяв калориметре;c — теплоемкостьK: T=T_K-T_O

Унепрерывныхлазеров характернымэнергетическимпараметром,который указываетсяв паспорте,является мощностьлазера P.У лазеров, работающихв режиме свободнойгенерацииодиночныхимпульсовлазерногоизлучения,обычно нормируетсяэнергия импульсаW_u.Лазеры, работающиев режиме модуляциидобротностирезонатораи в режимесинхронизациимод, обычнохарактеризуютсязначением W_uи дополнительнозначениеммаксимальнойP_Umaxили среднейP_Uсрмощности импульса.Импульсно-периодическиелазеры характеризуютсясредней мощностьюP_срсо временемусреднения,значительнопревышающимпериод следованияимпульсов.

Всоответствиис этим рассмотримнекоторыечастные решениядифференциальногоуравнения(1.1).

1.Мощность,рассеиваемаяа калориметре,не изменяетсяво времени,т.е. P(t)=P_O=const.Тогда

(1.2)
где t=R_TC постояннаявремени калориметра.

Максимальноезначение Т(t)достигаетсяпри t®Ґи равно T_max=R_TЧP_O.

2.Мощность вкалориметревыделяетсяв виде периодическойпоследовательностипрямоугольныхимпульсов: P_O,t_uи q —импульснаямощность,длительностьи скважностьимпульсовсоответственно.Можно показать,что в этом случаедля значенийпараметровлазерногоизлучения,наиболее частовстречающихсяна практике,

(1.3)
3. В калориметрерассеиваетсяэнергия одиночногопрямоугольногоимпульса. Температуракалориметрическоготела в этомслучае изменяетсяво времениследующимобразом:

(1.4)

при0ЈtЈt_u

приt_uЈtҐ

Максимальноезначение Т(t)достигаетсяпри t=t_uи равно T_max=BЧR_TЧW_u(W_u=P_OЧt_uимпульса;д -- постояннаякалориметра). Перечисленныечастные случаиописывают триосновных режимаработы калориметрическихпреобразователейпеременнойтемпературы:режим измерениямощности непрерывныхлазеров, среднеймощностиимпульсно-периодическийлазеров и режимизмеренияэнергии одиночныхлазерных импульсов.

Врассматриваемыхкалориметрахнаибольшеераспространениеполучилитвердотельныеприемныеизмерительныепреобразователи.Такие ПИП частоизготавливаютв виде полостей— полого конуса,сферы с отверстием,полого цилиндра,а также комбинациейэтих элементов.За счет использоватьэффекта многократныхпереотраженийизлучениявнутри полостиудается увеличитькоэффициентпоглощенияприемногопреобразователяи тем самымрасширитьрабочий диапазондлин волн, атакже увеличитьверхний пределизмерениямощности иэнергии лазерногоизлучения.

Рисунок1.2 УпрощеннаяконструкциякалориметрическогоПИП прибораИМО-2

В качествепримера нарис.1.2 изображенПИП прибораИМО-2, серийновыпускаемогоотечественнойпромышленностьюдля измерениясредней мощностии энергии импульсовлазерногоизлучения.Здесь приемныйэлемент 1выполнен в видемедного конусасо встроеннымэлектрическимнагревателемдля градуировки,причем на егоприемную поверхностьнанесено поглощающеепокрытие, Вкачествечувствительногоэлемента 2примененамедно-константановаятермобатарея,содержащаяболее 2000 термопар,равномернораспределенныхмежду наружнойповерхностьюприемногоэлемента иповерхностьюпассивнойтеплоемкойоболочки 3калориметра.Термобатареюполучают путеммеднения полувитковспирали прямоугольногосечения изконстантановой— проволоки.Такие элементыне требуютвключения всостав ПИПисточниковпитания, таккак их выходнойвеличинойявляется термо-ЭДС,возникающаямежду холодными нагретым спаями разнородныхметаллов иполупроводников.Большое количествотермопар всоставе термобатареиповышаетчувствительностьтаких ПИП.

Измерительнаяголовка ИМ0-2содержит двеодинаковые калориметрическиесекции с ПИП,которые находятсявнутри пассивноготермостата,образованноготолстостенныммедным корпусоми кожухомизмерительнойголовки. ДляуменьшениянестабильностиПИП термобатареивключеныпоследовательнонавстречу другдругу, что позволяетисключитьвлияние температурыокружающейсреды. Измерительнойблок содержитстабильныйусилительпостоянноготока для усилениясигнала с выходатермопреобразователя,стабилизированныйисточник постоянногонапряжениядля проверкисохранностиградуировочнойхарактеристикиприбора в процессеэксплуатации,цепи коммутациии регулировкикоэффициентаусиления УПТи аналоговоеотсчетноеустройство.

Длярасширенияверхнего пределаизмерениямощности непрерывноголазерногоизлучения вкомплектеприбора имеетсяослабитель.

Основныетехническиехарактеристикиприбора ИМО-2и некоторыхдругих тепловыхсредств измерениймощности иэнергии лазерногоизлучения,серийно выпускаемыхпромышленностью,приведены втабл. 2.

Вприборе ИКТимеется такжеконическийэлемент, которыйобладает болеевысокой стойкостьюк лазерномуизлучению ввследствиетого, что наего коническийприемный элементдействуетлазерное излучение,прошедшеерассеивающийматированныйсапфировыйэлемент. В результатеэтого излучениераспределяетсяпо всей приемнойповерхностии плотностьего снижается.В качествечувствительногоэлемента здесьиспользуетсятермометрсопротивления,выходной величинойкоторого являетсяизменениеэлектрическогосопротивленияПИП под действиемизменениятемпературыприемногоэлемента,возникающегопри поглощениипадающегоизлучения.Поэтому в составтаких ПИП долженвходить источникпитания. Измерительнаяголовка ИКТ,так же как и вИМ0-2, содержитдва одинаковыхПИП с термометрамисопротивления,включенныхв плечи мостапостоянноготока.

ПримеромПИП проходноготипа можетслужить малоинерционныйпроволочныйболометрическийизмерительсредней мощностиизлучения(рис.1.3). Такой ПИПвыполнен в видедвух редкихрешеток изтонких металлическихпроволок,перекрывающихвсе сечениепучка излученияи соединенныхпоследовательно.Принцип работыпреобразователяоснован наболометрическомэффекте, возникающемпри частичномпоглощениипроходящегочерез решеткилазерногоизлучения.

Дляредкой двойнойрешетки, еслиее период cзначительнопревышаетдиаметр dпроволоки,полные потериоптическогоизлучения,включающиепотери на отражение,дифракцию ипоглощениев элементахрешетки, непревышают 4d/c.Наиболее подходящимиматериаламидля проволокявляются платина,золото и никель,которые обладаютвысокой механическойпрочностьюи технологическойпростотойизготовлениярешеток с малымдиаметром dи большим периодомc.

Таблица 2

№ п/п	Наимено-вание	Тип ПИП	Рабочий диапазондлин волн, мкм	Диапазонизмерения мощностиэнергии Вт Дж			Время одногоизмерениядля мощности	Время установленияпоказания	Диапазондлительностейизмеряемыхимпульсов,с	Диапазонизмеряемыхдиаметровпучков, мм	Основнаяпогрешностьизмерения, %	Вид индикации
1	ОСИСМ — образцовоесредствоизмеренийсредней мощности	Термоэлектрический	0.4 - 12	10-3 - 102			2.5 мин			4 ё 10	dP=1 ё3	Цифровой
2	ОИМ-1-1 — образцовыйизмерительмощностиизлучения(80 кг)	То же	0.3 - 3.5	10-3 - 10-1			8 мин			3 ё 8	dP=1	Стрелочный
3	ИМО-2-2М — образцовыйизмрительмощности иэнергии лазерногоизлучения	То же	0.4 - 10.6		10-2 - 102	10-1 - 10	3 мин	5 с / 2 мин	2Ч10-4 - 10-3	4 ё 12	dP=1 ё3 dE=3 ё4	Цифровой
4	ИМО-2 — измерительсредней мощностии энергиилазерныхимпульсов	Термоэлектрический	0.33 -10.6		5Ч10-3 - 102	3Ч10-3 - 10	2.5 мин	8 c / 2 мин	10-4 - 10-3	4 ё 12	dP=5 ё8 dE=7 ё22	Стрелочный
5	МК 3 - 18А — ваттметрпоглощаемоймощностикалориметрический	Болометрический	0.4 - 3.5		5Ч10-4 - 10-2	10-3 - 0.3	10 с	20 с / 30 с	10-8 - 10-3	Ј10	dP,E=10 ё20	Стрелочный
6	МЗ - 24 — измерительмощностикалориметрический	То же	0.4 - 3.5		10-3 - 10	10-2 -10	10 c	10 c / 20 c	10-8 - 10-3	Ј20	dP=5 ё12 dE=5 ё22	Стрелочный
7	ПВ - 1 — пироэлектрическийваттметр	Пироэлектрический	0.4 - 10.6		10-4 - 102		10 c			2 ё 23	dP=10 ё20	Стрелочный
8	ФПМ -01 — фотометрпереносноймалогабаритныйдля импульсныхи непрерывныхлазеров	Фотоэлектрический	0.4 -1.06		10-7 - 10-1	10-8 - 0.05		1 c / 1 c	2Ч10-4 - 10-2	2 14	dP=15 dE=10 ё20	Цифровой
9	ФПМ -02 — то жедля импульсныхлазеров (модификацияФПМ - 01)	Фотоэлектрический	0.53 - 1.06			510-9 - 10-3		1 c / 1 c	10-8 - 10-7	2 14	dE=20	Цифровой
10	ОСИЭ — образцовоесредствоизмеренияэнергии	Термоэлектрический	0.5 - 10.6			2Ч10-2 -10		5 c / 4.5 мин	10-8 - 10-3	4 ё 15	dE=4	Цифровой
11	ИКТ - 1Н - измерителькалориметрическийтвердотельный	То же	0.4 - 4.0			5Ч10-2 - 103		10 c / 8 мин	10-8 - 10-3	4 ё 45	dE=22	Стрелочный

Так, например,из платиновыхнитей диаметром3…5 мкм можноизготовитьрешетки с поперечнымразмером более10 см и периодом1 мм. В этом случаеобщие потерино превышают4·5·10^-3=0.02,а коэффициентпропусканияприемногоизмерительногопреобразователядостигает 98%.Постояннаявремени приборане превышает10^-3 с.

Рисунок1.3 Функциональнаясхема малоинерционногоболометрическогоизмерителямощности лазерногоизлученияпроходноготипа

Если в ПИПчувствительнымэлементомявляется термометрсопротивления,который непосредственновоспринимаетоптическоеизлучение ив нем отсутствуетконструктивноразвитый приемныйэлемент, тотакой ПИП традиционноназывают болометром,а в качестветермометрасопротивлениямогут использоватьсяне только проволочныепроводники,а и пленочные.Приемно-чувствителльныеэлементы этихприборов частопомещают ввакуумированнуюоболочку Итогда их называютвакуумными.Глубокоохлаждаемыеболометры,работающиепри температурахжидкого азотаи гелия, используютдля измерениясверхмалыхпотоков излучения(эквивалентнуюмощность шумаможно снизитьдо 10^-14Вт·Гц^-1/2)либо при стремлениидостичь максимальногобыстродействия(субнаносекундныйдиапазон) .

Калориметры,в которых тепловыепроцессы неприводят кизменениютемпературыкалориметрическоготела (т.е. Т_K=T_O=const),ю называютсяизотермическимикалориметрами,или калориметрамипостояннойтемпературы.Принцип действиятаких калориметровоснован либона использованииэффектов фазовогоперехода веществаи состоит визмеренииколичествакалориметрическоговещества (льда),перешедшегопод действиемпоглощеннойэнергии лазерногоизлучения вдругую фазу(воду) при температуресуществованияфазового перехода(0°)(калориметрыс фазовым переходом),либо на эффектекомпенсациив самом калориметревыделенногоизлучениемтепла за счеттепловогоэффекта спротивоположнымзнаком (компенсационныекалориметрыи калориметрыс предварительнымподогревом).Следует отметить,что на практикетакие приборыиспользуютсяредко, за исключениемкалориметровс предварительнымподогревом.В этих приборахкалориметрическоетело предварительно(до поступленияи ПИП измеряемогоизлучения)подогреваетсядо некоторойстационарнойтемпературы,превышающейтемпературуокружающейсреды. При подачелазерногоизлучениямощность подогревавручную илиавтоматическиуменьшают ты,чтобы температуракалориметрическоготела оставаласьпрежней. Поглощеннаяч в калориметремощность в этомслучае равнаизменениюмощности подогрева.По такому принципуработает образцовыйизмерительмощности лазерногоизлученияОИМ-1-1, у которогомощность подогревауменьшаетсявручную.

