Измерение энергетических параметров и характеристик лазерного излучения

Министерство образования и науки Украины

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Кафедра: ФОЭТ

Контрольная работа

по предмету: «Лазерные устройства».

по теме: Измерение энергетических параметров и характеристик лазерного излучения.

Выполнил:

ст. группы ЛОЕТз-06-1

Линиченко АН.

Зач. кн. N6211106

Проверил:

Мачехин Ю.П.

Харьков

2010 г.

Измерение энергетических параметров лазерного излучения

Для измерения энергетических параметров лазерного излучения могут использоваться самые разнообразные методы, основанные на различных физических и химических эффектах взаимодействия лазерного излучения с веществом, последнее может находиться в любом агрегатном состоянии. Однако наиболее широкое распространение получили методы, основанные на преобразовании энергии лазерного излучения в тепловую энергию (тепловой метод) и в энергию электрического тока (фотоэлектрический и пироэлектрический методы). Реже применяется пондеремоторный метод, основанный на преобразовании энергии лазерного излучения в механическую энергию.

Измерение мощности и энергии лазерного излучения

Существующие средства измерения (СИ) энергетических параметров лазерного излучения содержат приемный (первичный) измерительный преобразователь (ПИП), измерительное устройство, а также отсчетное, или регистрирующее устройство. В ПИП энергия лазерного излучения преобразуется в тепловую или в механическую энергию или в электрический сигнал, доступные для дальнейшего преобразования и измерения.

Различают ПИП поглощающего и проходного типа. В преобразователях поглощающего типа поступающая на вход энергия лазерного излучения почти полностью поглощается и рассеивается в нем. В преобразователях проходного типа рассеивается лишь часть поступившей на вход энергии излучения (как правило небольшая), а большая чисть изучения проходит через преобразователь и может быть использована для требуемых целей.

Измерительное устройство включает преобразовательные элементы и изме-рительную цель. Их назначение - преобразование выходного сигнала ПИП в сигнал, подаваемый на отсчетное или регистрирующее устройство. Отсчетное или регистрирующее устройство служит для считывания или регистрации значения измеряемой величины в аналоговой или цифровой форме.

Обычно ПИП конструктивно выполняется в виде отдельного блока, называемого измерительной головкой, а измерительное и отсчетное устройства - в виде измерительного блока. В измерительный блок могут быть включены дополнительные устройства, например цепи коррекции дрейфа нуля, температурной и электрической стабилизации и др.

Тепловой метод

Сущность этого метода состоит в том, что энергия излучения при взаимо-действии с веществом приемного преобразователя превращается в тепловую энергию, которая впоследствии измеряется тем или иным способом. Для измерения тепловой энергии, выделившейся в ПИП, обычно используют:

-термоэлектрический эффект Зеебека (возникновение ТЭДС между нагретым и холодным спаями двух разнородных металлов или полупроводников);

-явление изменения сопротивления металлов и полупроводников при изменении температуры (болометрический эффект); фазовые переходы "твердое тело-жидкость" (лед-вода);

-эффект линейного или объемного расширения веществ при нагревании и др.

Необходимо отметить, что все тепловые ПИП в принципе являются кало-риметрами. Однако в литературе сформировались устойчивые названия ПИП, ас-социируемые обычно с некоторой совокупностью характерных признаков, свойст-венных приемным преобразователям определенных типов (термоэлементы, болометры, пироприемники и пр. ) .

Наиболее широкое распространение для измерения таких усредняемых во времени энергетических параметров лазерного излучения, как энергия и средняя мощность, получили калориметры. Они имеют достаточно конструктивно развитый приемный элемент, не объединенный с чувствительным элементом. К достоинствам калориметров относятся широкий спектральный и динамический диапазон работы, высокая линейность, точность и стабильность характеристик, простота конструкции, возможность их использования с высокоточными, хотя и инерционными цифровыми приборами, возможность калибровки преобразователей по эквивалентному электрическому воздействию.

Любая калориметрическая система содержит внутреннее калориметрическое тело К, в котором протекает процесс выделения или поглощения тепла, и внешнюю оболочку О, с которой происходит теплообмен калориметрического тела путем теплопроводности, конвекции и излучения.

Тепловой поток Д от калориметрического тела на оболочку зависит главным образом от разности температур их поверхностей Ф=GT(Tk-To), где GT - параметр, характеризующий тепловую проводимость cреды между калориметрическим телом и оболочкой. Часто теплообмен между K и O характеризуют также обратной величиной RT=1/GT, имеющей смысл теплового сопротивления среды. Наиболее широкое распространение для измерения таких усредненных во времени энергетических параметров лазерного изучения, как энергия и средняя мощность, получили калориметры переменной температуры или неизотермические калориметры, у которых в процессе измерения ТK=f(t) const.

У непрерывных лазеров характерным энергетическим параметром, который указывается в паспорте, является мощность лазера P. У лазеров, работающих в режиме свободной генерации одиночных импульсов лазерного излучения, обычно нормируется энергия импульса Wu. Лазеры, работающие в режиме модуляции добротности резонатора и в режиме синхронизации мод, обычно характеризуются значением Wu и дополнительно значением максимальной PUmax или средней PUср мощности импульса. Импульсно-периодические лазеры характеризуются средней мощностью Pср со временем усреднения, значительно превышающим период следования импульсов.

