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

Напряжение на конденсаторе 1 контролируется элек­ тростатическим вольтметром 2. Заряд конденсатора уменьшается при протекании через фотоэлемент 3 тока. Полная энергия светового импульса равна

ТИ

w a= j P(t)dt,

о

где Р (/) — мощность излучения, т(1—длительность им­ пульса излучения. Обозначим i\(t) отклик регистрирую­ щей системы на входной сигнал типа 8-функции, тогда выражение для фототока приемника будет определяться сверткой

где т — постоянная времени приемника. Полное из­ менение заряда конденсатора равно

О0 0

где С — емкость копденсатора, ДU — изменение напря­ жения на конденсаторе, tü — полное время измерения. Пределы интегрирования можно положить равными 0 и со, так как подынтегральная функция отлична от нуля

о

ния энергии. Видно, что изменение напряжения на кон­

50

достигнут анода, важно только, чтобы все фотоэлектроны достигли анода. Это требование выполняется, если рабо­ тать при напряжениях, соответствующих режиму насы­ щения для фотоприемника. Этим же объясняется необ­

характеристик непрерывного излучения, в систему сле­ дует включать ослабители иеселективного типа и инте­ граторы для устранения влияния малого динамического диапазона фотоприемника и неоднородности его зонной характеристики.

Качество измерений определяется минимальными то­ ками утечки конденсатора. В практической работе сле­ дует пользоваться фотоэлементами, с малым темповым током, конденсаторами с малыми утечками, хорошими изоляторами. Можно рекомендовать использовать фото­ элементы типа Ф-9 или Ф-13 с многощелочиым катодом (темновой ток порядка ІО-13—ІО-14 а) и конденсаторы типа ПСО с сопротивлением изоляции больше чем 5 - ІО10 ом.

Чувствительность такого метода измерения доходит до 10~5 дою. Увеличение чувствительности системы может быть достигнуто при использовании в качестве приемни­ ков фотоумножителей [49].

Для измерения энергии отдельного импульса излу­ чения ОКГ, работающего в режиме повторяющихся импульсов, метод может быть использован в следующем

Если известно число импульсов излучения или период повторения импульсов излучения T = t0/N, то энергию отдельного импульса можно рассчитать по формуле

2. Измерение энергии импульсов излучения ОКГ мо жет выполняться пиковым вольтметром, на входе кото­ рого включается интегрирующая цепь RC, причем по­ стоянная времени этой цепи должна быть много больше длительности импульса [1]

RC ^> \.

51

На вход фотоприемника действует излучение мощ­ ностью Р (і), на выходе фотоприемника будем иметь фототок

брать максимальную величину £/рер. Это осуществляется пиковым вольтметром.

Этот метод измерения не предъявляет жестких требо­ ваний к постоянной времени фотоприемника гцр, нужно только, чтобы тцр было меньше постоянной времени ин­ тегрирующей цепи iRB.

Для измерения энергии одиночного импульса в слу­

и для всяких -измерений с фотоэлектрическими приемни­ ками, измерительная система должна включать осла­ битель и интегратор.

3. Измерение энергии импульсов излучения ОКГ м жет выполняться с помощью фотоэлектрического прием­ ника и осциллографа. Измеряемой величиной в этом случае является площадь импульса, зарегистрированного на осциллографе [50]. Следует отметить, что при измере­ нии энергии импульса временнбе разрешение аппаратуры не играет роли. Действительно, если принять, что по­ стоянная времеии всей регистрирующей системы, вклю­

52

чающей приемник и осциллограф, tpop, то имеем для светового сигнала Р (t)

"tper

Р (t) с откликом системы т) (t) на сигнал типа 8-функции. Пределы интегрирования можно положить равными О, оо, если принять t0 ^> троР ^ ти. По свойству свертки будем иметь

00 СО

ж на6л = 5^(0) de \p (t)d t = -nWB,

иÜ

с о

где J т] (0) dO = 7) определяет нормировку, или шкалу

о

измерения энергий. Таким образом, при соответствующей градуировке выполняется измерение энергии импульса излучения.