Принципработы пироэлектрическихПИП основанна использованиипироэлектрическогоэффекта, наблюдаемогоу ряда нецентросимметричныхкристалловпри их облучениии проявляющегосяв возникновенииразрядов награнях кристалла,перпендикулярныхособеннойполярной оси.Если изготовитьнебольшойконденсатори между егообкладкамипоместитьпироэлектрик,то изменениятемпературы,обусловленныепоглощениемизлучении,будут проявлятьсяв виде изменениязаряда этогоконденсатораи могут бытьзарегистрированы.Входное сопротивлениепироэлектрическогоприемникаявляется почтичисто емкостным.Поэтому сигнална его выходеможет появитьсятолько припеременномвходном сигнале,что вызываетнеобходимостьмодуляцииизлучения приизмерениипироприемникомизлучения.

Выходнойсигнал пироэлектрическихПИП пропорционаленскорости изменениясреднего приростатемпературыd(DT)/dtчувствительногоэлемента, а невеличине DT,не на которуюреагируюттепловой приемники.Следствиемэтого являетсявысокое быстродействиеприемников(до 10^-8),в также высокаяих чувствительность(10^-7…10^-8Дж), большойдинамическийдиапазон работы(10^-8…10Дж) и широкийспектральныйдиапазон (0.4…10.6мкм). Конструктивночувствительныйэлемент пироприемникане отличаетсяот колориметрическихПИП(см. рис. 1.2), заисключениемсамого чувствительногоэлемента 2,выполненногоиз пироэлектрика.Среди промышленныхразработокизмерения малых(до 10^-9Вт/см²)и сверхмалых(до 10^-12Вт/см²)потоков излучениянаибольшееприменениенашли пироэлектрическиепреемники наоснове титанатабария, триглинсульфатаи на основекерамикицирконат-титанатбария. Чувствительныеэлементы такихПИП представляютсобой плоскопараллельнуюпластину толщиной20…100 мкм с нанесеннымина обе стороныэлектродами.На облучаемуюсторону пластинынаносят поглощающеепокрытие либоего роль выполняетполупрозрачныйэлектрод. Спомощью сравнительнонесложнойтехнологиичувствительныеэлементы можноизготавливатьдостаточносложной формыс размерамиприемной площадкиот 10^-4до 10⁶.

Обладаярядом преимуществперед тепловымипреобразователями,пирозлектрическиеПИП находятвсе более широкоеприменениедля измеренияэнергетическихи пространственно-энергетическихпараметровлазерногоизлучения.

Фотоэлектрическийметод.

Фотоэлектрическийметод измеренияэнергетическихпараметровлазерногоизлученияоснован напереходе носителейзаряда поддействиемфотонов измеряемогоизлучения наболее высокиеэнергетическиеуровни. В качествефотоэлектрическихПИП используютфотоприемники(ФП), которыеделятся на двегруппы: с внешними внутреннимфотоэффектом.Внешний заключаетсяв испусканииэлектроновпод действиемфотонов в вакуум,внутренний— в переходеэлектроновиз связанногосостояния поддействиемфотонов в свободное,т.е. в возбужденноесостояниевнутри материала.В обоих случаяхпереход происходитпри поглощениивеществомотдельныхквантов излучения,поэтому ФПявляются квантовымиприборами.Энергия электромагнитногоизлучения вних непосредственнопревращаетсяв электрическую,которую затемизмеряют. Выходнойэлектрическийсигнал ФП зависитне от мощностипадающегоизлучения, аот количестваквантов излученияи энергии каждогокванта.

Общеевыражениепреобразованиявходного оптическогосигнала в выходнойэлектрическийсигнал, осуществляемогофотоэлектрическимПИП, можно записатьв следующемвиде:

I=I_ФП+I_Т=S_lЧP+I_T (1.5)
где I— полный ток,протекающийчерез ФП, А;I_ФП— ток через ФП,вызванныйпадающим потокомизлучения, А;I_Т— темновой ток,А; S_l— спектральныйкоэффициентпреобразования,или абсолютнаяспектральнаячувствительностьФП, А/Вт; P— мощностьпадающего наФП излучения,Вт.

Нижекратко рассмотреныосновныефотоэлектрическиепреобразователи,применяемыев средствахизмерениямощности иэнергии лазерногоизлучения.

Фотопреобразователис внешнимфотоэффектом.Энергияфотоэлектронов,испущенныхс поверхностикатода поддействиемэлектромагнитногоизлучения,определяетсявыражением:

W=hn-w(1.6)
где n— частота излучения,Гц; h— постояннаяПланка, (h=6.63Ч10^-34ДжЧс);w— постояннаязависящая отприроды материалафотокатода.Испусканиеэлектроновимеет местолишь в том случае,когда hn>w=hn_О,где n_О— пороговаячастота, нижекоторой фотоэффектневозможен.Длину волныl_О=с/n_Оназываютдлинноволновой(красной) границейфотоэффекта.Обычно коротковолноваяграница фотопреобразователяограничиваетсяпропусканиемвходного окнаПИП.

Кфотоприемникамна основе внешнегофотоэффектаотносятсявакуумныеприборы: фотоэлементы(ФЭ) и фотоэлектронныеумножители,

Спектральныйдиапазон вакуумныхФП зависит отматериалафотокатода.В настоящеевремя выпускаемыепромышленностьюФЭ и ФЭУ перекрываютдиапазон отУФ (0.16 мкм) до ближнегоИК излучения(1,2 мкм — длясеребряно-кислородно-цезиевогокатода). АбсолютнаяспектральнаячувствительностьФЭ определяетсяследующимобразом:

S_l=Q_ЭФЧl/1.24 (1.7)
где Q_ЭФ— эффективныйквантовыйвыход, l— длина волныизлучения, мкм,S_lменяетсяв зависимостиот типа и конструкцииприбора (10^-3…10^-1мА/Вт).

Динамическийдиапазон, вкотором сохраняетсялинейностьпреобразованияоптическогосигнала вэлектрический,для ФЭ сравнительнобольшой. Нижнийпредел ограниченшумами и темновымтоком ФЭ, верхний— влияниемпространственногозаряда и продольнымсопротивлениемфотокатода,В режиме непрерывногооблучениянижний

пределможет достигать10^-14 А,верхний непревышает 10^-4А. В импульсномрежиме верхнийпредел можетбыть увеличендо десятковампер.

Шумыи темновые токиФЭ сравнительноневелики, однакоиз-за низкойчувствительностиФЭ нецелесообразноприменять ихдля измерениямалых уровнейоптическихсигналов.

Современныесильноточныевременные ФЭпозволяютполучать времянарастанияпереходнойхарактеристики(между уровнями0.1 и 0.9 от максимальногозначения) порядка10^-10 с.

ФЭУобладают высокойчувствительностьюблагодаряналичию умножительной(диодной) системы.Если коэффициентвторичнойэмиссии i-годиода s_i,коэффициентсбора электроновg_i, а m —число каскадовусиления, токоэффициентусиления ФЭУ:

(1.8)
абсолютнаяспектральнаячувствительностьФЭУ:

S_l=S_lkЧM

где абсолютнаяспектральнаячувствительностьфотокатодаФЭУ, определяемаяаналогичнопо формуле(1.7).

ЧувствительностьФЭУ может достигать~10⁵А/Вт в максимумеспектральнойхарактеристики.В обычных ФЭУлинейностьсохраняетсядо десятковмиллиампер,у современныхсильноточных— до единицампер.

Приизмеренияхоптическихсигналов большоймощности можноувеличитьдиапазон линейности ФЭУ для большихпотоков частичноиспользуядинодную системуи снимая сигналс промежуточныхдинодов. Нижнийпредел динамическогодиапазонаограниченшумами и темновымитоками ФЭУ,которые обычносоставляют10^-11…10^-5А. БыстродействиесовременныхФЭУ лежит впределах 30...1 нс(1н=10^-9 с).

КФП на основевнутреннегофотоэффектаотносятсяфоторезисторы,фотодиоды,фототранзисторы,МДП-фотоприемникии другие полупроводниковыеФП. Для измеренияэнергетическихпараметровизлучениянаиболее широкоераспространениеполучили фотодиоды(ФД) и фоторезисторы(ФР).

ДействиеФР основанона явлениифотопроводимости,заключающемсяв возникновениисвободныхносителейзаряда в некоторыхполупроводникахи диэлектрикахпри падениина них оптическогоизлучения.Фотопроводимостьприводит куменьшениюэлектрическогосопротивленияи соответственнок увеличениютока, протекающегочерез фоторезистор.

Общеевыражение дляабсолютнойспектральнойчувствительностиФР может бытьпредставленов виде:

(1.10)
где e— заряд электрона;V — объемосвещенностичасти полупроводника;Q — квантовыйвыход внутреннегофотоэффекта;m— подвижностьфотоносителей;t— время жизнифотоносителей;l — расстояниемежду контактами;u — напряжение,приложенноек ФР.

ФРразличных типовперекрываютширокий спектральныйдиапазон(0.4…25мкм); большинствоиз них требуетохлаждениядо температурыжидкого азотаили жидкогогелия, что вызываетдополнительныетрудности приих использованиив измерительнойаппаратурев качестве ПИП.Кроме того, ониобладают большейинерционностьюи невысокойчувствительностью,что такжеограничиваетих применениедля измеренийэнергетическихпараметровлазерногоизлучения.

Наиболееширокое использованиедля этих целейимеют германиевыеи кремниевыефотодиоды.Возникающиепод действиемизлучениянеосновныеносители диффундируютчерез p-n-переходи ослабляютэлектрическоеполе последнего,что приводитк изменениюэлектрическоготока в цепи.Фототок в широкихпределах линейнозависит отинтенсивностипадающегоизлучения ипрактическине зависит отнапряжениясмещения. Дляизмеренияэнергетическихпараметровизлученияобычно используютфотодиодныйрежим (с питанием),так как приэтом диапазонлинейностии быстродействиегораздо больше,чем в фотовольтаическомрежиме (безпитания). Важноезначение дляработы всехФП имеет согласованиес электроннойсхемой.

Абсолютнаяспектральная чувствительностьФД:

S_l=tЧgЧQЧl(1-r)/1.24(1.11)
где t— коэффициентпропусканияокна прибора;g— коэффициент

собиранияносителей; Q— квантовыйвыход; l— длина волныизлучения; r— коэффициентотражения.

Врабочем спектральномдиапазонеабсолютнаяспектральнаячувствительностьсоставляетдесятые долиА/Вт.Область спектральнойчувствительностикремниевыхфотодиодовсоставляет0.4…1.2 мкм (максимумоколо 0,85 мкм),германиевых— 0.3…1.8 мкм (максимумв области 1,5 мкм).Такие ПИП нетребуют охлаждения.Темновые токиу кремниевыхФД примернона порядокниже, чем угерманиевыхи достигают10^-5…10^-7А, а при специальнойтехнологииизготовления— 10^-9…10^-12А. ФД обладаютсравнительнонизким уровнемшумов, что всочетании свысокой чувствительностьюделает, их ФПс низким порогомчувствительности.Это позволяетиспользоватьФД для измеренийвесьма слабыхпотоков излучения(до 10^-6Вт)

Инерционностьобычных полупроводниковыхФД составляет10^-6…10^-8с, а временноеразрешениеGe и Siлавинных ФДдостигает 1…10нс. ФД изготавливаютс размерамифоточувствительнойплощадки примерноот долей мм до10 мм, а лавинныеФД — до 1 мм.

Дляизмеренияотносительнобольших уровнеймощности иэнергии целесообразноприменять ПИПс невысокойчувствительностью,т.е. ФЭ. Для измерениясредних уровнейэнергетическихпараметровлазерногоизлучения можноприменять каквакуумныеприборы ( ФЭУ),так и полупроводниковые(ФР, ФД) . Для измерениямалых потоковтребуютсяприемники свысокой чувствительностьюи низким уровнемшума. Фотодиодыуступают почувствительностиФЭУ. Однако ФДобладают низкимуровнем шума.Это позволяетприменять ФДдля измерениямалых потоковне непосредственно,а с помощьюусилителя. Вэтом случаеФД вполне могутконкурироватьс ФЭУ, а в рядеслучаев ипревосходитьих по характеристикам.

ОсновныепреимуществаФД по сравнениюс ФЭУ: небольшиегабариты,низковольтноепитание, высокаянадежностьи механическаяпрочность,более высокаястабильность чувствительности,низкий уровеньшумов, лучшаяпомехозащищенностьот электрическихи магнитныхполей.

НедостаткиФД по сравнениюс ФЭУ: меньшеебыстродействиедля большинстваФД, более сильноевлияние температурына параметрыи характеристикиприбора.

Дляизмерениявременныхпараметровлазерногоизлученияследует применятьнаиболеебыстродействующиефотоэлектрическиеприемники —ФЭ, для измерениямалых потоков— ФЭУ и лавинныеФД.

Дляизмерениямощности лазерногоизлучения внепрерывномрежиме могутбыть использованыкак вакуумные,так и полупроводниковыеФП, посколькуздесь не требуетсяих высокогобыстродействия.

Пондеромоторныйметод

Впондемоторныхизмерителяхэнергии и мощностилазерногоизлученияиспользуетсяэффект П. Н. Лебедева. Лазерное излучениепадает на тонкуюприемнуюметаллическуюили диэлектрическуюпластину идавит на нее.Давление (сила)измеряетсячувствительнымпреобразователем.

