Файл: Рэди, Дж. Действие мощного лазерного излучения.pdf

не может нанести повреждение фотоприемнику. Одновременное измерение попадающей на приемник мощности и некоторых гео­ метрических параметров позволяет определить полную мощность лазерного луча. В дальнейшем мы опишем применение этого метода специально для калибровки фотоприемников.

Для ослабления лазерных лучей используют также тонко­ пленочный делитель пучка. Тонкопленочный делитель, помещае­ мый на пути лазерного луча под углом 45° к направлению его ■распространения, отражает приблизительно 8% мощности луча и при этом не повреждается излучением. Последовательно отражая часть излучения с помощью тонкопленочных делителей, можно легко уменьшить интенсивность до допустимого уровня.

Обычно изготовители указывают величину напряжения (или тока), получаемую на выходе фотоприемника на единицу входной мощности. Для большей точности измерений фотоприемник необ­ ходимо предварительно откалибровать, например используя эта­ лонную вольфрамовую лампу. С помощью фотоприемников трудно

•провести абсолютные измерения мощности и энергии. Для хоро­ шей калибровки следует тщательно исключать возможное влияние

•насыщения.

Один из напболее распространенных методов калибровки

•состоит в измерении полной энергии лазерного луча и одновре­ менной регистрации выходного сигнала фотоприемника. По форме этого сигнала находится зависимость мощности от времени. Поскольку интеграл от мощности при известной форме импульса должен равняться полной энергии, то в результате получается калибровка фотоэлемента в единицах мощности. Это приводит нас к вопросу об измерении энергии.

§ 3, ИЗМЕРЕНИЕ ЭНЕРГИИ

Калориметрические измерения служат простым спо­ собом определения полной энергии в лазерном импульсе. Кало­

•свойствам к черному телу, и находящегося в контакте с ним устройства (например, термопары) для измерения прироста тем­ пературы.

Разработано много типов калориметров для измерения полной энергии лазерного импульса или интеграла от мощности в случае

.должен представлять собой довольно чувствительный прибор. Поглощающее тело должно быть достаточно малым, чтобы погло­ щенная энергия быстро распределялась по его объему. Увеличе­ ние температуры регистрируется термоэлектрическим способом.

В одной из конструкций калориметра поглотитель представляет собой небольшой полый конус из графита, изготовленный таким образом, чтобы падающее на основание конуса излучение не отра­ жалось обратно. Это устройство является эффективным поглоти­ телем. Головку термистбра размещают в непосредственном кон­ такте с конусом. Термистор включается в одно из плеч сбаланси­ рованного моста, выход которого соединен с регистрирующим прибором. Нагрев конуса под действием импульса лазерного излучения приводит к изменению сопротивления термистора и в результате — к разбалансировке моста. Возникающий импульс напряжения поступает на регистрирующее устройство. По мере охлаждения конуса до температуры окружающей среды напря­ жение уменьшается. Амплитуда импульса напряжения пропор­ циональна энергии в световом импульсе.

Это устройство можно откалибровать путем разряда неболь­ шой емкости с известной накопленной энергией. При известных величинах сопротивления конуса и сопротивления внешней цепи можно вычислить энергию, идущую на нагрев конуса. Калиб­ ровка заключается в измерении амплитуды импульса напряжения, которая соответствует определенной энергии, поглощенной в конусе.

Такое устройство имел один из первых калориметров, спе­ циально сконструированный для лазеров [10]. Конус из графита весил 0,33 г. В массу конуса были вклеены термисторные головки. Два одинаковых конуса с прикрепленными к ним термисторами были включены в противоположные плечи моста. Изменение температуры окружающей среды одинаковым образом воздей­ ствует на оба конуса, и электрические сигналы с них взаимнокомпенсируются. Выходное напряжение с моста поступало либона самописец, либо на микровольтметр.

Время тепловой релаксации всей системы должно быть доста­ точно большим для того, чтобы измерительная часть системы успевала прийти в равновесие. Время охлаждения определяется скоростью отвода тепла от конуса й окружающее пространство. Оно должно быть гораздо больше времени нагрева, необходимогодля равномерного распространения тепла по всему конусу. Для определения мощности непрерывно работающих лазеров калори­ метром измеряют энергию, излучаемую в течение известногопромежутка времени.

