ЛЕК Устр и действ / Устройство и действие Л-3

«Устройство и действие лазерных систем»

Лекция 3: Технические параметры лазеров

Технические параметры лазеров

Лазерные параметры

Во многих приложениях, включая промышленные, медицинские, военные и научные, знание только мощности или энергии лазера часто не достаточно для адекватной оценки его (лазера) возможностей, и становится необходимой информация о многих других параметрах лазерного излучения. Кроме того, мы также заинтересованы в знании, как это параметры меняются, как лазерный луч проходит через атмосферу. Например, в случае с лазерным целеуказателем, в дополнение к лазерной энергии в импульсе и его длительности, расходимость пучка является еще одним важным параметром, определяющим рабочий диапазон системы. С другой стороны, в случае лазера, предназначенного для применения спектроскопии, ширина линии и стабильность длины волны являются параметрами, которые требуют особого внимания. В следующих разделах будут обсуждены важные параметры, в которых заинтересованы как разработчики, так и потребители лазерных систем:

1.Длина волны

2.Непрерывная (CW) мощность (непрерывные лазеры)

3.Пиковая мощность (импульсных лазеров)

4.Средняя мощность (импульсных лазеров)

5.Энергии импульса (импульсные лазеры)

6.Частота повторения (импульсные лазеры)

7.Длительность импульса (импульсные лазеры)

8.Коэффициент заполнения (скважность) (импульсные лазеры)

9.Форма импульса

10.Интенсивность излучения

11.Яркость

12.Расходимость пучка

13.Размер пятна

14.Значение М2

15.Эффективность «от розетки».

Технические параметры лазеров

Длина волны

Длина волны, конечно, первый и основной параметр, по которому лазеры идентифицироваются и классифицируются. Есть лазеры, которые излучают в более чем одну длину волны, однако. Так Nd: YAG всегда излучает свет с длиной волны 1064 нм, гелий-неоновый лазер может излучать в 632,8 нм, 543 нм, 1150 нм и 3390 нм. Есть некоторые лазеры, длина волны которых могут быть регулируема внутри определенной полосы. К этой категории принадлежат твердотельные лазеры, лазеры на красителях и лазеры на свободных электронах. Таблица перечисляет длины волн некоторых известных

Технические параметры лазеров

Мощность непрерывного (CW) излучения.

Типичный уровень мощности непрерывного (CW) излучения лазера может варьироваться от доли милливатта в гелий-неоновых лазера или полупроводниковых (диодных) лазеров, используемых в лазерных указках до сотен киловатт или даже нескольких мегаватт в мощных лазерах. Другие параметры излучения, такие как пиковая мощность или средняя мощность определяется для импульсных лазеров.

Пиковая мощность

Пиковая мощность является самым высоким значением мгновенной оптической мощности в лазерном импульсе (рис.). Хотя пиковая мощность достигается только в течение времени, которое по сути является небольшой частью длительности импульса, для оценочных расчетов можно распространить это значение на всю длительность импульса. Это значительно упрощает оценки средней мощности и энергетические расчеты.

Пиковая мощность имеет особое значение для некоторых лазерных систем, таких как лазерные дальномеры и лазерной целеуказатели, так как это один из важных параметров, определяющих максимальную эксплуатационную даль-

ность этих систем. Пиковая мощность в случае военных лазерных дальномеров и целеуказателей получаемая в режимах модуляции добротности резонаторов твердотельных лазеров находится в диапазоне 1-10 МВт.

Средняя мощность

Средняя мощность является произведением пиковой мощности и скважности (рис. 2.4). Она также может быть записана в виде произведение энергии импульса и частоты повторения. Лазерный целеуказатель с энергией импульса 100 МДж и длительностью 20 нс при частоте повторения 20 импульсов в секунду (PPS) будет иметь пиковую мощность и среднюю техническую мощности как 5 МВт и 2 Вт, соответственно.

Технические параметры лазеров

Энергия импульса

Энергия импульса определяется для импульсных лазеров. Это на самом деле площадь под графиком мощности в зависимости от времени на кривой лазерного импульса. Если лазерные импульсы рассматриваются как прямоугольные с амплитудой, равной пиковой мощности, энергия импульса является произведением пиковой мощности на длительность импульса. Если лазерный импульс (который имеет гауссов профиль) аппроксимируется как равнобедренный треугольник, как показано на рисунке, а длительность импульса измеряется как полная ширина в точках на половине пиковой мощности, площадь под кривой определяется как произведение пиковой мощности на длительности импульса.