Рисунок1.4 Функциональнаясхема крутильныхвесов

Для измерениядавления излученияиспользуютразличныепреобразователи:емкостные,пьезоэлектрические,крутильныевесы на механическоми магнитномподвесе, механотроны.Первые два типабольшогораспространенияне получилииз-за малогозначения коэффициентапреобразования,малой помехоустойчивостии сложностисистемы отсчетаи регистрации.Наиболее широкоприменяютсякрутильныевесы — классическийприбор дляизмерения малыхсил. Схема устройстваприведена нарис.1.. На растяжкахили подвесе1 укрепленокоромысло 2 сприемным крылом3, противовесом4 и зеркалом 5,расположеннымв вакуумированнойкамере. Припопаданииоптическогоизлучения наприемное крылоподвижнаясистема отклоняетсяот положенияравновесияна некоторыйугол, по величинекоторого можносудить о значенииоптическоймощности илиэнергии. Крючок6 предназначендля креплениягруза при калибровкевесов (определенияих моментаинерции и жесткостиподвеса).

Изрешения уравнениядвижения крутильногомаятника можнополучить значениеугла поворотаaприемной пластины3 при воздействиина нее непрерывногоизлучениямощностью P

(1.12)
где r— коэффициентотраженияпластины; t— коэффициентпропусканиявходного окнакамеры; l— расстояниеот оси пучкаизлучения дооси вращения;j— угол паденияизлучения напластину; c— скоростьсвета; K— жесткостьподвеса. Аналогичноевыражение можнополучитъ длямаксимальногоугла разворотапластины a_max— под действиемимпульса излученияэнергией W_u:

(1.13)
где J— момент инерциивращающейсясистемы. Углыповоротаотсчитываютсяна шкале 8 поотклонениюсветового пятнаот лампочки7 (рис. 1.4). При известныхпараметрахсистемы формулы(1.12) и (1.13) позволяютопределитьэнергию и мощностьизлучения вабсолютныхединицах.

Внастоящее времяв конструкциюпондеромоторных измерителейвведено многоусовершенствований,которые позволилиулучшить ихэксплуатационныеи метрологическиепараметры.Прежде всегооказалосьвозможнымотказатьсяот вакуумированияи использоватьатмосферноедавление воздухав камере. Применениев качествеприемных элементовпрозрачныхдиэлектрическихпластин вместоотражающихметаллическихпозволилоувеличитьверхний пределизмененияэнергии излучения(до 10⁴Дж). Такие устройствапозволяютизмерять мощностьлазерногоизлучения,начиная с единицмиливатт, иэнергию импульсовв десятые долиджоуля.

Дляотсчета углаповорота крутильныхвесов частоиспользуютемкостныйпреобразователь.В этом случаепластина противовесаявляется однойиз пластинконденсатора,включаемогов резонансныйконтур генератора.При поворотеподвижнойсистемы емкостьконденсатора,а значит, и частотагенератораменяются, изменениечастоты измеряетсячастотнымдетектором.Чувствительностьтакой системыочень высока,но сама системагромоздка исложна в настройкеи управлении.

Другимспособом реализациивысокочувствительнойсистемы отсчетаявляется схемас двумя фоторезисторами,которые включенывместе с двумяпостояннымирезисторамив мостовуюсхему. В положенииравновесиямост сбалансирован.При отклонениисистемы освещенностьфоторезисторовменяется, мостразбалансируетсяи в его измерительнойдиагоналипоявляетсяток, пропорциональныйуглу поворота,который регистрируетмикроамперметр.Подобные системыиндикациииспользуютсяв гальванометрическихфотоусилителяхФ117, Ф120, имеющихчувствительностьоколо 0.1 А/рад,что позволяетизмерять минимальныйугол отклоненияпорядка несколькихугловых секунд.

Рисунок1.5 Магнитныйподвес в пондеромоторномизмерителе

Увеличениечувствительностив пондеромоторныхизмерителяхи улучшениеразвязки подвижнойсистемы оттолчков и вибрацийдостигнутыпри помощибесконтактногоподвеса в магнитномполе (рис. 1.5). Подвижнаясистема 1 с приемнойпластиной 2,противовесом3 и ферромагнитнымякорем 4 подвешенав магнитномполе соленоида5 внутри камеры.Ток соленоидарегулируетсяспециальнойавтоматическойсистемой, состоящейиз датчика 6,линейного 7 идифференциальногоустройства9. При изменениивертикальногоположениясистемы в ответна сигнал датчикавырабатываетсясигнал обратнойсвязи, усиливающийили ослабляющийток через соленоиди стабилизирующийположениесистемы. Поперечнаяустойчивостьобеспечиваетсярадиальнымградиентомнапряженностиполя соленоида.

Помимокрутильныхвесов для измеренияиспользуютсямеханотроны,которые представляютсобой электровакуумныйприбор с механическиуправляемымиэлектродами.При воздействиивнешнегомеханическогосигнала в механотронепроисходитперемещениеодного илинесколькихподвижныхэлектродов,что вызываетсоответствующееизменениеанодного тока.

Рисунок1.6Схема устройствадиодного механотрона

Отечественнаяпромышленностьвыпускает рядмеханотронныхпреобразователей,оформленныхв виде обычныхэлектронныхламп с октальнымцоколем (6MXIБ, 6MXЗСи др.) и в миниатюрномоформлениис гибкими выводами(6MXIБ и т.п.). Конструкцияэтих механотроновпоказана нарис. 1.6. Сам механотронпредставляетсобой диод сплоскопараллельнымиэлектродами.В стеклянномбаллоне 1 находятсянеподвижныйкатод 2 с подогревателем3 и подвижныйанод 4, жесткосоединенныйсо стержнем5, который впаянв гибкую мембрану6. Входной механическийсигнал (силаF) подается навнешний конецстержня. Приэтом подвижныйанод перемещаетсяотносительнонеподвижногокатода, чтоприводит кизменениюанодного токаи выходногосигнала преобразователя,который дляизмерениявключают вмостовые схемы.

Чувствительностьмеханотроновне превышает10 мА/г (или помощности 10^-9А/Вт). Такое значениечувствительностипри величинефлуктуацийтока 0.1 мкА, вызываемыхтемпературнымдрейфом, толчкамии вибрациями,дает возможностьуверенно измерятьдавление непрерывногоизлучения более1кВт. Если излучениепромодулировать так,чтобы подвижнаясистема механотронавошла в резонанс,нижний пределизмерения можетдостичь 100 Вт.Поэтому механотронныйпреобразовательобычно применяютдля измерениябольших уровнеймощности иэнергии импульсовлазерногоизлучения,например непрерывногоизлучениямощных СО₂-лазерови импульсногона стекле снеодимом.

Опыт,накопленныйпри разработкеи эксплуатацииразличных типовизмерителейэнергии и мощностилазерногоизлучения,позволяетсделать заключениеоб областяхприменения,достоинствахи недостаткахразличныхметодов.

Кдостоинствамтепловогометода измеренияэнергетическихпараметровлазерногоизлученияотносятсяширокие спектральныйи динамическийдиапазоныизмерения,простота инадежностьизмерительныхсредств. В настоящеевремя в некоторыхкалориметрическихизмерителяхдостигнутанаиболее высокаяточность измерения,а при использованиипироэлектрическихприемниковизлучения ибыстродействующихтермоэлементови болометровудалось получитьбыстродействиедо единиц наносекунд.

Кнедостаткамтепловогометода можноотнести малоебыстродействиеи чувствительностькак раз техтепловых приборов,которые обеспечиваютнаиболее высокуюточность измерения.

Вприборах, основанныхна фотоэлектрическомдействии излучения,достигаютсямаксимальнаячувствительностьи быстродействие;это позволяетиспользоватьих в качествеизмерителейформы импульсови импульсноймощности вплотьдо субнаносекундногодиапазона.Недостаткамитаких приборовявляется сравнительноузкий спектральныйдиапазон иобычно невысокийверхний пределизмерениямощности (энергии),а также большаяпогрешностьизмерений(5…30%) по сравнениюс тепловымиприборами.

Преимуществопондеромоторногометода — высокийверхний пределизмеренияэнергии и мощностиизлучения придостаточновысокой точностиабсолютныхизмерений.Основной недостаток— жесткие требованияк условиямэксплуатации(особенно квибрации) и,вследствиеэтого, ограниченияк применениюв полевых условиях.

Измерениеосновных параметровимпульса лазерногоизлучения

Какизвестно рядактивных средв силу принципиальныхили техническихограниченийобычно работаютв импульсномрежиме генерации,Сюда в первуюочередь относятсялазеры насамоограниченныхпереходах —азотный лазер,генерирующийв УФ диапазоне(l=337,1нм), и лазер напарах меди,дающий мощныеимпульсы зеленогоизлучения(l=510,5нм), Еще болеешироко распространенырубиновыелазеры и лазерына неодимовомстекле, импульсныйхарактер генерациикоторых обусловленпрежде всегоособенностямисистемы накачкии охлажденияактивной среды.И наконец, внекоторыхнаиболееответственныхслучаях дляповышенияпиковой мощностиизлучениянекоторыелазеры переводятсяв режим управляемойгенерации; приэтом наиболеечасто используютсяметоды управлениядобротностьюрезонаторадля получениятак называемогогигантскогоимпульса исинхронизациипродольныхмод с цельюполученияпикосекундных(правильнее— сверхкоротких)импульсов.

Врезультатевозникаетзадача измеренияосновных параметровгенерируемоголазером импульсаизлучения.Очевидно, чтонаиболее простымбыло бы построениеизмерений посхеме полученияабсолютнойзависимостимощности излученияот времени P(t)с последующимизвлечениемиз нее всехинтересующихвеличин — обычноэто пиковаямощностьP_u,max=P(t^*),энергия импульса

и его длительностьDt.Однако точностьтаких измеренийобычно невелика.Поэтому, какправило, разделяютизмерениевременных (Р_maxи t_u)и энергетических(W) параметров,что кроме повышенияточности получаемыхрезультатовпозволяетупростить самиизмерения. Приэтом измерениеэнергии импульсапроводитсяобычно с помощьюкалориметрическогоизмерителя(см.1.1), обеспечивающегонаибольшуюточность, илифотодиода споследующиминтегрированиемфототока, аизмерениезависимостиР(t) — спомощью фотоэлектронногоприемника свысоким временнымразрешением.Именно по такойсхеме построенысерийные приборымарок ФН и ФУ,рассчитанныена работу вдиапазоне0.4…1.1 мкм при энергиив импульсе10^-3…10 Джи пиковой мощности10⁴ …10⁸Вт; при длительностиимпульса t_u=2.5…5Ч10^-9с и частотойповторенияF d_E»20%,а мощностьоколо 25%.

Анализпараметровимпульса спомощью осциллографа.

Дляизмерения формыимпульса и еговременныхпараметров(в частности,длительностьимпульса t_u,времен нарастанияи спада и т.п.)используютбыстродействующиефотоприемникис высокой линейностьюсветовойхарактеристики.К ним, в первуюочередь, относятсяспециальноразработанныtво ВНИИОФИкоаксиальныефотоэлементысерии ФЭК,рассчитанныена нагрузку75 Ом и напряжениепитания 1000 В; ихвременноеразрешение(собственнаяпостояннаявремени) колеблетсяв пределах от10^-9 до10^-10 с, имаксимальныйфототок от 1 до7 А у разных марок,отличающихсяконструкциейи типом фотокатода.

Такимобразом, вопрособ эффективномпреобразованиисветовогоимпульса вэлектрическийв первом приближении(по крайнеймере для лазеровс "гигантским"импульсом)можно считатьрешенным. Дляисследованияформы полученногоэлектрическогоимпульса используютсякак обычныеуниверсальныеосциллографыс полосой пропусканиядо 10⁷Гц, так и специальныескоростныеосциллографыс полосой пропускания1...5 ГГц и чувствительностью ~1мм/В. Последниеобычно не имеютусилителя(вертикальноговхода), и сигналв них подаетсянепосредственнона верительныеотклоняющиепластины, чтои обеспечиваетширокую полосупропускания,но при низкойчувствительностик входномусигналу. Дальнейшийанализ осциллограммыпроводитсяпо ее фотоснимку,а также прииспользованииЭЛТ с длительнымсвечениемлюминофораили с накоплениемзаряда и последующимего многократнымсчитывании.

Ввидуплохой воспроизводимостипараметровлазерных импульсовиспользованиестробоскопическихметодов исследованияне обеспечиваетнеобходимойточности измеренийи потому обычноне практикуется.