Калориметр с использованием конуса из углерода или другой подобной конструкции является простым и удобным устройством для измерения энергии лазерного импульса. При измерении энергии в диапазоне до 1 Дж достижима точность 4% и даже выше [11]. Основными источниками ошибок при измерениях конусными калориметрами являются: отражение некоторой части энергии от калориметра, потеря части тепла, преждечем оно-

Применение методов калибровки с использованием импульса тока, пропускаемого через нагревательный элемент, может свести послед­ ний из указанных источников ошибок к минимуму. При тщатель­ ном изготовлении погрешность, обусловленная остальными при­ чинами, может быть уменьшена до нескольких процентов. Конус с надлежащим углом раствора обеспечивает многократное отраже­ ние и, следовательно, равномерное поглощение. В частности, для луча гелий-неонового лазера с небольшим диаметром и гауссовым распределением, симметрично входящего в конус, потери на отра­ жение могут быть меньше 1 %. В наименее благоприятных случаях (например, когда луч входит под углом, заполняет значительную часть апертуры или сконцентрирован около вершины конуса) величина потерь может достигать нескольких процентов.

Описано много различных типов калориметров, специально предназначенных для лазерных исследований [12—16].

Можно использовать также калориметры для измерения боль­ ших импульсов энергии (величиной в десятки и сотни джоулей). Разрушающее действие излучения лазеров с очень большой мощ­ ностью (испарение части поглощающей поверхности) может пре­ пятствовать проведению точных калориметрических измерений. При измерении импульсов лазеров с модулированной добротностью высокая температура поверхности может привести к значительным потерям на переизлучение. Хорошие калориметры должны быть сконструированы так, чтобы возрастание температуры поверхности было невелико.

Поскольку в большинстве калориметров поглощение лазер­ ного излучения происходит в поверхностном слое, то имеется верхняя граница интенсивности падающего излучения, которую калориметр может выдержать без разрушения.

Необходимо, чтобы в калориметрах, в которых для измерения увеличения температуры использованы термисторы, перед про­ ведением измерения установилось тепловое равновесие. Имеются калориметры, в которых поглощающим элементом является клу­ бок спутанной эмалированной медной проволоки. Поглощение излучения в проволоке приводит к изменению ее сопротивления вследствие увеличения температуры. Проволочный поглощающий элемент может быть включен в одно из плеч сбалансированного моста Уитстона. Изменение полного сопротивления проволоки не зависит от характера распределения энергии по проволоке, поэтому нет необходимости ждать установления температурного равновесия. Запутывание проволоки обеспечивает многократное переотражение энергии. Эта ячейка обладает хорошей поглоща­ тельной способностью [17]. Выполнение калориметра из проволоки в форме полой сферы или конуса также приводит к увеличению поглощения [18—20].

Поверхность не разрушается в случае жидкостных калори­ метров [21], так как поглощение излучения происходит в этом случае по всему объему, а не только на поверхности. Такое устрой­ ство можно откалибровать, сообщая жидкости известное количе­ ство электрической энергии. Для жидкостных калориметров необ­ ходима хорошая теплоизоляция, поскольку время установления теплового равновесия в них относительно велико.

На этом мы закончим обзор калориметрических методов. Существует широкий класс приемников описанного типа для измеренпя энергии лазерного импульса. Для измерения пара­ метров лазерного излучения были сконструированы, откалибро­ ваны и использованы калориметры, существенно различающиеся по устройству и характеристикам.

Во многих практических приложениях калориметр исполь­ зуют для калибровки фотопрпемников, которые в конечном счете контролируют выходное излучение лазера от вспышки к вспышке. Небольшую часть лазерного луча ответвляют на фотоприемник, а основную направляют на калибровочный калориметр. Калори­ метром измеряется полная энергия, а фотоприемник определяет форму импульса. Проведя численное или графическое интегриро­ вание, можно откалибровать фотоприемнпк с помощью калориметра.

В качестве иллюстрации рассмотрим способ одновременного измерения энергии и мощности лазера с модулированной доброт­ ностью. Для этого необходимы: два осциллографа, один из кото­ рых — скоростной осциллограф с трубкой бегущей волны; два фотоэлемента с малым временем разрешения; блок из окиси маг­ ния для диффузного отражения лазерного луча; калориметр; два фотоаппарата и микровольтметр. Схема установки показана на фиг. 2.4. Выходной сигнал с первого фотоэлемента поступает на осциллограф с медленной разверткой для контроля серии импульсов в лазерном излучении. Сигнал второго фотоэлемента выводится на экран быстрого осциллографа и показывает форму лазерного импульса. Фотоэлементы расположены таким образом, чтобы излучение, отраженное от блоков из окиси магния, вызы­ вало сигнал требуемой величины. Второй фотоэлемент расположен под небольшим углом к направлению распространения луча на опре­ деленном расстоянии от диффузно отражающей поверхности. Подвижное зеркало направляет луч либо на фотоприемник, либо на калориметр. Сигнал с калориметра измеряется микро­ вольтметром (или записывается на ленте самописца). Доля излу­ чения, попадающая на второй фотоэлемент, определяется по зако­ ну Ламберта. Для калибровки второго фотоэлемента (в МВт/В) калориметром измеряют полную энергию луча, а пиковую мощ­ ность определяют из измерений осциллограммы электрического сигнала с фотоэлемента.