Частота повторения

Частота повторения импульсов, импульсного лазера это число импульсов, излучаемых за секунду. Она равна обратной величине временного интервала между двумя последовательными лазерными импульсами. Частота повторения имеет особое значение в лазерных системах, таких как лазерные целеуказатели, используемые высокоточных систем вооружения.

Длительность импульса

Ширина импульса (или длительность импульса в случае импульсного лазера) обычно измеряется как полная ширина на половине максимума (FWHM), как показано на рисунке. Длительность импульса тесно

связано с шириной полосы частоты спектральной линии.

Чем меньше длительность импульса, тем шире требуемая полоса частоты. На самом деле, принцип неопределенности Гейзенберга устанавливает ограничения на минимально возможную длительность лазерного импульса при заданном значении ширины спектральной линии. То есть:

τp= 0.441/В, где: τp – минимальная длина импульса излучения, В - ширина спектральной линии

Технические параметры лазеров

Длительность импульса может быть от нескольких фемтосекунд (10-15секунды) до сотни фемтосекунд в случае синхронизации мод лазера, от нескольких наносекунд до нескольких десятков наносекунд в случае модулирования добротности резонаторов твердотельных лазеров, и от несколько десятков микросекунд до сотен микросекунд в режиме свободной генерации. Значение 0,441 известно как произведение длительности импульса на ширину спектра (time-bandwidth product of the pulse), и варьируется в зависимости от формы импульса. Для лазеров со сверхкороткими импульсами форма импульса часто имеет форму квадрата гиперболического секанса (sech2), что соответствует интервалу импульса генерации 0,315.

Коэффициент заполнения (скважность)

Коэффициент заполнения вычисляется как отношение длины импульса к интервалу времени между двумя последовательными импульсами (рис.). Скважность в случае лазерного целеуказателя излучающего 20 ns - лазерные импульсы с частотой повторения 20 импульсов в секунду равна

0.0000004. Пиковая мощность (Pp), средняя мощность (Pa), длительность импульса (τp), энергия

импульса (Ep), частота повторения (fp) и скважность (dp) взаимосвязаны. Следующие математические выражения обобщают их взаимосвязь:

Ep = Pp × τp

Pa = Pp × dp = Ep × fp Pp = Ep / τp

dp = τp × fp

Технические параметры лазеров

Времена нарастания и снижения уровня излучения

Времена нарастания и снижения уровня излучения определяются как продолжительности времени между 10% до 90% от пиковой амплитуды импульса во время нарастания и снижения лазерного импульса, соответственно (Рис.). Время нарастания импульса становится особенно важно при проектировании оптико-электрон- ные интерфейсных схем для преобразования импульса лазерного излучения в эквивалентный электрический сигнал. Ширина полосы частот пропускания преобразо- ва-теля тока в напряжение должна соответствовать времени нарастания импульса. Например, для 10 нс – лазерного импульса с длительностью нарастания фронта 2 нс не только необходим оптический датчик с временным разрешением равным или лучшим 2 нс, но и предусилитель используемый для преобразования

фототока в импульс эквивалентного напряжения также должен иметь соответствующую полосу пропускания, чтобы точно воспроизвести реальный импульс излучения.

Интенсивность (плотность) излучения

Интенсивность излучения, определяется как плотность мощности, т.е. мощность лазерного излучения приходящая на единицу площади цели. Это выражается в единицах ватт/м2. Этот параметр особенно важен, когда лазерное излучение используется для освещения приемных систем. В действительности интенсивность излучения лазера дошедшая до цели зависит от приемной апертуры и оптической системы формирования поток света в плоскости приемника. Типичный пример, где этот параметр является исключительно важным, это использование мощной лазерной системы для поражения электрооптических сенсоров высокоточного оружия, (военные дальномеры, головки самонаведения видимого и инфракрасного диапазона, целеуказатели и сенсоры слежения за целями. Для этого лазерный источник должен обеспечить определенный минимальный уровень интенсивности в плоскости приемной площадки сенсора, обеспечивающий вывод его из строя.