Изучениеформысверхкороткихлазерных импульсов

Какуказывалосьв 1.1.2, наиболеебыстродействующиефотоэлектрическиеприемникиизлучения имеютпостояннуювремени 10^-10…10^-9 с,т.е. с их помощьюможно надежноисследоватьтолько "гигантские"импульсы, типичнаядлительностькоторых составляет10^-8 с, авремена нарастанияи спада могутбыть значительнокороче. Поэтомупри исследованиивременныхзависимостейв случае наиболеекоротких гигантскихимпульсов и,особенно,пикосекундныхимпульсовиспользуюткосвенныеметоды, основанныена применениивременнойразвертки,используемойв электронныхи оптическихосциллографах.В настоящеевремя принципсверхскоростнойвременнойразверткиреализованкак на базеоптико-механическойразвертки срастрами (кинокамератипа "лупавремени"), ЧтопозволяетзарегистрироватьНабор малоинформативныхдвумерныхизображенийс частотойсъемки 10⁵…10⁸кадр/с, так ина базе непрерывнойодномерной(щелевой)оптико-механическойразвертки(щелевые фоторегистраторы)с временнымразрешениемот 10^-7до 3Ч10^-9с. Таким образом,использованиеоптико-механическойразвертки непозволяетсколько-нибудьсущественноулучшить временноеразрешение,обеспечиваемоемалоинерционнымифотоприемниками,но позволяетполучить набордвумерных(например,распределениепо поперечномусечению пучка)или одномерных(одномерноесечение пучка,спектр и т.п.)изображений,правда, толькодля излучениялазеров УФ,видимого иближнего ИКдиапазонов,что определяетсяограниченнымспектральнымдиапазономиспользуемыхфотопленок.

Поэтомув некоторыхслучаях применяютэлектроннуюразвертку одно-или двумерныхэлектронных"изображений",поступающихс фотокатода(сурьмяно-цезиевого,многощелочногоили кислородно-цезиевого,что оговаривается при заказеконкретногоприбора) ЭОПа.В случае использованиякислородно-цезиевогофотокатода"красная" границадостигает 1.3мкм. Однакоболее существеннымпреимуществомиспользуемыхдля высокоскоростнойрегистрацииОЭПов являетсязначительноеусиление яркостирегистрируемогоизображения— до (10³…10⁸)^х вмногокаскадных(2…6) приборах;это важно прирегистрациималомощныхпикосекундныхимпульсов. Взависимостиот электроннойсистемы разверткиможно получить9…12 отдельныхкадров (двумерныхизображений)с временемэкспонированиядо 10^-9…5Ч10^-13с,что обеспечиваетсяотдельнымэлектроннымзатвором,расположеннымобычно у фотокатода.Частота сменыкадров, обеспечиваемаяза счет синхроннойработы двухвзаимно перпендикулярныхсистем электростатическогоотклонения(всего пучкафотоэлектронов),гораздо ниже,что затрудняетисследованиединамики процессагенерации.

Поэтой причинеЭОПы с разверткойобычно используютдля исследованиятолько временныхзависимостейинтенсивностисфокусированногованного(монохроматическимобъективом)пучка излученияпикосекундноголазера. Применяемаяпри этом одномерная(обычно линейная)развертка можетиметь скоростьдо 10¹⁰см/с, что обеспечиваетполучение навыходномлюминесцентномэкране (Ж40мм) с разрешениемот 5…10 лин/мм (в5-6-каскадныхЭОПах) до 50 лин/мм(в однокаскадных)временнойразрешающейспособности10^-11 с.Рекорднаяскорость одномерной(спиральной)развертки(6Ч10¹⁰см/с) достигнутав ЭОПе "Пикохрон-1"за счет использованияна отклоняющихпластинахСВЧ-напряжения(l= 3 см);

соответственнопри разрешающейспособности(не экране) 5 лин/ммвременноеразрешениемоют достигать5Ч10^-13с, что соответствуетвременнымразбросампролета электроновв пучке, и поэтомуне может бытьулучшено повышениемскорости развертки.Характерно,что для обеспеченияудовлетворительныхяркости характеристиквыходногосигнала (спиралина люминесцентныхэкранах) "Пикохрон-1"имеет шестикаскаднуюсистему усиления,в результатечего яркостьвозрастаетв 10⁷…10⁸раз по сравнениюс исходной (носущественнопадает разрешающаяспособностьвыходного"изображения").

Такимобразом, вопросисследованиявременныхзависимостейгенерации пико-и даже фемтосекундныхимпульсовлазерногоизлучения можносчитать в первомприближениирешенным. Однакосложность,высокая стоимость,громоздкостьи необходимостьвысококвалифицированногообслуживаниязатрудняетв некоторыхслучаях практическоеиспользованиекамер с оптико-механическойи электроннойразвертками.

ОГЛАВЛЕНИЕ,

44

Поэтому в заключенииданного пунктацелесообразнорассмотретьвнешне достаточнопростой чистооптическийспособ измерениядлительностипикосекундныхимпульсов, вкотором используетсяоптическая"развертка"(со скоростьюсвета) припрохожденииизлучения внелинейном(по интенсивности)веществе, засчет чего идостигается"визуализация"световогоимпульса.

Рисунок 1.7. Схемаизмерениядлительностипикосекундныхимпульсовметодом нелинейной(двухфотонной)люминесценции.

"Световая"развертка былапредложенав 1967 г. Джордмейномдля использованиядлительностипикосекундныхимпульсов прираспространениидвух одинаковыхсветовых пучковнавстречу другдругу в растворенелинейнолюминесцирующегокрасителя. Впервом эксперименте(рис. 1.7) "стоячая"волна образовываласьпутем отраженияосновного пучкапикосекундныхимпульсов(генерируемоголазером нанеодимовомстекле) в зеркалекюветы с красителем.Очевидно, чтовозле зеркала(и далее с шагомl=TC/n, где n — показательпреломленияраствора красителя)плотностьэнергии прямогои отраженногопучка будетмаксимальнаиз-за совпаденияi-го импульса.Левее (рис.1.7)зеркала на lбудут совпадать(i-1)-й импульс впрямой волнеи (i+1)-й — в отраженной.При удаленииот зеркала на2l двухфотоннаялюминесценциякрасителя будетярче из-за наложения(i-2) и (i+2) импульсовцуга и т.д. Дляприближеннойоценки контрастаполучаемойкартины примем,что все пикосекундныеимпульсы в цугеимеют одинаковуюпиковую интенсивностьI₁=I₂=I_i.Тогдаяркость фоновогосвечения двухфотоннойлюминесценцииВ_фона пропорциональнаI_i²,а максимальнаяяркость (возлезеркала и вдругих "пучностях")В_макс пропорциональна(2I_i)²=4I_i², т.е.заметно выше;это обеспечиваетнадежное выделениеинформациио длительностипикосекундныхимпульсов ивременноминтервале Тмежду ними помикроденситограммефотоснимкакюветы с возбужденнымкрасителем(рис. 1.8).

Рисунок 1.8.Микроденситограмма(справа) фотографиицентральнойчасти симметричновозбуждаемойпикосекунднымиимпульсамикюветы (слева)с красителем.

В действительностикак сам эксперимент,так и его теориязначительносложнее приведеннойвыше элементарноймодели. Ввидуограниченногообъема укажемлишь, что обычнокювета с красителемвозбуждаетсясимметрично(рис.1.8), а законраспределенияяркости свеченияопределяется(авто)корреляционнойфункциейинтенсивностилазерногопучка, в результатечего для гауссоваимпульса происходит"уширение"свечения в раз, а контрастснижается до3,0. Известен методизмерениякорреляционнойфункции интенсивностилазерного пучказа счет нелинейногоэффекта генерациивторой гармоники,позволяющийизбавитьсяот фоновойзасветки ииметь временноеразрешение »0,1 пс; однакокак его описание,так и, особенно,реализациядостаточносложны.

Измерениепространственногораспределенияэнергии в лазерномпучке

Наиболее полнойпространственно-энергетическойхарактеристикойлазерногоизлученияявляется диаграммнаправленности,то есть угловоераспределениеэнергии илимощности влазерном пучке.Вблизи излучающейапертуры лазераугловое распределениеимеет непостояннуюконфигурацию,поэтому в большинствеслучаев практическийинтерес представляетраспределениеполя излученияв дальней зоне,когда формараспределенияперестаетзависеть отрасстоянияи можно говоритьо сформировавшейсядиаграмменаправленностиизлучения. Вкачестве приближеннойоценки границыдальней зоныпринимаютрасстояние,превышающееd²/l, гдеd —диаметр излучающейапертуры лазера;l — длинаволны излучения.

Ширину диаграммынаправленностив дальней зонеколичественнохарактеризуютуглом расходимостилазерногоизлучения,который обычнонормируетсяпри выпускелазеров изпроизводства.

На практикеиспользуютдва понятиярасходимости.В первом случаеимеют в видуплоский илителесный уголQ_p или Q_s,определяющийширину диаграммынаправленностив дальней зонепо заданномууровню угловогораспределенияэнергии илимощности, отнесенногок его максимальномузначению. Чащевсего значениеуровня принимаетсяравным 0,5 и 1/е²,где е — основаниенатуральныхлогарифмов.Приведенноевыше определениеоднозначнохарактеризуетизлучениетолько одномодовоголазера, имеющегодиаграммунаправленностибез боковыхлепестков, т.е.близкую кгауссовскомураспределению.В случае многомодовогорежима диаграммаизлучения имеетмногочисленныебоковые лепестки,содержащиезначительнуючасть энергии.Поэтому величинарасходимостипо заданномууровню энергииили мощности,т.е. по существуцентральногомаксимумараспределения,не очень показатальна,если неизвестноугловое распределениеэнергии илимощности в этомугле. В такихслучаях болееудобной характеристикойявляетсяэнергетическаярасходимостьлазерногоизлучения (Q_W,Pили Q_W,S),т.е. плоскийили телесныйугол, внутрикоторогораспространяетсязаданная доляэнергии илимощности излучения.

Лазерное излучениетакже характеризуютзначениемдиаметра пучка,т.е. диаметрапоперечногосечения пучкалазерногоизлучения,внутри которогопроходит заданнаядоля энергииили мощности.

Для практическогоопределениярасходимостииспользуюттри основныхметода: методсечений, методрегистрациидиаграммынаправленностии метод фокальногопятна.

Рис.1.9. Принципиальныесхемы трехосновных методовизмерениярасходимостилазерногоизлучения

Наиболеепростым являетсяметод двухсечений (рис.1.9.а).Согласно этомуметоду расходимость(или энергетическаярасходимость)пучка излученияопределяютпутем измерениядиаметров пучкаd₁ и d₂ в двухпоперечныхсечениях дальнейзоны, отстоящиходно от другогона расстоянииL, и вычисленияискомого углаQ по формуле:

Q=arctg[(d₂-d₁)2L]»(d₂-d₁)/2L

Измерениядиаметров d₁и d₂ производятсяодновременноили последовательнопо одному итому же критерию— заданномууровню интенсивностилибо заданнойдоле мощности(энергии). Достоинствомметода являетсяего простота,однако дляобеспечениянеобходимойточности измеренийтребуетсядостаточнобольшая (донесколькихметров) базамежду сечениями,что затрудняетиспользованиеданного методав лабораторныхусловиях.

Для уменьшениялинейных габаритовустановкиприменяютразличныезеркальныеили призменныесистемы, называемыеоптическимилиниями задержки.В качествепримера реализацииметода сеченийна рис.1.10 показанасхема измерителярасходимостинепрерывноголазерногоизлучения ввидимом и ближнемИК диапазонах.Излучениелазера 1, отразившисьот вращающегосязеркала 2 (положениеа-а), отклоняетсяна фотоприемник12 с щелевойдиафрагмой11 и после преобразованияв электрическийимпульс регистрируетсясистемой 13. Приповороте зеркалана выходе приемникаобразуетсяэлектрическийимпульс, длительностькоторогопропорциональнадиаметру поперечногосечения пучка.При дальнейшемповороте зеркала2 в положениев-в пучок излучения,пройдя многозеркальнуюотклоняющуюсистему 3-10, сканируетпо щели фотоприемника11. Длительностьимпульса навыходе этогофотоприемникапропорциональнадиаметру второгопоперечногосечения, удаленногоот первогосечения нарасстояние,вносимое зеркальнойсистемой, удлиняющейход пучка. Всилу расходимостидлительностьэтого импульсабольше первоначального.В регистрирующейсистеме 13 измеряетсяразностьдлительностейэтих импульсови определяетсязначение угловойрасходимостив соответствиис соотношением

(1.15)

где V — скоростьсканированияпучка по диафрагме; L — длина оптическойзадержки;

—длительностьимпульсов; d₁и d₂ — диаметрыпервого и второгосечений пучка.На этом принципеработает измерительрасходимостис цифровымотсчетом, способныйизмерять расходимостьот 20" до 3600" в диапазонахдлин волн 0,4...1,15мкм и мощности0,15...1000 мВт. Погрешностьизмерениярасходимостиданным приборомсоставляет3%.

Рисунок 1.10. Схемаизмерителярасходимостипучка непрерывноголазера, в которомиспользованамодификацияметода сечений.

Метод регистрациидиаграммынаправленностипозволяетполучить наиболееполную информациюо пространственномраспределениилазерногоизлучения (см.Рис. 1.9б). Для измерениядиаграммынаправленностиможно использоватьфотоэлементили ФЭУ, расположенныев дальней зоне,фотокатодкоторых закрытдиафрагмойс отверстиеммалого диаметра.Перемещаяфотоэлементпо дуге окружностирадиусом R,регистрируютугловое распределениеинтенсивностиизлучения. Знаядиаграммунаправленности,можно рассчитатьэнергетическуюи угловуюрасходимостиизлучения.Измерениедиаграммынаправленностиявляется сложнойи трудоемкойпроцедурой,поэтому редкоприменяетсяв метрологическойпрактике.

