книги из ГПНТБ / Рэди, Дж. Действие мощного лазерного излучения
.pdfМ Е Т О Д Ы И З М Е Р Е Н И Й |
61 |
равномерно распределится по конусу, и неточность |
калибровки. |
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].
ГЛАВА 2 |
6 2 |
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.
М Е Т О Д Ы И З М Е Р Е Н И Й |
6 3 |
В другом варианте на второй фотоэлемент можно направить часть излучения, ответвленную от основного луча с помощью стеклянной делительной пластинки. Естественно, что величина отражения должна быть учтена при калибровке фотоэлемента. Чтобы уровень попадающего на фотоэлемент излучения не пре вышал порога разрушения фотоэлемента, можно использовать дополнительное отраяшние от диффузной поверхности. При такой схеме отпадает необходимость переключения луча с фотоэлемента
Широкополосный.
Осциллограф осциллограф
ФИГ . 2.4.
Схема установки для калибровки выходного излучения лазера.
на калориметр. С помощью стеклянной пластинки можно напра вить небольшую часть лазерного излучения на калиброванный контрольный фотоэлемент, а остальную часть использовать для других целей.
Следует отметить, что точность такой калибровки обычно составляет около 20%. Таково различие в значениях энергии, полученных из измерений разными способам. В работе [15] было найдено, что типичное расхождение между результатами, полученными различными методами, приблизительно равно этой величине.
В другом методе для определения средней мощности в импульсе, состоящем из многих пичков, или полной энергии в импульсе, мощность которого меняется со временем, используется интегри рующая цепочка. Для измерений применяется калиброванный фотоэлемент. Соединенная с его выходом НС-цепочка способна сглаживать пички выходного сигнала детектора, регистрирующего миллисекундный лазерный импульс. Полный заряд конденсатора пропорционален полной энергии, поступающей на фотоэлемент. При соответствующей калибровке такое устройство можно исполь зовать как удобный измеритель энергии [22, 23].
ГЛА ВА 2 |
64 |
|
§ 4. ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА |
|
Прямая регистрация лазерного луна может быть жела |
тельной по многим причинам, например: для измерения простран ственного распределения луча, его диаметра, для определения модовой структуры пучка или даже для определения его точного положения. Наблюдение за излучением непрерывно работающих лазеров в видимом диапазоне не представляет особой трудности, так как лучи этих лазеров можно видеть глазом и легко сфото графировать. Для регистрации лазерного излучения в инфра красном диапазоне или импульсного лазерного излучения необ ходимо приложить определенные усилия. Технику фотографиро вания можно применять в диапазоне не слишком больших,длин волн. Кроме того, фотографирование требует относительно боль ших затрат времени. Желательно использовать более простые методы. Фотографические методы визуализации лазерного лу^а будут описаны ниже.
Профиль лазерного луча большой’мощности можно грубо опре делить по следу, оставляемому лучом на копировальной бумаге или экспонированной пленке типа Polaroid.
Для обнаружения излучения лазера, работающего в ближней инфракрасной области, можно применять чувствительные к инфра красному излучению люминофоры. В результате поглощения люминофором белого света электроны переходят на возбужденные уровни и остаются там на некоторое время. Если после этого облу чить люминофор инфракрасным излучением, то электроны перей дут на более высокие возбужденныеДгровни, с которых они быстро возвращаются в основное состояние, излучая при этом кванты света в видимом диапазоне. Такие люминофоры выпускаются в виде листов. Излучение лазера с длиной волны 1,06 мкм (неоди мовый лазер) оставляет на таком люминофоре пятно розового цвета, соответствующее профилю лазерного луча. При комнатной температуре изображение сохраняется в течение нескольких минут. Эти люминофоры не чувствительны к излучению с длиной волны больше 1,3 мкм.
Инфракрасный лазерный луч можно сделать видимым с помо щью электроннооптического преобразователя. Лазерный луч направляют на фотоэмиссионную поверхность, являющуюся в этом приборе катодом. Электроны, испущенные фотокатодом, ускоряют ся приложенным электрическим полем и после фокусировки электростатической линзой попадают на люминофор. Изобра жение на люминофоре, соответствующее исходному инфракрас ному лучу, можно наблюдать визуально. Эти преобразователи очень полезны в ближней инфракрасной области, но область их чувствительности ограничена длинами волн, меньшими 1,2 мкм.
М Е Т О Д Ы И З М Е Р Е Н И Й |
65 |
Для визуализации инфракрасного излучения применялось также устройство, называемое эвапорографом [25]. Однако оно уже устарело и сейчас его почти не используют. Действие эванорографа основано иа частичном испарении масляной пленки при ее нагреве, вызванном поглощением инфракрасного излучения. При освещении белым светом на пластинке возникает радужная картина интерференционного происхождения, которая является изображением структуры инфракрасного луча.
