книги / Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров

Г Л А В А 4

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНО ГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Параметры и характеристики лазерного излучения разделяют на энерге­ тические, спектральные, корреляционные.

Энергетическая группа объединяет величины, чаще всего подвергающиеся изменению, и в основном определяется мощностью лазерного излучения. Внутри этой группы можно выделить две подгруппы параметров: временную и прост­ ранственную. К временной подгруппе относятся: энергия, энергия импульса, средняя мощность, максимальная мощность импульса, длительность светового импульса, частота повторения и форма огибающей светового сигнала. К прост­ ранственной подгруппе относятся плотность энергии, относительное распре­ деление плотности энергии (мощности) в сечении пучка, расходимость свето­ вого излучения.

Спектральная группа параметров лазерного излучения основывается на спектральной плотности мощности. В группу входят следующие параметры: частота лазерного излучения, длина волны лазерного излучения, ширина линии излучения, ширина огибающего спектра лазерного излучения.

Корреляционная группа включает в* себя когерентность и поляризацию. Несмотря на то, что обе они являются основополагающими при измерении параметров и характеристик лазерного излучения, эти параметры не имеют четкого определения и не стандартизированы.

При измерении параметров и характеристик необходимо учитывать, в каком режиме работает лазер - непрерывном или импульсном, периодическом или однократном и т.д., так как это в конечном итоге определяет построение средств измерения [102,121-126].

4.1, ИЗМЕРЕНИЕ АМПЛИТУДНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

Амплитудные параметры излучения регистрируют, используя тепловой, фотоэлектрический и пандемоторный принципы измерения. Тепловой (калори­ метрический) принцип заключается в том, что сначала в приемном элементе происходит преобразование части оптической энергии в тепловую, а затем в чувствительном элементе (тепловом приемнике) осуществляется преобразование тепловой энергии в информационный сигнал, который можно регистрировать или далее преобразовывать к виду, удобному для регистрации. Обычно это электрические величины: ЭДС, емкость, частота, сопротивление и т.д.

Тепловые приемники обычно подразделяют на термоэлементы (приборы, создающие термо-ЭДС при нагревании их падающим 'потоком излучения); 5олометры (приборы, приемные элементы которых меняют свое электрическое сопротивление при нагревании их падающим потоком излучения); эвапорографы приборы, в основу которых положено дифференциальное испарение тонких кленок, маска на подложке при измерении ее температуры и т.д. В качестве ормоэлементов ипользуют термопары, пироприемники, фотоприемники на сегнетоэлектрических пленках и т.д.

181

Исходя из принципов построения отдельных элементов излучения, тепловые измерители интенсивности лазерного излучения подразделяют на приемники объемного поглощения, полостные приемники, пленочные и т.д.

Принцип работы калориметрического измерителя объемного поглощения заключается в следующем: лазерное излучение (входной сигнал) поглощается приемным элементом, который при этом нагревается. В результате этого термо­ батарея вырабатывает выходной сигнал в виде приращения ЭДС, пропорцио­ нальный поглощаемой энергии. '

В измерительном калориметрическом преобразователе энергии импульсного лазерного излучения типа ТПИ приемным преобразователем служит твердо­ тельный графитовой элемент. В приемный элемент вмонтированы ’’горячие” спаи хромель-копелевых термопар, последовательно соединенные между собой в термобатарею, и нагреватель из константанового провода. ’’Холодные” спаи термопар плотно прижаты к телу термостата и электрически изолированы от него фторопластовыми прокладками. Нагреватель предназначен для проверки работоспособности преобразователя методом замещения путем подачи на него импульса электрической энергии известной величины.

В полостном калориметрическом приемнике типа ПП приемным элементом светочувствительного узла является полый конус с углом при вершине 15° и диаметром основания 4 мм, внутренние стенки которого покрыты специальным чернящим покрытием. Перед основанием конуса установлена диафрагма. Нагрев приемного конуса, возникающий от входящего в него оптического излучения, преобразуется в электрический сигнал термобатареей, состоящей из после­ довательно соединенных термопар. Использование тонкопленочных напыленных термопар позволяет получать высокую чувствительность и сравнительно малую постоянную времени для данного вида приемника.