Метод фокальногопятна являетсянаиболеераспространеннымметодом измерениярасходимости.Для проведенияизмерений вдальней зоне,т.е. в областидифракцииФраунгофера,требуются, какправило, значительныерасстоянияот источникаизлучения.Условия дифракцииФраунгофераможно получитьв фокальнойплоскостиидеальнойбезаберрационнойположительнойлинзы (рис.1.9в).Для переходак угловомураспределениюнеобходимолинейноераспределениев фокальнойплоскостиразделить нафокусное расстояниелинзы, то естьугол расходимостиизлучениялазера определяютпо формуле

Q»a/f ',

где а — радиуспятна на фокальнойплоскости. Вэтом методедля исключениявлияния дифракциина краях линзыприменяютдлиннофокусныелинзы с большойапертурой,превышающейпримерно в 2раза диаметрпадающеголазерногопучка, а фокусноерасстояниелинзы должноудовлетворятьусловию

где l —длина волнылазерногоизлучения; Q_W,P —энергетическаярасходимостьлазерногоизлучения,установленнаяв стандартахили ТУ на лазерыконкретныхтипов. Погрешностьизмеренияданного методав основномсвязана с неточностьюопределенияразмера пятнаи не превышает27%.

Как в методефокальногопятна, так и вметоде сеченийсуть измеренийрасходимостисводится копределениюдиаметра сеченияпучка по томуили иному критерию.Для определениядиаметра пучкаизлученияприменяют восновном дваметода (ГОСТ26086-84): метод калиброванныхдиафрагм иметод распределенияплотностиэнергии (мощности)лазерногоизлучения. Впервом случаеиспользуютсядиафрагмы сплавно изменяющимсядиаметром илисменные калиброванныедиафрагмы. Ихустанавливаютнепосредственнов пучке или вфокальнойплоскостилинзы. Изменяядиаметр диафрагм,регулируютдиаметр пучка,в пределахкоторого заключеназаданная доляэнергии (мощности)излучения отполной энергии.В схеме такогоизмерителяимеются двеветви, в однойиз которых иизмеряетсяполная энергия(мощность) пучка.Рассмотренныйспособ являетсянедостаточноточным, а процессизмерениямалооперативным,кроме того, онне дает информациио распределенииполя вблизимаксимумаизлучения ине позволяетвыявить неоднородности;неоднородностив распределенииизлучения. Дляустраненияэтого недостаткаприменяют методрегистрациираспределенияплотностиэнергии (мощности)лазерногоизучения впоперечномсечении пучка.Для этого ввидимой областии ближнем ИКдиапазонеспектра используютфотографированиепятна излученияна фотопленкуили фотопластинку с последующейобработкоймикрофотометрированиеми численныминтегрированиемна ЭВМ. В случаемощных импульсныхи непрерывныхлазеров применяютнейтральныесветофильтрыдля ослабленияизлучения. Пригрубых оценкахдостаточномощных лазеровразмер пятнаопределяютпо размеруотверстия,прожигаемогопучком лазерав непрозрачноймишени (чернаябумага, тонкиеметаллическиепластины ит.п.). Более удобнымспособом измерения,распределенияинтенсивностив сфокусированномпятне являетсяавтокалибровочныйспособ (рис.1.11),который основанна разделениилазерного пучкана ряд пространственноподобных м идостаточноудаленных одинот другогопучков различнойинтенсивностис помощью пластиныL под установленнойпод углом кпучку лазера.Толстая пластинаL ослабляети многократнорасщепляетлазерный пучок.

Рисунок0.1 Схема автокалибровочногоспособа измерениярасходимостиизлучения

Если коэффициентотражения обеихповерхностейравен r,то интенсивностьI_n, пучка сномером n,выходящегоиз наклоннойпластины L ,можно записатьв виде:

I_n=I₀(1-r)²Чr^2(n-1)(1.18)
где I_O— интенсивностьпучка, падающегона пластину.Таким образом,на пленке Pполучаетсянесколькоизображенийпятна с разнойэкспозицией,из которыхпосле обработкиденситограммможно достаточноточно определитьдиаметр пятнана заданномуровне интенсивности.

Для болееоперативногополученияданных, а такжедля преобразованияизлучения ввидимую областьспектра используютЭОПы, видиконыи диссекторы,которые позволяютнаблюдать илифотографироватьобъекты в ближнихИК (до 1.5 мкм), видимых,УФ или рентгеновскихлучах.

С появлениеммногоканальныхмозаичныхприемниковизлучениязадача определенияотносительногораспределенияплотностиэнергии илимощности значительноупростилась,а скоростьполучениярезультатовизмеренийсущественноповысилась.Параллельныйпринцип измерениямногоканальныхПИП локальныхплотностеймощности иэнергии позволяетпроводитьанализ импульсногои нестабильногово времени ви пространственепрерывногоизлучения свыдачей результатовнепосредственнона экран дисплеяЭВМ или ЦПУ.

Большинствопреобразователейимеют до 100 каналовизмерения сразмером одногоэлемента от5х5 до 10х10 мм².Матричные ПИПоснованы наразличныхпринципахдействия(термоэлектрическиекалориметры,пироэлектрическиеи полупроводниковыеприборы) и могутперекрыватьвидимую и ИКобласти спектраl= 0.4…25 мкм).

Современныефотодиодные,фоторезистивныеи фототранзисторныематрицы состоятиз несколькихдесятков тысячэлементов сшагом несколькихдесятков микрометрови общей площадьюдо 15х15 мм². Времяопроса такихматриц составляетдоли миллисекунд.

Автоматизированнаяматематическаяобработкаинформациис мозаичныхприемниковобеспечиваетвычислениеэнергетическойрасходимости(не толькоотносительноточки с максимальнойинтенсивностью,но и относительноцентра тяжестипятна илигеометрическогоцентра); выделениеизоуровней;обработкуфокальных пятеннеправильнойформы; коррекциюискаженийизмерительноготракта, включаявозможностьиндивидуальнойкоррекциинеравномерностичувствительностиотдельногоканала; определениеоси диаграммынаправленности,ее дрейф в течениевремени и т.д.

В то же времямногоканальныемозаичные ПИПобладают всееще низкойразрешающейспособностью(до 10 лин/мм), повышеннойобщей плотностьюсистемы и стоимостью.

Измерениеполяризациилазерного пучка

В силу спецификипроцесса генерациив лазерах(основанногона стимулированномиспусканииактивной средойкогерентныхфотонов) получаемоетаким путемизлучениевсегда должнообладать 100 %-нойэлементарной(линейной иликруговой)поляризацией.Вид последнейопределяетсяособенностямииспользуемой(в лазере) активнойсреды — поляризациейее спонтанногоизлучения,служащего"затравкой"при разгораниигенерации, ивеличинойкоэффициентаусиления дляэлементарныхполяризаций;существенноезначение влазерах с резонатороммыв т поляризационнаяанизотропияпоследнего,т.е. соотношениепотерь дляразличныхэлементарныхполяризаций.В подавляющембольшинствесерийных лазеровгенерируетсятолько линейнополяризованноеизлучение,причем почтивсегда плоскостьполяризацииоднозначноопределяетсялибо поляризациейспонтанногоизлученияактивной среды(например, степеньполяризацииосновной R₁линии в стержняхрубина с 90^°ориентациейкристаллографическойоси составляет80%), либо брюстеровскимиповерхностями(например,брюстеровскимиокнами в газоразрядныхкюветах, брюстеровскимиторцами лазерныхстержней,установленнымипод углом Брюстерамодуляторами,затворами ит.п.). Лишь в лазерахна неодимовомстекле приотсутствииполяризационнойанизотропиигенерируетсялинейно поляризованноеизлучение,плоскостьполяризациикоторого хаотически,через время порядка Dt(время развитиягенерации),"перескакивает"после того, как"съедена"инверснаянаселенностьс соответствующейполяризацией.

С другой стороны,различныедефекты активнойсреды и особенностииспользуемогооптическогорезонаторамогут изменятьсостояниеполяризациилазерногопучка, в результатечего в некоторыхслучаях необходимоего исследование;это характерно,например, прииспользованииполяризационной(главным образом,электрооптической)модуляции ив некоторыхдругих случаях.Перечислим(в порядке нарастания"сложности")возможные"элементарные"состоянияполяризации:

1. Линейнаяполяризация— характеризуетсятолько положениемплоскостиполяризации— углом a с (произвольной)осью x , перпендикулярнойнаправлениюраспространениясвета z;

2. Круговаяполяризация— характеризуетсятолько направлениемвращения концапроекции вектораЕ на плоскостьxy (перпендикулярнуюнаправлениюраспространенияz) — право- илевоциркулярнополяризованноеизлучение;отметим, чтокруговая поляризацияможет трактоватьсякак совокупностьдвух взаимноортогональныхлинейно поляризованныхлучков равнойинтенсивности,колебания вкоторых сдвинутысоответственнона ±l/4(или на уголd=±p/2);

3. Эллиптическиполяризованныйсвет являетсянаиболее общимслучаем элементарнойполяризациии определяетсяуже тремяпараметрами:углом плоскостибольшой оси(преимущественногонаправленияполяризации)с осью x, т.е. угломa, эллиптичностьюb, характеризующейсоотношениенапряженностилинейно (иортогонально)поляризованногосвета меньшейинтенсивностик большей, инаправлениемвращения (правоеили левое, какдля циркулярнополяризованногосвета); в другойтрактовкеэллиптическиполяризованныйсвет естьсовокупностьциркулярнополяризованногоизлучения и(когерентногос одной из егосоставляющих)линейно поляризованнойдобавки, плоскостьполяризациикоторой расположенапод углом a.

Таким образом,все "элементарные"состоянияполяризациимогут бытьполучены издвух линейнополяризованныхво взаимноперпендикулярныхплоскостяхизлучений самплитудамиА_x и A_Y и разностьюфаз d. Стоксомбыли введенычетыре параметра

, , , , полностьюопределяющемсостояниеполяризациимонохроматическогопучка; прямо пропорциональныйполной интенсивностиполяризованногопучка, положениепреимущественной(линейной)поляризации(положениебольшой осиа эллипса)a=0.5arctg(s₂/s₁),угол эллиптичности (при этом 0соответствуетправая поляризация,а (-p/2)Јb— левая) и сдвигфаз d=d_x-d_y=arctg(s₂/s₃).

Хотя состояниеполяризациилюбой волны,не содержащейнеполяризованногосвета(

)можно представитьточкой в трехкоординатном (декартовом)пространствепараметровСтокса S₁,S₂, S₃, болеенагляднымявляется аналогичноепредставлениена сфере Пуанкаре,где в полярнойсистеме координатна сфере радиуса наносится точкаР₁ с угловымикоординатамиa_x иb_z=(p/2)-2b.Тогда экваторусоответствуютвсе возможныесостояниялинейно поляризованногосвета, северномуполюсу — правая,а южному — леваяциркулярнаяполяризация.При этом всесеверное полушариесоответствуетправой эллиптическойполяризации,а южное — левой.В случае неполностьюполяризованногосвета соответствующаяему точка Pлежит на продолжениирадиуса OP₁на расстоянии ,а для учетанеполной поляризациивводится степеньполяризации ,равная отношениюполяризованнойинтенсивностик полной, т.е.p=I_поляр/I.

Сферу Пуанкареможно использоватьи для качественногоанализа изменениясостоянияполяризацииизлучения вовремени. Так,например, свободнойгенерациилазера на неодимовомстекле (безанизотропныхэлементов)будет соответствоватьхаотическийперескок точкиP₁ вдольэкватора наугол порядкаp/2 (наортогональнуюлинейную поляризацию)с характернымвременем порядкавремени разгораниягенерации.Незначительныефлуктуациидвулучепреломленияв лазере с активнойсредой, находящейсяв сильном аксиальномполе (но резонаторкоторого неимеет преимущественнойполяризациинапример, ионныйаргоновый лазерс внутреннимизеркалами),будут приводитьк соответствующемудвижению дветочки P_s1 иP_s2 в областисеверного ииного полюсовсферы Пуанкареи т.п.

В то же времядля количественногоанализа состоянияполяризацииудобнее использоватьследующиепараметрыСтокса, которыесравнительнопросто могутбыть измеренынепосредственно:

s₀=I — полнаяинтенсивностьпучка;

s₁=I_x-I_y— разницаинтенсивностилинейно поляризованныхкомпонент (т.е.интенсивностей,пропускаемыхвысококачественнымполяроидомили поляризационнойпризмой) дляазимутальныхуглов 0°(x-компонента)и 90° (y-компонента);

s₂=I_p/4-I_p/4— разницаинтенсивностейпри установкеполяроидапосерединемежду осямиXY (I_p/4)и перпендикулярнобиссектрисеугла xOy (I_-p/4)

s₃=I_g-I_s— то же, что идля s₁, s₂;но для циркулярнополяризованного(соответственнопо правому илевому кругу)света.