Профиль луча инфракрасного лазера можно также получить с помощью жидких кристаллов [26]. Жидкий кристалл освещается белым светом через ограничивающую его прозрачную тонкую оболочку. Длина волны, на которой рассеянное излучение макси мально, зависит от температуры кристалла, так что в области, нагреваемой инфракрасным лазерным лучом, цвет кристалла изменяется.
В следующем параграфе мы обсудим другие методы, применяе мые для регистрации инфракрасного излучения с большей длиной волны.
§ 5. ИЗМЕРЕНИЯ В ДАЛЕКОЙ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ
Имеется большое разнообразие приемников, пригод ных для работы в ближней инфракрасной области. Для регистра ции же излучения С02-лазера (10,6 мкм) существует всего лишь несколько типов подходящих приемников. Поскольку в этой важной области длин волн возникают особые проблемы, а техника измерений до некоторой степени отличается от ранее описанной, то мы посвящаем ей отдельный параграф.
Одним из лучших приемников для регистрации излучения с длиной волны 10,6 мкм является полупроводниковый приемник на теллуриде кадмия с теллуридом ртути. Этот приемник может работать в широкой спектральной области от 2 до 14 мкм. Изменяя состав материала, можно получить максимум чувствительности на любой из длин волн этого диапазона. Приемники работают при
температуре |
77 К и |
обеспечивают время разрешения, меньшее |
10 нс. Эти |
приборы |
исключительно удобны в употреблении, |
а хорошее быстродействие позволяет использовать их для конт роля за формой импульса генерации С02-лазера с модулированной добротностью.
В других инфракрасных приемниках, предназначенных для регистрации излучения С02-лазера, используются германий, леги рованный золотом, перекрывающий спектральный диапазон от 2 до 10,9 мкм и работающий при 77 К; германий, легированный ртутыо, пригодный для спектрального диапазона от 2 до 15 мкм, однако требующий охлаждения ниже 35 К; германий, легирован ный медью, перекрывающий спектральный диапазон от 2 до 30 мкм и работающий при температуре жидкого гелия, и германий, леги-
5—023
ГЛАВА 2 |
6& |
рованный иидпем, работающий при температуре жидкого гелия, чувствительный к излучению в диапазоне длин воли, простираю щемся до 100 мкм. Постоянные времени приемников, выполненных на основе легированного германия, очень малы. Характерное для этих материалов время отклика меньше 0,5 ис. Эта оцеика выполнена по времени возрастания короткого импульса СО2-ла зера с модулированной добротностью от 10 до 90% его амплитуды [27]. В действительности же с учетом влияния внешних цепей вре мя отклика обычно около 1 нс (при использовании кабеля с вол новым сопротивлением 50 Ом). Приемники на основе теллурида кадмия с теллуридом ртути и легированного германия выпу скаются промышленностью.
Чувствительность тепловых приемников не зависит от длины волны измеряемого излучения. Тепловые приемники использу ются для регистрации лазерного излучения в диапазоне более длинных волн, где их чувствительность выше, чем у фотоприем
ников, и могут работать в далекой инфракрасной области. |
К та |
|
ким приемникам относятся |
пневматический приемник |
Голея |
и термисторный болометр. |
основан на измерении зависящего |
|
Болометрический метод |
||
от температуры сопротивления материала, нагреваемого падаю щим излучением. Для термисторных болометров используют тонкие пленки полупроводниковых материалов, сопротивление которых сильно зависит от температуры. Высокую чувствитель ность имеют угольные болометры, выполненные из сопротивле ний, представляющих собой тонкие графитовые пластинки.
Иногда для регистрации излучения лазеров, работающих в далекой инфракрасной области, используют пневматический приемник Голея 1). Этот приемник состоит из ячейки, заполненной газом, который нагревается лазерным излучением. При возраста нии температуры газа его давление увеличивается и мембрана изгибается. По величине отклонения луча, отраженного от зер кала, которое закреплено на мембране, можно судить о поглощен ной лазерной энергии. Приемник Голея особенно полезен при измерении излучения лазеров с длиной волны в несколько сотен микрон [28, 29].
Обычно постоянная времени тепловых приемников много боль ше, чем у фотоприемников. Для болометров она лежит в пределах нескольких миллисекунд, а для приемника Голея составляет около 20 мс. В некоторых моделях была получена малая величина постоянной времени. В работе [30] описан германиевый болометр
ОВ отечественной литературе такой приемник чаще называют оптико акустическим. Принцип его действия был впервые описан в работе [69]. Часто используемый вариант конструкции был предложен в работе [70].—
Прим. ред.