В случае серии импульсов излучения этот метод пол­ ностью пригоден, если выполнено условие

т п Т р а г <^t0,

т. е. постоянная времени регистрирующей системы треР должна быть больше длительности импульса тд и меньше длительности периода Т следования импульсов, а время регистрации t0 должно превосходить все эти характер­ ные времена. В этом случае на экране осциллографа регистрируется несколько импульсов, причем эти им­ пульсы не налагаются друг на друга.

Касаясь общей характеристики метода измерения с фотоэлектрическим приемником и осциллографом, сле­ дует указать, что могут использоваться любые фотоэлек­ трические приемники с подходящими временными характеристиками и с линейными световыми характеристи­ ками. Отрицательным моментом измерений является ма­ лый динамический диапазон измерений, ограниченный областью линейного участка на экране электронно-лу­ чевой трубки. Расширение динамического диапазона мо­ жет быть осуществлено при использовании разветвителей с соответствующими ослабителями [51]. Электрический

53

сигнал делится, например, на три канала. В первом канале нет ослабления сигнала, во втором имеется ослаб­ ление, в третьем — еще большее ослабление. Длина линий L2 и L3 подбирается такой, чтобы сигналы на выходе были разделены во времени. Эти сигналы по­ даются на вход осциллографа, иа экране наблюдают три импульса разной амплитуды. Работа производится с тем из них, который попадает в динамический диапазон осциллографа. Разветвители и ослабители рассчиты­ ваются из условия согласования сопротивлений с ка­ бельной линией. В каждую ветвь разветвителя на п каналов последовательно включается сопротивление R. Для кабеля с волповым сопротивлением 75 ом имеем (в олі)

Для ослабителя Т-образпого типа с коэффициентом ослаб­ ления к имеем

Для ослабителя П-образиого типа с коэффициентом ослабления к имеем

По чувствительности измерений метод в значительной степени превосходит все остальные, так как здесь воз­ можно усиление сигналов при использовании усилите­ лей, разумеется, с соответствующими временными ха­ рактеристиками [50].

Измерение пиковой мощности импульсов излучения

ОКГ. Проблема измерения мощности излучения ОКГ теснейшим образом переплетается с проблемой измерения временных характеристик излучения, с проблемой изме­ рения распределения мощности излучения во времени, решение которой будет рассмотрено специально дальше. Здесь ограничимся кратким описанием общей схемы метода измерения пиковой мощности импульсов излу­ чения [1, 2].

Система должна включать ослабитель мощности из­ лучения, так как динамический диапазон фотоэлектри­ ческих приемников и осциллографов невелик. Этот осла­

54

*

битель должен допускать градуировку и по возможности быть неселективным, по крайней мере в рабочем диапа­ зоне приемника.

Второй обязательный элемент регистрирующей си­ стемы — интегратор, предназначенный для устранения влияния неравномерности зонной характеристики фото­ электрического приемника как в отношении мощности излучения, так и в отношении его поляризации.

Третий элемент — собственно фотоприемник. Четвертый элемент — регистрирующая система. Этим

элементом может являться либо пиковый вольтметр, либо осциллограф.

Следует отметить, что для регистрации пиковой мощ­ ности излучения, т. е. для регистрации формы сигнала, временное разрешение аппаратуры, включая все составные элементы, должно быть достаточным, так как в противном случае будет наблюдаться искажение сигналов, что будет вносить в измерения систематическую ошибку, завися­ щую от длительности сигнала.

Для обеспечения высокого временного разрешения, т. е. широкополосности измерительной системы (~109— ІО10 гц), требуется исключить усилительные системы, которые не могут обеспечить такую широкую полосу. Вся измерительная система в этом случае должна пред­ ставлять единую коаксиальную линию от фотоэлектри­ ческого приемника до отклоняющих пластин электронно­ лучевой трубки. Фотоэлектрический приемник должен обеспечить на сопротивлении линии достаточно высокое напряжение, так как изучение малых временных интер­ валов требует высоких ускоряющих напряжений элек­ тронно-лучевой трубки для обеспечения яркости, прием­ лемой для фотографирования. Именно для этого варианта измерения были разработаны коаксиальные фотоэле­ менты (табл. 5) и соответствующие фотоумножители (табл. 6)..

