Измерение энергии и мощности лазерных импульсов

Удивительно то, что частота и длина волны излучения лазера могут быть измерены с точностями до 10 значащих цифр, а энергия и мощность его излучения – в лучшем случае до ~ 1%. Это связано с трудностями, возникающими при преобразовании сигнала, пропорционального энергии и мощности, в цифровую форму с высокой точностью.

Приемники излучения по принципу действия можно разделить на две основные группы: фотоэлектрические и тепловые.

Тепловые приемники, например, термоэлементы, болометры обладают большой постоянной времени. Они регистрирует сигнал, который определяется по изменению температуры чувствительного элемента, возрастающей при поглощении регистрируемого излучения. Время тепловой релаксации макроскопического тела, естественно, на много порядков превышает период оптических колебаний. Такие приборы используют для регистрации постоянных или медленно изменяющихся во времени сигналов или для измерения суммарной энергии импульсного излучения.

В фотоэлектрических приемниках используют явление фотоэффекта, которое позволяет регистрировать быстро изменяющиеся во времени поля, но все же не с оптическими частотами. Вакуумные фотоэлементы и фотоумножители (ФЭУ) используют внешний фотоэффект. Электроны вырываются с поверхности фоточувствительного слоя при его освещении.

В фотодиодах и фотосопротивлениях используют внутренний фотоэффект. Воздействие света на некоторые полупроводниковые материалы приводит к появлению в объеме материала свободных носителей заряда. В результате увеличивается электропроводность материала (фотопроводимость). Если освещают область р-п -перехода полупроводникового фотодиода, то на его выводах появляется фотоэдс в результате разделения зарядов внутренним электрическим полем р-п -перехода.

Таким образом, процесс фотоэлектрической регистрации света носит принципиально квантовый характер. Поэтому регистрируемый фототок неизбежно содержит флуктуации. Сигнал фотоприемника состоит из суммы сигналов, соответствующих поглощению единичного кванта света – одноэлектронных импульсов. Длительность такого импульса и возможность его независимой регистрации зависят от параметров фотоприемника. В самом элементарном процессе поглощения фотокатодом кванта света и возникновением фотоэлектрона, как показывают опыты, нет никакой временной задержки. Фотоэлектроны возникают с некоторой вероятностью сразу же после начала освещения фотокатода сколь угодно крутым фронтом светового импульса.

Для стандартного фотоумножителя длительность одноэлектронного импульса составляет ~ 10^-9 секунды. Она определяется процессами разгруппирования электронов в лавине, порожденной первичным фотоэлектроном, и паразитными емкостями устройства. В современных полупроводниковых фотоприемниках минимальная длительность отклика на дельта-импульс составляет 0,1...1 нс.

Сигнал произвольной формы, в том числе непрерывный и постоянный, в фотоэлектрическом приемнике складывается из большого числа одноэлектронных импульсов.

     Первые измерители лазерной энергии в качестве поглотителя использовали просто спутанный моток тонкой медной проволоки, диаметром ~ 0,005 мм помещенной в замкнутую полость с отражающими стенками. Излучение лазера направляют в эту полость и оно рассеивается и поглощается проволокой при многократных отражениях света от ее поверхности. Конструкция представляет собой хорошую модель абсолютно черного тела. Такие измерители называли «крысиным гнездом». Повышение температуры проволоки можно просто измерить с помощью электрического моста по изменению электрического сопротивления проволоки. Поэтому такие измерители обладали неплохой чувствительностью, позволяя регистрировать импульсы с энергией ~ 0,001 Дж. Определенную проблему составляли вопросы абсолютной калибровки таких приборов, поэтому их использовали для относительных измерений энергии.

     В дальнейшем был освоен промышленный выпуск калориметрических измерителей, в которых в качестве поглотителя использовали полость – черное тело, изготовленное из тонкой черной металлической пленки. Изменение температуры регистрировалось термопарой. Такие измерители дают абсолютные значения энергии лазерного излучения

   При измерением энергии калориметром не имеет значения форма импульса или импульсов, генерируемых лазером. Инерционный поглотитель световой мощности интегрирует изменения мгновенной мощности излучения. В результате максимальный электрический сигнал термопары оказывается пропорциональным энергии импульсного излучения. Такие измерители позволяют также измерять мощность непрерывных лазеров и лазеров, генерирующих регулярные последовательности коротких и ультракоротких импульсов.

     Для измерения мощности непрерывных лазеров удобнее пользоваться полупроводниковыми фотоприемниками: фотодиодами и фотосопротивлениями. Такие приборы должны быть прокалиброваны по абсолютному измерителю.

     Для простых качественных измерений распределения мощности в лучах лазеров инфракрасного диапазона используют копировальную бумагу или засвеченную фотопленку или фотобумагу. А для определения энергии импульса – его способность пробивать отверстие в бритвенном лезвии. Для прожигания сквозного отверстия в лезвии сфокусированным лазерным излучением требуется энергия ~ 1 Дж.

     С широким распространением цифровых фотокамер в научных исследованиях рутинными стали измерения пространственных распределений световой мощности в лазерных пучках и картинах дифракции и интерференции лазерных пучков.

     Ослабители

Часто требуется ослабить лазерный пучок до уровня энергии или мощности, соответствующего линейному динамическому диапазону используемого фотоприемника. Располагая хорошо откалиброванным ослабителем можно определить область, в которой чувствительность приемника следует определенному закону (например, линейному) и исследовать характер отклонения от этого закона.

В качестве калиброванных ослабителей используют:

- пару поляризаторов;

- набор нейтральных светофильтров;

- отражение света от полированной стеклянной поверхности нормальное, или под определенным углом. В последнем случае при использовании многократного отражения можно получать сильное калиброванное ослабление в миллионы раз. Значение доли отраженной или прошедшей мощности определяется по формулам Френеля.