Файл: Зубов В.А. Методы измерения характеристик лазерного излучения.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.06.2024
Просмотров: 118
Скачиваний: 1
В. А. ЗУБОВ
МЕТОДЫ
ИЗМЕРЕНИЯ
ХАРАКТЕРИСТИК
ЛАЗЕРНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ
ш |
V |
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА» |
|
ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
М о с к в а 1973 \
535
3-91 УДК 535.0
Гоо. нубчччная
научно•• |
'»окая |
и.. ;. - |
GP |
- |
. КН |
ЧИТА:, ОГО ЯАЛА_
~п " ' ~ 7
Методы измерения характеристик лазер ного* излучения. 3 у б о D В. А. Издательство «Наука», Главная редакция физико-математи ческой литературы, М., 1973 г.
В книге рассмотрены вопросы измерения важнейших характеристик излучения оптиче ских квантовых генераторов: энергии и мощ ности, спектральных и временных характе ристик, а также состояния поляризации и ко герентности излучения. В основу изложения материала положено описание физических прин ципов методов измерения. Обширный справоч ный материал, относящийся к аппаратуре, при борам и материалам, использующимся в измери тельной технике, приведен в виде таблиц. Книга может быть полезной для научно-технических работников, которые в своей практической ра боте сталкиваются с применением принципов квантовой электроники, для студентов универ ситетов и технических вузов, специализирую щихся в области квантовой электроники, для всех, желающих расширить свой кругозор в повой области радиофизики.
Рис. 53, табл. 19, библ. 209.
© Издательство «Наука», 1973.
3 |
0234-1843 |
115-73 |
|
042—73 |
|
І
ОГЛАВЛЕНИЕ
В в еден и е.................................................................................................... |
|
|
|
|
|
5 |
|
Глава 1 |
|
|
|
|
|
|
|
Измерение энергетических характеристик излучения ОКГ . . |
7 |
||||||
§ 1. |
Измерения с тепловыми приемниками.............................. |
|
|
10 |
|||
§ 2. |
Измерения с пироэлектрическими приемниками. . . . |
23 |
|||||
§ 3. |
Измерения с фотоэлектрическими приемниками . . . . |
30 |
|||||
§ 4. |
Пондермоторные измерители |
энергетических |
характе |
57 |
|||
§ 5. |
ристик ............................................................................................ |
фотографическими м ет о д а м и |
|
|
|||
Измерения |
|
|
66 |
||||
§ 6. |
Измерения в различных спектральных областях . . . . |
77 |
|||||
Глава 2 |
|
|
|
|
|
|
|
Измерение спектральных характеристик излучения |
ОКГ . . |
79 |
|||||
§ 1. |
Стандарты длин в о л и |
.................................................................. |
|
|
|
79 |
|
§ 2. |
Съемка и измерение сп ................................................ек тр ов |
|
•. . |
82 |
|||
§ 3. |
Призменные спектральные ..........................п р и б о р ы |
|
85 |
||||
§ 4. |
Приборы с дифракционными .............реш етк ам и |
|
91 |
|
|||
§ 5. |
Интерференционные п ...................................р и б о р ы |
|
100 |
|
|||
§ 6. |
Контуры и ширины спектральных .............л и н и й |
|
115 |
|
|||
Глава 3 |
|
|
|
|
|
|
|
Измерение временпйх характеристик излучения ОКГ |
. . . |
121 |
|||||
§ 1. |
Временнбе |
разрешение ................. |
оптической с и с т е м ы |
|
схемой |
121 |
|
§ 2. |
Временнбе |
разрешение |
систем |
с механической |
|
||
§ 3. |
р а зв ер т к и ............................................................................ |
|
|
|
123 |
|
|
Временнбе разрешение ..........................ф отокатода |
|
126 |
|
||||
§ 4. |
Временнбе |
разрешение |
систем |
развертки электронных |
127 |
||
§ 5. |
пучков .............................. |
|
|
|
|
|
|
Временнбе разрешение систем с фотоэлектронным умно |
|
||||||
§ 6. |
жителем и осциллографом............................................. |
|
|
130 |
|
||
Временнбе разрешение систем с электронно-оптическим |
131 |
||||||
§ 7. |
преобразователем ...................................................................... |
|
|
|
|
||
Использование диссектора ....................................................... |
|
|
основе |
136 |
|||
§ 8. |
Измерение длительности световых импульсов на |
|
|||||
|
нелинейных оптических ............................эф ф ек тов |
|
137 |
|
3
Глава 4 |
|
|
Измерение поляризации излучения О К Г ........................................ |
149 |
|
§ 1. |
Состояния поляризации светового п у ч к а .......................... |
149 |
§ 2. |
Анализ поляризации света для ОКГ, работающих в не |
155 |
|
прерывном р е ж и м е ...................................................................... |
§3. Аналиэ поляризации света для ОКГ, работающих в ре жиме однократных или повторяющихся импульсов . . . 161
Глава 5 |
|
|
Измерение когерентности излучения О К Г ................................... |
164 |
|
§ 1. |
Общие понятия .......................................................................... |
164 |
§ 2. |
Исследование временной когерентности............................... |
168 |
§ 3. |
Исследование пространственной когерентности . . . . |
173 |
Литература ................................. |
182 |
|
Предметный у к а з а т е л ь ...................................................................... |
190 |
Вв е д е н и е
В последние годы происходит бурное развитие кван товой электроники. Оптические квантовые генераторы (ОКГ) находят все большее и большее применение. Можно указать такие области, как связь и оптическая локация, вычислительная техника и обработка информации, об работка материалов и измерительные инструменты, об разование плазмы и ее диагностика, многочисленные научные приложения в спектроскопии, биологии, химии и т. д. Очень много делается в области создания и раз работки новых лазерных систем и промышленного освое ния уже созданных квантовых генераторов. Во всех этих областях, связанных как с применением ОКГ, так и с их созданием и освоением, особенно остро встают проблемы измерения характеристик излучения.
