Измерение параметров лазеров

перпендикулярных систем электростатического отклонения (всего пучка

фотоэлектронов), гораздо ниже, что затрудняет исследование динамики

процесса генерации.

По этой причине ЭОПы с разверткой обычно используют для исследования

только временных зависимостей интенсивности сфокусированногованного

(монохроматическим объективом) пучка излучения пикосекундного лазера.

Применяемая при этом одномерная (обычно линейная) развертка может иметь

скорость до 1010 см/с, что обеспечивает получение на выходном

люминесцентном экране ((40 мм) с разрешением от 5…10 лин/мм (в 5-6-

каскадных ЭОПах) до 50 лин/мм (в однокаскадных) временной разрешающей

способности 10-11 с. Рекордная скорость одномерной (спиральной) развертки

(6(1010 см/с) достигнута в ЭОПе "Пикохрон-1" за счет использования на

отклоняющих пластинах СВЧ-напряжения (( = 3 см);

соответственно при разрешающей способности (не экране) 5 лин/мм

временное разрешение моют достигать 5(10-13 с, что соответствует временным

разбросам пролета электронов в пучке, и поэтому не может быть улучшено

повышением скорости развертки. Характерно, что для обеспечения

удовлетворительных яркости характеристик выходного сигнала (спирали на

люминесцентных экранах) "Пикохрон-1" имеет шестикаскадную систему усиления,

в результате чего яркость возрастает в 107…108 раз по сравнению с исходной

(но существенно падает разрешающая способность выходного "изображения").

Таким образом, вопрос исследования временных зависимостей генерации

пико- и даже фемтосекундных импульсов лазерного излучения можно считать в

первом приближении решенным. Однако сложность, высокая стоимость,

громоздкость и необходимость высококвалифицированного обслуживания

затрудняет в некоторых случаях практическое использование камер с оптико-

механической и электронной развертками.Поэтому в заключении данного пункта

целесообразно рассмотреть внешне достаточно простой чисто оптический способ

измерения длительности пикосекундных импульсов, в котором используется

оптическая "развертка" (со скоростью света) при прохождении излучения в

нелинейном (по интенсивности) веществе, за счет чего и достигается

"визуализация" светового импульса.

[pic]

Рисунок 1.7. Схема измерения длительности пикосекундных импульсов методом

нелинейной (двухфотонной) люминесценции.

"Световая" развертка была предложена в 1967 г. Джордмейном для

использования длительности пикосекундных импульсов при распространении двух

одинаковых световых пучков навстречу друг другу в растворе нелинейно

люминесцирующего красителя. В первом эксперименте (рис. 1.7) "стоячая"

волна образовывалась путем отражения основного пучка пикосекундных

импульсов (генерируемого лазером на неодимовом стекле) в зеркале кюветы с

красителем. Очевидно, что возле зеркала (и далее с шагом l=TC/n, где n —

показатель преломления раствора красителя) плотность энергии прямого и

отраженного пучка будет максимальна из-за совпадения i-го импульса. Левее

(рис.1.7) зеркала на l будут совпадать (i-1)-й импульс в прямой волне и

(i+1)-й — в отраженной. При удалении от зеркала на 2l двухфотонная

люминесценция красителя будет ярче из-за наложения (i-2) и (i+2) импульсов

цуга и т.д. Для приближенной оценки контраста получаемой картины примем,

что все пикосекундные импульсы в цуге имеют одинаковую пиковую

интенсивность I1=I2=Ii.Тогда яркость фонового свечения двухфотонной

люминесценции Вфона пропорциональна Ii2,а максимальная яркость (возле

зеркала и в других "пучностях") Вмакс пропорциональна (2Ii)2=4Ii2, т.е.

заметно выше; это обеспечивает надежное выделение информации о длительности

пикосекундных импульсов и временном интервале Т между ними по

микроденситограмме фотоснимка кюветы с возбужденным красителем (рис. 1.8).

[pic]

Рисунок 1.8. Микроденситограмма (справа) фотографии центральной части

симметрично возбуждаемой пикосекундными импульсами кюветы

(слева) с красителем.

В действительности как сам эксперимент, так и его теория значительно

сложнее приведенной выше элементарной модели. Ввиду ограниченного объема

укажем лишь, что обычно кювета с красителем возбуждается симметрично

(рис.1.8), а закон распределения яркости свечения определяется

(авто)корреляционной функцией интенсивности лазерного пучка, в результате

чего для гауссова импульса происходит "уширение" свечения в [pic] раз, а

контраст снижается до 3,0. Известен метод измерения корреляционной

функции интенсивности лазерного пучка за счет нелинейного эффекта генерации

второй гармоники, позволяющий избавиться от фоновой засветки и иметь

временное разрешение (0,1 пс; однако как его описание, так и, особенно,

реализация достаточно сложны.