В соответствии с этим рассмотрим некоторые частные решения дифферен-циального уравнения.

1. Мощность, рассеиваемая а калориметре, не изменяется во времени, т.е.

P(t)=PO=const.

Максимальное значение Т(t) достигается при t и равно

Tmax=RT PO.

2. Мощность в калориметре выделяется в виде периодической последова-тельности прямоугольных импульсов: PO, u и q - импульсная мощность, длитель-ность и скважность импульсов соответственно. Можно показать, что в этом случае для значений параметров лазерного излучения, наиболее часто встречающихся на практике .

3. В калориметре рассеивается энергия одиночного прямоугольного импульса.

Максимальное значение Т(t) достигается при t= u и равно

Tmax=B RT Wu

(Wu=PO uимпульса; д -- постоянная калориметра) . Перечисленные частные случаи описывают три основных режима работы калориметрических преобразователей переменной температуры: режим измерения мощности непрерывных лазеров, средней мощности импульсно-периодический лазеров и режим измерения энергии одиночных лазерных импульсов.

В рассматриваемых калориметрах наибольшее распространение получили твердотельные приемные измерительные преобразователи. Такие ПИП часто из-готавливают в виде полостей - полого конуса, сферы с отверстием, полого цилиндра, а также комбинацией этих элементов. За счет использовать эффекта многократных переотражений излучения внутри полости удается увеличить коэффициент поглощения приемного преобразователя и тем самым расширить рабочий диапазон длин волн, а также увеличить верхний предел измерения мощности и энергии лазерного излучения.

В качестве примера ПИП прибора ИМО-2, серийно выпускаемого отечественной промышленностью для измерения средней мощности и энергии импульсов лазерного излучения. Здесь приемный элемент 1 выполнен в виде медного конуса со встроенным электрическим нагревателем для градуировки, причем на его приемную поверхность нанесено поглощающее покрытие, В качестве чувствительного элемента 2 применена медно-константановая термобатарея, содержащая более 2000 термопар, равномерно распределенных между наружной поверхностью приемного элемента и поверхностью пассивной теплоемкой оболочки 3 калориметра. Термобатарею получают путем меднения полувитков спирали прямоугольного сечения из константановой - проволоки. Такие элементы не требуют включения в состав ПИП источников питания, так как их выходной величиной является термо-ЭДС, возникающая между холодным и нагретым спаями разнородных металлов и полупроводников. Большое количество термопар в составе термобатареи повышает чувствительность таких ПИП.

Измерительная головка ИМ0-2 содержит две одинаковые калориметрические секции с ПИП, которые находятся внутри пассивного термостата, образованного толстостенным медным корпусом и кожухом измерительной головки. Для уменьшения нестабильности ПИП термобатареи включены последовательно навстречу друг другу, что позволяет исключить влияние температуры окружающей среды. Измерительной блок содержит стабильный усилитель постоянного тока для усиления сигнала с выхода термопреобразователя, стабилизированный источник постоянного напряжения для проверки сохранности градуировочной характеристики прибора в процессе эксплуатации, цепи коммутации и регулировки коэффициента усиления УПТ и аналоговое отсчетное устройство.

Для расширения верхнего предела измерения мощности непрерывного ла-зерного излучения в комплекте прибора имеется ослабитель.

Основные технические характеристики прибора ИМО-2 и некоторых других тепловых средств измерений мощности и энергии лазерного излучения, серийно выпускаемых промышленностью, приведены в табл. 2.

В приборе ИКТ имеется также конический элемент, который обладает более высокой стойкостью к лазерному излучению в вследствие того, что на его конический приемный элемент действует лазерное излучение, прошедшее рассеивающий матированный сапфировый элемент. В результате этого излучение распределяется по всей приемной поверхности и плотность его снижается. В качестве чувствительного элемента здесь используется термометр сопротивления, выходной величиной которого является изменение электрического сопротивления ПИП под действием изменения температуры приемного элемента, возникающего при поглощении падающего излучения. Поэтому в состав таких ПИП должен входить источник питания. Измерительная головка ИКТ, так же как и в ИМ0-2, содержит два одинаковых ПИП с термометрами сопротивления, включенных в плечи моста постоянного тока.

Примером ПИП проходного типа может служить малоинерционный прово-лочный болометрический измеритель средней мощности излучения (рис.1.3). Такой ПИП выполнен в виде двух редких решеток из тонких металлических проволок, перекрывающих все сечение пучка излучения и соединенных последовательно. Принцип работы преобразователя основан на болометрическом эффекте, возникающем при частичном поглощении проходящего через решетки лазерного излучения.

Для редкой двойной решетки, если ее период значительно превышает диаметр d проволоки, полные потери оптического излучения, включающие потери на отражение, дифракцию и поглощение в элементах решетки, не превышают 4d/ . Наиболее подходящими материалами для проволок являются платина, золото и никель, которые обладают высокой механической прочностью и технологической простотой изготовления решеток с малым диаметром d и большим периодом .