Измерение пиковой мощности излучения для серии импульсов также может выполняться рассмотренными системами. Если возможна синхронизация работы реги­ стрирующей системы с исследуемым излучением и харак­ теристики излучения воспроизводимы, то измерения сво­ дятся к исследованию статических характеристик, за­ регистрированных приборами.

В заключение этого раздела приводятся некоторые параметры наиболее широкополосных осциллографов и

55

Т а б л и ц а 10

нение в измерительной технике (табл. 10) [52], и некото­ рые характеристики выпускаемых промышленностью фотоэлектрических измерителей энергии и мощности им­ пульсов излучения (табл. 11) [25].

56

*

г) Пределы изменяются в зависимости от исследуемой области

спектра.

§ 4. Пондермоторные измерители энергетических характеристик

на приемную площадку 1, расположенную на коромысле крутильного маятника, подвешенного в точке О. На этом же коромысле расположены противовес 2 и индика­ торное зеркальце 3. Угол поворота подвеса регистри­ руется по смещению светового зайчика, создаваемого источником света 4 и направляемого индикаторным зер­ кальцем па шкалу 5 [54, 55].

Преимущества пондермоторных измерителей следую­ щие [1]:

1) системы пригодны для работы в широкой области спектра, так как любое электромагнитное излучение оказывает давление на приемную площадку, 2) приборы допускают проведение абсолютной градуировки и потому с ними можно выполнять абсолютные измерения; 3) пон­ дермоторные системы пригодны для измерения больших мощностей и энергий, так как приемные элементы могут быть сделаны малопоглощающими; 4) пондермоторные измерители обладают линейной световой характеристикой.

57

К недостаткам пондермоторных систем относятся: малая чувствительность, обусловленная малостью эф­ фекта давления света, большая постоянная времени, обусловленная механической инерцией системы.

Методы работы с нондермоториымн измерителями. Будем считать, что приемная площадка измерителя ха­ рактеризуется коэффициентом отражения р и коэффи­ циентом пропускания т. При действии излучения мощ­ ностью Р (t) на приемную площадку будут действовать сила F (/.)отр, обусловленная излучением, которое отража­

ется от приемной площадки

и сила F (і)„ог, обусловлен­ ная излучением, которое по­ глощается в приемной пло­ щадке

площадку, не вызывает давления. Полная сила, дейст­ вующая на приемный элемент, равна

Р(1)

Р ( 0 = ( і + Р — о

Эта сила вызывает вращающий момент М {t)=F (t)l, действующий на крутильный маятник, I — плечо прило­ жения силы (рис. 15). Кроме того, на крутильный маят­

где G7 — момент инерции маятника, а — показатель за­ тухания, а—у.І'ІЗ, и со — частота, uP^D/^7. Начальные

58

т: е. в начальный момент угол поворота маятника, ско­ рость вращения маятника и момент внешней силы равны нулю.

Решение уравнения движения имеет вид

Действию излучения ОКГ непрерывного действия мощностью Рп па пондермоториый приемник соответ­ ствует вращающий момент М п. Имеем

к равновесному положению с уменьшением амплитуды колебания, т. е. lim (ехр [X, 2і]} = 0. В статическом

t-> СО

установившемся режиме, соответствующем большим вре­ менам измерения (t -> оо),

Учитывая, что Af0= (l-f-р— т) Р01/с, имеем

‘Р - ( о о ) = ( 1 Ң - р — X ) ^ .

Таким образом, при измерениях характеристик ОКГ непрерывного действия угол поворота маятника <р= (сю) пропорционален падающей оптической мощности Р0: <р= (оо)=а^Р0, где а== (1 + р— т) ЦсБ.

59