1 Измерение пространственного распределения энергии в лазерном пучке

Наиболее полной пространственно-энергетической характеристикой

лазерного излучения является диаграмм направленности, то есть угловое

распределение энергии или мощности в лазерном пучке. Вблизи излучающей

апертуры лазера угловое распределение имеет непостоянную конфигурацию,

поэтому в большинстве случаев практический интерес представляет

распределение поля излучения в дальней зоне, когда форма распределения

перестает зависеть от расстояния и можно говорить о сформировавшейся

диаграмме направленности излучения. В качестве приближенной оценки границы

дальней зоны принимают расстояние, превышающее d2/(, где d —диаметр

излучающей апертуры лазера; ( — длина волны излучения.

Ширину диаграммы направленности в дальней зоне количественно

характеризуют углом расходимости лазерного излучения, который обычно

нормируется при выпуске лазеров из производства.

На практике используют два понятия расходимости. В первом случае имеют

в виду плоский или телесный угол Qp или (s, определяющий ширину диаграммы

направленности в дальней зоне по заданному уровню углового распределения

энергии или мощности, отнесенного к его максимальному значению. Чаще всего

значение уровня принимается равным 0,5 и 1/е2, где е — основание

натуральных логарифмов. Приведенное выше определение однозначно

характеризует излучение только одномодового лазера, имеющего диаграмму

направленности без боковых лепестков, т.е. близкую к гауссовскому

распределению. В случае многомодового режима диаграмма излучения имеет

многочисленные боковые лепестки, содержащие значительную часть энергии.

Поэтому величина расходимости по заданному уровню энергии или мощности,

т.е. по существу центрального максимума распределения, не очень

показатальна, если неизвестно угловое распределение энергии или мощности в

этом угле. В таких случаях более удобной характеристикой является

энергетическая расходимость лазерного излучения ((W,P или (W,S), т.е.

плоский или телесный угол, внутри которого распространяется заданная доля

энергии или мощности излучения.

Лазерное излучение также характеризуют значением диаметра пучка, т.е.

диаметра поперечного сечения пучка лазерного излучения, внутри которого

проходит заданная доля энергии или мощности.

Для практического определения расходимости используют три основных

метода: метод сечений, метод регистрации диаграммы направленности и метод

фокального пятна.

[pic]

Рис.1.9. Принципиальные схемы трех основных методов измерения расходимости

лазерного излучения

Наиболее простым является метод двух сечений (рис.1.9.а). Согласно

этому методу расходимость (или энергетическая расходимость) пучка излучения

определяют путем измерения диаметров пучка d1 и d2 в двух поперечных

сечениях дальней зоны, отстоящих одно от другого на расстоянии L, и

вычисления искомого угла ( по формуле:

(=arctg[(d2-d1)2L]((d2-d1)/2L

Измерения диаметров d1 и d2 производятся одновременно или

последовательно по одному и тому же критерию — заданному уровню

интенсивности либо заданной доле мощности (энергии). Достоинством метода

является его простота, однако для обеспечения необходимой точности

измерений требуется достаточно большая (до нескольких метров) база между

сечениями, что затрудняет использование данного метода в лабораторных

условиях.

Для уменьшения линейных габаритов установки применяют различные

зеркальные или призменные системы, называемые оптическими линиями задержки.

В качестве примера реализации метода сечений на рис.1.10 показана схема

измерителя расходимости непрерывного лазерного излучения в видимом и

ближнем ИК диапазонах. Излучение лазера 1, отразившись от вращающегося

зеркала 2 (положение а-а), отклоняется на фотоприемник 12 с щелевой

диафрагмой 11 и после преобразования в электрический импульс регистрируется

системой 13. При повороте зеркала на выходе приемника образуется

электрический импульс, длительность которого пропорциональна диаметру

поперечного сечения пучка. При дальнейшем повороте зеркала 2 в положение в-

в пучок излучения, пройдя многозеркальную отклоняющую систему 3-10,

сканирует по щели фотоприемника 11. Длительность импульса на выходе этого

фотоприемника пропорциональна диаметру второго поперечного сечения,

удаленного от первого сечения на расстояние, вносимое зеркальной системой,

удлиняющей ход пучка. В силу расходимости длительность этого импульса

больше первоначального. В регистрирующей системе 13 измеряется разность

длительностей этих импульсов и определяется значение угловой расходимости в

соответствии с соотношением

[pic] (1.15)

где V — скорость сканирования пучка по диафрагме; L — длина

оптической задержки; [pic]— длительность импульсов; d1 и d2 — диаметры

первого и второго сечений пучка. На этом принципе работает измеритель

расходимости с цифровым отсчетом, способный измерять расходимость от 20" до

3600" в диапазонах длин волн 0,4...1,15 мкм и мощности 0,15...1000 мВт.

