книги из ГПНТБ / Зубов В.А. Методы измерения характеристик лазерного излучения

© Издательство «Наука», 1973.

І

ОГЛАВЛЕНИЕ

3

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

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

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,

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

деляется для определенной мощности светового сигнала Р

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

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