книги из ГПНТБ / Рэди, Дж. Действие мощного лазерного излучения

продолжается на следующих динодах, в результате чего достига­ ется значительное усиление. Располагая последовательность динодов с таким расчетом, чтобы все электроны с предыдущего динода попадали на последующий, можно получить очень большой коэф­ фициент заиления (порядка 104 или 105). Вследствие высокого коэф­ фициента заиления ФЭУ имеют наибольшую достижимую чувст­ вительность в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной ■областях спектра. Разброс во времени пролета электронов устанав­ ливает верхнюю границу воспроизводимых частот, равную при­ близительно 100 МГц. При исследовании лазерного воздействия приходится измерять большие мощности, и поэтому нет необ­ ходимости в высокой чзшствительности, которую обеспечивают фотоз^множители. Свет, попадающий на фотоумножитель, фактиче­ ски приходится значительно ослаблять, так как при большой мощ­ ности падающего излучения выходной сигнал насыщается. Поэтому при изз'чении действия^лазерного излзшения чаще всего использу­ ют не фотоумножители, а однокаскадные вакуумные фотоэлементы.

Особый тип фотоэмпссионной трз^бки, о котором следует упомя­ нуть, представляет двухплоскостной диод. Выпускаемые прием­ ники этого типа имеют спектральные характеристики, приведен­ ные на фиг. 2.1. Они обладают очень высокими выходными токами и поэтому насыщаются при больших интенсивностях, чем фото­ умножители. Широкий динамический диапазон выходного сигнала этих фотодиодов делает их полезными в лазерных исследованиях. Фотодиоды этого типа имеют малую постоянную времени (менее

1 нс).

Другим типом приемника, который представляет интерес для лазерных исследований, в особенности для изучения модовой струк­ туры лазерного луча, является лампа бегущей волны с фотокато­ дом. Поток электронов, испущенных фотокатодом, промодулироваи с частотами межмодовых биений. Электроны проходят через спиральную замедляющую структуру; при этом электронный пучок возбуждает в замедляющей системе электромагнитную волну с частотой, равной частоте модуляции электронного потока. Воз­ никающий сигнал лежит в микроволновом диапазоне. Усиления электронного пучка не происходит. В такой системе возможно ползшение очень короткого времени отклика (менее 1 нс). Эти приборы нашли применение при иззгчении фотосмешения [4].

Другим широко распространенным типом фотоприемника явля­ ется полупроводниковый фотогальванический диод с р — «-пере­ ходом [5]. Свет, попадающий на фотогальванический приемник, приводит к появлению разности потенциалов на переходе даже в отсутствие каких-либо внешних управляющих напряжений. Фотогальванический элемент можно использовать и в качестве фотодиода, если к нему приложить внешнее управляющее напря­ жение и последовательно с ним включить нагрузочное сопротив­

ление. Когда свет попадает на запертый диод, обратный ток резко возрастает.

Имеется целый ряд полупроводниковых фотодиодов, разрабо­ танных для использования в качестве приемников лазерного излу­ чения. Они имеют небольшие размеры, неприхотливы в обращении, обладают хорошими частотными характеристиками и чувствитель­ ностью, достаточной для регистрации лазерного излучения. Типичные характеристики некоторых выпускаемых полупроводни­ ковых фотодиодов приведены в табл. 2.1. Образцы, работающие при

ТАБЛИЦА 2.1

Фотогальванические полупроводниковые диоды

комнатной температуре, перекрывают диапазон от видимой области до приблизительно 3,6 мкм, а образцы, работающие при температу­ ре жидкого азота,— до 5,7 мкм. Многие образцы полупроводнико­ вых диодов имеют характеристики, меняющиеся в широких пре­ делах. В частности, значительное влияние на величину времени отклика оказывают сопротивление нагрузки и геометрический раз­ мер диода.

Некоторые типичные характеристики полупроводниковых галь­ ванических диодов показаны на фиг. 2.2. Свойства выпускаемых диодов в большой степени определяются изготовителем^и зависят от того, предназначены ли они для^получения высокой чувстви­ тельности нли малого времени отклика. Для получения более высокой чувствительности можно пойти на уменыпение'быстродействия. Важным фактором является рабочая температура диода. Так, например, чувствительность диодов из InAs при комнатной температуре невысока, но при охлаясденни до 196 К она может быть значительно повышена.