Погрешность измерения расходимости данным прибором составляет 3%.

Рисунок 1.10. Схема измерителя расходимости пучка непрерывного лазера,

в котором использована модификация метода сечений.

Метод регистрации диаграммы направленности позволяет получить наиболее

полную информацию о пространственном распределении лазерного излучения (см.

Рис. 1.9б). Для измерения диаграммы направленности можно использовать

фотоэлемент или ФЭУ, расположенные в дальней зоне, фотокатод которых закрыт

диафрагмой с отверстием малого диаметра. Перемещая фотоэлемент по дуге

окружности радиусом R, регистрируют угловое распределение интенсивности

излучения. Зная диаграмму направленности, можно рассчитать энергетическую и

угловую расходимости излучения. Измерение диаграммы направленности является

сложной и трудоемкой процедурой, поэтому редко применяется в

метрологической практике.

Метод фокального пятна является наиболее распространенным методом

измерения расходимости. Для проведения измерений в дальней зоне, т.е. в

области дифракции Фраунгофера, требуются, как правило, значительные

расстояния от источника излучения. Условия дифракции Фраунгофера можно

получить в фокальной плоскости идеальной безаберрационной положительной

линзы (рис.1.9в). Для перехода к угловому распределению необходимо линейное

распределение в фокальной плоскости разделить на фокусное расстояние линзы,

то есть угол расходимости излучения лазера определяют по формуле

((a/f ',

где а — радиус пятна на фокальной плоскости. В этом методе для

исключения влияния дифракции на краях линзы применяют длиннофокусные линзы

с большой апертурой, превышающей примерно в 2 раза диаметр падающего

лазерного пучка, а фокусное расстояние линзы должно удовлетворять условию

[pic]

где ( — длина волны лазерного излучения; (W,P — энергетическая

расходимость лазерного излучения, установленная в стандартах или ТУ на

лазеры конкретных типов. Погрешность измерения данного метода в основном

связана с неточностью определения размера пятна и не превышает 27%.

Как в методе фокального пятна, так и в методе сечений суть измерений

расходимости сводится к определению диаметра сечения пучка по тому или

иному критерию. Для определения диаметра пучка излучения применяют в

основном два метода (ГОСТ 26086-84): метод калиброванных диафрагм и метод

распределения плотности энергии (мощности) лазерного излучения. В первом

случае используются диафрагмы с плавно изменяющимся диаметром или сменные

калиброванные диафрагмы. Их устанавливают непосредственно в пучке или в

фокальной плоскости линзы. Изменяя диаметр диафрагм, регулируют диаметр

пучка, в пределах которого заключена заданная доля энергии (мощности)

излучения от полной энергии. В схеме такого измерителя имеются две ветви, в

одной из которых и измеряется полная энергия (мощность) пучка.

Рассмотренный способ является недостаточно точным, а процесс измерения

малооперативным, кроме того, он не дает информации о распределении поля

вблизи максимума излучения и не позволяет выявить неоднородности;

неоднородности в распределении излучения. Для устранения этого недостатка

применяют метод регистрации распределения плотности энергии (мощности)

лазерного изучения в поперечном сечении пучка. Для этого в видимой области

и ближнем ИК диапазоне спектра используют фотографирование пятна излучения

на фотопленку или фотопластинку с последующей обработкой

микрофотометрированием и численным интегрированием на ЭВМ. В случае мощных

импульсных и непрерывных лазеров применяют нейтральные светофильтры для

ослабления излучения. При грубых оценках достаточно мощных лазеров размер

пятна определяют по размеру отверстия, прожигаемого пучком лазера в

непрозрачной мишени (черная бумага, тонкие металлические пластины и т.п.).

Более удобным способом измерения, распределения интенсивности в

сфокусированном пятне является автокалибровочный способ (рис.1.11), который

основан на разделении лазерного пучка на ряд пространственно подобных м и

достаточно удаленных один от другого пучков различной интенсивности с

помощью пластины L под установленной под углом к пучку лазера. Толстая

пластина L ослабляет и многократно расщепляет лазерный пучок.