М Е Т О Д Ы И ЗМ Е Р Е Н И Й |
67 |
с временным разрешением меньше 300 мкс. Разработаны также тонкопленочные термопары для использования их в качестве тепловых приемников для регистрации инфракрасного излучения, в частности излучения С02-лазера. В работе [31] достигнуто время отклика менее 0,1 мкс.
Одним из типов тепловых приемников, специально предна значенных для регистрации излучения С02-лазера, является пироэлектрический приемник, изготовленный из керамики или других пироэлектрических материалов. Эти приемники просты по конструкции и дешевы. Такой приемник можно выполнить в виде переносного прибора, включающего источник питания. Его можно использовать, в частности, для индикации местополо жения инфракрасного лазерного луча.
Пироэлектрический сигнал появляется при изменении темпе ратуры однодоменного сегнетоэлектрика. Возникновение сигнала связано с температурной зависимостью спонтанной поляризации. Ток, текущий в нагрузочном сопротивлении, включенном парал лельно приемнику, пропорционален скорости изменения темпе ратуры. Ниже точки Кюри поляризация обусловлена поверхно стным зарядом. При изменении температуры происходит пере мещение зарядов, вследствие чего во внешней цепи возникает
электрический ток. |
Величина сигнала |
может быть |
вычислена |
по формуле |
|
|
|
АУ = AR (dPca/dT) (dTjdt). |
|
(2.9) |
|
Здесь А — площадь, |
R — величина сопротивления |
нагрузки, |
|
Т — температура, а |
Рсп — спонтанная |
поляризация. |
Величина |
dPcn/dT характеризует применяемый материал.
Имеется целый ряд пьезоэлектрических кристаллов с сильным пироэлектрическим эффектом, например титанат бария, сульфат лития, триглицинсульфат, ниобат бария — стронция, танталат лития, ниобат лития, цирконат-титанат свинца. Наиболее доступ ным и дешевым является цирконат-титанат свинца, изготовленный в виде керамики. В работах [32—37] приведено описание неко торых лазерных приемников на основе пироэлектрических мате риалов 1).
Согласно уравнению (2.9), сигнал зависит от скорости измене ния температуры. В случае простой геометрии она пропорциональ на поступающему лазерному потоку. Приемники этого типа долж ны быть сконструированы таким образом, чтобы избежать быст рого охлаждения пироэлектрического элемента после окончания
1)Пироэлектрические приемники излучения получили в последние годы чрезвычайно широкое распространение. Подробные сведения об их кон струкции и характеристиках можно найти в работах [71, 72]. В ряде случаев эффективными оказываются также пьезоэлектрические прием ники [73].— Прим. ред.
5*
ГЛАВА 2 |
68 |
лазерного импульса. В противном случае выходной сигнал падает до нуля сразу же после окончания импульса.
При измерении напряжения в разомкнутой цепи пироэлектри ческий приемник превращается в интегрирующий прибор, поскольку выходное напряжение остается постоянным в течение времени, за которое происходит распространение тепла по кера мической пластинке. Выходной сигнал будет пропорционален полной поглощенной энергии. Его величина не зависит от рас пределения энергии по чувствительному элементу. Система должна быть сконструирована таким образом, чтобы время проникнове ния тепла через пластинку было велико по сравнению с длитель ностью измеряемого лазерного импульса. Пироэлектрические приемники особенно хорошо подходят для измерения параметров излучения С02-лазера, и их все чаще используют для регистрации импульсов излучения С02-лазеров с модулированной доброт ностью. Они могут быть достаточно быстродействующими. На осно ве кристалла толщиной 100 мкм из ниобата бария — стронция были созданы приемники с временем установления менее 30 нс, с чувствительностью на низких частотах свыше 10'1 В/Вт и мини мальной регистрируемой мощностью 4 ПО-9 Вт/см-Гц1/2 [34]. По-видимому, такие приборы окажутся дешевыми и простыми по конструкции приемниками лазерного излучения. В работе [33] в качестве приемника был успешно использован обычный керамический дисковый конденсатор. Подробности изготовления таких приемников описаны в литературе [36].
Визуальную индикацию излучения С02-лазера можно также осуществить с помощью теплочувствптельного экрана. На экран наносится термографический люминофор. При регистрации про исходит тушение люминесценции в местах локального нагрева, вызванного поглощением лазерного излучения. В результате на экране появляется изображение, соответствующее профилю лазерного луча [38]. Недостатком этого метода является необхо димость использования дополнительного источника ультрафиоле тового излучения для освещения экрана. При тщательном изго товлении люминофорного покрытия с помощью этого метода можно получить время разрешения порядка 0,1 с [39].