Квантовые генераторы, существующие в настоящее время, обладают чрезвычайно широким диапазоном ха рактеристик. Мощность излучения ОКГ непрерывного действия заключена в диапазоне от ІО-3 до ІО4 вт. Для лазеров, дающих одиночные импульсы излучения, энергия составляет от ІО-2 до ІО5дж, мощность — от ІО3 до ІО12 вт, длительность импульсов доходит до ІО-12—ІО-13 сек. Это вызывает определенные трудности и обусловливает специфику измерения этих параметров.
Систематическое изложение вопросов, связанных с из мерением характеристик излучения ОКГ, только начи нает находить свое отражение в литературе. Описание методов измерения разбросано по журнальным статьям, что затрудняет знакомство с этой областью. Имеются лишь две работы, в которых положено начало обобщению имеющихся результатов [1, 2]. В работе [1] основной упор делается на описание приборов для измерения характеристик ОКГ. Физические основы методов изме рения параметров излучения отражены не слишком
5
подробно, особенно в части спектральных и поляризацион ных характеристик. В работе [2] содержится достаточно широкий материал, хотя изложение носит несколько конспективный характер; целый ряд вопросов изложен слишком бегло.- Кроме того, в ней не нашли достаточно полного отражения работы советских авторов. Следует указать, что бурное развитие квантовой электроники вызывает значительный прогресс в измерительной тех нике, поэтому целый ряд измерительных методов не рас сматривается в указанных работах. Это относится, на пример, к проблемам измерения временпйх характери стик излучения ОКГ и к ряду других проблем.
В настоящей работе в основу изложения материала положен принцип описания физических аспектов методов измерения и устройства тех или иных систем, причем акцент делается на характеристики излучения ОКГ. Изложение технических деталей большей частью опу щено, некоторый справочный материал дай в виде таблиц. Такое изложение материала представляется целесооб разным, так как знакомство с принципами работы по зволит читателям использовать эти материалы более широко в своей повседневной работе. Изложение деталей может лишь затруднить общее понимание.
В работе рассмотрены принципы измерения энергии, мощности и временнь'тх характеристик импульсного из лучения ОКГ и мощности излучения ОКГ непрерывного действия, рассмотрены также методы измерения поляри зационных характеристик и когерентности излучения ОКГ. Приведенная библиография касается в основном работ, содержащих физические основы методов измерения. Мы надеемся, что предлагаемая книга будет способство вать более широкому использованию принципов и устройств квантовой электроники в самых различных областях.
Автор выражает благодарность академику А. М. Про хорову, который знакомился с планом рукописи, за поддержку и ряд пожеланий, учтенных при написании книги. Автор благодарит кандидатов физико-математи ческих наук В. А. Данилычева, В. С. Днепровского
иД. П. Криндач, выполнивших рецензирование рукописи
исделавших ценные замечания, М. Я. Щелева, Л. Г. На зарову, ознакомившихся с некоторыми разделами ру кописи, за полезные рекомендации.
Г л а в а 1
ИЗМЕРЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ ОКГ
По характеру работы ОКГ могут быть разделены на три группы: 1) ОКГ непрерывного действия; 2) им пульсные ОКГ, излучающие достаточно короткие оди ночные импульсы со значительными временными интер валами между ними; 3) импульсные ОКГ, излучающие короткие импульсы с достаточно высокой частотой по вторения.
Всоответствии с этим для характеристики излучения ОКГ разных типов удобно применять различные вели чины [1, 2 ].
Для ОКГ, работающих в непрерывном режиме, такой характеристикой является мощность излучения Р. При проведении измерений приходится в этом случае иметь дело с величинами мощностей излучения от —ІО-3 вт (ОКГ на смеси неона и гелия) до ~105 вт (ОКГ на угле кислом газе) [3].