Существует еще один тип инфракрасных приемников, действие которых основано на эффекте фотопроводимости. При тепловом равновесии в полупроводнике имеются как свободные электроны, так и дырки. При поглощении света концентрация электронов и дырок в полупроводнике изменяется. Энергия фотона должна

температуры, а также от поля зрения приемника. Если поле зре­ ния больше, чем излучающий объект, то шумы, обусловленные фоновым излучением, возрастают. Это приводит к снижению D\- В ближней инфракрасной области можно использовать приемники на основе сульфида свинца, однако они обладают плохими частот­ ными характеристиками. Приемники из InAs пригодны для диа­ пазона приблизительно от 1 до 3,5 мкм, но у них относительно низка величина D*. Приемники, изготовленные из германия, легированного золотом, и теллурида кадмия с теллуридом ртути, можно использовать в относительно длинноволновой области спект­ ра. Особенно они пригодны для регистрации излучения С02-лазе- ра. Приемники этого типа относятся к быстродействующим с по­ стоянной времени порядка 30 нс. Находят применение также выпускаемые промышленностью приемники на основе антимонида индия с временем разрешения порядка 0,1 мкс. При температуре 195 К они чувствительны к излучению с длиной волны больше 7 мкм. Приемники, работающие на принципе фотопроводимости, часто имеют высокую стоимость. Вместо них для регистрации мощного излучения можно использовать более дешевые инфра­ красные приемники других типов, обладающие меньшей чувст­ вительностью.

Другим интересным типом выпускаемых промышленностью инфракрасных приемников является фотоэлектромагнитный прием­ ник на основе антимонида индия. Носители, возникающие в полу­ проводнике под действием падающего света, диффундируют с по­ верхности, на которой происходит поглощение света, внутрь образца. Под действием приложенного к образцу внешнего попе­ речного магнитного поля носители разных знаков диффундируют в противоположных направлениях: дырки отклоняются к одному концу образца, а электроны — к другому. Если оба конца соеди­ нить проводником, то по нему потечет ток. При разомкнутой цепи на концах образца возникает разность потенциалов. Сигнал, появ­ ляющийся в результате фотоэлектромагнитного эффекта, можно снимать либо в виде тока в короткозамкнутой цепи, либо в виде напряжения при разомкнутой цепи [6]. Приемники этого типа представляют особый интерес потому, что их устройство очень компактно и они не требуют охлаждения ниже комнатной темпе­ ратуры. Длинноволновая граница чувствительности этих прием­ ников достигает 8 мкм. В действительности они обнаруживают некоторую чувствительность даже к излучению С02-лазера с длиной волны 10,6 мкм, хотя при таком длинноволновом излучении она, по-видимому, не связана с фотоэффектом.

Формы кривых, показанных на фиг. 2.3, типичны для инфра­ красных приемников. Для схем измерения мощности характерно возрастание величины D* с увеличением длины волны. В резуль­ тате поглощения фотона с энергией, достаточной для перевода

электрона в зону проводимости, появляется одна электроннодырочная пара. Возникающий при этом сигнал имеет определенную величину, не зависящую от длины волны (пока длина волны нахо­ дится в диапазоне спектральной чувствительности приемника). Хотя энергии фотонов в ультрафиолетовом инфракрасном диапа­ зонах сильно различаются, каждый из них может образовать в по­ лупроводнике лишь одну электронно-дырочную пару. Поэтому выходной сигнал зависит от числа фотонов, поступающих в еди­ ницу времени. При постоянной скорости поступления фотонов и увеличении длины волны выходной сигнал будет неизменным, несмотря на то что мощность падающего излучения уменьшается. Поэтому величина D* возрастает. На длине волны, приблизи­ тельно соответствующей величине энергетической щели, деленной

Все описанные выше приемники являются счетчиками фотонов. Другой тип приемника — так называемый тепловой приемник — реагирует на полную поглощенную энергию независимо от длины волны. Такие приемники не имеют длинноволновой границы, характерной для фотоприемников (см. фиг. 2.3). Величина D* для тепловых приемников не зависит от длины волны. Для изготовляе­ мых промышленностью радиационных термопар и болометров типичное значениеD* лежит в пределах от 109 до 1010 см-Гц^-Вт-1. Сравнение с данными, приведенными на фиг. 2.3, показывает, что для тепловых приемников в области коротких длин волн вели­ чина D* ниже, чем для фотоприемников, а в области длинных волн может быть выше. Обычно тепловые приемники имеют большее вре­ мя отклика по сравнению с фотоприемниками и поэтому их редко используют в лазерных исследованиях в той области длин волн, где эффективно работают фотоприемники. Однако тепловые прием­ ники нашли применение в области больших длин волн. Они будут описаны в следующем параграфе, посвященном измерениям в да­ лекой инфракрасной области.