Калориметры, в которых тепловые процессы не приводят к изменению тем-пературы калориметрического тела (т.е. ТK=TO=const), ю называются изотермическими калориметрами, или калориметрами постоянной температуры. Принцип действия таких калориметров основан либо на использовании эффектов фазового перехода вещества и состоит в измерении количества калориметрического вещества (льда), перешедшего под действием поглощенной энергии лазерного излучения в другую фазу (воду) при температуре существования фазового перехода (0°) (калориметры с фазовым переходом), либо на эффекте компенсации в самом калориметре выделенного излучением тепла за счет теплового эффекта с противоположным знаком (компенсационные калориметры и калориметры с предварительным подогревом).

Следует отметить, что на практике такие приборы используются редко, за исключением калориметров с предварительным подогревом. В этих приборах калориметрическое тело предварительно (до поступления и ПИП измеряемого излучения) подогревается до некоторой стационарной температуры, превышающей температуру окружающей среды. При подаче лазерного излучения мощность подогрева вручную или автоматически уменьшают ты, чтобы температура калориметрического тела оставалась прежней. Поглощенная ч в калориметре мощность в этом случае равна изменению мощности подогрева. По такому принципу работает образцовый измеритель мощности лазерного излучения ОИМ-1-1, у которого мощность подогрева уменьшается вручную.

Принцип работы пироэлектрических ПИП

Принцип работы пироэлектрических ПИП основан на использовании пиро-электрического эффекта, наблюдаемого у ряда нецентросимметричных кристаллов при их облучении и проявляющегося в возникновении разрядов на гранях кристалла, перпендикулярных особенной полярной оси. Если изготовить небольшой конденсатор и между его обкладками поместить пироэлектрик, то изменения температуры, обусловленные поглощением излучении, будут проявляться в виде изменения заряда этого конденсатора и могут быть зарегистрированы. Входное сопротивление пироэлектрического приемника является почти чисто емкостным. Поэтому сигнал на его выходе может появиться только при переменном входном сигнале, что вызывает необходимость модуляции излучения при измерении пироприемником излучения.

Выходной сигнал пироэлектрических ПИП пропорционален скорости изменения среднего прироста температуры d( T)/dt чувствительного элемента, а не величине T, не на которую реагируют тепловой приемники. Следствием этого является высокое быстродействие приемников (до 10-8), в также высокая их чувствительность(10-7…10-8 Дж), большой динамический диапазон работы (10-8…10 Дж) и широкий спектральный диапазон (0.4…10.6 мкм). Конструктивно чувствительный элемент пироприемника не отличается от колориметрических ПИП(см. рис. 1.2), за исключением самого чувствительного элемента 2, выполненного из пироэлектрика. Среди промышленных разработок измерения малых (до 10-9 Вт/см2) и сверхмалых (до 10-12 Вт/см2) потоков излучения наибольшее применение нашли пироэлектрические преемники на основе титаната бария, триглинсульфата и на основе керамики цирконат-титанат бария. Чувствительные элементы таких ПИП представляют собой плоскопараллельную пластину толщиной 20…100 мкм с нанесенными на обе стороны электродами. На облучаемую сторону пластины наносят поглощающее покрытие либо его роль выполняет полупрозрачный электрод. С помощью сравнительно несложной технологии чувствительные элементы можно изготавливать достаточно сложной формы с размерами приемной площадки от 10-4 до 106.

Обладая рядом преимуществ перед тепловыми преобразователями, пироз-лектрические ПИП находят все более широкое применение для измерения энерге-тических и пространственно-энергетических параметров лазерного излучения.

Фотоэлектрический метод

Фотоэлектрический метод измерения энергетических параметров лазерного излучения основан на переходе носителей заряда под действием фотонов измеряемого излучения на более высокие энергетические уровни. В качестве фотоэлектрических ПИП используют фотоприемники (ФП), которые делятся на две группы: с внешним и внутренним фотоэффектом. Внешний заключается в испускании электронов под действием фотонов в вакуум, внутренний - в переходе электронов из связанного состояния под действием фотонов в свободное, т.е. в возбужденное состояние внутри материала. В обоих случаях переход происходит при поглощении веществом отдельных квантов излучения, поэтому ФП являются квантовыми приборами. Энергия электромагнитного излучения в них непосредственно превращается в электрическую, которую затем измеряют. Выходной электрический сигнал ФП зависит не от мощности падающего излучения, а от количества квантов излучения и энергии каждого кванта.

Общее выражение преобразования входного оптического сигнала в выходной электрический сигнал, осуществляемого фотоэлектрическим ПИП, можно записать в следующем виде:

I=IФП+IТ=S P+IT

где I - полный ток, протекающий через ФП, А; IФП - ток через ФП, вызванный падающим потоком излучения, А; IТ - темновой ток, А; S - спектральный коэффициент преобразования, или абсолютная спектральная чувствительность ФП, А/Вт; P - мощность падающего на ФП излучения, Вт.

Список литературы

Котюк А.Ф. Измерение энергетических параметров и характеристик лазерного излучения. М.: Радио и связь, 1981, 288с.