Таким образом,на первый взгляд,требуется иметьсемь измерителейелей интенсивности,однако вполнедостаточночетырех величин,например I_x,I_y, I_p/4и I_n.При этом параметрыСтокса (правда,в более сложнойдля обработкиформе) могутбыть автоматическивычислены посоответствующимформулам. Такойэллипсометрсостоит из трехпар пластин,установленныхпод углом Брюстераи развернутыхна угол 90°в каждой паре.В результатеот первой пластиныП₁ отражаетсятолько составляющаяI_x, от второйП₂ — толькоI_y, от третьейП₃ — толькоI_p/4 (таккак вторая парапластин развернутаотносительнопервой на угол45° ), а отпятой П₅— только I_n(так как передтретьей паройпластин стоитчетвертьволноваяпластина +l//4).Отражаемыечетвертой П₄и шестой П₆пластинамипучки, пропорциональныеI_-p/4и I_s,не требуетсядля вычисленияпараметровСтокса, но самипластины необходимыдля обеспеченияточности работысистемы за счетчетной симметриикаждого каскадапластин. Очевидно,что такойчетырехканальныйполяриметрможет использоватьсядля анализаизлучения какимпульсных(его быстродействиеопределяетсяа основномиспользуемымифотоприемникамии может достигать10^-8 с), так и непрерывныхлазеров.

В последнемслучав можноприменятьполяриметры,работающиев режиме последовательногоанализа отдельныхполяризационныхкомпонентлазерногопучка. Существенно,что в данномслучав заметноповышает точностьизмерения(достижениеточности основныхвеличин — степениполяризациир, эллиптичности(а/b) угла преимущественнойполяризацииa в 1% несоставляеттруда) за счетснижения шумовпри накоплениисигнала и синхронномдетектировании.В качествепримера поляриметраданного типасошлемся насхему модуляционногополяриметра.В нем используетсядвухканальныйполяризационныйанализаторпоследовательногодействия, содержащийнепрерывновращающуюся(с угловой скоростьюw) четвертьволновуюпластинку(d=p/4)и призму Волластона,расщепляющуювыходной лучокна две взаимноортогональныеполяризациис переменнымиво времениинтенсивностями:

где q —угол, определяющийориентациюанализатора— призмы Волластона,а

— интенсивностьлинейно поляризованнойсоставляющей.При попарнойобработке обоихполучаемыхсигналов получим:на нулевойчастоте (попостоянномутоку) s₀=I₁(0)+I₂(0),при детектированиина частотевторой гармонию(f₂=2w/2p),

при детектированиина частотечетвертойгармоники) (

угловое положениеплоскостипреимущественныхколебанийa=0.5j₄,где j₄— фаза сигналачетвертойгармоники. Привысокой стабильностиполяризациилазерногоизлученияизмерения могутпроводитьсяпутем последовательнойустановкиполяроида ичетвертьволновойпластинки наоси пучка, замераинтенсивностипроходящегопучка и соответствующейобработкирезультатованалогичнообычным поляризационнымизмерениям.

ИЗМЕРЕНИЕСПЕКТРАЛЬНЫХИ КОРРЕЛЯЦИОННЫХПАРАМЕТРОВИ ХАРАКТЕРИСТИКЛАЗЕРНОГОИЗЛУЧЕНИЯ

Данная главапосвященаизмерениюнаиболее специфичныхпараметрови характеристиклазерногоизлучения,непосредственноили косвенносвязанных сего когерентностью.Как известно,последняяхарактеризуетсядвумя основнымипараметрами— временнойкогерентностью,то есть длительностьюDt цугаизлучения спостояннойво временифазой (или длинойкогерентностиDl=cЧDt),и степеньюпространственнойкогерентности,определяющейстепень корреляции(синфазности)излучения попоперечномусечению лазерногопучка. Естественно,что непосредственноеизмерениестепени когерентностиможет осуществлятьсятолько интерференционнымиметодами, достаточносложными какдля их понимания,так и для реализации;этому и посвященпоследнийпараграф даннойглавы. Болеедоступны экспериментыпо косвеннойоценке временнойкогерентностипутем измеренияширины линиилазерногоизлученияDn_изл=1/2pDt.В зависимостиот абсолютногозначения Dn_излтакие измерениямогут проводитьсякак в оптическомдиапазоне(Dn_изл>10⁶ Гц), так и врадиофизическом(при меньшихзначениях Dn_изл),что будет рассмотреносоответственнов 2.2 и 2.3. Предварительноцелесообразновкратце напомнитьосновные моментыпо физике лазернойгенерации,связанные скогерентностьюизлучения.

Влияниепараметровлазера накогерентностьего излучения

По определениюлазер — этоприбор, в которомпроисходитусиление (и,наиболее часто,генерация)оптическогоизлучения засчет стимулированныхпереходов.Поэтому в идеальномслучае лазерноеизлучениедолжно бытьабсолютнокогерентно,т.е. время когерентностиDt®Ґи, соответственно,длина когерентностиn®1, а степеньпространственнойкогерентностиn®1 (или к100%). Такой ситуациисоответствуетизлучениесверхстабильногоодночастотноголазера бесконечнобольшой мощности.Естественно,что на практикеэто недостижимо.Поэтому целесообразновкратце восстановитьпроцесс генерациикогерентногоизлучения вреальном лазере.

Генерация влазере с линейнымили кольцевымрезонаторомпроисходитв первом приближениина собственных(резонансных)частотах последнего,так как для нихобеспечиваютсянаименьшиепотери генерируемогоизлучения, т.е.максимальная(положительная)обратная связь.В оптическомрезонаторесобственныерезонансныечастотыn_mnq=Dn_рез[q+(b_mn/180°)],где Dn_рез=c/2L_опт — частотныйинтервал междусобственнымипродольнымимодами резонаторав линейномрезонаторе(в кольцевомже Dn_рез=c/L_опт); q — продольныйиндекс; b_mn— фазовые искажениядля b_mn-йпоперечноймоды, определяемыегеометриейрезонатора.

К вторичнымэффектам, оказывающимнезначительноевлияние начастоту генерации,относятсяэффекты затягиванияи отталкиваниячастот. Однакоиз-за высокойдобротности(Q=Dn_0.5/n_mnq»10⁶)оптическогорезонатора(т.е. малой посравнению сn_mnq ширинырезонансногопика Dn_0.5=сЧеa/4pL_опт)отклонениечастоты генерацииот собственнойрезонанснойчастоты n_mnкрайне незначительнои может бытьобнаруженотолько радиофизическимиметодами (см.2.3).

Гораздо сильнеена частотугенерациилазера влияютпараметрыактивной среды:центральнаячастота лазерногоперехода n₀=(Е_в-Е_н)/h (Е_в, Е_н —средняя энергияверхнего инижнего рабочихуровней соответственно,h — постояннаяПланка) и ширинаспектральнойлинии Dn.При этом избесконечного(главным образом,по продольномуиндексу q) наборасобственныхрезонансныхчастот именноактивная средаселектируетодно или несколько(в зависимостиот характерауширения лазерногоперехода) значенийвблизи n₀.

По этой причинедлина волныгенерацииl_ген=с/n_генпочти всехлазеров (заисключениемлазеров нарастворахкрасителейи, в меньшейстепени, полупроводниковыхлазеров) сдостаточнойдля подавляющегобольшинствапрактическихслучаев точностьюоднозначноопределяетсяиспользуемойактивной средой.С другой стороны,прецизионноеизмерение длиныволны лазернойгенерациистановитсяв настоящеевремя особенноактуальным,так как эталондлины (1м) с 1983 г.определеннепосредственночерез длинуволны пяти газоразрядныхлазеров, стабилизированныхпо частотеизлучениясоответствующейпоглощающейячейкой. Длинаволны этихрекомендованныхлазеров лежитв диапазонеот 0,515 мкм (Аг⁺/¹²⁷I₂)до 3,39 мкм (He-Ne/CH₄) ивоспроизводитсяс погрешностьюот 1,3Ч10^-9(Аг⁺/¹²⁷I₂) до1,3Ч10^-10(He-Ne/CH₄). Наименьшуюпогрешность(6Ч10^-10)воспроизведениядлины волны(0.57629476027 мкм) в видимомдиапазонеобеспечиваетвторая гармоникаHe-Ne лазера, стабилизированногопо частотепоглощающейячейкой напарах ¹²⁷I₂; обекрасные линииHe-Ne лазера (0,6329 и0,612 мкм) стабилизируютсяс заметно меньшейвоспроизводимостью:1.1Ч10^-9 и1Ч10^-9соответственно.

В силу вышеизложенногоизмерениеспектральныххарактеристиклазерногоизлучения можетбыть разделенона три группы(по мере нарастанияразрешающейспособностипроводимогоанализа):

1. Измерениеспектра излучениямногомодовыхлазеров непрерывногодействия ипикосекундныхлазеров; дляэтой цели вполнедостаточнотрадиционныхметодов спектрометрии(в отдельныхслучаях — высокойразрешающейспособности).

2. Прецизионноеизмерение длиныволны или частотыгенерациистабилизированныхпо частотелазеров, длячего применяютинтерферометрыФабри-Перо ирадиофизическиеметоды "переноса"частоты отцезиевогостандарта(9192631770 Гц) или водородноголазера (14204057518 Гц)в оптическойдиапазон (обычноHe-Ne лазер с метановойячейкой, n_ген=88376181,608МГц).

3. Измерениеширины полосыгенерацииодночастотноголазера илиразности частотгенерации двуходнотипныхчастотностабилизированныхлазеров, чтоосуществляетсяс помощьюрадиофизическогометода фотобиений(гетеродинныйприем лазерногоизлучения).

Рассмотримвкратце основныеособенноститехническихсредств дляизмерения длиныволны — интерферометрови частоты —(фото)гетеродинов.

Интерферометрыдля измеренияспектра лазерногоизлучения

Специалист-оптикможет исследоватьспектр лазерногоизлучения (сразрешением,обычно вполнедостаточнымдля надежногоразличениясоседних продольныхмод), наблюдая(рис.2.1) структуруколец 7, возникающихпри освещенииобычногоинтерферометраФабри-Перо 5коллимированнымс помощьютелескопическойсистемы 3 пучкомисследуемоголазера 1. На рис.2.1показан и рядвспомогательныхкомпонентов,обеспечивающихуспешноефункционированиеданной схемы:невзаимныйэлемент 2 обеспечиваетоднонаправленное(только слеванаправо) прохождениелазерногоизлучения,узкополосныйфильтр 4 пропускаеттолько излучение,характерноедля исследуемойлазерной генерации;наконец, объектив6 формируеткартину интерференционныхколец на расположенномна конечномрасстоянииэкране, чтоудобно длянаблюденияневооруженнымглазом и фоторегистрации.Визуальноенаблюдениеинтерференционныхколец можновести и черезбинокль илидругой наблюдательныйприбор.

Рис.2.1. Анализчастотнойструктурыизлучениялазера с помощьюинтерферометраФабри-Перо

В данной схемедлина интерферометране должна превышатьl_макс=2Dn_ген/с,где Dn_ген— ширина полосыгенерацииисследуемоголазера. В первомприближенииширина полосыгенерации (длябольшинствагазовых лазеров)равна величиненеоднородногоуширения Dn_неодлазерногоперехода активнойсреды. Во второмприближениинеобходим учеткратностипревышенияусиления надпотерями Х;Dn_ген=Dn_неодЧ .Потери интерферометране должны превышатьвеличины еa_инт= еa+2t_з= 4pl_интЧDn_рез/(3...10)С, где еa=2а_з— остаточныепотери (симметричного)интерферометра,а t_з —коэффициентпропусканияего зеркал; вэтом случаес помощьюинтерферометраможно легкоопределитьколичествогенерируемыхлазером продольныхмод, следующихс шагом Dn_рез.

Для анализачастот генерациипоперечныхмод разрешениеинтерферометраследует существенноповысить, достигнутьчего можно либоуменьшая полныепотери еa_инт,либо увеличиваярасстояниемежду пластинамиинтерферометра.Кроме того, прианализе спектрапоперечныхмод существенноусложняютсявопросы согласованияполей лазераи интерферометраи их взаимнойюстировки.

Естественно,что непосредственное(визуальное)наблюдениеспектра лазерногоизлученияприемлемотолько длялазеров видимогодиапазона. ЭОПынесколькорасширяют этотдиапазон вультрафиолет(но не далее0.2 мкм) и ближнююИК область (ноне далее 1.1 мкм).С другой стороны,тяжело визуальноопределитьсоотношениемощностейотдельных модпо относительнойяркости соответствующихинтерференционныхколец.