Для измерения параметров излучения лазеров большой мощ­ ности используют еще один тип приемника, действие которого основано на эффекте оптического выпрямления. При прохождении луча лазера большой мощности через кристалл, не имеющий центра симметрии, на его гранях возникает постоянное электрическое напряжение. Это так называемое оптическое выпрямление является нелинейным оптическим эффектом. Символически вектор поляри­ зуемости в кристалле, не имеющем центра симметрии, можно пред­

где X» %'г %" и т- Д- являются тензорными величинами, а Е — напряженность электрического поля световой волны. Используя выражение для напряженности поля Е = Е 0 cos at, второй член в (2.5), описывающий нелинейное преобразование частоты, можно записать в виде]

Символ %ijh обозначает компоненты тензора нелинейной восприим­ чивости, зависящего от частоты. Член 1/гХ(2 а)ИкЩ cos 2сЩ описы­ вает генерацию второй гармоники, а член 1fzXmvkEn — оптическое выпрямление. Здесь индексы 2ю и 0 обозначают соответствующие частоты. Поляризация в результате оптического выпрямления про­ является в виде электрического напряжения на кристалле. Этот эффект наблюдают в таких кристаллах, как KH2P 04, KD2P 0 4, ZnTe, CdS и кварц. В одном из экспериментов [7] излучение руби­ нового лазера с мощностью 1 МВт в результате оптического выпрям­ ления преобразовывалось в напряжение порядка 200 мкВ. Устрой­ ство на основе оптического выпрямления в принципе может слу­ жить для измерения мощности [8]. Его преимуществом является почти полное отсутствие потерь энергии лазерного луча. Таким образом, измерения можно проводить в каждой вспышке и в то же время использовать полностью всю мощность луча.

При определении формы импульсов излучения лазера с моду­ лированной добротностью необходимо уделять особое внимание конструкции соединительных цепей. Чтобы без искажения полу­ чить форму импульса генерации длительностью в несколько десят­ ков наносекунд, необходимо тщательно согласовать фотоприемник с осциллографом. Даже небольшое рассогласование приведет к появлению на экране осциллографа паразитных отраженных сигналов. Паразитные емкости следует свести к минимуму. Форма импульса искажается даже в том случае, если емкость вносится только кабелем, по которому сигнал попадает на осциллограф. Следует по возможности уменьшать длину кабеля. Временное разрешение порядка наносекунд, которое обеспечивается быстро­ действующим приемником и широкополосным осциллографом, лег­ ко может быть потеряно при плохом выборе нагрузочного сопро­ тивления и входной цепи.

При измерении характеристик излучения мощных лазеров, работающих в инфракрасной и видимой областях спектра, мощ­ ность излучения, падающего на приемник, обычно ослабляют. Это предохраняет его от повреждения. Под действием мощных лазер­ ных импульсов особенно сильно повреждаются фотоэмиссионные поверхности. Применяют разные типы ослабителей, например нейтральные фильтры, кремнийслойные и жидкостные фильтры.. Желатиновые или стеклянные нейтральные фильтры легко повреж­

даются под действием мощного лазерного излучения. Более стой­ кими являются фильтры на основе раствора сульфата меди.

Кремнийслойные фильтры можно использовать в диапазоне длин волн короче 1,1 мкы. Лазерный луч поглощается при прохож­ дении через слои полупроводника определенной толщииы. Коэф­ фициент поглощения таков, что при разутой толщине фильтра можно получить любое желаемое ослабление луча. Кремнийслой­ ные фильтры повреждаются в меньшей степени, чем обычные стек­ лянные или желатиновые фильтры.

Поскольку фильтры могут насыщаться под действием интенсив­ ного лазерного излучения, калибровка их затруднена. Может оказаться, что поглощение фильтра при большой интенсивности излучения будет меньше, чем поглощение, измеренное при малой интенсивности. Фильтры можно откалибровать, измеряя мощ­ ность излучения, падающего на фильтр, и излучения, проходя­ щего через него. Калибровку следует проводить при тех же зна­ чениях мощности, при которых фильтры будут использоваться.

Удобным и широко распространенным методом ослабления луча является отражение его от диффузно рассеивающей поверх­ ности, например от блока из окиси магния [9]. Угловое распреде­ ление излучения, отраженного от такой поверхности, не зависит от азимутального угла, а зависимость от угла 0 между нормалью к поверхности и направлением наблюдения имеет следующий вид:

■скав направлении угла 0 к нормали, а Рполн — полная мощность. Это соотношение называется законом Ламберта, а поверхность, для которой справедлив этот закон,— ламбертовской поверхностью. Это соотношение приближенно справедливо для многих типов практически используемых отражающих поверхностей. Мощ­ ность излучения, попадающего на приемник после отражения от такой поверхности, можно вычислить по следующей формуле:

где Л пр — площадь фотоприемника (или ее проекция на плоскость, перпендикулярную направлению от рассеивателя на приемник), a D — расстояние от рассеивателя до приемника. Это соотношение -справедливо при условии, что D намного больше как диаметра лазерного луча, так и размера приемника. G помощью поверхности, отражающей по закону Ламберта, легко изменять величину мощ­ ности излучения, попадающей на приемник, варьируя расстоя­ ние D. На достаточно большом расстоянии от такой поверхности интенсивность излучения падает до такого уровня, что оно уже

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-