Вслучае ОКГ, работающих в режиме одиночных им пульсов, используются следующие характеристики: иол-
X
ная энергия импульса излучения WB= | Р (t) dt, где
о
т — полная длительность импульса, Р (t) — мгновенная мощность излучения; средняя мощность импульса излу чения PB= W J i; пиковая мощность излучения Рыако, определяемая максимумом величины P(t). Диапазон энергий импульсов излучения составляет от. ~ 10-2 дж (ОКГ на твердом теле, работающие в одномодовом ре жиме с модуляцией добротности) до ~ ІО5 дж (ОКГ на твердом теле с усилителями, работающие в режиме сво бодной генерации). Средняя мощность импульсов за ключена в диапазоне от ~103 вт (ОКГ на твердом теле, работающие в режиме свободной генерации) до ІО12 вт (ОКГ на твердом теле, работающие в режиме синхрони зации мод) [4, 5].
7
Излучение ОКГ, работающих в режиме повторяю щихся импульсов, можно характеризовать аналогичными
величинами: полной энергией импульса излучения W =
т
jj P (t)dt, |
где |
Т — период |
следовашія импульсов; |
|
о |
|
|
|
т |
|
|
|
|
|
средней мощностью |
излучения Р = |
J Р (t) dt; пиковой |
||
мощностью |
излучения -Рыако. |
|
о |
|
Частоты повторения им |
пульсов такого типа лежат в диапазоне 1—ІО5 гц. Средняя мощность излучения заключена в интервале от —10-2 втп (маломощные ОКГ на полупроводниках [5]) до ~10Gвш (ОКГ на газах, работающие в режиме моду ляции добротности или в режиме импульсного пита ния [6 ]).
Кроме измерений характеристик излучения ОКГ на практике приходится иметь дело и с измерением энерге тических характеристик различных преобразователей из лучения (преобразователи, работающие на основе нели нейных оптических эффектов), и с измерением энергети ческих характеристик спонтанного излучения лазерных материалов. В этом случае чувствительность аппаратуры должна быть значительно выше (для импульсного излу чения —ІО-8—ІО-10 дж, или —ІО-3—ІО-5 ein).
Во всех случаях под измерением энергетических ха рактеристик ОКГ будем понимать измерение характери стик в определенном спектральном интервале. Исследуе мый спектральный интервал может выделяться фильтром или каким-либо спектральным прибором. В рассматривае мом случае это, вообще говоря, не принципиально, если известны потери излучения в выделяющем устройстве.
Основные трудности и ограничения при измерениях энергетических характеристик обусловлены для любого диапазона мощностей и энергий ОКГ с импульсным режи мом работы малой длительностью импульсов излучения,
доходящей |
до -“ІО- 7—ІО-8 сек для ОКГ, |
работающих |
в режиме |
модуляции добротности, ,и даже |
до ІО-12— |
ІО-13 сек для ОКГ, работающих в режиме синхронизации мод. Кроме этого, в области больших мощностей и энер гий трудности при измерениях и границы применимости того или иного метода обусловлены стойкостью материала приемного элемента. В области малых мощностей и энер гий ограничения накладываются, как и при всяких по
8
добных измерениях, чувствительностью и шумовыми ха рактеристиками приемников.
Для характеристики приемников излучения исполь зуется несколько понятий [7—10]. Одно из них — ин тегральная чувствительность, или коэффициент преобра зования S. Эта величина характеризует отношение на пряжения сигнала на выходе приемника 7/ІШ к мощности
принимаемого светового сигнала Р\ S — UBax/P. Коэф фициент преобразования измеряется в вівт. Но эта ха рактеристика пе учитывает роли шумов приемника. Иная характеристика фотоприемника — пороговая чув ствительность Р„ор. Эта величина определяет минимальную мощность сигнала, дающую на выходе приемника отно
шение напряжений сигнала Usuxo и шума |
У |
рав |
ное единице при полосе пропускания ДД = |
1 гц. Она опре |
деляется для определенной мощности светового сигнала Р
и измеренных выходных напряжений |
c и У |
ш |
||
с помощью соотношения |
|
|
|
|
|
и. |
1 |
’ |
|
ПОР “ |
VI} |
|
||
|
|
|
|
где Д/ — полоса пропускания. Пороговая чувствитель ность измеряется в единицах вт/гц'І*. Укажем еще одну обобщенную характеристику приемника — детектирую щую способность D*, которая представляет собой вели чину, обратную пороговой чувствительности прием ника Ptm, отнесенной к единичной приемной площади Fx и определенной при полосе пропускания ДД=1 гц. Эта величина определяется соотношением
|
. |
Vпор |
|
|
|
|
D* = |
F |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где Р — мощность |
излучения, |
{7ЛЫІ-0 |
и У ЩаХшШ— изме |
||
ренные напряжения сигнала и |
шума |
на выходе |
|||
приемника, |
А/ — полоса пропускания, ' F — площадь |
||||
приемника. |
Детектирующая |
способность |
измеряется |
в см-гц'ІРвт. Для всех рассмотренных характеристик существенны условия, в которых они измеряются (ча стота модуляции, спектральная область и т. д.).
Существенной характеристикой приемника является постоянная времени т, которая характеризует инерцион-
9