Тема 2.3. Измерение технических параметров лазеров

Измерение энергетических параметров лазерного излучения проводят с использованием широкой линейки коммерчески доступных приборов – детекторов излучения различного типа. Большинство приборов, предназначенных для детектирования лазерного излучения, работают на строго определенных интервалах длин волн, т. е. являются спектрально-селективными. При выборе детектора следует контролировать соответствие спектральных и энергетических параметров лазерного излучения с паспортными характеристиками прибора.

В случае непрерывных лазеров необходимо измерять мощность излучения; в случае импульсных – энергию импульса и среднюю мощность излучения. Большинство измерителей способны проводить эти измерения совместно.

Современные измерители позволяют определять мощность лазерного излучения в диапазоне от единиц нановатт до единиц киловатт.

Измерение энергии лазерных импульсов осуществляется в диапазоне от единиц нано джоулей до десятков джоулей при частотах следования импульсов в пределах нескольких кГц. Как правило, такие измерители представляют собой фотоприемный датчик того или иного типа, а также соединенный с ним вычислительный модуль с дисплеем для отображения полученных результатов.

Конструктивно фотоприемные сенсоры выполняются в виде отдельных измерительных головок, совместимых с универсальным вычислительным блоком (анализатором).

Измерение мощности и энергии лазерного излучения требует корректного выбора типа чувствительного сенсора. Критерием выбора является диапазон ожидаемых значений измеряемых характеристик. Обычно используют три основных типа приемников оптического излучения:

- термоэлектрические;

- пироэлектрические;

- фотоэлектрические.

Термоэлектрические детекторы (термоэлементы) используют термоэлектрический эффект и относятся к классу тепловых приемников оптического излучения. В основе принципа действия термоэлемента лежит принцип термопары – термоэлектрический эффект Зеебека, который заключается в появлении термо-ЭДС в цепи, состоящей из двух разнородных по составу проводников при нагревании падающим лучистым потоком места их спая. При переменной температуре вдоль проводника электроны с горячего конца диффундируют в направлении, обратном температурному градиенту, так как они имеют более высокую энергию и скорость, чем на холодном конце. В результате на холодном конце возникает отрицательный заряд, а на горячем – положительный.

К классу тепловых приемников оптического излучения также относятся пироэлектрические детекторы, основанные на пироэлектрическом эффекте, который заключается в том, что при изменении температуры пироэлектрического кристалла (например, ВаТЮ3) изменяется его поляризация.

В отличие от термоэлементов, пироэлектрические приемники реагируют на скорость изменения температуры, а не на абсолютное значение разности температур. Пироэлектрические приемники отличаются высоким быстродействием, они хорошо подходят для измерения параметров импульсных лазеров.

Фотоэлектрические приемники характеризуются ограниченным спектральным откликом (как правило, от 200 до 1800 нм), высокой чувствительностью (обычно несколько нановатт), низким уровнем шума и малым временем отклика (обычно несколько наносекунд). Фотоэлектрические датчики хорошо подходят для измерений малых мощностей непрерывного излучения. Насыщение происходит при плотности мощности выше приблизительно *1 мВт/см2, что требует использования оптических аттенюаторов для измерения более высоких значений мощности.

Современные разработчики приборов для измерения энергетических характеристик лазерного излучения предлагают системные решения, позволяющие комбинировать измерительные головки всех трех типов (термоэлектрические, пироэлектрические и фотоэлектрические) с единым вычислительным модулем. Такие приборы могут обеспечить измерение мощности непрерывного излучения, а также средней мощности импульсно-периодического излучения, энергии импульса и частоты их повторения.

Ширину спектральной линии лазера можно измерить с помощью различных методик, например путем использования спектрометра с требуемым спектральным разрешением. Другим, широко используемым на практике методом является измерение ширины полосы генерации лазера с помощью эталона Фабри-Перо.

Эталон (интерферометр) Фабри-Перо – это спектральный прибор высокой разрешающей силы для измерения малых отличий длин волн в спектрах оптического диапазона. Интерферометр Фабри-Перо состоит из двух стеклянных пластин, установленных параллельно друг другу на расстоянии h. На внутренних поверхностях этих пластин нанесены отражающие покрытия. Лазерное излучение, проходя через эталон Фабри-Перо, претерпевает многократные отражения.

Измерение временных параметров лазерного излучения осуществляют, как правило, с помощью быстродействующих фотодетекторов, преобразующих излучение в электрический сигнал и подключенных к осциллографу. Часто в качестве таких фотодетекторов используют pin-фотодиоды. Подключение осциллографа позволяет в режиме реального времени регистрировать временные характеристики лазерного излучения, такие как длительность импульса, частота следования, скважность, время нарастания и спада уровня излучения.

Измерение поперечного размера лазерного пучка. Одна из наиболее простых методик измерения поперечного размера (сечения) лазерного луча заключается в определении доли излучения, прошедшего через калиброванные диафрагмы, устанавливаемые перпендикулярно направлению луча.

Вторая группа измерений производится по уровню 86,5%. Диаметр луча затем может быть вычислен по формуле

, (2.37)

где – диаметр диафрагмы;

– диаметр пучка;

– доля мощности (энергии), прошедшей через апертуру диафрагмы (отношение измеренной мощности с диафрагмой к мощности без нее).

Итоговый диаметр можно принять как среднее между диаметрами, соответствующими двум уровням энергии, прошедшей через диафрагму.

Измерение интенсивности излучения (распределения интенсивности по сечению пучка) необходимо для определения энергетических и пространственных параметров излучения, в том числе для определения точного диаметра луча по заданному уровню энергии. Постоянный контроль профиля пучка играет важную роль при юстировке лазеров и лазерных систем.

Измерение расходимости излучения. Одна из наиболее простых методик экспериментального определения расходимости лазерного луча заключается в измерении диаметров пучка в двух точках с известными координатами.

Основные методики измерения оптического качества излучения параметра , основанные на построении профиля перетяжки лазерного пучка, детально описаны в стандарте ГОСТ Р ИСО-ТО 11146-3-2008. Рассмотрим методику определения оптического качества излучения путем его фокусировки с помощью линзы с известным фокусным расстоянием на прибор, отображающий профиль пучка (например, камера с матричным фотоприемником).

Вопросы к практическому занятию 2.3:

1. Как измеряется диаметр лазерного луча?

2. Как измеряется расходимость лазерного луча?

3. Как измеряется значение M2?

4. Как измеряется ширина спектральной линии лазерного излучения?