Технические параметры лазеров

Яркость

Яркость, обычно определяется по отношению к лазерному излучению. Она равна интенсивности излучения на единицу площади в единице телесного угла, выраженное в ватт/(м2×ср). Для малых

значений угла, плоский угол θ связан с телесным углом Ω как Ω = (π/ 4)θ2. Совершенно

очевидно, что небольшой диаметр выходного пучка и низкая расходимость обеспечивают более высокую яркость лазерного излучения.

Расходимость

Расходимость лазерного луча является показателем его расширения при прохождении от источника.

Она зависит от длины волны λ и размера выходной оптики. Если d - диаметр выходной апертуры источника, то угловая расходимость

θ = (1.22 × λ)/d, где θ– угловая расходимость в радианах.

Для заданного значения λ, увеличение d приводит к уменьшению расходимости. Определяемая таким образом расходимость - это минимальное значение которое может иметь лазерный луч, при

условии, при условии его работы на одной поперечной моде TEM00. В случае наличия поперечных мод более высокого порядка, расходимость пучка быстро возрастает. Значение расходимости

определяет размер пятна в дальнем поле. Если θ - полный угол расходимости в радианах и D - диаметр пятна на расстоянии R (м) (рис.), то θ = (d/R) при условии, что значение θ очень

мало. Если R измеряется в километрах, а d в метрах, то значения θ будут в миллирадианах.

Точное выражение для диаметра пятна D определяется по формуле: D = d + θ × R

Величина D приближается к θ × R при больших значениях R.

Технические параметры лазеров

Расходимость лазерного луча является одним из важных лазерных параметров, определяющих максимальные эксплуатационные возможности многих лазерных систем, таких как лазерные дальномеры, лазерные целеуказатели, мощные лазеры и др. Именно расходимость определяет диаметр пятна на цели и, следовательно, и интенсивность (плотность мощности), а от нее (интенсивности), а не от абсолютного значения мощности, поступающей в приемный канал этих систем, зависит степень воздействия излучения на чувствительные сенсоры. Когда расходящийся лазерный луч падает на положительную линзу, диаметр сфокусированного пятна определяется фокусным расстоянием объектива и расходимостью лазерного излучения. Для заданного фокусного расстояния, сфокусированный размер пятна, следовательно, является функцией расходимости падающего лазерного луча.

Размер пятна

Размер пятна или диаметр луча определяется как расстояние по центру пучка, для которых интенсивность снижается до

0,135 (=1/e2) от

максимальной интенсивности в центре пятна (рис.). Это означает, что если лазерный луч диаметром

2r, как определено выше, про-

пустить через отверстие равного диаметра, причем центр луча совпадает с центром отверстия, то не все мощность лазера пройдет через него. На самом деле, мощ-

ность, прошедшая через отверстие через отверстие может быть вычислена как:

Рт = 1 – exp[-2 (r/ω)2] , где r- радиус диафрагмы и ω- радиус пятна.

Технические параметры лазеров

Величина M2

Значение М2 является мерой оптического качества пучка. Когда лазерный луч проходит через пространство, его расходимость в случае несфокусированного чистого гауссова пучка задается выражением 4λ/πD, где D является минимальный диаметр. В случае реальных лучей расходимость выше из-за различных факторов, таких как, например) наличие дополнительных мод, неоднородность среды и др. Тогда уравнение для расходимости можно записать как М2 × 4λ/πD, где М2> 1.

Поэтому М2определяется как отношение расходимости реального пучка к теоретической величине расходимости дифракционного луча той же апертуры с гауссовым профилем (мода ТЕМ00). Это определение в отношении распространения лазерного луча упоминается в стандарте ISO-11146. Кроме того, чем ближе реальный луч к дифракционному, тем более точно он может быть направлен ​​итем больше глубина резкости и меньше оптический размер луча. Размер фокусного пятна в случае

реального пучка в М2раз больше размера фокусного пятна чисто гауссова пучка. Кроме того, угловой размер реального пучка в дальней зоне в М2 раза больше, чем идеального гауссова пучка (рис.).