Принцип работы серийного измерителя средней мощности и энергии лазерного излучения ИМО-2Н также заключается в поглощении приемным элементом мощности (энергии) лазерного излучения и преобразовании их в эквивалентное значение термо-ЭДС, которое фиксируется с помощью блока индикации. Измерительная головка состоит, из двух одинаковых термоэлектри­ ческих секций - рабочей и компенсационной, размещенных в конических выемках массивного металлического тела, расположенного внутри пассивного термостата. При измерении средней мощности широко используют так называемы! зеркальный метод [124].

На основании этого метода созданы калориметры, названные проходными. Данный прибор представляет собой два калориметрических преобразователя, заключенных в пассивный термостат, выполненный из дюралюминия 5 и запоя*

ненный пенополистиролом 4 (рис. 4.1). Каждый из преобразователей содержит приемный элемент, выполненный в виде плоской зеркально .отражающей

устройства Рассмотрим принцип работы данного прибора Пучок излучения, мощность

которого измеряется, попадает на первый преобразователь. Частично погло­ тившись, это излучение отражается и попадает на второй преобразователь, гffi

часть падающей мощности также поглощается, а остальная часть зеркально отражается и выходит из него. Предположим, что равенство коэффициентов

182

i з 4

Рис.4.1. Функциональная схема проходного калориметрического измерителя средней мощности: где 2 - входное окно; 2,7 - калориметрические пре­ образователи с зеркально отражающими приемными элементами; 3 - обо­ лочка; 4 - пенополистироловое заполнение; 5 - кожух; 6 - выходное окно

отражения преобразователей PI = P 2 = P 3 H мощности излучения, поглощённые преобразователям^, равны Рх и Р2, тогда

Если коэффициенты отражения различны, то, проведя два измерения мощности, при которых пучок подается с двух различных сторон, можно также определить ?вх и рвых и коэффициенты отражения преобразователей. Проходные преобра­ зователи обладают следующими достоинствами:

коэффициент пропускания прибора, значения падающей и проходящей мощности лазерного излучения определяются по результатам измерений, поэтому упрощается его аттестация в широком диапазоне длин волн х ;

при изготовлении приемных элементов из материала с большим коэф­ фициентом отражения и высокой теплопроводностью может быть увеличен верхний предел измеряемой плотности мощности;

применение прибора в качестве образцового позволяет упростить проверку рабочих измерителей и повысить точность передачи размера единицы мощности лазерного излучения;

при соответствующем исполнении прибор можно использовать для изме- )ения энергии одиночных импульсов лазерного излучения, в том числе энергии иощных импульсов лазеров, работающих в режиме модуляции добротности; можно измерять также энергию или мощность составляющих поляризованюго излучения, одна из которых параллельна, а другая перпендикулярна плоо-

ости падения пучка излучения.

Однако такие измерители не лишены и недостатков. Основными являются ольшое время установления показаний, что дает большую погрешность, и мещение оси пучка излучения на выходе относительно оси входящего пучка Основные характеристики калориметрических измерителей приведены в

«лицах 4.1,4.2,4.3 [121].

183

Пленочные термоэлементы объединяют группу тепловых приемников, чувствительные элементы которых выполнены в виде тонких металлических или других поглощающих пленок, нанесенных на диэлектрическую подложку. Нанесение пленок металлов (в качестве исходных материалов используют обычно платину, висмут, железо, никель, сурьму и тщ.) осуществляется напы­ лением. Создаваемое при этом чернящее покрытие на тонкой диэлектрической подложке обладает высоким коэффициентом поглощения, неселективным в широком спектральном диапазоне. Такое исполнение чувствительных элементов позволяет достигать высокой чувствительности, малой инерционности в

184

эбеспечивает Технологичность изготовления приемников. Конструктивное их исполнение приведено на рис. 4.2. Излучение, поглощаясь напыленной приемной площадкой, нагревает "горячие” спаи термопар, находящиеся под ней, и возикающая разность температур между "горячими" и "холодными” спаями термопар вызывает появление термо-ЭДС, которая измеряется микровольт­ метром.

Для увеличения коэффициента преобразования и получения высокой ста5ильности характеристик чувствительные элементы установлены в откачиваемый цо глубокого вакуума стеклянный баллон. На этом принципе созданы приемники типа "радиационные термоэлементы напыления”: РТН-10; РТН-11; РТН-12; РТН-16; РТН-20; РТН-28 и РТН-30. Во всех термоэлемнтах типа РТН, кроме РТН-16, применяется дифференциальная схема включения двух идентичных чувстви­ тельных узлов, один из которых является рабочим, другой - компенсационным: такая схема способствует существенному уменьшению дрейфа темнового сигнала, что повышает точность и воспроизводимость измерений.