Рисунок 0.1 Схема автокалибровочного способа измерения расходимости

излучения

Если коэффициент отражения обеих поверхностей равен (, то

интенсивность In, пучка с номером n, выходящего из наклонной пластины L ,

можно записать в виде:

In=I0(1-()2((2(n-1)

(1.18)

где IO — интенсивность пучка, падающего на пластину. Таким образом, на

пленке P получается несколько изображений пятна с разной экспозицией, из

которых после обработки денситограмм можно достаточно точно определить

диаметр пятна на заданном уровне интенсивности.

Для более оперативного получения данных, а также для преобразования

излучения в видимую область спектра используют ЭОПы, видиконы и диссекторы,

которые позволяют наблюдать или фотографировать объекты в ближних ИК (до

1.5 мкм), видимых, УФ или рентгеновских лучах.

С появлением многоканальных мозаичных приемников излучения задача

определения относительного распределения плотности энергии или мощности

значительно упростилась, а скорость получения результатов измерений

существенно повысилась. Параллельный принцип измерения многоканальных ПИП

локальных плотностей мощности и энергии позволяет проводить анализ

импульсного и нестабильного во времени в и пространстве непрерывного

излучения с выдачей результатов непосредственно на экран дисплея ЭВМ или

ЦПУ.

Большинство преобразователей имеют до 100 каналов измерения с размером

одного элемента от 5х5 до 10х10 мм2. Матричные ПИП основаны на различных

принципах действия (термоэлектрические калориметры, пироэлектрические и

полупроводниковые приборы) и могут перекрывать видимую и ИК области спектра

(= 0.4…25 мкм).

Современные фотодиодные, фоторезистивные и фототранзисторные матрицы

состоят из нескольких десятков тысяч элементов с шагом нескольких десятков

микрометров и общей площадью до 15х15 мм2. Время опроса таких матриц

составляет доли миллисекунд.

Автоматизированная математическая обработка информации с мозаичных

приемников обеспечивает вычисление энергетической расходимости (не только

относительно точки с максимальной интенсивностью, но и относительно центра

тяжести пятна или геометрического центра); выделение изоуровней; обработку

фокальных пятен неправильной формы; коррекцию искажений измерительного

тракта, включая возможность индивидуальной коррекции неравномерности

чувствительности отдельного канала; определение оси диаграммы

направленности, ее дрейф в течение времени и т.д.

В то же время многоканальные мозаичные ПИП обладают все еще низкой

разрешающей способностью (до 10 лин/мм), повышенной общей плотностью

системы и стоимостью.

2 Измерение поляризации лазерного пучка

В силу специфики процесса генерации в лазерах (основанного на

стимулированном испускании активной средой когерентных фотонов) получаемое

таким путем излучение всегда должно обладать 100 %-ной элементарной

(линейной или круговой) поляризацией. Вид последней определяется

особенностями используемой (в лазере) активной среды — поляризацией ее

спонтанного излучения, служащего "затравкой" при разгорании генерации, и

величиной коэффициента усиления для элементарных поляризаций; существенное

значение в лазерах с резонатором мыв т поляризационная анизотропия

последнего, т.е. соотношение потерь для различных элементарных поляризаций.

В подавляющем большинстве серийных лазеров генерируется только линейно

поляризованное излучение, причем почти всегда плоскость поляризации

однозначно определяется либо поляризацией спонтанного излучения активной

среды (например, степень поляризации основной R1 линии в стержнях рубина с

90( ориентацией кристаллографической оси составляет 80%), либо

брюстеровскими поверхностями (например, брюстеровскими окнами в

газоразрядных кюветах, брюстеровскими торцами лазерных стержней,

установленными под углом Брюстера модуляторами, затворами и т.п.). Лишь в

лазерах на неодимовом стекле при отсутствии поляризационной анизотропии

генерируется линейно поляризованное излучение, плоскость поляризации

которого хаотически, через время порядка (t (время развития генерации),

"перескакивает" после того, как "съедена" инверсная населенность с

соответствующей поляризацией.

С другой стороны, различные дефекты активной среды и особенности

используемого оптического резонатора могут изменять состояние поляризации

лазерного пучка, в результате чего в некоторых случаях необходимо его

исследование; это характерно, например, при использовании поляризационной

(главным образом, электрооптической) модуляции и в некоторых других

случаях. Перечислим (в порядке нарастания "сложности") возможные

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5