Метод, не требующий освещения ультрафиолетовым излуче нием, основан на использовании гидратных солей, например гексагидрата хлорида кобальта. Это вещество имеет красный цвет, а его обезвоженная модификация — темно-голубой [40].' Нагрев лазерным излучением тонкой пленки из такого вещества вызывает отщепление воды и изменение цвета пленки. Бумажный экран, на который нанесен тонко размельченный гексагидрат хлорида кобальта, смешанный со светлым лаком, изменяет цвет за несколь ко секунд при достаточно низком уровне потока (2,5 Вт/см2), падающем на его поверхность. Первоначальное состояние экрана
М Е Т О Д Ы И З М Е Р Е Н И Й |
69 |
может быть восстановлено. Если прервать освещение, то экран вновь приобретает свой первоначальный цвет в течение прибли зительно 10 с.
Для получения картины распределения интенсивности на вы ходе С02-лазера было также использовано тепловое проявление фотопленки [41, 42]. Была применена стандартная фотопленка типа Kalvar с термоупругим покрытием. Сначала пленку облу чили ультрафиолетовым светом с длиной волны в диапазоне 3400—4400 А. В процессе теплового проявления излучение СО2-ла зера за 1 с нагревало участки пленки до температуры порядка 110° С, после чего на пленке получалось четкое изображение лазерного луча.
Другие приборы основаны на явлении броуновского движе ния, вызванного иагревом г). Для получения эмульсии в центри фуге смешивают кремнийсодержащее масло с детергентом. Затем смесь вытягивают в виде тонкой пленки через отверстие в форме щели. В местах пленки, нагреваемых лазерным излучением, возникает легко наблюдаемое движение частичек кремния. В каче стве термографических экранов для регистрации излучения СО2-ла зера можно использовать теплочувствительную бумагу для само писцев или пенистый полистирол [43]. Эти материалы недороги
илегко доступны.
§6, ФОТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Одним из простейших методов регистрации лазерного луча является фотографирование. Поскольку мощности, энергии и длины волн излучения лазеров варьируются в широком диапа зоне величии, для получения хороших результатов необходим тщательный выбор типа пленки и времени экспозиции. Излучение большой мощности может легко повредить пленку. При прямом фотографировании лазерного луча следует обеспечить необходимое ослабление. Фотографирование часто используют для определения пространственного профиля лазерного луча или размеров фокаль ного пятна при фокусировке излучения. Мы отложим обсуждение этих вопросов до следующего параграфа. Здесь же мы опишем характеристики пленок для фотографирования лазерного излу чения и обсудим устройство некоторых специальных камер, кото рые используются при изучении взаимодействий мощного излу чения лазера с веществом.
Существует много типов фотографической пленки. Фотопленка чувствительна к излучению в ультрафиолетовой, видимой и ближ ней инфракрасной (до 1,2 мкм) областях спектра. По-видимому, лучше всего реакцию фотопленки на световую энергию предста-1
1) Sneberg V., частное сообщение, 1968.
ГЛАВА 2 |
70 |
вить в виде так называемой кривой «D — lg Е», которая представ ляет собой зависимость оптической плотности экспонированной пленки от логарифма экспозиции, выраженной в относительных единицах. Типичная характеристическая кривая показана на фиг. 2.5. В некоторой области экспозиций кривая хороню аппро ксимируется прямой линией. Чем длиннее прямолинейный участок,
Десятичный логарифм экспозиции
ФИГ . 2.5.
Характеристические кривые для пластинок и пленок типа Kodak, № 3, пред назначенных для спектрального анализа.
Выдержка 1 с, освещение осуществляется вольфрамовой лампой, обработка производится в проявителе D-19 [44].
тем больше динамический диапазон фотопленки. Для фотографиро вания лазерного излучения, интенсивность которого может лежать в широком диапазоне, желательно иметь пленки с большим дина мическим диапазоном. Наклон прямолинейного участка кривой называют гаммой. Форма кривой и величина гаммы зависят от характеристик пленки и способа проявления. Характеристи ческие кривые пленок сообщаются изготовителем и могут быть использованы в области экспозиций, для которой предназначена пленка. Для получения наилучших результатов следует рабо тать при экспозициях, попадающих на линейный участок харак теристической кривой.
Спектральная чувствительность различных типов пленок, выпускаемых промышленностью, показана на фиг. 2.6. Пленки, чувствительные к излучению с длиной волны больше 0,9 мкм,