Поэтому в настоящеевремя при анализеспектральногосостава лазерногоизлучения восновном используют(рис. 2.2) сканирующиеинтерферометры(5...7) с фотоэлектрическимприемником10 и регистрациейспектра лазера1 на экранеосциллографа11, горизонтальнаяразверткакоторогосинхронизированас линейнымперемещениемодного из зеркал(обычно - выходного)интерферометрас помощьюпьезокерамики8. Если размах(амплитуда)колебанийзеркала 7 превышаетl_ген/2,то на экранеосциллографабудет виденвесь частотныйдиапазонинтерферометраDn_инт=с/2l_инт.Существенно,что в данномварианте разрешающаяспособностьDnіDn_0.5,определяетсяуже не толькособственнымразрешениеминтерферометраDn_0.5, но иразмером диафрагмы9 (перед фотоприемником),выделяющеймалую частьнулевого порядкаинтерференционнойкартины (центральногокольца 7 на рис.2.1). Узкополосныйфильтр 4, как ив предыдущейсхеме, уменьшаетфоновую засветку.

Рис. 2.2. Анализчастотногоспектра основной(ТЕМ₀₀) модылазера с помощьюсканирующегоинтерферометрасо сферическимизеркалами

Посколькусканированиеодного из зеркалинтерферометранеизбежноприводит к егоразъюстировке,то для обеспеченияработоспособностисканирующегоинтерферометраобычно используютконфокальнуюгеометрию(интерферометрКонна), а не плоскиезеркала. В этомслучае вопрособ отрицательномвлиянии незначительныхразъюстировокснимается, ноужесточаютсятребованияк согласованиюполей (собственныхмод) исследуемоголазера и сканирующегоинтерферометра:вместо сравнительнопростого(афокального)расширителяпучка телескопическоготипа требуетсястрого рассчитаннаяили, по крайнеймере, точноустановленнаялинза 3. В результатетакого согласованияустраняетсяперекачкаэнергии лазерногоизлучения впоперечныемоды сканирующегоинтерферометра,частота которыхпри конфокальнойгеометрии, какизвестно, существенноотличаетсяот частот основных(ТЕМ₀₀) мод наDn_рез/2.По мере отходаот конфокальнойконфигурациифазовые искаженияb_mn поперечныхмод асимптотическиуменьшаютсядо величин,существенноменьших 180°в интерферометреФабри-Перо (сбольшим числомФренеля N=a²/lL).

Рис. 2.3. Развязкаполяризационноготипа: в верхнейчасти рисунка— прямой ходлуча, в нижней— обратный

Для обеспеченияоднонаправленногораспространенияисследуемогоизлучения отлазера к сканирующемуинтерферометру,что исключаетвлияние частотнойхарактеристикиинтерферометрана исследуемыйлазер, междулазером и согласующейоптикой(телескопом-расширителемдля интерферометраФабри-Перо иодиночнойлинзой 3 дляинтерферометрас вогнутымзеркалом) ставится"развязка"2 — невзаимныйэлемент поляризационноготипа (см. рис.2.1, 2.2). Обычно онсостоит изчетвертьволновойпластинки l/4(рис. 2.3), превращающейлинейно поляризованноеизлучениеЛП_верт исследуемоголазера в циркулярнополяризованныйсвет ЦП, и поляризационногоэлемента,установленногомежду лазероми этой пластинкой.Этот поляризационныйэлемент обычнопредставляетсобой пленочныйполяроид, а неполяризационнуюпризму, так какон значительнодешевле, аобеспечиваемаяим степеньполяризациивполне достаточна,по крайней мерепри измерениичастотногоспектра излучениямногомодовыхлазеров. Четвертьволноваяпластинка вданном случаетакже можетбыть простейшеготипа — из слюды,следует толькопомнить, чтотакой простейшийвариант пластинкиl/4 не обладаетширокой спектральнойобластью из-забольшой дисперсиипоказателейпреломленияn₀ и n_e слюды.В результатеслюдяная пластинкаl/4 можетиспользоватьсяпрактическитолько дляодной лазернойдлины волны(в данном случаедля 0.63; 3.39; 1.15; 0.49; 0.52 мкми т.п.). Ахроматизированныепластинки изкристаллическихматериаловобеспечиваютнормальноефункционированиепо крайней мерев пределахспектральногодиапазоназеркал интерферометра(Dlі0.1l₀),однако их стоимостьи дефицитностьсущественновыше.

Функционированиетакого простейшегоневзаимногоэлемента достаточноэлементарно:линейно поляризованноеизлучениеЛП_верт исследуемоголазера безпотерь проходитчерез поляроид,сориентированныйсоответствующимобразом (выполняющийв прямом ходепучка функциюполяризатораПо), и пластинкуl/4, превращаетсяв циркулярнополяризованныйсвет ЦП, взаимодействующийс интерферометром.Отраженноеим излучение(в случае сканирующегоинтерферометраоно переменново времени)вновь проходитпластинку l/4,превращаясьопять в линейнополяризованное,плоскостьполяризацииЛП_гор которого,однако, ортогональнаисходной, таккак пластинкаl/2 (l/4+l/4=l/2)приводит кповороту плоскостиполяризациина 90°.Естественно,что поляроид,выполняющийпри обратномходе лучей рольанализатораАн, задерживаетотраженныеот интерферометрапучки. Очевидно,что невзаимныйэлемент поляризационноготипа нормальнофункционируетлишь в том случае,если интерферометри согласующаяоптика не изменяютсостоянияполяризацииотраженныхпучков.

Более эффективнуюразвязку обеспечиваюткольцевые(сканирующие)интерферометры,в которых отраженныйпучок (рис.2.4)обычно (в трехзеркальноминтерферометре)идет под углом60°. Однакокольцевыесканирующиеинтерферометры(в том числекоммерческие)обладают определеннойполяризационнойанизотропиейсобственныхмод, связаннойв данном случаес поляризационнойанизотропиейзеркальныхпокрытий.Предпочтительнееиспользоватьперпендикулярнуюориентациюплоскостейполяризациипучка и кольцевогоинтерферометра.

Рис.2.4. Схемакольцевогосканирующегоинтерферометра:ПК — пьезокерамика,на которуюподаетсяпилообразноенапряжениеU_ск(t)

Типичной геометриейкольцевогосканирующегоинтерферометраявляется почтиплоскопараллельныйрезонатор,образованныйодним вогнутым(R»1 м) и двумяплоскими зеркалами,расположеннымив углах правильноготреугольникасо сторонамиl₁=l₂=l₃=0.1м. СоотношениеR/l»10обеспечиваеткомпромиссмежду допускамина разъюстировкуинтерферометрапри сканированииодного из зеркал,точностьюсогласованияоптическихосей лазерногопучка и интерферометра,а также высокоэффективнойселекцией внем поперечныхмод при реальных(поперечных)размерах лазерногопучка.

Оценим разрешающуюспособностьинтерферометров,понимая подэтим полуширину(ширину наполувысоте)его резонансногопика Dn_0.5=сЧеa/4pL_оптдля типичнойдлины L_опт=0.1м. Очевидно,что в этом случаеDn_0.5определяетсясуммарнымипотерями еa,которые в основном(при точнойюстировке)состоят изпотерь в диэлектрическихзеркалах; последниепри использованиисовременнойтехнологииобеспечиваютеa_зер»0.1%.В результатеполучим Dn_0.5»0.1%.Такого разрешениявполне достаточнодля надежногоразличенияпродольных(аксиальных)мод метровоголазера (Dn_рез»150МГц), а такжедля анализаспектра модвысших порядковв квазиконфокальномрезонатореи на малых числахФренеля (N»1)— в плоскопараллельномрезонаторе.Однако такаяразрешающаяспособностьне достаточнапри изученииспектра поперечныхмод обычныхлазеров сплоскопараллельными(и близкими кним почтиплоскопараллельными)резонаторамии в ряде другихслучаев.

Дальнейшегоповышенияразрешающейспособностиможно достичь,используяпринципиальноотличные отметодов оптическойспектрометриирадиофизическиеспособы.

Измерениечастоты лазерногоизлученияметодом фотобиений

Данный метод,часто называемыйметодом фотогетеродинногоприема оптическогоизлучения,обладает гораздобольшей частотойи разрешающейспособностью,по крайней мередо долей герц,что и являетсяего основнымпреимуществомперед интерференционнымиизмерениями.С другой стороны,как всякийкосвенныйспособ (в данномслучае, какпоказано ниже,осуществляетсяперенос частотылазерногоизлучения вобласть радио-и даже звуковыхчастот) методфотобиенийтребует грамотнойинтерпретацииполучаемыхрезультатовс учетом спецификипреобразованияинформации.

Ограничимсярассмотрениемпростейшегоаналитическогослучая — фотобиенийдвух когерентныхизлучений счастотами n₁и n₂, описываемыхамплитудамиэлектрическойсоставляющейэлектромагнитногополя

и .Если два такихпучка направитьна какой-либофотоприемник,то в соответствиис законом Столетоваего фототокi(t) будет прямопропорционаленинтенсивностисветовогопотока

Ввиду ограниченнойполосы частотфотоприемникафототоки, вызываемыетремя последнимисоставляющимисуммарногопотока (с частотами,соответственно,n₁+n₂,2n₁ и 2n₂)не могут бытьзарегистрированы;два первыхслагаемых (

) образуют постояннуюсоставляющую,которая ирегистрируетсяпри обычнойфотоэлектрическойрегистрациисветовых потоков.Наиболееинформативнымв интересующемнас аспектеявляется третьеслагаемое ,содержащееполную информациюо частотно-фазовыхсоотношенияхобоих световыхпучков.

Рассмотреннаявыше ситуацияиспользуетсяна практикетолько дляанализа частотно-фазовыхсоотношенийв пучках двуходночастотныхлазеров (обычностабилизированныхпо частоте) илиизлучениядвухчастотныхлазеров.

Ввиду весьмаограниченногораспространениялазеров последнеготипа сосредоточимвнимание напримененииметода фотобиенийдля анализаособенностейспектра излученияодночастотноголазера. Дляэтого необходимвторой лазер— гетеродин,стабильностьчастоты n₂и амплитудыЕ₂ излучениякоторого существенновыше, чем исследуемого.При этом условииспектр фототокаразностнойчастоты, наблюдаемыйна экранестандартногонизкочастотногорадиоэлектронногоспектроанализатора,прямо пропорционаленспектру исследуемоголазера. Естественно,что аналогичныйрезультатполучится вслучае обычной,а не фотогетеродиннойрегистрацииисследуемогопотока фотоприемником.При этом, однако,на исследуемыйсигнал (продетектированныйфотоприемникомспектр исследуемогоизлучения)будут наложенынизкочастотные(а потому оченьбольшие) шумысамого фотоприемникаи электронноготракта. Фотогетеродинированиепереноситисследуемыйсигнал в областьразностнойчастоты (n₁-n₂),где электронныешумы значительноменьше, что ипозволяет болееточно анализироватьисследуемоеизлучение.Нестабильностьизлучениягетеродинноголазера приводитк дополнительному(ложному) уширениюисследуемогоспектра из-засвертки соспектром гетеродина.

Таким образом,рабочий диапазончастот фотогетеродинногометода сверхуограниченэлектроннымтрактом (включая,разумеется,фотоприемник)и обычно непревышаетнесколькихсотен мегагерц,а снизу - нестабильностьючастоты (и амплитуды)лазера-гетеродина,минимальнаявеличина которой(за время анализаспектра) »10²Гц.

Предельныевозможностигетеродинногометода былиреализованыпри исследованиинестабильностичастоты генерацииодночастотногоэталона длиныволны 3,39 мкм наHe-Ne лазере, стабилизированномпо пику Лэмбаот внутреннейпоглощающейячейки с метаном:в зависимостиот физическойприроды отдельныесоставляющиенестабильностиколебалисьв пределах10...40 Гц. В результатеэтого рассматриваемыйметод не позволяетнепосредственноисследоватьи измеритьпредельнуюширину спектральнойлинии излученияодночастотногостабилизированноголазера, котораяпредставляеткак теоретический,так и существенныйпрактическийинтерес.

Для прецизионногоанализа спектраодночастотноголазерногоизлученияобычно используютдве модификациифотогетеродинногометода. Простейшаяиз них — гомодинныйприем — заключаетсяв анализе фотобиениймежду всемикомпонентами(друг с другом)в спектре излученияодночастотноголазера. Такойприем обладаетдвумя недостатками:результатнаблюдаетсяна нулевой(центральной)частоте, т.е.сильно зашумлен;кроме того, наэкране спектроанализатораполучаетсяне сам спектр,а его автокорреляция,что необходимоучитывать приинтерпретированииполученныхрезультатов.Так, нормальноераспределение(гауссоида)уширится в

раз, а лоренцевалиния — в 2 раза,правда, безизменения формылинии.