Технические характеристики некоторых термоэлементов типа РТН пред­ ставлены в табл. 4.4 [121]. Термоэлементы с сапфировым окном (индекс "С” имеют спектральный диапазон от 0,4 до 6,0 мкм, га с германиевым окном

13 Легкий

185

Рис.4.2. Схема устройства чувствитель­ ного узла радиационного напыления термоэлемента PTH: 1 —диэлектрическая подложка; 2 - коллектор; 3,5 -ветви термопар; 4 - чернящее покрытие;

6 - диэлектрический держатель

F t U *

(индекс Т ”) - спектральный диапазон .от 1,8 до 14 мкм. Расширения диапазона частот регистрации мощности или инерционной энергии, включая радиодиапазон с одновременным сокращением инерционности измерителя, можно достичь за счет применения болометров, сегнетоэлектрических пленок, пиромодулей вместо термопар и введения в дополнение к чернящему слою, радиопогло­ щающего покрытия.

Болометры [121] объединяют группу тепловых приемников, чувствительные элементы которых изменяют свое омическое сопротивление при нагревании их лучистым потоком. Различают болометры металлические, полупроводниковые и сверхпроводниковые.

В м е т а л л и ч е с к и х болометрах используют металлы с высоким темпе­ ратурным коэффициентом сопротивления (никель, висмут, золото, платина и т.д.),

материал с высоким отрицательным температурным коэффициентом сопро­

или проволоку сверхпроводникового материала, помещенные в вакуум и работающие при охлаждении. В них необходимо поддерживать температуру чувствительного элемента вблизи критической температуры. Типовая конст­ рукция узла приемника с болометром приведена на рис. 4.3. Основные харак­ теристики болометров типа БН приведены в табл. 4.4.

Лучшие параметры обесепечивают п и р о э л е к т р и ч е с к и е приемник Например, пиромодуль МГ-30, содержащий т^кже предварительный усилите^ имеет следующие технические данные: .

188

г

Тонкопленочные измерительные приемники излучения рассмотрены на основе сегнетоэлектриков [127,128]. Успешная разработка технологии создания тонких сегнетоэлектрических пленок, близких по основным электрофизическим свойствам к свойствам соответствующих кристаллов, открывает реальные возможности крупномасштабного внедрения сегнетоэлектрических материалов в измерительную технику. Основные их характеристики определяются

- значительно более слабой чувствительностью к воздействию радиации и наличию примесей (до 0,1%), т.е. в итоге - более высокой технологичностью;

-большей стабильностью параметров во времени и надежностью;

-пироприемники не требуют в. принципе источников питания, схемы изме­ рения просты;

-высоким сопротивлением пироприемников, обеспечивая более низкий уровень токовых шумов, допускает более эффективную их работу в режиме накопления.

Пироприемники обладают исключительно широким динамическим диапазоном (107—108). Для лучших сегнетоэлектрических пленочных приемников, изготов­ ленных методами интегральной технологии на основе ниобата, бария, стронция (состав Baq^Sr^l^O e), основные свойства - электрофизические, пироэлектри­ ческие, электрические - близки к свойствам соответствующего кристалла

Одной из важнейших характеристик сегнетоэлектрика является петля диэлектрического гистерезиса Она дает возможность определить факт появления сегнетоэлектричества в сегнетоэлектрических пленках. Об этом свидетельствует ярко выраженный участок насыщения величины поляризации Я,, начиная с некоторого значения, прикладываемого к образцу напряжения.

Сегнетоэлектрические кристаллы принадлежат к пироэлектрическим классам и характеризуются обратной спонтанной поляризацией. При наличии поля больше определенного (коэрцитивного), направление поляризации сегнето­ электрика может быть изменено на противоположное.

Резкая температурная зависимость спонтанной поляризации и ее произ­ водной по полю легла в основу создания пироэлектрических приемников. Величина спонтанной поляризации пироэлектрических кристаллов зависит от температуры и при ее изменении на гранях кристалла, перпендикулярных особенной полярной оси, могут быть обнаружены заряды. В этом состоит пироэлектрический эффект. Для пироэлектрических применений важными характе­ ристиками являются зависимости изменения диэлектрической проницаемости £> проводимости о [Ом"1 • см-1] от температуры, а также £ и сопротивления пленки от величины поля смещения U (рис.4.4, 4.5). Указанные эффекты могут служить,

основой для создания различных измерительных датчиков температур^

190