ративным,кроме того, онне дает информациио распределенииполя вблизимаксимумаизлучения ии не позволяетвыявить неоднородности;неоднородностив распределенииизлучения. Дляустраненияэтого недостаткаприменяют методрегистрациираспределенияплотностиэнергии (мощности)лазерногоизучения впоперечномсечении пучка.Для этого ввидимой областии ближнем ИКдиапазонеспектра используютфотографированиепятна излученияна фотопленкуили фотопластинку с последующейобработкоймикрофотометрированиеми численныминтегрированиемна ЭВМ. В случаемощных импульсныхи непрерывныхлазеров применяютнейтральныесветофильтрыдля ослабленияизлучения. Пригрубых оценкахдостаточномощных лазеровразмер пятнаопределяютпо размеруотверстия,прожигаемогопучком лазерав непрозрачноймишени (чернаябумага, тонкиеметаллическиепластины ит.п.). Более удобнымспособом измерения,распределенияинтенсивностив сфокусированномпятне являетсяавтокалибровочныйспособ (рис.1.11),который основанна разделениилазерного пучкана ряд пространственноподобных м идостаточноудаленных одинот другогопучков различнойинтенсивностис помощью пластиныL подустановленнойпод углом кпучку лазера.Толстая пластинаL ослабляети многократнорасщепляетлазерный пучок.

Рисунок0.1 Схема автокалибровочногоспособа измерениярасходимостиизлучения

Если коэффициентотражения обеихповерхностейравен r,то интенсивностьI_n, пучка с номеромn, выходящегоиз наклоннойпластины L, можно записатьв виде:

I_n=I_c(1-r)²Чr^2(n-1)(1.18)
где I_O— интенсивностьпучка, падающегона пластину.Таким образом,на пленке Pполучаетсянесколькоизображенийпятна с разнойэкспозицией,из которыхпосле обработкиденситограммможно достаточноточно определитьдиаметр пятнана заданномуровне интенсивности.

Дляболее оперативногополученияданных, а такжедля преобразованияизлучения ввидимую областьспектра используютЭОПы, видиконыи диссекторы,которые позволяютнаблюдать илифотографироватьобъекты в ближнихИК (до 1.5 мкм), видимых,УФ или рентгеновскихлучах.

Споявлениеммногоканальныхмозаичныхприемниковизлучениязадача определенияотносительногораспределенияплотностиэнергии илимощности значительноупростилась,а скоростьполучениярезультатовизмеренийсущественноповысилась.Параллельныйпринцип измерениямногоканальныхПИП локальныхплотностеймощности иэнергии позволяетпроводитьанализ импульсногои нестабильногово времени ви пространственепрерывногоизлучения свыдачей результатовнепосредственнона экран дисплеяЭВМ или ЦПУ.

Большинствопреобразователейимеют до 100 каналовизмерения сразмером одногоэлемента от5х5 до 10х10 мм².Матричные ПИПоснованы наразличныхпринципахдействия(термоэлектрическиекалориметры,пироэлектрическиеи фотопроводниковыеприборы) и могутперекрыватьвидимую и ИКобласти спектраl=0.4…25 мкм).

Современныефотодиодные,фоторезистивныеи фототранзисторныематрицы состоятиз несколькихдесятков тысячэлементов сшагом несколькихдесятков микрометрови общей площадьюдо 15х15 мм².Время опросатаких матрицсоставляетдоли миллисекунд.

Автоматизированнаяматематическаяобработкаинформациис мозаичныхприемниковобеспечиваетвычислениеэнергетическойрасходимости(не толькоотносительноточки с максимальнойинтенсивностью,но и относительноцентра тяжестипятна илигеометрическогоцентра); выделениеизоуровней;обработкуфокальных пятеннеправильнойформы; коррекциюискаженийизмерительноготракта, включаявозможностьиндивидуальнойкоррекциинеравномерностичувствительностиотдельногоканала; определениеоси диаграммынаправленности,ее дрейф в течениевремени и т.д.

Вто же времямногоканальныемозаичные ПИПобладают всееще низкойразрешающейспособностью(до 10 лин/мм), повышеннойобщей плотностьюсистемы и стоимостью.

1.4. Измерениеполяризациилазерного пучка

Всилу спецификипроцесса генерациив лазерах(основанногона стимулированномиспусканииактивной средойкогерентныхфотонов) получаемоетаким путемизлучениевсегда должнообладать 100 %-нойэлементарной(линейной иликруговой)поляризацией.Вид последнейопределяетсяособенностямииспользуемой(в лазере) активнойсреды — поляризациейее спонтанногоизлучения,служащего"затравкой"при разгораниигенерации, ивеличинойкоэффициентаусиления дляэлементарныхполяризаций;существенноезначение влазерах с резонатороммыв т поляризационнаяанизотропияпоследнего,т.е. соотношениепотерь дляразличныхэлементарныхполяризаций.В подавляющембольшинствесерийных лазеровгенерируетсятолько линейнополяризованноеизлучение,причем почтивсегда плоскостьполяризацииоднозначноопределяетсялибо поляризациейспонтанногоизлученияактивной среды(например, степеньполяризацииосновной R₁линии в стержняхрубина с 90^°ориентациейкристаллографическойоси составляет80%), либо брюстеровскимиповерхностями(например,брюстеровскимиокнами в газоразрядныхкюветах, брюстеровскимиторцами лазерныхстержней,установленнымипод углом Брюстерамодуляторами,затворами ит.п.). Лишь в лазерахна неодимовомстекле приотсутствииполяризационнойанизотропиигенерируетсялинейно поляризованноеизлучение,плоскостьполяризациикоторого хаотически,через время порядка Dt/время развитиягенерации,"перескакивает"после того, как"съедена"инверсная

Сдругой стороны,различныедефекты активнойсреды и особенностииспользуемогооптическогорезонаторамогут изменятьсостояниеполяризациилазерногопучка, в результатечего в некоторыхслучаях необходимоего исследование;это характерно,например, прииспользованииполяризационной(главным образом,электрооптической)модуляции ив некоторыхдругих случаях.Перечислим(в порядке нарастания"сложности")возможные"элементарные"состоянияполяризации:

1.Линейная поляризация— характеризуетсятолько положениемплоскостиполяризации— углом a с (произвольной)осью x, перпендикулярнойнаправлениюраспространениясвета z;

2.Круговая поляризация— характеризуетсятолько направлениемвращения концапроекции вектораЕ наплоскость xy(перпендикулярнуюнаправлениюраспространенияz) — право-и левоцириулярнополяризованноеизлучение;отметим, чтокруговая поляризацияможет трактоватьсякак совокупностьдвух взаимноортогональныхлинейно поляризованныхлучков равнойинтенсивности,колебания вкоторых сдвинутысоответственнона ±l/4(или на уголd=±p/2);

Э.Эллиптическиполяризованныйсвет являетсянаиболее общимслучаем элементарнойполяризациии определяетсяуже тремяпараметрами:углом плоскостибольшой оси(преимущественногонаправленияполяризации)с осью x,т.е. углом a,эллиптичностьюb,характеризующейсоотношениенапряженностилинейно (иортогонально)поляризованногосвета меньшейинтенсивностик большей, инаправлениемвращения (правоеили левое, какдля циркулярнополяризованногосвета); в другойтрактовкеэллиптическиполяризованныйсвет естьсовокупностьциркулярнополяризованногоизлучения и(когерентногос одной из егосоставляющих)линейно поляризованнойдобавки, плоскостьполяризациикоторой расположенапод углом a.

Такимобразом, все"элементарные"состоянияполяризациимогут бытьполучены издвух линейнополяризованныхво взаимноперпендикулярныхплоскостяхизлучений самплитудамиА_xи A_Y и разностьюфаз d.Стоксом быливведены четырепараметра

, , , , полностьюопределяющемсостояниеполяризациимонохроматическогопучка; прямо пропорциональныйполной интенсивностиполяризованногопучка, положениепреимущественной(линейной)поляризации(положениебольшой осиа эллипса)a=0.5arctg(s₂/s₁),угол эллиптичности (при этом 0соответствуетправая поляризация,а (-p/2)Јb— левая) и сдвигфаз d=d_x-d_y=arctg(s₂/s₃).

Хотясостояниеполяризациилюбой волны,не содержащейнеполяризованногосвета(

)можно представитьточкой в трехкоординатном (декартовом)пространствепараметровСтокса S₁,S₂,S₃,более нагляднымявляется аналогичноепредставлениена сфере Пуанкаре,где в полярнойсистеме координатна сфере радиуса наносится точкаР₁с угловымикоординатамиa_xи b_z=(p/2)-2b.Тогда экваторусоответствуютвсе возможныесостояниялинейно поляризованногосвета, северномуполюсу — правая,а южному — леваяциркулярнаяполяризация.При этом всесеверное полушариесоответствуетправой эллиптическойполяризации,а южное — левой.В случае неполностьюполяризованногосвета соответствующаяему точка Pлежит на продолжениирадиуса OP₁на расстоянии ,а для учетанеполной поляризациивводится степеньполяризации ,равная отношениюполяризованнойинтенсивностик полной, т.е.p=I_поляр/I.

СферуПуанкаре можноиспользоватьи для качественногоанализа изменениясостоянияполяризацииизлучения вовремени. Так,например, свободнойгенерациилазера на неодимовомстекле (безанизотропныхэлементов)будет соответствоватьхаотическийперескок точкиP₁вдоль экваторана угол порядкаp/2(на ортогональнуюлинейную поляризацию)с характернымвременем порядкавремени разгораниягенерации.Незначительныефлуктуациидвулучепреломленияв лазере с активнойсредой, находящейсяв сильном аксиальномполе (но резонаторкоторого неимеет преимущественнойполяризациинапример, ионныйаргоновый лазерс внутреннимизеркалами),будут приводитьк соответствующемудвижению дветочки P_s1и P_s2в области северногои иного полюсовсферы Пуанкареи т.п.

Вто и.о. времядля количественногоанализа состоянияполяризацииудобнее использоватьследующиепараметрыСтокса, которыесравнительнопросто могутбыть измеренынепосредственно:

s₀=I— полная интенсивностьпучка;

s₁=I_x-I_y— разницаинтенсивностилинейно поляризованныхкомпонент (т.е.интенсивностей,пропускаемыхвысококачественнымполяроидомили поляризационнойпризмой) дляазимутальныхуглов 0°(x-компонента)и 90°(y-компонента);

s₂=I_p/4-I_p/4— разницаинтенсивностейпри установкеполяроидапосерединемежду осямиXY (I_p/4)и перпендикулярнобиссектрисеугла xOy(I_-p/4)

s₃=I_g-I_s— то же, что идля s₁,s₂; нодля циркулярнополяризованного(соответственнопо правому илевому кругу)света.

Такимобразом, напервый взгляд,требуется иметьсемь измерителейелей интенсивности,однако вполнедостаточночетырех величин,например I_x,I_y,I_p/4и I_n.При этом параметрыСтокса (правда,в более сложнойдля обработкиформе) могутбыть автоматическивычислены посоответствующимформулам. Такойэллипсометрсостоит из трехпар пластин,установленныхпод углом Брюстераи развернутыхна угол 90°в каждой паре.В результатеот первой пластиныП₁отражаетсятолько составляющаяI_x,от второй П₂— только I_y,от третьей П₃— толькоI_p/4(так как втораяпара пластинразвернутаотносительнопервой на угол45°), а от пятой П₅— только I_n(так как передтретьей паройпластин стоитчетвертьволноваяпластина +l//4).Отражаемыечетвертой П₄и шестой П₆пластинамипучки, пропорциональныеI_-p/4и I_s,не требуетсядля вычисленияпараметровСтокса, но самипластины необходимыдля обеспеченияточности работысистемы за счетчетной симметриикаждого каскадапластин. Очевидно,что такойчетырехканальныйполяриметрможет использоватьсядля анализаизлучения какимпульсных(его быстродействиеопределяетсяа основномиспользуемымифотоприемникамии может достигать10^-8 с), таки непрерывныхлазеров.

Впоследнемслучав можноприменятьполяриметры,работающиев режиме последовательногоанализа отдельныхполяризационныхкомпонентлазерногопучка. Существенно,что в данномслучав заметноповышает точностьизмерения(достижениеточности основныхвеличин — степениполяризациир, эллиптичности(а/b) углапреимущественнойполяризацииaв 1% несоставляеттруда) за счетснижения шумовпри накоплениисигнала и синхронномдетектировании.В качествепримера поляриметраданного типасошлемся насхему модуляционногополяриметра.В нем используетсядвухканальныйполяризационныйанализаторпоследовательногодействия, содержащийнепрерывновращающуюся(с угловой скоростьюw)четвертьволновуюпластинку(d=p/4)и призму Волластона,расщепляющуювыходной лучокна две взаимноортогональныеполяризациис переменнымиво времениинтенсивностями:

где q— угол, определяющийориентациюанализатора— призмы Волластона,а

— интенсивностьлинейно поляризованнойсоставляющей.При попарнойобработке обоихполучаемыхсигналов получим:на нулевойчастоте (попостоянномутоку) s₀=I₁(0)+I₂(0),при детектированиина частотевторой гармонию(f₂=2w/2p),

придетектированиина частотечетвертойгармоники) (

угловое положениеплоскостипреимущественныхколебанийa=0.5j₄,где j₄— фаза сигналачетвертойгармоники. Привысокой стабильностиполяризациилазерногоизлученияизмерения могутпроводитьсяпутем последовательнойустановкиполяроида ичетвертьволновойпластинки наоси пучка, замераинтенсивностипроходящегопучка и соответствующейобработкирезультатованалогичнообычным дополяризационнымизмерениям.